基于双流体模型的三维溃坝洪水模拟
流域三维地形仿真及洪水演进动态模拟
收稿日期:2001206220.作者简介:董文锋(19772),男(汉族),四川渠县人,华中科技大学硕士研究生.文章编号:100027709(2001)0320037203流域三维地形仿真及洪水演进动态模拟董文锋 袁艳斌 杜迎泽 刘吉平(华中科技大学水电及数字化工程学院,湖北武汉430074)摘要:以V isual C ++为编程基础平台,利用OpenGL 和G IS 技术,建立了流域三维地形仿真系统;采用三维网格逼近的方法生成真实的三维地形,并在其上建模,实现了包括洪水淹没、推进的动态模拟仿真可视化技术,初步建立了洪水演进仿真的框架.关键词:数字流域;G IS ;洪水演进;模拟仿真中图分类号:P 208;TV 122文献标识码:A 洪水演进仿真模拟系统作为“数字流域”工程体系中的一个重要的子系统,通过它可以对整个流域进行动态实时的三维仿真,为防洪减灾提供决策支持.在系统中通过对流域河道截面的积分计算得到洪水在某一特定时刻的冲击力、流量等数据,以分析洪水与障碍物的相互作用规律及洪水演进的趋势;系统通过对防洪减灾策略作试演和模拟,提供用以决策的有力科学依据,以评价策略的有效性,达到减少人力、物力投入,进而减小防洪减灾策略的盲目性.1 三维地形、地貌环境模型生成技术根据洪水演进仿真系统研制专题的系统分析,数字地理环境的基础是三维地形生成,其数据来源主要是G IS 所管理的相关空间数据.在G IS 中描述流域地形的数据结构为栅格数据结构和矢量数据结构[1],栅格数据结构在存储和处理过程中需要大量的计算机内存,而矢量数据结构在某些特定的形式处理如多边形迭置、空间均值处理等方面尚有大量的技术问题有待解决[2],因而系统在建立三维流域地理环境时,采用三维网格逼近的图形生成技术建立河道流域的仿真模型.作为整个系统分析的基础,三维地形生成使用了不同于G IS 中高程模型(D igital E levati onM odels ,缩写为D E M )对地形的处理方式[3].通过R S ,G IS 得到的数据是一系列等间隔的栅格数据,每一个点都附有(x ,y ,z )坐标,本系统对每一个数据点的三维坐标都在生成的地形中得到了真实的再现,每相邻的3个点组成一个三角形,再将所有的三角形联接成网,形成反映高低起伏变化的地形三角网,从而为系统集成后的分析过程提供了详实的分析依据.为改善地形仿真视觉效果,需要计算每一点的法向量以产生真实的光照效果.法向量是过三角形顶点的两个向量的叉积,再经过归一化计算得到.一个与具体顶点相关联的法向量决定了该顶点所在的物体表面在三维空间中的方向,以及在转动时该点接受到的光量.另外,作为一个真实自然地形的仿真,系统用光照、彩色材质控制地形对光源的反光效果,加入特殊效果处理如雾化、图形保真等以更好地模拟自然环境.下面是法向量生成的数学模型.若曲面的显示方程为:V (s ,t )=V [X (s ,t ),Y (s ,t ),Z (s ,t )]式中,s ,t 为曲面的参数;X ,Y ,Z 为可微函数;5V 5s×5V5t为曲面法线.若方程为隐式,法线矢量是由函数以梯度给出,即∃F =5F 5x ,5F 5y ,5F5t.曲面由多边形近似得到,因此法向量的计算也只能由多边形的数据得到,每一个三角形的3个点,其叉积第19卷第3期2001年9月水 电 能 源 科 学In ternati onal Jou rnal H YDRO EL ECTR I C EN ER GY V o l .19N o.3Sep t .2001(V 1-V 2)×(V 2-V 3)垂直于平面.为了避免相邻平面上平均法线某个值过大,对求得的法向量做归一化处理.归一化向量:L ength =x 2+y 2+z 2,并把所得向量的每一个组成部分除以这个长度[4].在V isual C ++中以上算法的实现函数如下:vo id CSi m u lateDoc ::no rm alizedcro ss (doub le 3u ,doub le 3v ,doub le 3nn ){doub le l u ,v 为两个相交向量;nn [1]=u [2]3v [3]-u [3]3v [2] nn [1]为法向量在x 轴上的分量;nn [2]=u [3]3v [1]-u [1]3v [3] nn [2]为法向量在y 轴上的分量;nn [3]=u [1]3v [2]-u [2]3v [1] nn [3]为法向量在z 轴上的分量;l =sqrt (nn [1]3nn [1]+nn [2]3nn [2]+nn [3] 3nn [3])nn [1] =l 归一化计算;nn [2] =l nn [3] =l }实验中通过对清江流域卫星TM 遥感图像进行图像处理,由2D G IS 加以管理和预处理形成清江流域空间基础数据,采用上述三维网格逼近的图形生成技术,利用O p enGL 编程技术提供应用图形接口函数,加入每一点的法向量后生成清江流域局部地段的三维地形图(图1).图中清晰地展示了地形的起伏变化,清江流域主河道和不同级别次级河道的分布,为各类用户提供了流域三维可视化地形、地貌环境,为淹没、推进等洪水动态立体模拟仿真提供了流域基础三维景观地理背景.图1 清江流域局部地段三维地形图2 洪水淹没及演进动态仿真模块设计在数值计算方面,通常将溃坝水流作为一维流考虑.溃坝波的运动规律是一个非常复杂的过程,需要理论与实验相结合,虽然模型试验的整个过程所需人力大、经费多、时间长,但随着电子计算机的发展及广泛应用,国内外相继对其水动力学数学模拟进行了研究.洪水演进动态仿真模拟正是在上述三维地形仿真的基础之上,利用地形数据建立不同的数学模型来进行对洪水波演进的模拟.实际上本系统的研制过程就是一种系统的集成,主要进行了洪水淹没和推进动态仿真模块的设计.2.1 洪水淹没动态仿真模型设计洪水淹没模型是以三维地形和不同水位来综合演示洪水淹没行为的时空变化及水体形态,侧重于对洪水在不同时刻淹没后状态的表达.通过本模型可以分析在一定的水位下,目标地形淹没的状态,进而计算出当前水位下水体的势能及其他分析数据,从而对大坝的安全及防洪进行精确的仿真.在编程实现时定制一个计时器,每经过一段时间触发系统按新的要求重新绘制地形和淹没后的水面,水面的高度可以逐渐上涨或下降.由于系统面向的是流域地形、影像、水文等海量数据,必须解决处理机在处理大数据量所导致的淹没行为演示的速度问题.为此,将地形显示与洪水上涨显示分离,在洪水上涨的过程中,每一次重绘时不必重绘地形,当然如果出现的是对鼠标要求变换地形的消息响应时,应将地形也全部重绘.图2是在仿真的清江流域三维地形基础上模拟洪水淹没(某一时刻水位)的演示效果.图2 清江流域洪水淹没地形图・83・ 水 电 能 源 科 学 2001年2.2 洪水推进动态仿真模型设计洪水推进模型仿真了整个洪水推进的过程,包括洪水从上游到下游的推进,以及在推进过程中由于地形的变化,推进的峰面形状的变化等方面的动态模拟仿真.在编程实现技术环节上,为了响应时间触发事件,达到动态演示效果,首先需要定制一个计时器变量,在固定的时间间隔触发系统重新绘制画面,而每一次重绘就是演示的下一帧动画.其次,应确定本模型的初始状态,在开发过程中,系统假定从研究区中流域河道的最初位置为洪水发源点,采用广度搜索算法[5]确定洪水推进的河道边界控制,解决了流域洪水推进与地形的空间自适应关系,较好地模拟了洪水在河道中的自然推进过程.从计算机系统开发角度,洪水推进可视化仿真包括以下两个方面.2.2.1 推进过程中水对周围地形的识别在真实的自然区域,实际的流域是比较复杂的流域地形(如比较复杂的河网体系),在某一级河道中推进的水体存在着回流的可能.在计算机实现中可应用广度搜索算法研究其解决方案.所谓广度搜索,举例来说:在平静的湖水中投入一颗石子,其水波的扩展过程就是一个广度搜索的过程.运用这一思想,系统在对每一个节点发送绘制消息之前,节点都执行该算法以判断与之相邻的节点是否应该绘制,以适应复杂地形的需要[6].其实现的算法封装在如下函数里.vo id CSi m u lateDoc::Guangdu search() {create a queue 建立一个队列queue;enQ(&node,queue,k) 将第一个节点放入队 列;w h ile(1) 开始遍历;{if(p12>trianglenum%2!=0){ 当前点是 奇数;if(三角形满足广度搜索条件){enQ(&j,queue,p12>visito rder+1);} 将该 节点加入队列;}else{ 当前点是偶数;if(三角形满足广度搜索条件){enQ(&j,queue,p12>visito rder+1);} 将该 节点加入队列;}}}2.2.2 推进水体峰面形状的处理由于地形变化、水体与地表的摩擦力以及环境对水体推进的影响,洪水推进过程中的峰面是一个受多种因素影响而形成的复杂曲面,要真实地模拟出该峰面,必须考虑多方面的因素.本模型对洪水峰面的处理采用一种较为粗略的逼近方式,即在推进的瞬间找出河道横截面的最深点及水体与河道交界的两个点,对系统瞬时确定的三个控制点,通过拉格朗日插值拟合出一条曲线来大体上控制和模拟推进水体的峰面.其插值公式为:x=(y-y2)×(y-y3)(y1-y2)×(y1-y3)×x1+(y-y1)×(y-y3)(y2-y1)×(y2-y3)×x2+(y-y1)×(y-y2)(y3-y1)×(y3-y2)×x3式中,x i代表三个控制点的x轴坐标;y i代表三个控制点的y轴坐标;x,y分别代表插值后点的x,y轴坐标值.3 结语在洪水演进三维仿真模拟系统的开发中,重点研究了三维地形的网格逼近生成技术、特殊效果的生成、图形控制与视点切换技术、洪水淹没及洪水演进的计算机模拟技术,这几项技术构成洪水演进计算机模拟仿真实现的基础.随着研究的不断深入,将来能够实现在真实的三维地形上的虚拟漫游,让各类用户犹如身临其境观察洪水的演进过程,并通过本系统的分析功能对洪水动力学性能进行分析,最终为各级防洪部门进行防洪减灾提供技术支撑.参考文献:[1] 边馥苓.地理信息系统原理和方法[M].北京:测绘出版社,1996.[2] 罗志琼,刘 永,周顺平.地理信息系统原理及应用[M].武汉:中国地质大学出版社,1996.[3] 韩式方,魏 华.三峡水库溃坝洪水波演进数学模拟[C].见:中国科学院三峡工程生态与环境科研项目领导小组编.长江三峡工程对生态与环境影响及其对策研究论文集.北京:科学出版社,1987.4822487[4] 李 薇,徐国标,李 果等.OpenGL3D入门与提高[M].成都:西南交通大学出版社,1998.[5] 张福炎.程序设计(第2版)[M].北京:清华大学出版社,1996.[6] Chow V T.A dvance in H ydro science[M].N ewYo rk:A cadem ic P ress,1978.(下转第51页)・93・第19卷第3期董文锋等:流域三维地形仿真及洪水演进动态模拟 处,序列存在明显的变异.由于其李氏指数约等于零,根据式(3)可知,它们都属于跃阶变异.在其他时间点上,模极大值随着尺度的增加迅速减小,可见它们都是由序列波动或某些极大值引起的.另外,从图4中未发现李氏指数较大的点,为了进一步证实序列是否存在趋势,对原序列作差分后求小波系数也未发现李氏指数大于等于零的点.表1 大洲站水位序列小波变换系数极值表a极值出现年份极值出现年份21-0.9419501.79199422-0.7619521.04199423-1.0519521.17199424-0.9919521.00199325-0.6119510.371978 根据经验,在小尺度下,小波系数模极大值与突变点位置对应较准确,但是,小尺度下受波动的影响很大,产生许多伪极值点.在大尺度下,极值点相对稳定,但是定位有偏差,不够准确.因此,在分析判断时需要把多个尺度结合起来综合观察.3 结语本文使用小波变换的方法对非平稳水文时间序列进行分析,计算出变异点的李氏指数,并根据小波系数模极大值的位置对变异点定位,根据李氏指数的大小对变异性态分类,根据尺度的大小描述受变异影响的时间跨度.在对大洲站年最高水位序列进行分析后得出,在1952年与1994年处有明显的突变特征.通过上述方法,只找到了最可能发生变异的位置,接下来还必须用各类统计方法(秩和检验法、游程检验法、T 检验法等)检验其可信程度.另外,还必须对流域进行实地考察寻求序列变异的原因,并作物理上的解释,只有通过综合分析,才能最后作出判断.参考文献:[1] 丁 晶,邓育仁.随机水文学[M ].成都:成都科技大学出版社,1988.[2] 杨福生.小波变换的工程分析与应用[M ].北京:科学出版社,1999.[3] M allat S ,Hw ng W L .Singu larity D etecti on andP rocessing w ith W avelet [J ].IEEE T ran s on M edical I m aging ,1995,14(2):1932204[4] 秦前清,杨宗凯.实用小波分析[M ].西安:西安电子科技大学出版社,1994.Pr i m ary Appl ica tion of W avelet Ana lysis on Non -steadyHydrolog ica l T i m es Ser iesZH EN G Z e 2quan X IE P ing CA I W ei(Co llege of W ater Con servancy and H ydropow er Eng .,W uhan U n iv .,W uhan 430072,Ch ina )Abstract :A t first ,th is paper in troduces the p rinci p le of w avelet tran sfo rm and the relati on sh i p betw een the coefficien t of w avelet and singu larity of signals .Secondly ,w e test the singu larity of non 2steady hydro logical ti m es series based on the above 2m en ti oned conclu si on .A nd then w e can get the p lace w here the singu larity and gradual change happened ,as w ell as their varieties .A ll of the w o rk p rovide the favo rab le p reconditi on abou t recovering the coherence of hydro logical ti m es series.Key words :w avelet tran sfo rm ;non 2steady ;hydro logical ti m es series ;singu larity ;gradual change ;coherence(上接第39页)Si m ula tion of 3D Terra i n and the D ynam ic Si m ula tion of Flood Routi ng M ethodDON G W en 2f eng YUA N Y an 2bin DU Y ing 2z e L IU J i 2p ing(Co llege of H ydroelectricity and D igitalisati on Eng .,HU ST ,W uhan 430074,Ch ina )Abstract :U sing V isual C ++as p rogramm ing p latfo rm ,together w ith OpenGL and G IS techno logy ,w e haveestab lished 3D si m u lati on system of river basin landscape .Basd on 3D m esh app rox i m ati on ,the real 3D landscape isp roduced .It leads to model generati on ,including si m u lati on of inundati on and rou ing m ethod ,estab lishm en t of ap ri m ary si m u lati on system of flood rou ting fram ew o rk .Key words :digital valley ;G IS ;flood rou ting m ethod ;si m u lati on・15・第19卷第3期郑泽权等:小波变换在非平衡水文时间序列分析中的初步应用 。
基于地形坝体一体化三维场景的水库洪水淹没模拟
Reservoir Flood Inundation Simulation Based on Integrated 3D Scene of Terrain and Dam 作者： 陈文君[1] 陈锁忠[1] 杨军[2] 马俊霆[1]
作者机构： [1]南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室,江苏南京210046 [2]江苏省防汛防旱指挥部办公室,江苏南京210046
出版物刊名： 地理与地理信息科学
页码： 16-19页
年卷期： 2014年 第2期
主题词： 水库洪水淹没 三维场景 地形三角网 坝体模型
摘要：提出一种无缝融合地形三角网与坝体虚拟现实模型、构建一体化水库库区三维场景的方法.基于真实连续的下垫面环境进行确定水位的淹没模拟,其中地形部分以迭代实现邻接扩展的淹没算法,坝体部分通过高程比较与体元轴对齐包围盒相交判断确定迎水面受淹形态.通过计算广义三棱柱及其变体的离散水体体积,求得水位对应库容,并构建二分查找判定树,以快速获取接受净入库洪量后的库区洪水淹没结果,并在三维场景中渲染表达.实验结果表明,基于地形坝体一体化三维场景的计算模拟方法,相比传统库容曲线与洪水风险图能够在展现库区洪灾影响范围的同时,兼顾坝体局部的淹没细节.。
弯道溃坝水流的三维数值模拟
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈｅ Ｆ ｌ ｏ ｗ一 ３ Ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ， ａ ３ Ｄ ｎ ｕ ｍｅ ｉｃ ｒ ａ ｌ ｍｏ ｄｅ ｌ ｆ ｏ ｒ ｓ ｔ ｕｄ ｙ ｉ ｎ ｇ ｄａ ｍ— ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｌｏ ｆ ｏ ｄ ｗａ ｓ ｅ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ
摘要 ： 基于 Ｆ ｌ ｏ ｗ一３ Ｄ软件 ， 采用 Ｒ Ｎ Ｇ ｋ 一８模型和 Ｖ Ｏ Ｆ法 ， 建立 了分析溃坝洪水 的水流 三维 数学模 型 ， 计算 了 溃坝洪水通过 ９ Ｏ 。 直角弯道模型试验并进行验证 ， 计算结果 表明物理试 验与数值 模拟结果 中渠道 内洪水水 面线 与
试 验实测值 吻合度很 高 ， 说 明所建模型 的正确性 。随后采用所建数学模 型模 拟计 算 了某实 际弯 曲河 流的溃坝洪 水 传播 过程 ， 计算结果表 明河流对溃坝波传播 的影 响随着 河道弯 曲率 的增大而减 小 ， 溃坝波 在通过 弯道时在 凹岸 处
第３ ８卷第 ４期 ２ ０ １ ６年 ｌ ２月
南昌大学学报 （ 工科版 ） Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｎ ａ ｎ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ）
溃坝水流与泥沙冲刷的三维数值模拟研究
溃坝水流与泥沙冲刷的三维数值模拟研究作者：陈宇豪刘成林刘珮勋来源：《人民黄河》2017年第09期摘要：基于N-S方程、RNG k-ε模型和有限差分法建立了溃坝洪水分析的三维数学模型，进行了溃坝洪水通过直角弯道的模型试验，并将计算值与实体模型试验结果中洪水的实测值进行对比，结果表明渠道内洪水位的计算值与实测值高度吻合，流速大小与方向也基本一致。
为进一步研究溃坝洪水冲刷问题，在水流模型的基础上加入了泥沙模型，并采用槽宽突变渠道中溃坝洪水冲刷的模型试验进行验证，验证结果表明洪水水位的实测值与数值模拟计算值吻合较好，冲刷完成后的冲刷坑深与堆丘高度也基本一致，说明所建的泥沙模型在研究溃坝洪水泥沙冲刷问题时有较好的准确性与实用性。
关键词：RNG k-ε模型；有限差分法；泥沙模型；槽宽突变；渍坝改革开放以来，我国水利建设发展迅速，不同型式的高坝逐年增多，各类水利工程的建设为推动国家发展做出了巨大贡献。
与此同时，随着各类水坝使用年限的延长，病险水库日益增多，若不及时处理则可能引发水库险情甚至溃坝事故。
现阶段我国研究溃坝多采用实体模型试验和数值模拟计算的方法，不少研究者利用实体模型试验的方法解决了一系列工程实际问题，并提出了相应的模型理论，但实体模型试验也存在投资大、周期长且人为干扰因素难以消除等缺点。
随着各类商业流体计算软件与计算机硬件的飞速发展，采用数值模拟研究溃坝问题已逐渐成为趋势。
早期溃坝研究多采用一维模型进行计算，计算结果仅能体现出溃坝波的运动特性，局限性较大。
二维模型在实际研究溃坝问题上应用较多，计算结果能反映溃坝后河道中局部流场的变化，水流模拟的准确度和精度较高，适用于规则河道中溃坝洪水波的模拟计算。
但是，实际工程中河道往往变化复杂，且伴随各种类型的弯道段，溃坝洪水在通过复杂河段时水面变化剧烈，产生的环流旋涡现象是一维、二维模型难以模拟计算的，因而有学者开始采用三维模型研究溃坝洪水，结果证明三维模型在溃坝洪水问题研究上有很好的应用效果。
科技成果——基于GIS的溃坝洪水仿真模拟和分析系统
科技成果——基于GIS的溃坝洪水仿真模拟和分析系统主要应用领域堤坝安全、防洪减灾成果简介基于GIS的溃坝洪水仿真模拟和分析系统是为水库管理和风险评估分析而开发的，是集数据库管理、多维数值仿真模拟、灾害经济分析评估、和灾害预防决策支持为一体的集成系统。
该系统主要用于建设相关GIS数据库（如库坝参数、周边社会经济空间分布数据库）；决口扩展过程描述，模拟大坝或防洪堤决堤后洪水的演进过程，分析洪水破坏能力、洪水淹没深度、洪水波到达时间等；制定空间分布在海破坏等级图，评估灾害经济损失，为灾后分析、制定防洪预案、应急草案、和风险管理提供必要的科学依据。
该系统由GIS数据库管理模块、多维（二维或三维）洪水波数值模型、洪水分析模块、经济分析模块等组成。
该系统还配备了二维和三维动画演示模块，提供高质量的数据可视化输出。
该系统已在北美得到了很好的验证。
系统功能系统包含的模块有：1、GIS数据库管理和图形模块：支持卫星图像、数字地形（DEM）、各种GIS数据库、MS-ACCESS数据库。
主要包括库体和大坝参数、可能遭受灾害区域的单位经济和人口空间分布数据库、决口扩展过程描述等。
2、二维洪水演进数值模型：模拟大坝或防洪堤决堤后洪水演进过程，输出空间和时间分布的水深和流速，为进一步的洪水灾害分析提供数据。
洪水分析模块：分析洪水破坏能力、洪水淹没深度、洪水波到达时间、制定空间分布在海破坏等级。
3、经济分析模块：评估洪水灾害所造成的空间分布直接经济损失，和按行政区域的直接经济损失汇兑表。
4、二维和三维动画演示模块：图形显示决堤后洪水演进过程，制作动画和高分辨率的图像输出。
应用情况该系统已广泛地应用于北美和五大湖海岸地区的水库和河流洪水风险评估和管理中，另外还应用在加拿大Limington决堤后洪水演进和洪涝灾害分析、美国加拿大圣劳伦斯河河决堤洪涝灾害研究、美国Smith Mountain水库管理和综合风险评估分析、美国Claytor河梯级水库管理和综合风险评估分析等。
城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究
（ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋ ｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｔ ｉ ａ ｎ ｊ ｉ ｎ ３ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
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 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ）
摘
要： 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
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 。
关
键
词： 计算 流体 力 学 ； 渍 坝洪水 演进 三 维动 态情景仿 真 ； Ｃ Ｓ Ｇ法 ； Ｇ Ｕ Ｉ 技 术； 粒 子 系统动 力
ｌ ｆ ｏ ｏ ｄ ．Ｔ ｈ ｅ ｖ ｉ ｓ ｕ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｄ ａ ｍ－ ｂ ｒ ｅ ａ ｋ ｌ ｆ ｏ ｏ ｄ ａ ｔ ｐ ｒ ｅ ｓ ｅ ｎ ｔ ｕ ｓ ｕ ａ ｌ ｌ ｙ ｆ ｏ ｃ ｕ ｓ ｅ ｓ ｏ ｎ ｓ ｈ ｏ ｗ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ
三维土石坝溃坝洪水在复杂地形演进的数值模拟
DEM 数据，建立仿真实际三维地形，然后采用有限体积法和 VOF 模型对土石坝溃坝后的溃坝洪水进行数值模
拟，展示洪水运动过程，为土石坝溃坝的风险分析和评估提供了一种参考方法。
关键词：土石坝溃坝；复杂地形；数值模拟；VOF 模型
中图分类号：TV122.4
文献标识码：A
文章编号：1003-5168（2020）01-0073-03
目前，已有众多学者对溃坝洪水进行了研究。例如， 周清勇［1］探讨了土石坝溃坝洪水对下游的风险，获取了 洪水风险图；付嘉龙［2］基于常规二维浅水方程的改进，建 立适用于不规则边界的浅水流动有限体积法，在水平项 和垂直项的自由水面相对高度进行分裂后的守恒性改进 控制方程，对土石坝进行二维溃坝洪水演进数值模拟，并 通过对典型算例验证改进控制方程可行性；李致勇［3］研
1 研究背景
在我国，土石坝数量占大坝总数的 95%，其在发挥重 要作用的同时，也存在潜在的安全隐患。溃坝问题是土 石坝不可避免的问题之一。溃坝洪水是指大坝或其他挡 水建筑物发生瞬时溃决，水体突然涌出，给下游地区造成 灾害。溃坝洪水的破坏力远远大于一般由于暴雨或者融 雪引发的洪水。一旦发生溃坝，将产生难以预估的人员 伤亡及财产损失。因此，研究溃坝洪水问题，讨论大坝溃 坝的风险，完善区域防洪减灾预防措施是十分必要的。
Abstract: The numerical simulation of dam break flood can effectively provide the basis for disaster analysis. Taking an earth rock dam in Yunnan Province as an example, for the complex terrain, the real DEM data was used to estab⁃ lish the actual three-dimensional terrain for simulation, and then the finite volume method and VOF model were used to simulate the dam break flood after the dam break, to show the process of flood movement, and to provide a basis for the risk analysis and evaluation of earth rock dam break as a reference methods. Keywords: earth rock dam break；complex terrain；numerical simulation；VOF model
堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟关键技术
堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟关键技术王光谦;唐宗仁;刘炳义【期刊名称】《人民黄河》【年(卷),期】2015(000)007【摘要】我国是地震多发区，地震形成的堰塞坝一旦溃决，对下游城市和保护区将产生严重影响。
由于堰塞坝溃决的复杂性和不可重复性，因此单一的数值模拟和物理模型试验均无法全面展现其变化特征。
而三维视景模拟可在虚拟环境中精确地提供堰塞坝溃决及洪水演进的动态演变过程，具有显著的优势。
本文重点阐述了堰塞坝溃决洪水三维视景模拟的基本原理和关键技术，基于堰塞坝溃决洪水计算模型和三维视景仿真技术之间的耦合，对堰塞坝溃决洪水进行三维分析和仿真，实现堰塞坝溃决洪水的三维视景模拟仿真与应用。
相比传统的一维或者二维水动力学计算和展示，三维视景模拟更为准确和直观，它为堰塞坝溃决洪水问题的深入研究提供了一条行之有效的途径，可为提前制订应对方案和降低堰塞坝溃决所带来的损失提供参考依据。
【总页数】5页(P1-4,40)【作者】王光谦;唐宗仁;刘炳义【作者单位】清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084;北京太比雅科技有限公司，北京 100084;北京太比雅科技有限公司，北京 100084【正文语种】中文【中图分类】TV122+.4;TP399【相关文献】1.考虑不同泄流槽方案的堰塞坝溃决机理分析--以唐家山堰塞坝为例 [J], 石振明;郑鸿超;彭铭;张利民2.金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析 [J], 张新华;薛睿瑛;王明;余志球;李冰冻;王波3.金沙江白格滑坡堰塞坝溃决洪水灾害调查与致灾浅析 [J], 张新华;薛睿瑛;王明;余志球;李冰冻;王波4.堰塞坝溃决模拟研究综述与展望 [J], 段文刚;黄卫;魏红艳;戴盼伟5.金沙江白格堰塞坝自然泄流冲刷溃决过程数值模拟 [J], 谢忱;陈骎;侯奇东;胡宇翔;周家文;范刚因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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（ １ ）
成果 ， 也 验证 了数 值模 拟方 法 的可行 性和 正确性 ， 但 是 这 些学 者 的研 究 多 利 用 的是 表 达 水 汽 两 相 流 的 Ｖ Ｏ Ｆ
雷诺 时均动量 方程 为 ＋ Ｖ（ Ｍ ）＝一 Ｖ ｐ＋ ｇ＋Ｖ丁 十
模型和标准的 ， ｃ — 紊流模型 ， 在数值模 拟 中对泥沙 的影 响考 虑较少 ， 尤 其在 溃坝 过程 中 ， 悬 移质 泥沙 的冲
（ １ ． 江苏建 筑职 业技 术 学院 ， 江苏 徐州 ２ ２ １ １ １ ６ ； ２ ． 西北农 林科 技大 学 ， 陕西 杨凌 ７ １ ２ １ ０ ０ ；
３ ． 江苏省水利勘察设计研究院有 限公 司 徐州分公 司， 江苏 徐州 ２ ２ １ ０ ０ ９ ）
摘 要： 在溃坝 洪水模拟 中， 泥沙因素的影响不可忽略 。针 对坝体溃决 中的水沙流动 ， 溃 口采用 Ｄ Ａ Ｍ Ｂ Ｒ Ｋ模 型 中的概化
厂————— ————— ——］
涌而溃坝 ， 库水几乎全部溃泄 ； ２ ０ １ ３ 年， 新疆联丰水库 溃坝 ， 村庄 淹没 ， 多 人 死 伤 。据 解 家 毕 等 … 对 全 国水
库溃 坝统 计及 分析 ， 在所 统计 的溃 坝坝 型 中 ， 土坝 比例
最高 ， 达到 ９ ３ ． ０ ０ ％， 其 中均质 土 坝 占 ８ ５ ． ８ ５ ％； 溃 坝坝
三 维溃 坝波 的演 化 过 程 。王 晓玲 等 通 过 Ｖ Ｏ Ｆ模 型 和三维 紊 流模 型 ， 对 复杂 区域 的 溃坝 洪水 进 行 了三维
图 １ 溃坝模型 三视 图及效 果图（ 单位 ： ｍ）
１ 数学模型及数值求解方法
１ ． １ 控 制方 程
假设 溃坝 洪水 属 于 不 可压 缩 黏 性 流 体 ， 以连 续 性 方程 和 雷诺 时均 Ｎ—Ｓ方 程 为 控 制 方 程 ¨ ， 连 续 性 方
关 键 词 ：溃坝洪水模 拟 ；溃 口；欧拉模 型 ；水沙流模 拟 ；紊流模型 文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — １ ３ ７ ９ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ３ ． ０ １ １ 中图分类号 ：Ｔ Ｖ １ ３ １
Ｉ
１ — ． — — ． — ． 。 ． ． — ． — ． ． ． １ ８ ． ． ． — ． ． ． ． ． —
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高 主要集 中在 １ ０— ２ ０ ｍ； 溃坝 原 因中洪 水 漫顶 是 最 主
要 的原 因 ， 占４ ７ ． ８ ５ ％ 。溃坝 事 故 一旦 发 生 ， 必 然造 成 人员 、 环 境和 财物 的 巨大损失 ， 专 家学 者对此 进行 了大
梯 形模 型 ， 通过 欧拉模型 即双流体模型成功模拟 了溃坝洪水 中的 悬移 质泥 沙颗 粒。对比来流 分 阻水和无 阻水情 况下坝 面剪切 力的大 小， 证明 悬移质 泥沙加快 了坝体 溃决 ， 下游 阻水建筑物 对水沙流的破坏有抑制作 用， 最后 给 出了河道中泥沙的淤积分布情况。所有模拟结果均符合 实际渍坝规律和环境 。
程 为 ＋ Ｖ（
数值 模 拟 ， 绘 制 了溃 坝 洪 水 风 险 图。此 外 ， Ｄ Ａ Ｖ Ｉ Ｄ 等 Ｌ ５ ｊ 、 ＷＡ Ｎ Ｇ等 Ｊ 、 夏 军 强 等 、 张 红 武 等 均 对 三
维 溃坝 洪水 演进 进行 了数值 模 拟研 究 ， 取 得 了一 定 的
）：
一
第３ ７卷第 ３期 ２ ０ １ ５年 ３月
人
民
黄
河
Ｖｏ １ ． ３ ７． Ｎｏ ． ３ Ｍａ ｌ ＂ ． ， ２ ０ １ ５
ＹＥ Ｌ Ｌ ０Ｗ ＲＩ Ｖ ＥＲ
【 防洪 治 河 】
基 于 双 流 体 模 型 的三 维 溃 坝 洪 水 模 拟
史 志鹏 ｒ， 张根 广 ， 王 国平 ， 何 婷 婷 ， 刘 关艳。
击 剪切 作用 不可 忽 略 ， 而且 溃 坝 缺 口处 洪 水紊 动 更 加 剧烈 ， 水 流具有 较 大的动 量 ， 流线变 化剧 烈 。本研究 利
∑（ ＋
Ｐ ＝１
） ＋ （ Ｅ ＋ Ｆ ｌ ｉ ｆ ｌ ， ｑ ＋ Ｓ ｖ ｍ ， ）（ ２ ）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ —０ ８ － ２ ０
近年 来 ， 随着极 端 天 气 、 暴 雨 的 频发 ， 溃 坝事 故 时 有发 生 。２ ０ １ ４年 ， 江西龙 溪镇 栖 源 村华 标 山塘水 库 溃 坝， 部 分村 庄 与农 田被淹 ； ２ ０ １ ３年 ， 山西 曲亭 水 库 因管
用， 给 出泥 沙在 坝体 附近 的分 布情 况 ， 为 溃坝 洪水 精确 模 拟 和溃坝 洪水 破坏 能力 的分 析提 供科 学依 据 。
用郑力等 溃坝物理模型试验中的溃坝物理模型（ 见
图１ ） ， 利用表 示 水 、 空气 、 悬 移质 泥 沙 的欧拉 模 型 和三 维Ｒ Ｎ Ｇ Ｋ— 紊 流模 型 对 溃 坝 洪 水 进 行 气 、 液 和 固 三
基金项 目： 国家 自 然 科 学基 金 资助项 目（ ５ １ ２ ７ ９ １ ７ ０ ） ； 江 苏建
量相 关 的研 究 工作 。曹 志 先 等 对 溃 坝 水 流 进 行 了
（ ｅ 】 俯视图
（ ｄ ） 效 果图
定床物理模型试验 ， 并通过 Ｖ ０ Ｆ 模型进行 了三维数值 模拟 ， 捕捉到了溃坝水流三维流场 、 湍动能等成果 ； 曹 洪建 等 通过 自主研 发 的非 定 长流 动 求 解 器 ， 对 溃坝 水 流和 直立 方柱 的相 关 作用 进行 了数 值 模 拟 ， 给 出 了