洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

劉 強, 秦 毅, 李國棟, 劉 哲, 程道君, 趙英虎

(1. 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2. 天津市水務(wù)局，天津 300074)

洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

劉 強1, 秦 毅1, 李國棟1, 劉 哲2, 程道君2, 趙英虎2

(1. 西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048; 2. 天津市水務(wù)局，天津 300074)

針對復(fù)雜的實時水、雨、工情條件，開展任意水文及潰口條件下洪水淹沒動態(tài)分析模型研究與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，對實際防汛減災(zāi)工作具有重要的作用?；诙S淺水方程，運用Godunov型非結(jié)構(gòu)有限體積法，建立了適應(yīng)復(fù)雜地形的洪水演進(jìn)水動力學(xué)模型；針對潰堤洪水演進(jìn)特點，通過優(yōu)化模型算法，顯著提高了程序計算效率；采用面向服務(wù)架構(gòu)，考慮模型-系統(tǒng)的松耦合性，開發(fā)了基于GIS平臺的洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)；衛(wèi)河右堤潰堤洪水模擬案例表明，本系統(tǒng)具有較好的計算穩(wěn)定性和效率，在防汛應(yīng)急決策支持方面具有較好的應(yīng)用前景。

洪水風(fēng)險；動態(tài)分析；水動力學(xué)；潰堤；系統(tǒng)開發(fā)

洪水風(fēng)險圖編制是落實防汛工作從“控制洪水”向“洪水管理”轉(zhuǎn)變的重要基礎(chǔ)支撐，對降低洪水災(zāi)害至關(guān)重要。中國在2013-2015年度實施了全國重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖編制項目。在項目實施過程中，通過分析典型水文組合和潰口位置，確定計算方案集，并針對這些特定的方案進(jìn)行洪水分析計算。這些洪水分析方案具有較強的代表性，可為防汛工作提供參考。但在實際工作中，水、雨、工情條件非常復(fù)雜且多變，實際汛情與已有的特定計算方案情景可能差別較大，極大制約了洪水風(fēng)險圖的實際應(yīng)用效果。

自然災(zāi)害風(fēng)險具有動態(tài)變化的特性，模型關(guān)鍵約束條件、計算結(jié)果等隨時間約束變化而產(chǎn)生明顯變化[1]。近年來，針對洪澇災(zāi)害的業(yè)務(wù)與應(yīng)用系統(tǒng)得到了大量研究[2-9]。洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)可針對任意水文及潰口條件進(jìn)行快速、滾動計算，為防汛決策等提供動態(tài)、實時的洪水淹沒信息，是洪水風(fēng)險圖編制項目的重要補充內(nèi)容。然而，受資料條件、計算機發(fā)展水平、數(shù)學(xué)模型等方面的制約，我國目前尚未廣泛建設(shè)洪水演進(jìn)實時計算系統(tǒng)。隨著全國重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖編制項目的完成，各編制區(qū)域資料齊全，為順利開展洪水演進(jìn)實時計算系統(tǒng)建設(shè)提供了重要保障。

本文基于二維淺水方程，運用Godunov型非結(jié)構(gòu)有限體積法，建立了適應(yīng)復(fù)雜地形的洪水演進(jìn)水動力學(xué)模型；針對潰堤洪水演進(jìn)特點，通過優(yōu)化模型算法，采用自適應(yīng)時間步長技術(shù)，顯著提高了程序計算效率；采用面向服務(wù)架構(gòu)，考慮模型-系統(tǒng)的松耦合性，開發(fā)了基于GIS平臺的洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)。

1 洪水淹沒分析模型

1.1 控制方程

采用二維淺水方程作為控制方程[10]：

(1)

式中：U為守恒向量；Eadv、Gadv分別為x、y方向的對流通量向量；S為源項向量。

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：h為水深；u、v分別為x、y方向流速；b為底高程；r為降雨強度；i為入滲強度；g為重力加速度；Sfx、Sfy分別為x、y方向的摩阻斜率；S0x、S0y分別為x、y方向的底坡斜率。

(6)

采用Manning公式計算摩阻斜率：

(7)

1.2 數(shù)值求解

采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散[11]：

(8)

采用HLLC近似黎曼求解器計算數(shù)值通量[12]：

(9)

采用單元中心型近似方法處理底坡項：

(10)

(11)

采用自適應(yīng)時間步長技術(shù)，以提高模型計算效率：

(12)

式中：Δt為時間步長；Cr為克朗(Courant)數(shù)，0

傳統(tǒng)洪水淹沒分析模型一般采用固定時間步長，為了保證整個模擬周期的計算穩(wěn)定性，需要給定一個統(tǒng)一、固定、較小的時間步長。本模型通過動態(tài)分析水流狀態(tài)，按照克朗數(shù)自適應(yīng)控制時間步長，有效提高了模型計算效率。

摩阻項與干濕界面處理對模型計算穩(wěn)定性和效率有顯著影響[12]。本文采用半隱式格式處理摩阻項，基于斜底三角單元模型處理干濕界面，實現(xiàn)了適應(yīng)復(fù)雜地形的動邊界模擬[10]。

2 洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)的業(yè)務(wù)特點和需求，采用C/S(客戶端/服務(wù)器)和B/S(瀏覽器/服務(wù)器)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式。其中，網(wǎng)格剖分、洪水淹沒動態(tài)分析的計算過程較為復(fù)雜，因此該功能在C/S結(jié)構(gòu)模式下實現(xiàn)，具有存取數(shù)據(jù)安全、處理速度快、交互性較強等優(yōu)點[7]。B/S結(jié)構(gòu)在信息瀏覽、發(fā)布等方面具有較大優(yōu)勢，因此，網(wǎng)格可視化、洪水淹沒分析結(jié)果查詢、展示等功能在B/S結(jié)構(gòu)模式下實現(xiàn)，有利于防汛會商應(yīng)用。

根據(jù)松耦合模型驅(qū)動決策支持系統(tǒng)(Loose coupling Model-driven Decision Support System，簡稱LCMD-DSS)的概念[8]，將洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)分為三層：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)模型層和用戶交互層(圖1)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層為洪水淹沒動態(tài)分析提供信息支撐，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、防洪工程數(shù)據(jù)、歷史洪水?dāng)?shù)據(jù)等。業(yè)務(wù)模型層包括信息查詢與管理、計算方案制定、在線動態(tài)計算、淹沒過程動畫展示、洪水風(fēng)險圖繪制等模塊。用戶交互層由人機交互界面組成，直觀反映系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型層中的各模塊功能。

圖1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)功能

3.1 信息查詢與管理模塊

信息查詢與管理模塊包括基礎(chǔ)地理信息、水情信息、雨情信息、工情信息、歷史洪水信息、計算方案支持?jǐn)?shù)據(jù)等子模塊。

(1)基礎(chǔ)地理信息子模塊提供整個計算區(qū)域地圖的放大、縮小、漫游、水利工程查詢、定位等功能，它以電子地圖為底圖，圖層包括流域界、省界、市界、縣界、干流、一級支流、水庫、堤防、水文站、雨量站等，方便相關(guān)人員迅速了解流域防洪概況。

(2)水情、雨情、工情信息子模塊可實現(xiàn)對歷史的水雨工情信息檢索與分析功能，能快速提供多種水位、雨量、流量的統(tǒng)計、對比圖表信息。具備條件的區(qū)域，可通過該模塊實時監(jiān)視重要控制性河道站、水庫站、雨量站的水位、雨量等，方便相關(guān)人員迅速把握目前防汛形勢。

(3)歷史洪水信息子模塊提供區(qū)域內(nèi)重要站點歷史洪水的水位、流量信息。

(4)計算方案支持?jǐn)?shù)據(jù)子模塊提供洪水淹沒分析模型所需要的網(wǎng)格、邊界條件、計算參數(shù)等信息。

3.2 洪水淹沒動態(tài)分析模塊

在洪水淹沒動態(tài)分析模塊中，用戶根據(jù)當(dāng)前的水情、雨情、工情條件，合理確定水文條件組合和可能潰決的堤段，利用水動力模型進(jìn)行洪水演進(jìn)計算，分析受淹沒區(qū)域，得到相應(yīng)的洪水風(fēng)險信息。

(1)計算方案管理。可增加、刪除、加載計算方案。

(2)網(wǎng)格導(dǎo)入。將水動力模型的計算網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為shp格式并加載到系統(tǒng)中進(jìn)行可視化，可顯示網(wǎng)格的單元編號、節(jié)點編號等。

(3)邊界條件設(shè)置。邊界條件設(shè)置包括入流/出流邊界位置、水文過程序列等。邊界位置通過網(wǎng)格節(jié)點編號序列定義，即在系統(tǒng)中選取一系列相鄰的節(jié)點，并定義為邊界即可。水文過程序列包括水位/流量過程，或水位-流量關(guān)系曲線。系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)導(dǎo)入接口，實現(xiàn)了水文過程序列的導(dǎo)入、編輯、保存等功能。

(4)參數(shù)設(shè)置。與水動力學(xué)模型相關(guān)的參數(shù)包括模擬時段長度、結(jié)果輸出時間間隔、采樣時間間隔等。

(5)啟動模型計算。邊界條件和參數(shù)設(shè)置完成后，即可啟動模型計算，進(jìn)行洪水演進(jìn)快速模擬，并輸出最大淹沒水深、洪水流速、洪水到達(dá)時間、淹沒歷時等洪水風(fēng)險信息。

3.3 洪水風(fēng)險圖繪制模塊

洪水風(fēng)險圖繪制模塊包括淹沒過程動畫展示、專題圖繪制等功能。

(1)淹沒過程動畫展示。在2D/3DGIS平臺上實現(xiàn)了不同時刻計算結(jié)果的渲染，并以動畫形式進(jìn)行洪水演進(jìn)仿真，形象、生動的表達(dá)洪水傳播和淹沒過程。

(2)專題圖繪制。針對水動力模型的洪水風(fēng)險計算結(jié)果，繪制最大淹沒水深圖、洪水流速圖、洪水到達(dá)時間圖、淹沒歷時圖等，并提供成果圖輸出、打印等功能。

4 系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)與實現(xiàn)

考慮已有工作基礎(chǔ)以及程序計算效率，采用Fortran動態(tài)鏈接庫(DLL)進(jìn)行洪水淹沒分析模型開發(fā)，提供相應(yīng)的DLL程序用于模型集成。

洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)，采用C#和GIS平臺進(jìn)行開發(fā)。為提高軟件模塊的重用性和共享性，采用組件技術(shù)，將底層模塊進(jìn)行應(yīng)用組件封裝，通過組合應(yīng)用組件進(jìn)行系統(tǒng)搭建[13, 14]。

以參數(shù)設(shè)置為例，系統(tǒng)界面如圖2所示。

5 應(yīng)用實例

5.1 研究區(qū)域基本情況

選取衛(wèi)河右堤防洪保護(hù)區(qū)為研究區(qū)域。該區(qū)域?qū)儆?014年度海河流域重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖編制區(qū)域，可為本系統(tǒng)建設(shè)提供重要基礎(chǔ)資料。網(wǎng)格剖分見圖3所示，地形見圖4。建模區(qū)域面積為9 562km2，網(wǎng)格邊長按200 ～350m控制，網(wǎng)格數(shù)量為179 296，網(wǎng)格平均面積為0.053km2。

5.2 計算工況

模擬了衛(wèi)河右堤100年一遇設(shè)計洪水、現(xiàn)狀條件東營鎮(zhèn)潰口的潰堤洪水演進(jìn)過程。潰口流量過程如圖5所示，潰口流量最大值為496m3/s，潰口進(jìn)洪歷時為263h，為了模擬潰堤洪水在保護(hù)區(qū)內(nèi)的傳播過程，模擬時間為878h，即t=264 ～878h時段內(nèi)，潰口流量為0。

5.3 模型合理性分析

洪水淹沒模型是本系統(tǒng)的核心。為檢驗洪水淹沒模型的可靠性，通過洪水演進(jìn)過程和水量守恒兩方面進(jìn)行模型計算結(jié)果合理性分析。

(1)洪水演進(jìn)過程

圖6為不同時刻的淹沒水深計算結(jié)果，合理反映了潰堤洪水淹沒過程。洪水傳播過程符合區(qū)域地形特征和自然水流運動規(guī)律。

圖2 系統(tǒng)界面圖：參數(shù)設(shè)置

圖3 網(wǎng)格剖分圖

圖4 網(wǎng)格地形示意圖

圖5 潰口流量過程圖

(2)水量守恒分析

圖7為水量過程驗證結(jié)果。由結(jié)果可知，保護(hù)區(qū)內(nèi)的水量與潰口進(jìn)入保護(hù)區(qū)的水量相等，表明模型具有很好的水量守恒性。模擬結(jié)束時刻，水量絕對誤差為8萬m3，水量相對誤差為0.017%。

圖7 水量過程驗證圖

5.4 與MIKE21計算結(jié)果對比

2014年度海河流域重點地區(qū)洪水風(fēng)險圖項目針對本區(qū)域采用MIKE21軟件進(jìn)行了洪水分析，并繪制了洪水風(fēng)險圖。將本文提出的洪水淹沒模型計算結(jié)果與MIKE21模型結(jié)果進(jìn)行對比，見表1所示。由結(jié)果對比可知，本模型的淹沒面積與MIKE21計算結(jié)果接近，驗證了本模型的可靠性。

表1 淹沒面積對比

5.5 計算效率分析

在同一臺計算機以及相同計算環(huán)境下(i5-2400CPU，4GB內(nèi)存)，模擬878h的洪水過程，本模型與MIKE21模型的計算效率對比如下：

(1)MIKE21計算網(wǎng)格數(shù)量為168 277，計算耗時約22h，即平均每1h模擬洪水演進(jìn)過程40.7h；

(2)本文模型計算網(wǎng)格數(shù)量為179 296，計算耗時情況為：t=0～263h為潰口進(jìn)洪時段(潰口流量>0)，本文模型計算耗時11min；t=263～898h為洪水?dāng)U散時段(潰口流量=0)，本文模型耗時1.5h，即本模型模擬整個洪水演進(jìn)過程，共耗時1.7h，即平均每1h模擬洪水演進(jìn)過程22d，表明本文提出的洪水淹沒模型計算效率更高，可滿足實時分析需求。

5.6 系統(tǒng)展示

繪制系統(tǒng)將洪水淹沒計算結(jié)果進(jìn)行渲染和展示。圖8為最大淹沒水深渲染效果(為了清晰展示水深渲染圖，取消了基礎(chǔ)圖層的疊加展示)。

圖8 系統(tǒng)結(jié)果展示示意圖

6 結(jié)論

針對復(fù)雜的實時水、雨、工情條件，基于二維淺水方程，運用Godunov型非結(jié)構(gòu)有限體積法，建立了適應(yīng)復(fù)雜地形的洪水演進(jìn)水動力學(xué)模型?；诿嫦蚍?wù)架構(gòu)，采用Fortran動態(tài)鏈接庫(DLL)進(jìn)行洪水淹沒分析模型開發(fā)，采用C#和GIS

平臺進(jìn)行洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)開發(fā)與集成。本文建立的洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)具有計算方案制定、在線動態(tài)計算、動畫展示、風(fēng)險圖繪制等功能，可實現(xiàn)任意水文條件、任意位置潰口的在線快速計算，在防汛應(yīng)急決策支持方面具有較好的應(yīng)用前景。

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DesignandDevelopmentofanOn-lineFloodSimulationSystem

LIU Qiang1, QIN Yi1, LI Guodong1, LIU Zhe2, CHENG Daojun2and ZHAO Yinghu2

(1.Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China; 2.TianjinWaterAuthority,Tianjin300074,China)

Accordingtothecomplexreal-timewatersituation,thereal-timesimulationoflarge-scalefloodsisveryimportantforfloodpreventionpractice.Weproposeatwo-dimensionalshallowwatermodelbasedonunstructuredGodunov-typefinitevolumemethod.Anadaptivemethodisproposedtoimprovetherunningefficiencyoftheshallow-watermodel.AGIS-basedon-linefloodsimulationsystemisdevelopedbyusingtheservice-orientedframework.Theproposedsystemisusedforlarge-scalefloodssimulationonrealtopography.ResultscomparedtothoseofMIKE21showthewellperformanceoftheproposedmodelwithbrightprospect.

floodrisk;On-linesimulation;hydrodynamics;dyke-break;systemdevelopment

2016-07-26

2016-09-28

天津市水務(wù)局科研專項(KY2015-10)；陜西省水利廳科技計劃項目(2014SLKJ-01)

劉強(1982-)，男，滿族，遼寧綏中人，博士生，主要從事洪水災(zāi)害研究. E-mail：hustlq_2003@126.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.013.]

X43

A

1000-811X(2017)02-0072-06

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.02.013

劉強, 秦毅, 李國棟，等. 洪水淹沒動態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(2)：72-76,116. [LIU Qiang, QIN Yi, LI Guodong,et al. Design and Development of an On-line Flood Simulation System[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(2)：72-76,116.