城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究

魏一行，任炳昱，吴斌平

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)



城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究

魏一行，任炳昱，吴斌平

(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

水库大坝一旦溃决会对下游建筑物密集城区的人民生命财产造成巨大损失，而溃坝洪水演进动态情景仿真为洪水灾害应急管理和下游受威胁城区的人员与财产的安全转移提供重要依据。目前对洪水演进可视化的研究注重于对不同时刻计算结果的静态展示，并且对研究区域洪水演进范围、水深、流速等关键水情信息计算时多采用一、二维洪水演进模型，缺乏洪水演进的三维动态情景仿真。针对此问题，文采用CSG法构建了大坝周边的三维场景，基于GUI技术、粒子系统动力学解算等技术实现了溃坝洪水数值模拟和三维场景的耦合，经过纹理变换贴图等后期处理，实现了城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真。结合某城区溃坝洪水演进过程进行了数值模拟和情景仿真研究，形象、直观地模拟了洪水演进特性，为制定防洪减灾措施提供了直观分析依据和重要理论依据。

计算流体力学；溃坝洪水演进三维动态情景仿真；CSG法；GUI技术；粒子系统动力学解算; 纹理变换贴图

水库大坝失事或毁坏时，大量的水体突然释放，产生的洪水会对下游建筑物密集城区人民生命财产造成灾难性的破坏，从而干扰当地社会经济正常活动，造成区域性灾难，并对大坝下游生态与环境造成不良影响。对溃坝洪水演进进行数值模拟和可视化研究能形象、全面反映溃坝洪水的动态演进，从而提前制定应急方案将损失降到最低。因此，对城区水库溃坝非恒定流洪水在复杂地形区域的数值模拟和可视化研究具有非常重要的理论与现实意义。

近年来，对洪水演进的可视化研究取得了一定的进展。美国孟菲斯大学[1]基于GIS建立了城市模型对城区洪水演进进行了二维可视化研究。美国弗拉特黑德湖生物站的Geofferry等[2]结合航拍照片构建了洪泛平原三维地理模型，并将GIS、水文学和Rs相结合对洪水进行了模拟。法国斯特拉斯堡市的环境生物工程研究中心[3]将地理信息系统技术与水文模型相结合对洪水线性径流模型数据进行了模拟。伊朗伊斯法罕大学[4]结合GIS与频率分析技术用洪水风险纹理映射的方法对洪水进行了可视化模拟。张尚弘等[5]采用虚拟现实技术建立了城市防洪信息平台,实现了不同时刻洪水淹没范围查询等功能。潘立武等[6]将二维浅水方程与3D-GIS洪水演进可视化结合对洪水演进进行了研究。吴迪军[7]将GIS技术与库朗格式的特征线方法结合对洪水演进可视化进行了研究。张弛等[8]分别使用SPH方法和MPS方法模拟二维溃坝问题并进行了对比分析。王晓航等[9]采用GIS方法研制了二维溃坝洪水演进数值模拟及可视化系统。李云等[10]基于VrMap2.0SDK平台开发了蓄洪区决策支持系统，能静态展示一、二维洪水嵌套数学模型计算结果。李超等[11]建立了溃堤三维洪水演进情景仿真系统，实现了交互式三维场景漫游等功能。

从国内外所开展的一系列研究和应用来看，目前对洪水演进可视化的研究注重于对溃坝洪水的静态展示，并且对研究区域洪水演进范围、水深、流速等关键水情信息计算时多采用一、二维洪水演进模型，未能实现对洪水演进运动过程的三维动态情景仿真，因此，无法形象、全面、逼真地可视化分析洪水演进情景，进而为洪水灾害应急管理提供决策依据。

本文采用耦合VOF 法的溃坝三维k-ε双方程模型对洪水演进进行数值模拟，同时使用CSG法建立大坝周边场景模型，结合GUI技术、粒子系统动力学解算、纹理变换贴图等技术进行洪水演进三维动态情景仿真研究，直观、形象地表现了溃坝洪水动态演进的过程，从而为洪水灾害预防和防汛抢险提供理论与决策支持。溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究总体框架如图1所示。

图1 溃坝洪水演进三维动态情景仿真总体框架

1 数值模拟

1.1 研究区域地形建模

由于溃坝研究区域地形地貌复杂，如何在建立真实的三维地形模型，使得数值模拟计算结果真实可靠是实现洪水演进三维动态情景仿真的难点。三维地形模型的建立需要收集大量的地形资料，包括卫星遥感资料、勘探测量资料和图片影像资料等。将所有资料进行汇总分析处理，得到真实可靠的地形数据，并将此地形数据进行数字化处理。本文针对溃坝研究区域周边地形的复杂变化，采用基于生长法的Delaunay三角网生成算法形成不规则三角格网(TIN)地形模型，同时引入NURBS[12](non-uniform rational b-splines,非均匀有理B样条曲线,是一种非常优秀的建模方式)技术根据实际地形特征加以改进[13]。三维地形模型建立的流程如图2所示。将获得的三维地形模型用于数值模拟研究，能得到洪水演进在不同时刻的淹没范围、水深、流速等关键水情要素。

图2 三维地形模型建立的流程

1.2 数值模拟计算模型

溃坝洪水演进是一种不连续洪水波问题，由于城区洪水演进受街道、楼房的影响，洪水水流会呈现复杂的三维特征，如水跃、水波涡旋等，致使一、二维简化数值模型存在较大计算误差[14]。一、二维溃坝洪水演进数值模拟在解决上述问题时存在局限[15]。一维模型无法模拟得到水流的横向扩散现象，而溃坝水流除以纵向水流为主外，横向扩散往往也很显著；一、二维模型的忽略非恒定流的摩阻损失与恒定流的摩阻损失的差别，垂线压力呈静水压力分布或垂直加速度为小量，忽略断面流速分布对波的传播的影响，使其在处理地形复杂的水流问题方面受到限制。本文采用耦合 VOF(volume of fluid)法的三维k-ε双方程模型对溃坝洪水演进进行模拟，即通过求解一个流体体积函数的对流输运方程来捕捉运动的自由水面，可以较为精确地描述溃坝洪水中的水面变化。该方法克服了静压假定和刚盖假定对变化剧烈的自由水面的限制和导致的压力场失真，适用于求解具有复杂边界形态和流动特征的城区水库溃坝洪水演进问题。王晓玲等[16]、Sun等[17]、Zhou等[18]针对溃坝洪水演进三维数值模拟开展了研究，并已成功将该模型应用在溃坝洪水演进模拟中。基本控制方程如下：

连续性方程：

(1)

动量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：t为时间(s)；ui，uj为速度分量(m/s)；xi，xj为坐标分量(m)；μ为分子动力黏性系数(N·m·s-1)；ρ为密度(kg/m3)；μt为紊流粘黏性系数；P为修正压力(Pa)；k为紊动动能(m2/s2)；G为紊动能生成率；ε为紊动耗散率(m2/s2)；σk，σε分别为k，ε的紊流普朗特数，无因次；C1ε、C2ε为经验常数，无因次。控制方程中的常数值为σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。计算边界条件包括：进口边界条件，出口边界条件，固壁边界条件，压力边界条件，下垫面边界条件。

2 洪水演进三维动态情景仿真方法与技术

我国洪涝灾害频繁发生，将计算机和信息技术应用于洪水演进研究已有多年。传统洪水演进可视化研究往往将地形地貌高度概化，无法反映城区内大量建筑物、桥梁、道路、机动车等被洪水淹没的淹没状况，已无法满足当前需求。情景仿真是涉及科学与工程计算、计算机图形学、图形处理、人机界面等多个领域的一种建模与实验分析方法[19]，通过情景模型、情景仿真等方法形象、直观地展现情景发生的全过程，方便了人们对所研究情景的观察、掌握和分析。

本文对溃坝研究区域周边场景进行了洪水演进三维动态情景仿真研究。首先结合工程信息数据库中地理位置和地形高程信息，使用GIS技术针对相关区域高程点的实际勘测情况，以及利用其区域遥感影像得到的地形等高线构建三维DEM模型用于数值模拟计算。然后根据数值模拟计算结果，结合重要建筑物、重要设施、人口密集地区的分布确定了重点研究场景，通过对重点研究场景进行三维动态情景仿真研究，全面、高效、动态地反映了研究区域内的洪水演进情况。依照实际情况采用CSG法构建了研究区域周边三维场景模型，结合GUI技术、纹理变换贴图技术、粒子系统动力学解算对各场景洪水演进进行三维动态情景仿真，真实展现了洪水在研究场景内的运动状态。

2.1 洪水演进三维场景建模技术

三维场景建模技术是三维可视化仿真技术的重要组成部分。近年来，随着计算机图形学的不断发展，三维场景建模技术在各工程领域得到了逐步的研究与应用。

本文结合工程信息数据库信息针对建筑物密集城区多个重点研究场景构建了模型，并在各场景中对洪水演进进行了三维动态情景仿真研究。针对场景内建筑物多、地形地貌复杂等特点，利用空间遥控遥测技术得到的研究区域地形地貌、资源环境、建筑群分布情况等各方面的海量数据和信息，通过数据分析、整合、简化处理以数字化形式进行获取和存储，将其转化为CAD格式后，采用CSG法[20](constructive solid geometry)建立建筑物、树木、机动车等三维模型。

CSG法是一种自下而上构建物体的方法，建模步骤如下：① 抽取模型形态并形体分解，分析得出三维模型的CSG体素;② 对CSG体素进行空间布尔运算构建模型部件三维模型，将这些CSG体素组合后即可形成一定形状的局部模型(如图3所示);③ 对局部模型空间布尔运算构即可获得整体三维模型，实现三维建模。

图3 CSG法分解搭建过程

采用CSG法对场景中的建筑物进行建模，首先将场景中建筑物等模型的信息转化为CAD格式，然后将其导入三维建模软件中，分析得出模型各部件的CSG体素并构建相对应的三维模型，最后通过放样、空间布尔运算等方法生成构成模型的局部形体，并将局部形体组合得到最终模型。以航站楼和汽车为例建出的模型实例如图4所示。

图4 模型实例

将构建的建筑物、树木、机动车等三维模型根据工程信息数据库信息导入到场景模型中，得到某航站楼场景模型，如图5所示。

图5 某航站楼场景模型

2.2 洪水演进动力学解算过程

对水流进行三维动态仿真是洪水演进动态情景仿真的重点。水流模拟一直以来也是计算机仿真的难点。目前广泛应用的效果处理软件普遍存在模拟动水效果工作量大，需要消耗大量的时间，或者模拟效果难以达到要求等问题。根据溃坝洪水演进三维仿真的具体特点，本文采用粒子系统动力学解算[21]来快速真实地实现动水模拟效果。粒子系统发射器能根据数值模拟计算结果对场景内洪水流速、水深进行设置，风力、表面张力等十几种辅助器能完美再现真实物理世界中的力场，使模拟的效果非常真实,粒子系统对流体模拟的实现过程如下：

Begin()

{ object = scene.getObject()

emitter = scene.getEmitter()

particle = emitter.getFirstParticle()

while ():

for( k=1; k

{ particle.getVelocity()

particle.getMass()

particle.getPressure()

particle.getPosition()

my_first_vector = Vector.(x,y,z)

{Vector._x= Vector.getX()

Vector._y= Vector.getY()

Vector._z= Vector.getZ()

}

new_pos_g =

Position.new(pos_x,new_pos_y,new_pos_z)

particle.setPosition(new_pos_g)

particle = particle.getNextParticle()

}

}

图形用户界面[22](graphical user interface，简称GUI，又称图形用户接口)是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面。图形用户界面是计算机图形学的技术的应用，将复杂的编译命令通过窗口、菜单、对话框等形式表现出来，使得用户对图形对象进行操作即可实现编译代码的效果。通过GUI技术,用户可以不再需要死记硬背大量的命令，而可以通过窗口、菜单等方便地进行操作，从而实现与计算机的交互。在本研究中，通过GUI可以方便快捷地对发射器，辅助器和约束器进行设置，从而将数值模拟计算结果(水深，流速)作为初始条件以及场景内重力、风速等作为约束条件进行粒子系统动力学解算。经过粒子系统动力学解算后的场景内洪水演进过程模拟如图6所示。

图6 场景内洪水演进过程

2.3 后期处理

经过粒子系统动力学解算后的洪水采用粒子模拟水体，与真实洪水相比有一定差距，而且由于视角单一，难以全面动态反映整个场景内洪水演进过程。本文采用纹理变换贴图技术对模拟后根据粒子分布生成的水面网格进行处理，同时采用计算机动画技术对场景动态展示，全面、逼真地展示了场景内洪水动态演进过程。

纹理变换贴图是指通过对水面网格的纹理进行移动、变换等动态处理，使水流表面“流动”起来，从而使水体仿真更加逼真，其实现步骤如下：将水面网格划分为多个模块，对模块进行纹理变换贴图使得每个模块的水面贴图相同且相邻模块贴图能够衔接起来，使不同模块的纹理贴图同步移动，则纹理变换贴图的位置依次在相邻面之间进行变化，通过各个水面网格模块的循环显示实现流动的效果，如图7所示[23]。

图7 纹理变换贴图示意

计算机动画[24]是指依据计算机图形学原理用程序或工具生成一系列的静态画面，然后通过画面的连续播放来反映对象的连续变化过程，通过视点的移动、光照的变换、纹理和色彩的变化等方法能够全方位动态展现洪水演进情景。本文采用关键帧插值等技术，同时借助3dsmax软件[25]的三维图像处理功能，在动画实现的过程中，控制空间物体的坐标点变化和关键帧通过动态视角对场景进行观察，从而全面展现场景内洪水演进过程。

综上所述,经过后期处理的某航站楼场景内洪水演进情景仿真效果如图8所示。

图8 洪水演进情景仿真效果

3 工程应用

某水库位于我国东南某建筑物密集城市，是当地重要调蓄水库之一，以水库遭遇2000年一遇洪水(P=0.05%一遇洪水)时的最不利工况，即发生漫坝瞬间全溃为研究对象[26-27]。结合工程信息数据库信息，构建研究区域地形模型(如图9)，采用耦合 VOF 法的溃坝三维k-ε双方程模型进行数值模拟，水库下游洪水演进数值模拟结果水深图如图10所示。

图9 研究区域地形模型

图10 各时段的洪水淹没水深(m)

数值模拟结果水深图反映了溃坝发生后不同时刻洪水对研究区域的淹没情况，从而可以从宏观角度观察洪水整体的运动状态。通过对整体研究区域水深图的研究可以确定需要重点防范的位置、场景，从而有针对性地制定防洪应急避难案计划，进而为洪水灾害应急管理提供决策依据。

根据数值模拟计算结果，结合重要建筑物、重要设施、人口密集地区的分布等因素，将图10中场景M、场景A、场景B、场景C、场景D确定为重点研究场景。从工程信息数据库中得到重点研究场景信息，结合空间遥控遥测技术得到的研究区域地形地貌、建筑物分布等信息，采用CSG法构造出各场景模型，应用GUI技术将洪水演进数值模拟计算得到的水情信息(水深、流速等)应用于各场景粒子动力学解算，在经过后期处理后，实现了各场景的洪水演进三维动态情景仿真。场景M的洪水演进三维动态情景仿真过程如图11所示,其中：t=1 h时洪水尚未到达场景M；t=2 h时洪水到达场景M，场景内建筑物、机动车开始被淹没，此时水深0.34 m；t=3 h时洪水已将场景M完全淹没，且水深、流速均大于t=2 h时的情况，此时水深1.6 m；t=5 h时场景M水深进一步增加，已将机动车、岗亭等场景模型完全淹没，同时从水面流态来看，此时洪水流速相较于t=3 h已有所放缓，此时水深3.7 m。

图11 场景M洪水演进三维动态情景仿真过程

分别构建场景A、场景B、场景C、场景D模型并对其进行洪水演进三维动态情景仿真，结合数值模拟计算结果的整体研究区域淹没情况，得到整体区域及各场景的三维动态淹没过程，其中t=5 h时整体区域及各场景淹没情况如图12所示。

图12 t=5 h时整体区域及各场景淹没情况

4 结束语

为了调蓄洪水和保障人民饮用水安全，我国修建了大量水库，水库大坝一旦溃决，产生的大量水体以及洪水波会对下游建筑物密集城区人民生命财产安全造成巨大危害，而溃坝洪水演进动态情景仿真为洪水灾害应急管理和下游受威胁城区的人员与财产转移提供重要依据。目前对洪水演进可视化的研究注重于对不同时刻计算结果的静态展示，并且对研究区域洪水演进范围、水深、流速等关键水情信息计算时多采用一、二维洪水演进模型，未能实现对洪水演进运动过程的三维动态情景仿真。针对此问题，本文应用CSG法建立了大坝周边的三维场景，基于GUI技术、粒子系统动力学解算等技术实现了溃坝洪水数值模拟和三维场景的耦合，经过纹理变换贴图等后期处理实现了建筑物密集城区溃坝洪水演进三维动态情景仿真。结合某溃坝洪水演进过程进行了数值模拟和情景仿真研究成果，形象、直观的模拟了洪水演进特性，为制定防洪减灾措施提供了直观分析依据和重要理论依据。

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(责任编辑 刘 舸)

Three-Dimensional Dynamic Scene Simulation of Dam-Break Flood Routing in Urban Areas

WEI Yi-xing，REN Bing-yu，WU Bin-ping

(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

Dam-break flood routing causes significant damage to people’s life and property in urban areas, while dam-break flood routing scene simulation is important for emergency management of flood. The visualization of dam-break flood at present usually focuses on showing the simulation results at different moment and most study uses 1D or 2D flood routing model, so it’s short of flood routing dynamic scene simulation. To solve the problem, this article takes CSG method to build the 3D scene around the dam, and the numerical simulation is coupled with the three-dimensional scene by GUI and particle system dynamics calculating. By post processing like texture transformation, 3D dynamic scene simulation of dam-break flood routing in urban areas was realized. Finally, a scene simulation of a dam-break flood routing was performed to show the flood routing visually, it provided important reference for making disaster mitigation measures efficiently.

computational fluid dynamics；3D dynamic dam-break flood routing scene simulation；CSG method; GUI; particle system dynamics calculating; texturetransformation

2016-04-18 基金项目：国家自然科学基金创新研究群体科学基金资助项目(51321065)

魏一行(1992—)，男，河南人，硕士研究生，主要从事水利工程仿真与安全研究， E-mail: weiyixing1992@foxmail.com。

魏一行，任炳昱，吴斌平.城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2016(11):141-149.

format：WEI Yi-xing，REN Bing-yu，WU Bin-ping.Three-Dimensional Dynamic Scene Simulation of Dam-Break Flood Routing in Urban Areas[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(11):141-149.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.11.023

TV139.2+31

A

1674-8425(2016)11-0141-09