天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究.pdf

第43卷第2期
民长江
Vol 43, No. 2
2012年1月
Yangtze River
文章编号:1001-4179(2012)02-0054-04
天然河道洪水演进数值馍拟及动态可视化研究
陈德教,何建京,陈鸣3
(1.河海大学水利水电学院,江苏南京210098;2.河海大学力学与材料学院,江苏南京210098:3.南
京水科院水文水资源研究所,江苏南京210024)
摘要:为使泆水演进中计算获得的粘燥的水文数据変得直观形象,进一步丰富洪水演进可视化手段,运用以一
维水动力学为理论基础的MIKE11HD模型对北江流域白石窑坝下至连江口段洪水演进进行了数值模拟,借
助MIKE11GIS的“纽带”作用,结合 ARCGIS平台实现了洪水演进过程的动态可视化。结果表明模拟计算精
度和可视化精度良好,反映出洪水在滞洪区和峡谷区演进过程中的不同演进特点。直观形象的洪水演进过程
有利于决策者全面把握洪水进程,提高流城防洪决策能力。
关键词:MIKE11; Arcgis;洪水演进;可视化;北江流城
中图法分类号:TV143
文獻标志码:A
作为非工程防洪揹施的重要组成内容,洪水演进形处理和表达以及与之结合的相关学科的推动,使其
的数值模拟及洪水风险图的制作一直是研究热点,丹在测绘制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、宏观决策
麦水力研究所研制的MIKE系列和ESRI公司开发的等方面表现出强大的生命力。
ARCGIS软件成为其研究的重要工具。许多学者运用
MIKEI1HD与理论基础
MIKE软件模拟了洪水过程-?,将计算结果绘于表格
MIKE1HD水动力学模型是MIKE11的核心模
和图形中,这种表达方式不够直观生动;也有前人基于块,它的理论基础为明渠非恒定流控制方程,即圣维南
ACIS制作洪水淹没图1-3),或结合水文模型并对方程组,由连续方程和运动方程组成
ARCGIS进行二次开发实现洪水演进可视化?,但对水
80
动力学模型与 ARCGIS结合的研究相对较少。因此,基
于MIKE1和 ARCGIS,结合水动力学模型的计算功能
和地理信息系统的可视化功能,实现天然河道洪水演
AR
进动态可视化,可进一步丰富洪水演进数字化内容,对式中,为时间坐标;x为空间坐标;Q为流量;h为水
决策者全面了解洪灾程度的空间分布、实时变化有较位;C为谢才系数;A为过流断面面积;R为水力半径;
大帮助。
g为重力加速度;q为单位长度旁侧人流流量。
MIKE11HD使用6点 Abbott- ionescu格式离散
1MIKE11和 ARCGIS相关简介
圣维南方程组,并运用追赶法求解。该离散方法的特
MIKEII1是MIKE系列软件里开发最为成熟的商点就是将河网离散为交替网格,在每一个网格节点按
业软件,主要用于河流、河口、灌溉系统和其他内陆水顺序交替计算水位和流量。
域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟,在洪水预1.2 ARCGIS与可视化
报、水量水质管理、水利工程规划等方面得到广泛应
GIS是在计算机软硬件支持下,对整个或者部分
用。而 ARCGIS独特的地理空间分析能力、强大的图地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、存储、
收稿日期:2011-10
基金项目:国家水体污染控制与治理科技重大专项(20097X07528-005-02);江苏省环境监测科研基金项目(1021)
作者简介:陈德歙,男,硕士研究生,主要从事水动力学研究。E-mail:cdmhhu@163.com
第2期
陈德敏,等:天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究
55
管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。常见的5月21日12:00至5月23日11:00水文资料做为边
GIS系统中, ARCGIS以其强大的分析能力占据了大量界条件,将英德站和高道站的水位实测数据用于率定,
市场,成为主流的GIS系统。 ARCGIS强大的空间信息最终河床糙率取值范围为0.021~0.039,英德站率定
处理和分析功能使其具有空间性和动态性的可视化功结果如图2(a)所示。模型验迁的方法是保持模型所
能,可以为洪水演进模拟的可视化研究提供更直观的有率定参数不变,仅改变边界条件,将模型计算结果与
地表空间分析手段,同时友好的数据兼容性可实现与实测数据进行比较。本模型验证时段为2002年7月
MIKE数据的交互,可视化表现水动力学模型计算成2日8:00至7月4日7:00,英德站验证结果如图2
果
(b)所示。由图可见,计算结果与实测值拟合较好,最
2洪水模型应用
大误差值为0.27m,符合《水文情报预报规范》要求。
实值
模型应用区域位于北江流域白石窑坝下至连江口
-计算值
段。北江地处亚热带气候区,是珠江的第二大水系,它
23.5
的行洪调控对保障广州、佛山等重要城市和珠江三角
23.0
洲的防洪安全至关重要?。
471013161922252831343740434649
时/h
2.1模型建立
(a)2002-05-21英水位过程
25.5
MIKE11HD模型运行需要河网资料、断面资料、
边界条件及相关水动力学参数,最后通过模拟文件把
它们联系起来。白石窑坝下到连江口段干流长约43
买別值
长24.0
一计算
km,划分为67个断面,上下游边界都采用水位过程。
由于相连支流错综复杂,进一步概化后保留翁江和连
4」710131619222528313437404346
江两大汇入支流,长湖站是翁江的控制站,距其交汇口
时间/h
(b)2002-07-02英水位过程
约11km,该支流划分为9个断面,边界条件为水位过
程;高道站为连江的控制站,距其交汇口约23km,该
图2模型率定验证结果对比
支流划分为20个断面,边界条件为流量过程。河网概3洪水演进可视化
化见图1。在模拟文件中选用稳态启动,根据边界点
上的水位流量数据,利用稳态假设计算各节点上的初
随着计算机技术的发展和信息数字化技术的发
始水位流量。
展,洪水演进必然会上升到模拟仿真的高度,仅仅使用
横石镇
文字和图表等形式表达显得冗长而枯燥。利用
云岭镇
石贝下站
MIKE11GIS的“纽带”作用,借助 ARCGIS具有的空间
小北江流域
性和动态性的可视化功能,通过分层、设色等形式,二
。石灰识
维、三维的视角,即可形象、直观地显示计算结果。
江流城北
翁冮流填
3.1三维地形概况
高遵站
失站镇
原始数据包括10m精度等高线图、水下地形点
图、山地高程点图、县界边界图等矢量图层,1:50000
长湖坝下姷
A水文站
(边镇
河段
广东省飞来峡水利枢纽防洪综合影像图。由于计算机
Y增
谷区
配置条件所限,不可能对整个流域(约1300km2)进行
坑流蜮
文洞
吕
滞洪区
下呔镇
高精度模拟,故选择两个典型区域做为示范区,一是英
德站下游的滞洪区,另一个为距白石窑坝下约32km
的鸦鹰头峡谷区,如图1所示
图