魏一行，任炳昱，吳斌平

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

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城區(qū)水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究

魏一行，任炳昱，吳斌平

(天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

水庫(kù)大壩一旦潰決會(huì)對(duì)下游建筑物密集城區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失，而潰壩洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)情景仿真為洪水災(zāi)害應(yīng)急管理和下游受威脅城區(qū)的人員與財(cái)產(chǎn)的安全轉(zhuǎn)移提供重要依據(jù)。目前對(duì)洪水演進(jìn)可視化的研究注重于對(duì)不同時(shí)刻計(jì)算結(jié)果的靜態(tài)展示，并且對(duì)研究區(qū)域洪水演進(jìn)范圍、水深、流速等關(guān)鍵水情信息計(jì)算時(shí)多采用一、二維洪水演進(jìn)模型，缺乏洪水演進(jìn)的三維動(dòng)態(tài)情景仿真。針對(duì)此問(wèn)題，文采用CSG法構(gòu)建了大壩周邊的三維場(chǎng)景，基于GUI技術(shù)、粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬和三維場(chǎng)景的耦合，經(jīng)過(guò)紋理變換貼圖等后期處理，實(shí)現(xiàn)了城區(qū)水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真。結(jié)合某城區(qū)潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和情景仿真研究，形象、直觀地模擬了洪水演進(jìn)特性，為制定防洪減災(zāi)措施提供了直觀分析依據(jù)和重要理論依據(jù)。

計(jì)算流體力學(xué)；潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真；CSG法；GUI技術(shù)；粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算; 紋理變換貼圖

水庫(kù)大壩失事或毀壞時(shí)，大量的水體突然釋放，產(chǎn)生的洪水會(huì)對(duì)下游建筑物密集城區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)造成災(zāi)難性的破壞，從而干擾當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)正常活動(dòng)，造成區(qū)域性災(zāi)難，并對(duì)大壩下游生態(tài)與環(huán)境造成不良影響。對(duì)潰壩洪水演進(jìn)進(jìn)行數(shù)值模擬和可視化研究能形象、全面反映潰壩洪水的動(dòng)態(tài)演進(jìn)，從而提前制定應(yīng)急方案將損失降到最低。因此，對(duì)城區(qū)水庫(kù)潰壩非恒定流洪水在復(fù)雜地形區(qū)域的數(shù)值模擬和可視化研究具有非常重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，對(duì)洪水演進(jìn)的可視化研究取得了一定的進(jìn)展。美國(guó)孟菲斯大學(xué)[1]基于GIS建立了城市模型對(duì)城區(qū)洪水演進(jìn)進(jìn)行了二維可視化研究。美國(guó)弗拉特黑德湖生物站的Geofferry等[2]結(jié)合航拍照片構(gòu)建了洪泛平原三維地理模型，并將GIS、水文學(xué)和Rs相結(jié)合對(duì)洪水進(jìn)行了模擬。法國(guó)斯特拉斯堡市的環(huán)境生物工程研究中心[3]將地理信息系統(tǒng)技術(shù)與水文模型相結(jié)合對(duì)洪水線性徑流模型數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。伊朗伊斯法罕大學(xué)[4]結(jié)合GIS與頻率分析技術(shù)用洪水風(fēng)險(xiǎn)紋理映射的方法對(duì)洪水進(jìn)行了可視化模擬。張尚弘等[5]采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了城市防洪信息平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)刻洪水淹沒(méi)范圍查詢等功能。潘立武等[6]將二維淺水方程與3D-GIS洪水演進(jìn)可視化結(jié)合對(duì)洪水演進(jìn)進(jìn)行了研究。吳迪軍[7]將GIS技術(shù)與庫(kù)朗格式的特征線方法結(jié)合對(duì)洪水演進(jìn)可視化進(jìn)行了研究。張弛等[8]分別使用SPH方法和MPS方法模擬二維潰壩問(wèn)題并進(jìn)行了對(duì)比分析。王曉航等[9]采用GIS方法研制了二維潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬及可視化系統(tǒng)。李云等[10]基于VrMap2.0SDK平臺(tái)開(kāi)發(fā)了蓄洪區(qū)決策支持系統(tǒng)，能靜態(tài)展示一、二維洪水嵌套數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果。李超等[11]建立了潰堤三維洪水演進(jìn)情景仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了交互式三維場(chǎng)景漫游等功能。

從國(guó)內(nèi)外所開(kāi)展的一系列研究和應(yīng)用來(lái)看，目前對(duì)洪水演進(jìn)可視化的研究注重于對(duì)潰壩洪水的靜態(tài)展示，并且對(duì)研究區(qū)域洪水演進(jìn)范圍、水深、流速等關(guān)鍵水情信息計(jì)算時(shí)多采用一、二維洪水演進(jìn)模型，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水演進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)情景仿真，因此，無(wú)法形象、全面、逼真地可視化分析洪水演進(jìn)情景，進(jìn)而為洪水災(zāi)害應(yīng)急管理提供決策依據(jù)。

本文采用耦合VOF 法的潰壩三維k-ε雙方程模型對(duì)洪水演進(jìn)進(jìn)行數(shù)值模擬，同時(shí)使用CSG法建立大壩周邊場(chǎng)景模型，結(jié)合GUI技術(shù)、粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算、紋理變換貼圖等技術(shù)進(jìn)行洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究，直觀、形象地表現(xiàn)了潰壩洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)的過(guò)程，從而為洪水災(zāi)害預(yù)防和防汛搶險(xiǎn)提供理論與決策支持。潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究總體框架如圖1所示。

圖1 潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真總體框架

1 數(shù)值模擬

1.1 研究區(qū)域地形建模

由于潰壩研究區(qū)域地形地貌復(fù)雜，如何在建立真實(shí)的三維地形模型，使得數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果真實(shí)可靠是實(shí)現(xiàn)洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真的難點(diǎn)。三維地形模型的建立需要收集大量的地形資料，包括衛(wèi)星遙感資料、勘探測(cè)量資料和圖片影像資料等。將所有資料進(jìn)行匯總分析處理，得到真實(shí)可靠的地形數(shù)據(jù)，并將此地形數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化處理。本文針對(duì)潰壩研究區(qū)域周邊地形的復(fù)雜變化，采用基于生長(zhǎng)法的Delaunay三角網(wǎng)生成算法形成不規(guī)則三角格網(wǎng)(TIN)地形模型，同時(shí)引入NURBS[12](non-uniform rational b-splines,非均勻有理B樣條曲線,是一種非常優(yōu)秀的建模方式)技術(shù)根據(jù)實(shí)際地形特征加以改進(jìn)[13]。三維地形模型建立的流程如圖2所示。將獲得的三維地形模型用于數(shù)值模擬研究，能得到洪水演進(jìn)在不同時(shí)刻的淹沒(méi)范圍、水深、流速等關(guān)鍵水情要素。

圖2 三維地形模型建立的流程

1.2 數(shù)值模擬計(jì)算模型

潰壩洪水演進(jìn)是一種不連續(xù)洪水波問(wèn)題，由于城區(qū)洪水演進(jìn)受街道、樓房的影響，洪水水流會(huì)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維特征，如水躍、水波渦旋等，致使一、二維簡(jiǎn)化數(shù)值模型存在較大計(jì)算誤差[14]。一、二維潰壩洪水演進(jìn)數(shù)值模擬在解決上述問(wèn)題時(shí)存在局限[15]。一維模型無(wú)法模擬得到水流的橫向擴(kuò)散現(xiàn)象，而潰壩水流除以縱向水流為主外，橫向擴(kuò)散往往也很顯著；一、二維模型的忽略非恒定流的摩阻損失與恒定流的摩阻損失的差別，垂線壓力呈靜水壓力分布或垂直加速度為小量，忽略斷面流速分布對(duì)波的傳播的影響，使其在處理地形復(fù)雜的水流問(wèn)題方面受到限制。本文采用耦合 VOF(volume of fluid)法的三維k-ε雙方程模型對(duì)潰壩洪水演進(jìn)進(jìn)行模擬，即通過(guò)求解一個(gè)流體體積函數(shù)的對(duì)流輸運(yùn)方程來(lái)捕捉運(yùn)動(dòng)的自由水面，可以較為精確地描述潰壩洪水中的水面變化。該方法克服了靜壓假定和剛蓋假定對(duì)變化劇烈的自由水面的限制和導(dǎo)致的壓力場(chǎng)失真，適用于求解具有復(fù)雜邊界形態(tài)和流動(dòng)特征的城區(qū)水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)問(wèn)題。王曉玲等[16]、Sun等[17]、Zhou等[18]針對(duì)潰壩洪水演進(jìn)三維數(shù)值模擬開(kāi)展了研究，并已成功將該模型應(yīng)用在潰壩洪水演進(jìn)模擬中?；究刂品匠倘缦拢?/p>

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

k方程：

(3)

ε方程：

(4)

式中：t為時(shí)間(s)；ui，uj為速度分量(m/s)；xi，xj為坐標(biāo)分量(m)；μ為分子動(dòng)力黏性系數(shù)(N·m·s-1)；ρ為密度(kg/m3)；μt為紊流粘黏性系數(shù)；P為修正壓力(Pa)；k為紊動(dòng)動(dòng)能(m2/s2)；G為紊動(dòng)能生成率；ε為紊動(dòng)耗散率(m2/s2)；σk，σε分別為k，ε的紊流普朗特?cái)?shù)，無(wú)因次；C1ε、C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，無(wú)因次。控制方程中的常數(shù)值為σk=1.0，σε=1.3，C1ε=1.44，C2ε=1.92。計(jì)算邊界條件包括：進(jìn)口邊界條件，出口邊界條件，固壁邊界條件，壓力邊界條件，下墊面邊界條件。

2 洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真方法與技術(shù)

我國(guó)洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，將計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)應(yīng)用于洪水演進(jìn)研究已有多年。傳統(tǒng)洪水演進(jìn)可視化研究往往將地形地貌高度概化，無(wú)法反映城區(qū)內(nèi)大量建筑物、橋梁、道路、機(jī)動(dòng)車等被洪水淹沒(méi)的淹沒(méi)狀況，已無(wú)法滿足當(dāng)前需求。情景仿真是涉及科學(xué)與工程計(jì)算、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖形處理、人機(jī)界面等多個(gè)領(lǐng)域的一種建模與實(shí)驗(yàn)分析方法[19]，通過(guò)情景模型、情景仿真等方法形象、直觀地展現(xiàn)情景發(fā)生的全過(guò)程，方便了人們對(duì)所研究情景的觀察、掌握和分析。

本文對(duì)潰壩研究區(qū)域周邊場(chǎng)景進(jìn)行了洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究。首先結(jié)合工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)中地理位置和地形高程信息，使用GIS技術(shù)針對(duì)相關(guān)區(qū)域高程點(diǎn)的實(shí)際勘測(cè)情況，以及利用其區(qū)域遙感影像得到的地形等高線構(gòu)建三維DEM模型用于數(shù)值模擬計(jì)算。然后根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合重要建筑物、重要設(shè)施、人口密集地區(qū)的分布確定了重點(diǎn)研究場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)重點(diǎn)研究場(chǎng)景進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究，全面、高效、動(dòng)態(tài)地反映了研究區(qū)域內(nèi)的洪水演進(jìn)情況。依照實(shí)際情況采用CSG法構(gòu)建了研究區(qū)域周邊三維場(chǎng)景模型，結(jié)合GUI技術(shù)、紋理變換貼圖技術(shù)、粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算對(duì)各場(chǎng)景洪水演進(jìn)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)情景仿真，真實(shí)展現(xiàn)了洪水在研究場(chǎng)景內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

2.1 洪水演進(jìn)三維場(chǎng)景建模技術(shù)

三維場(chǎng)景建模技術(shù)是三維可視化仿真技術(shù)的重要組成部分。近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的不斷發(fā)展，三維場(chǎng)景建模技術(shù)在各工程領(lǐng)域得到了逐步的研究與應(yīng)用。

本文結(jié)合工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)信息針對(duì)建筑物密集城區(qū)多個(gè)重點(diǎn)研究場(chǎng)景構(gòu)建了模型，并在各場(chǎng)景中對(duì)洪水演進(jìn)進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究。針對(duì)場(chǎng)景內(nèi)建筑物多、地形地貌復(fù)雜等特點(diǎn)，利用空間遙控遙測(cè)技術(shù)得到的研究區(qū)域地形地貌、資源環(huán)境、建筑群分布情況等各方面的海量數(shù)據(jù)和信息，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、整合、簡(jiǎn)化處理以數(shù)字化形式進(jìn)行獲取和存儲(chǔ)，將其轉(zhuǎn)化為CAD格式后，采用CSG法[20](constructive solid geometry)建立建筑物、樹(shù)木、機(jī)動(dòng)車等三維模型。

CSG法是一種自下而上構(gòu)建物體的方法，建模步驟如下：① 抽取模型形態(tài)并形體分解，分析得出三維模型的CSG體素;② 對(duì)CSG體素進(jìn)行空間布爾運(yùn)算構(gòu)建模型部件三維模型，將這些CSG體素組合后即可形成一定形狀的局部模型(如圖3所示);③ 對(duì)局部模型空間布爾運(yùn)算構(gòu)即可獲得整體三維模型，實(shí)現(xiàn)三維建模。

圖3 CSG法分解搭建過(guò)程

采用CSG法對(duì)場(chǎng)景中的建筑物進(jìn)行建模，首先將場(chǎng)景中建筑物等模型的信息轉(zhuǎn)化為CAD格式，然后將其導(dǎo)入三維建模軟件中，分析得出模型各部件的CSG體素并構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的三維模型，最后通過(guò)放樣、空間布爾運(yùn)算等方法生成構(gòu)成模型的局部形體，并將局部形體組合得到最終模型。以航站樓和汽車為例建出的模型實(shí)例如圖4所示。

圖4 模型實(shí)例

將構(gòu)建的建筑物、樹(shù)木、機(jī)動(dòng)車等三維模型根據(jù)工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)信息導(dǎo)入到場(chǎng)景模型中，得到某航站樓場(chǎng)景模型，如圖5所示。

圖5 某航站樓場(chǎng)景模型

2.2 洪水演進(jìn)動(dòng)力學(xué)解算過(guò)程

對(duì)水流進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)仿真是洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)情景仿真的重點(diǎn)。水流模擬一直以來(lái)也是計(jì)算機(jī)仿真的難點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用的效果處理軟件普遍存在模擬動(dòng)水效果工作量大，需要消耗大量的時(shí)間，或者模擬效果難以達(dá)到要求等問(wèn)題。根據(jù)潰壩洪水演進(jìn)三維仿真的具體特點(diǎn)，本文采用粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算[21]來(lái)快速真實(shí)地實(shí)現(xiàn)動(dòng)水模擬效果。粒子系統(tǒng)發(fā)射器能根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)場(chǎng)景內(nèi)洪水流速、水深進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)力、表面張力等十幾種輔助器能完美再現(xiàn)真實(shí)物理世界中的力場(chǎng)，使模擬的效果非常真實(shí),粒子系統(tǒng)對(duì)流體模擬的實(shí)現(xiàn)過(guò)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()

}

}

圖形用戶界面[22](graphical user interface，簡(jiǎn)稱GUI，又稱圖形用戶接口)是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶界面。圖形用戶界面是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的技術(shù)的應(yīng)用，將復(fù)雜的編譯命令通過(guò)窗口、菜單、對(duì)話框等形式表現(xiàn)出來(lái)，使得用戶對(duì)圖形對(duì)象進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)編譯代碼的效果。通過(guò)GUI技術(shù),用戶可以不再需要死記硬背大量的命令，而可以通過(guò)窗口、菜單等方便地進(jìn)行操作，從而實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的交互。在本研究中，通過(guò)GUI可以方便快捷地對(duì)發(fā)射器，輔助器和約束器進(jìn)行設(shè)置，從而將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(水深，流速)作為初始條件以及場(chǎng)景內(nèi)重力、風(fēng)速等作為約束條件進(jìn)行粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算。經(jīng)過(guò)粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算后的場(chǎng)景內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程模擬如圖6所示。

圖6 場(chǎng)景內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程

2.3 后期處理

經(jīng)過(guò)粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算后的洪水采用粒子模擬水體，與真實(shí)洪水相比有一定差距，而且由于視角單一，難以全面動(dòng)態(tài)反映整個(gè)場(chǎng)景內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程。本文采用紋理變換貼圖技術(shù)對(duì)模擬后根據(jù)粒子分布生成的水面網(wǎng)格進(jìn)行處理，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)對(duì)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)展示，全面、逼真地展示了場(chǎng)景內(nèi)洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)過(guò)程。

紋理變換貼圖是指通過(guò)對(duì)水面網(wǎng)格的紋理進(jìn)行移動(dòng)、變換等動(dòng)態(tài)處理，使水流表面“流動(dòng)”起來(lái)，從而使水體仿真更加逼真，其實(shí)現(xiàn)步驟如下：將水面網(wǎng)格劃分為多個(gè)模塊，對(duì)模塊進(jìn)行紋理變換貼圖使得每個(gè)模塊的水面貼圖相同且相鄰模塊貼圖能夠銜接起來(lái)，使不同模塊的紋理貼圖同步移動(dòng)，則紋理變換貼圖的位置依次在相鄰面之間進(jìn)行變化，通過(guò)各個(gè)水面網(wǎng)格模塊的循環(huán)顯示實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的效果，如圖7所示[23]。

圖7 紋理變換貼圖示意

計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)[24]是指依據(jù)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)原理用程序或工具生成一系列的靜態(tài)畫(huà)面，然后通過(guò)畫(huà)面的連續(xù)播放來(lái)反映對(duì)象的連續(xù)變化過(guò)程，通過(guò)視點(diǎn)的移動(dòng)、光照的變換、紋理和色彩的變化等方法能夠全方位動(dòng)態(tài)展現(xiàn)洪水演進(jìn)情景。本文采用關(guān)鍵幀插值等技術(shù)，同時(shí)借助3dsmax軟件[25]的三維圖像處理功能，在動(dòng)畫(huà)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，控制空間物體的坐標(biāo)點(diǎn)變化和關(guān)鍵幀通過(guò)動(dòng)態(tài)視角對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行觀察，從而全面展現(xiàn)場(chǎng)景內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程。

綜上所述,經(jīng)過(guò)后期處理的某航站樓場(chǎng)景內(nèi)洪水演進(jìn)情景仿真效果如圖8所示。

圖8 洪水演進(jìn)情景仿真效果

3 工程應(yīng)用

某水庫(kù)位于我國(guó)東南某建筑物密集城市，是當(dāng)?shù)刂匾{(diào)蓄水庫(kù)之一，以水庫(kù)遭遇2000年一遇洪水(P=0.05%一遇洪水)時(shí)的最不利工況，即發(fā)生漫壩瞬間全潰為研究對(duì)象[26-27]。結(jié)合工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)信息，構(gòu)建研究區(qū)域地形模型(如圖9)，采用耦合 VOF 法的潰壩三維k-ε雙方程模型進(jìn)行數(shù)值模擬，水庫(kù)下游洪水演進(jìn)數(shù)值模擬結(jié)果水深圖如圖10所示。

圖9 研究區(qū)域地形模型

圖10 各時(shí)段的洪水淹沒(méi)水深(m)

數(shù)值模擬結(jié)果水深圖反映了潰壩發(fā)生后不同時(shí)刻洪水對(duì)研究區(qū)域的淹沒(méi)情況，從而可以從宏觀角度觀察洪水整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)整體研究區(qū)域水深圖的研究可以確定需要重點(diǎn)防范的位置、場(chǎng)景，從而有針對(duì)性地制定防洪應(yīng)急避難案計(jì)劃，進(jìn)而為洪水災(zāi)害應(yīng)急管理提供決策依據(jù)。

根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，結(jié)合重要建筑物、重要設(shè)施、人口密集地區(qū)的分布等因素，將圖10中場(chǎng)景M、場(chǎng)景A、場(chǎng)景B、場(chǎng)景C、場(chǎng)景D確定為重點(diǎn)研究場(chǎng)景。從工程信息數(shù)據(jù)庫(kù)中得到重點(diǎn)研究場(chǎng)景信息，結(jié)合空間遙控遙測(cè)技術(shù)得到的研究區(qū)域地形地貌、建筑物分布等信息，采用CSG法構(gòu)造出各場(chǎng)景模型，應(yīng)用GUI技術(shù)將洪水演進(jìn)數(shù)值模擬計(jì)算得到的水情信息(水深、流速等)應(yīng)用于各場(chǎng)景粒子動(dòng)力學(xué)解算，在經(jīng)過(guò)后期處理后，實(shí)現(xiàn)了各場(chǎng)景的洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真。場(chǎng)景M的洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真過(guò)程如圖11所示,其中：t=1 h時(shí)洪水尚未到達(dá)場(chǎng)景M；t=2 h時(shí)洪水到達(dá)場(chǎng)景M，場(chǎng)景內(nèi)建筑物、機(jī)動(dòng)車開(kāi)始被淹沒(méi)，此時(shí)水深0.34 m；t=3 h時(shí)洪水已將場(chǎng)景M完全淹沒(méi)，且水深、流速均大于t=2 h時(shí)的情況，此時(shí)水深1.6 m；t=5 h時(shí)場(chǎng)景M水深進(jìn)一步增加，已將機(jī)動(dòng)車、崗?fù)さ葓?chǎng)景模型完全淹沒(méi)，同時(shí)從水面流態(tài)來(lái)看，此時(shí)洪水流速相較于t=3 h已有所放緩，此時(shí)水深3.7 m。

圖11 場(chǎng)景M洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真過(guò)程

分別構(gòu)建場(chǎng)景A、場(chǎng)景B、場(chǎng)景C、場(chǎng)景D模型并對(duì)其進(jìn)行洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的整體研究區(qū)域淹沒(méi)情況，得到整體區(qū)域及各場(chǎng)景的三維動(dòng)態(tài)淹沒(méi)過(guò)程，其中t=5 h時(shí)整體區(qū)域及各場(chǎng)景淹沒(méi)情況如圖12所示。

圖12 t=5 h時(shí)整體區(qū)域及各場(chǎng)景淹沒(méi)情況

4 結(jié)束語(yǔ)

為了調(diào)蓄洪水和保障人民飲用水安全，我國(guó)修建了大量水庫(kù)，水庫(kù)大壩一旦潰決，產(chǎn)生的大量水體以及洪水波會(huì)對(duì)下游建筑物密集城區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大危害，而潰壩洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)情景仿真為洪水災(zāi)害應(yīng)急管理和下游受威脅城區(qū)的人員與財(cái)產(chǎn)轉(zhuǎn)移提供重要依據(jù)。目前對(duì)洪水演進(jìn)可視化的研究注重于對(duì)不同時(shí)刻計(jì)算結(jié)果的靜態(tài)展示，并且對(duì)研究區(qū)域洪水演進(jìn)范圍、水深、流速等關(guān)鍵水情信息計(jì)算時(shí)多采用一、二維洪水演進(jìn)模型，未能實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水演進(jìn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的三維動(dòng)態(tài)情景仿真。針對(duì)此問(wèn)題，本文應(yīng)用CSG法建立了大壩周邊的三維場(chǎng)景，基于GUI技術(shù)、粒子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了潰壩洪水?dāng)?shù)值模擬和三維場(chǎng)景的耦合，經(jīng)過(guò)紋理變換貼圖等后期處理實(shí)現(xiàn)了建筑物密集城區(qū)潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真。結(jié)合某潰壩洪水演進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬和情景仿真研究成果，形象、直觀的模擬了洪水演進(jìn)特性，為制定防洪減災(zāi)措施提供了直觀分析依據(jù)和重要理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 劉 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 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51321065)

魏一行(1992—)，男，河南人，碩士研究生，主要從事水利工程仿真與安全研究， E-mail: weiyixing1992@foxmail.com。

魏一行，任炳昱，吳斌平.城區(qū)水庫(kù)潰壩洪水演進(jìn)三維動(dòng)態(tài)情景仿真研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，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