基于After Effects的沿江平原河网水流数值模拟可视化探析

张宇亮,王业明,明 菽,黄文娟

（1.南通理工学院，江苏 南通 226000；2.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225000；3.南通市港闸区水利与农业局，江苏 南通 226003）

1 河网水流数值模拟可视化的目的

在河网数值模拟假定水流方向的过程中，传统的处理方法主要以静态CAD图像的方式给予体现，但是这样只能反映出水流的方向，无法直观的反映水流的速度与流量的大小。为了让水“活动”起来，利用After Effects软件制作动态水流动画，它借助形象化方式表达水流动态发展的规律，使抽象的，难于理解的水动力理论变得通俗易懂。使非专业人员也能了解河网水力特性，减少运行工作成本，提高工作效率。因此，对河网水流数值模拟可视化研究是十分必要的[1]。

2 河网水流数值模拟过程

2.1 研究区域范围

本文选取位于长江中下游地区的南通市港闸区西片为研究对象，该片由南通市区三条一级河（通吕运河、通扬运河、九圩港）与长江形成四边形区域，地势较低，自东北向西南倾斜，地面高程为3.8～5.5 m（吴淞高程），属沿江平原河网地区。该片水系为中低水系，区内现有二级河（含二级河）以下河道79条，总长度101 km，整个片区水系为独立水系，水位通过5座沿江涵闸及11座内河涵闸自行调控，见图1。主要骨干河道基本情况表（八五高程）见表1。

2.2 建立河网数学模型

对于非恒定流，描述一维水流运动的Saint-Venant方程组是建立在质量守恒和能量守恒基础之上的，以水位和流量为变量，其具体方程为[2]：

连续性方程：

运动学方程：

采用该方程组，建立南通港闸区西片河网非恒定流数学模型，运用Preissmann四点加权隐格式，对方程组进行时间和空间离散，用追赶法求解离散后的差分方程组，采用双松弛迭代法求解河网非恒定流[3]。

2.3 确立河网运行调度方案

利用计算结果确立以下运行调度方案，调度图见图2。

东港永兴河线路：东起通扬运河，西至长江，全长约4.08 km，依次分布东港闸、东港套闸，永兴河闸。引排水线路：利用永兴河闸从通扬运河引水，开启东港套闸，在长江低潮位时开启东港闸排入长江。

图1 南通市港闸区西片水系图

表1 南通市港闸区西片主要骨干河道基本情况表

图2 南通市港闸区西片河网水系调度图

芦泾河线路：东起通扬运河，西至长江，全长约5.14 km，依次分布芦泾闸、四号桥闸，三牌楼闸，芦泾河与港闸河通过芦建二河及东风河相连，芦建二河入天生港河由建设闸控制，东风河入天生港河由凌家湾闸控制。引排水线路：由三牌楼闸从通扬运河引水，开启四号桥闸，经芦泾闸排入长江。

中心港河线路：东起通扬运河，西至长江，全长约5.18 km，从下游到上游依次分布中心港闸、胜利闸，水关庙闸。引排水线路：由水关庙闸从通扬运河引水，开启胜利闸，经中心港闸排入长江。

天生港河，东起通扬运河，西至长江，全长约6.3 km，上游依次为天生港闸、唐家闸，在与各支流交界处有芦建二河套闸、龙潭小学河闸、二化闸、龙潭四六河闸、凌家湾闸、陶家坝套闸。引排水线路：从唐家闸引水，经沿线河道，开启天生港闸排入长江。考虑沿线支流，可先关闭唐家闸，先排后引。

长江岸线的涵闸以排水为主，通扬运河边的涵闸以引水为主，暴雨前，河流预排至合理水位，暴雨后，根据长江潮位和通扬运河水位排水[4]。

3 利用After Effects制作模拟水流动画

3.1 软件介绍

After Effects是美国Adobe公司发布的一款影视后期制作软件，主要用于影视后期合成和特效设计，被广泛应用于电视台、影视制作公司、多媒体制作公司和一些影视工作室，其工作流程[5]见图3。

After Effects应用范围广泛，涵盖电影、广告、多媒体以及网页等，时下最流行的一些电脑游戏，很多都使用它进行合成制作。After Effects提供了一套完整的工具，能够高效地制作电影、录像、多媒体以及Web使用的运动图片和视觉效果。

3.2 水流数值模拟动画制作方案比较

方案一：每个箭头都画出完整的流动轨迹，当一个箭头流出一段距离后，第二个箭头出现并紧接着第一个箭头的轨迹跑，后面不断循环。该方案优点是：流畅性和流向兼具；缺点：箭头太多容易乱。

方案二：制作一个短时间内的水流动画，比如5 s，在这时间内能看清每条河的流向就行。优点：时间间隔长，每条河流都能很快看清流向，能反映速度，箭头减少很多，更容易看清。缺点：每5 s会重置一次，连贯性不好。

方案三：采用长箭头模式，每条河都能清楚地看到流向，就像一个流程图。

优点：流畅性最好，能反映速度和大小。缺点：不能实时准确反映流向。

最后经过比较，选择了方案三，下图4是详细制作过程。

3.3 水流动画制作步骤

3.3.1 准备阶段

图3 After Effects的工作流程

图4 3种动画方案比选图

下载path arrow箭头预设，并将预设拖拽到河网的图片上，这时候会形成一个新的合成，之后所有的操作都是在合成上操作，箭头的参数可以通过左边效果控件调整，依次是长度、位置、颜色、粗细、箭头的形状，通过输入数字或者左右拉动就可以改变。

3.3.2 绘制路径

选择钢笔工具绘制路径，路径就是水流的方向，绘制非常简便，在弯道处还可绘制平滑的曲线。

3.3.3 时间轴

路径选择蒙版1，箭头就会按照画的路径方向前进，在箭头开始处和结束处按下原文本前的闹钟按钮，再按下菱形按钮，这是记录关键帧，就是物体动起来的一个记录标志。每个软件只要能做动画的就能K关键帧。其实就是物体变化的记录。例如一个物体的位置发生变化，怎么真正的让这右侧向右的小箭头将其展开，找到“Opacity（透明度）”一项，修改数值就可以调整图层的透明度；第2种方法：选中图层，直接按键盘上的T键，也可以调出“Opacity（透明度）”选项。透明度也要设置关键帧，关键帧的时间和状态都要设置好

3.3.6 渲染与导出

单击“渲染队列”面板右上角的“渲染”按钮。将合成渲染到影片可能需要几秒钟或数小时，具体取决于合成的帧大小、品质、复杂性以及压缩方法。在渲染项的渲染完成时，它仍然位于“渲染队列”面板中，状态更改为“完成”，直到从“渲染队列”面板中将其移除。After Effects 提供各种输出格式和压缩选项。选择合适的将其导出即可。南通市港闸区西片河网水系调度动画截图见图5。个物体变化动呢，就是通过K关键帧。他原来的位置K一下，落点的位置K一下。

图5 南通市港闸区西片河网水系调度动画截图

3.3.4 循环

在菜单栏动画中选择添加表达式，然后输入loop_out（"cycle"，0），0 表示所有关键帧，1表示最后2个，2表示最后3个，以此类推。也可以不写，默认是0。

3.3.5 透明度

AE透明度设置方法有2种：第1种方法：选中图层，点击图层名称左侧向右的小箭头将其展开，这时会出现“Transform（变换）”选项，点击其