（水文学及水资源专业论文）洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 洪水是我国频繁发生的自然灾害之一，严重威胁着国民的生命安全并制约着社会经 济的发展，为了防御洪水和减少洪灾损失，需要采取一系列防洪减灾措施。洪水风险图 是实施洪水管理的重要手段和基础。制作洪水风险图，需要可靠的信息支持，选择科学 的方法，建立可靠而高效的模型。本文通过对数值模拟技术在洪水风险图的编制中的研 究，探讨了洪水风险图制作的关键技术要求，阐述了当前在洪水风险分析、洪水风险评价 以及洪水风险图制作等方面的技术手段和做法。 本论文主要进行了以下几方面的研究：1 ) 洪水风险计算是绘制洪水风险图的核心 内容，以水力学方法进行洪水风险分析计算，建立研究区域的一维洪水演进水动力模型 是洪水风险分析计算的基础；2 ) 糙率是一维水动力模型的重要参数，针对影响河道糙 率参数的因素比较复杂，很难确定的问题，根据历史洪水模拟结果，率定不同洪水级别 的糙率参数；3 ) 针对风险图编制过程中，河道内不同频率的洪水对堤防的破坏程度不 同，出现险情的位置和范围难以确定的问题，建立一维河道洪水演进模型，并根据模拟 结果，通过对比模拟水位与堤顶的高程，划分堤防的风险级别，并对左堤进行合理的险 情预测分析；4 ) 溃口扩展方式的设计是直接影响淹没泛滥计算的重要因素，针对土堤 漫顶造成的溃堤事件，搭建合理的溃堤模型，为二维淹没计算提供可靠的上边界条件。 关键词：洪水风险图；数值模拟；堤防；风险分析 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 f 1 0 0 de v o l u t i o nn u m e r i c a lsi m u l a t i o nr e s e a r c h o nf l o o dh a z 踟dm 印p i n g a b s t r a c t f l o o dd i s a s t e ri so n eo fn a t u r a ld i s a s t e r 仔e q u e n t l yo c c m r i n gi nc l l i n a i h eh u m a l l sl i f e a n ds a f e t ya r es e r i o u s l yt h r e a t e n e d 孤di t ss m o o t hw i l lr e s t r i c ts o c i a ld e v e l o p m e mo fe c o n o m y i no r d e rt od e f e n dt h en o o da n dr e d u c en o o dd i s a s t e rl o s s ，、m en e e dt a k eas e r i e so fi n e a s u _ r e s f o rd i s a s t e rr e d u c t i o n f l o o dh a z a r dm a pi sa ne s s e n t i a lt o o la 1 1 db a s i sf o rj e l o o dm a i l a g e m e n t f 1 0 0 dh a z a r dm a p p i n gs h o u l dh a v er e l i a b l yd a t a ，s c i e n t i f i cm e t h o d ，e s t a b l i s h i n gar e l i a b l ea j l d h i g h - e m c i e n tm o d e l t h r o u 曲t h er e s e a r c ho nn 啪e r i c a ls i m u l a t i o nt e c l l l l i q u e si nn o o d h a z a r dm a p p i n gi n “sp 印e r ，t h ek e yt e c h l l i q u e si nn o o dh a z a r dm 印p i n ga r ep r e s e n t e d a d v a l l c e dm e t h o da 1 1 dp r a c t i c ei nf l o o dr i s ka i l a l y s i s ，n o o dr i s ka s s e s s m e n ta sw e l la sn o o d h a z a r dm a p p i n ga d o p t e di n t e r n a t i o n a l l ya r ei n t r o d u c e d r e s e a r c h e r sh a v eb e e nc a r r i e do nt h ef o l l o 、i n ga s p e c t s ： 1 ) f l o o d r i s kc a l c u l a t i o ni st h e c o r ec o m e n to fn o o dh a z a r dm a p p i n g ，f l o o dr i s ka i l a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na r er e s e a r c h e db y h y d r a u l i cm e t h o d ，e s t a b l i s h i n go n e - d i m e n s i o n a lf l o o d - r o u t i n gm o d e lo ft h er i v e rc h 锄e li s t l l eb a s i so fn o o dr i s ka i l a l y s i sa n dc a l c u l a t i o n ，2 ) r d u g h n e s si st h em o s ti m p o r t a n tp a r a m e t e r o ft h eo n e - d i m e n s i o n a lh y d r a u l i cm o d e l ，t oi n n u e n c i n gf a c t o r so fr o u g l u l e s si s v e 巧 c o m p l e x i t y ，a 1 1 di t sd i m c u l t t od e t e m l i n e d 、v h a tm er o u 9 1 u l e s si s ，a c c o r d i n gt ot l l es i m u l a t i o n r e s u l t so ft h el l i s t o r i c a ln o o d ，d e t e 眦i n e dt h er o u g h n e s so nt h ed i f f e r e n td i s c h a r g el e v e l s ，3 ) t od i f f e r e n tf - r e q u e n c yo fn o o dh a v ed i f - f e r e n td e g r e eo fd a m a g et ot h ed i k ef o rn o o dh a z a r d m 印p i n g ，w h i l em ep o s i t i o na 1 1 dt h er 锄g eo ft h er i s ko ft h ed i k ei sd 蕊c u l tt oc o n f i 咖， e s t a b l i s ho n e - d i m e n s i o n a ln o o d r o u t i n gm o d e lo ft 1 1 er i v e rc h a i l n e l ，a c c o r d i n gt os i m u l a t i o n r e s u l t s ，n l r o u g hc o m p a r i n ge l e v a t i o no fe m b a i ：i l ( m e mt o pa n dw a t e rl e v e lo fs i m u l a t i o n ，a n d d i v i d e dt h eg r a d eo ft h er i s k ，p r e d i c t i o na n da n a l y s i so fr i s ko nt h el e rd i k eb a s e do nt h e r e s u l t s ，4 ) t h ed e s i g no ft h eb r e a c hg e o m e t r yc h a n g i n gw i t ht h et i m e ，i st h em o s ti m p o r t a n t 矗童c t o rt oe f f e c to nt h er e s u l to ft w o - d i m e n s i o n ms u b m e r g e ds i m u l a t i o n ，t h ed i k ew i l lb r e a k c a u s e db ye a r t hd i k eo v e i r t o p p i n g ， e s t a b l i s h i n gd a m b r e a kr n o d e lr e a s o na _ b l y ，、 ，i np r o v i d e r e l i a b l ed a t aa n du p p e rb o u i l d a r ) ，f o rt v 旧d i m e n s i o n sn o o dr o u t i n g k e yw o r d s ： f l o o dh a z a r dm 印；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；d i k e ；黜s ka n a j y s i s l i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 刎6 6 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解”大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：巡 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题背景 洪水是我国频繁发生的自然灾害之一，严重威胁着国民的生命安全并制约着社会经 济的发展。为了防御洪水和减少洪灾损失，需要采取一系列防洪减灾措施。传统的防洪 减灾措施是通过水库、堤防、河道整治等工程措施来控制洪水【1 1 。工程措施可以降低洪 灾发生的频率，但同时会增加潜在的洪灾损失，因为工程措施往往导致更多的人口和资 产集中到由其保护的区域，而一旦大坝或堤防等工程失事，引起的洪水灾害损失将远远 大于无工程措施情况下的损失【2 j 。因此，2 0 0 3 年初，水利部与国家防办已经明确提出， 我国的“防洪要从控制洪水向洪水管理转变，从我国国情出发，我们需要选择承担适度 风险的洪水管理i j j 。 实现承担适度风险的洪水管理是一项庞大的系统工程，涉及到自然、社会、经济、 人文等各个方面。随着科学技术的发展，对于洪水本身的规律性研究、汛情的快速采集 与传输、洪水的准确预报、资源的科学调度等，都已经有了一些有效方法和手段。但在 制订防洪规划和调度方案时，决策者不易对区域内洪水灾害危险程度空间分布、实时变 化得到全面的了解，对问题的认识常停留在经验性判断阶段，这对于当前的洪水管理决 策者来说，是非常不适应的。因此有必要制作一种能够将某一区域内发生洪水灾害时的 淹没范围、水深、历时、流速和洪灾损失以及防洪工程和防汛物资分布、洪水避难通道 和地点等信息以通俗易懂的形式展示出来的专用地图一洪水风险图【4 1 。 洪水风险图是通过历史调查、水文分析及洪水模拟计算，将指定频率或历史典型洪水 在某一区域内引起洪水灾害时的淹没范围、水深、历时、流速和洪灾损失以及防洪工程 和防汛物质分布、洪水避难通道和地点等信息以通俗易懂的形式展示出来的一种专用地 图【5 】o 我国第七大河流辽河沿岸最重要的防洪保护对象是特大省会城市沈阳市。辽河干流 s f s 至l z 高速公路桥段处于沈阳市的西北，辽河大堤保护区涉及到沈阳市的两区两县， 若发生特大洪水，沈阳市的中心区也会受到威胁【6 。因此，该河段是重要地区洪水风险 图编制研究的典型性代表。研究区段左岸有沈阳张士开发区、新城子区、辽中县、新民 县等行政区，社会经济发达、人口众多，亟待高标准的防洪措施保护。但是现有防洪现 状是：部分堤防断面不达标、堤身和堤基质量差、沙基沙堤和工程险段多，穿堤建筑物 隐患多：防洪工程老化失修，病险工程多；河床土质多细沙，河道淤积严重等诸多问题。 如：1 9 8 5 年大洪水，虽然干流洪峰流量不大，但由于河道淤积及人为设障影响，河道洪 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 水位很高，加上洪峰次数多，洪水持续时间长，内水不能外排，外洪内涝，堤防决口， 造成严重洪涝灾害，仅经济损失就达1 9 亿元( 当年价) 【7 】。因此，为了实现该区段洪 水风险的有效管理，需要客观了解辽河洪水危险程度的总体分布情况，结合辽河洪水灾 害和现有防洪体系的特点，制作能够直观反映辽河沿岸遭遇洪水时的可能洪水分布、洪 水风险特征、防汛管理等信息的洪水风险图，并利用现代化的电子地图、网络系统、遥 感监测等技术，开发形象直观、实用方便的洪水风险信息管理系统，实现对洪水风险的 宏观和定性评估，为决策者提供有力支持【8 】。 1 2 研究区域 本项目研究的是辽河干流上的s f s 至l z 河段( 图1 1 上红线标出的部分) 。辽河 干流自s f s 开始进入平原区。辽河平原是松辽平原的一部分。这里地域广阔，地势低平， 河流蜿蜒，是东北大凹陷的一部分，在此凹陷内有较厚的第四纪松散沉积物，一般沉积 厚度为几米至数十米【9 】。s f s 下游多条支流均在右侧汇入，多属泥沙河流，是干流泥沙 的主要来源。 图1 1 辽河流域图 f i g1 1 t h em 印o f l i r i v e r b 鹤i n 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 研究现状 1 3 1 国外洪水风险图研究状况 一些发达国家很早就开始了洪水风险图的制作。如美国从2 0 世纪5 0 、6 0 年代就开 始制作洪水风险图，到2 0 0 3 年4 月，负责管理美国国家洪水保险计划( n f i p ) 的联邦 紧急事务管理局( f e m a ) 已经制作了9 0 0 0 0 多张洪水风险图( 大约1 9 0 0 0 个社区，3 8 9 万k m 2 洪泛区) 。2 0 0 3 年美国政府又投入1 5 亿美元用于洪水风险图现代化，将纸图更 新为数字化地图并通过因特网向民众发布。美国的洪水风险图主要是为洪水保险计划服 务，根据各地区遭受洪水威胁程度的大小制定相应的洪水保险费率【l0 | 。 日本从1 9 9 5 年开始洪水风险图绘制，到2 0 0 4 年日本已经完成了1 8 0 条河流( 流域) 的洪水风险图。同时日本还制作了一些城市洪水风险图，标示出发生城市水灾时的淹没 范围及水深等信息。 挪威1 9 9 5 年遭遇大洪水损失惨重，为避免灾难重现，政府于1 9 9 8 年启动洪水淹没 图( f l o o di n u l l d a t i o nm 印) 制作项目，该项目计划历时1 0 年( 1 9 9 8 2 0 0 7 年) ，耗资 7 0 0 万欧元，完成1 8 8 条河流的洪水淹没图。 国外的洪水风险图最初为纸制，制成后由政府向民众分发。随着信息技术的发展， g i s 、r s 、网络技术等开始广泛应用于洪水风险图的制作，从而提高了洪水风险图的制 作精度，同时也更加便于风险图的发布1 1 1 1 。 1 3 2 国内洪水风险图研究状况 我国洪水风险图绘制起步较早，从2 0 世纪8 0 年代开始，一些研究机构、省市和保 险公司就开始了洪水风险图的研究工作，分别绘制过不同需求的洪水风险图。在永定河 泛区、小清河分洪区等蓄滞洪区，在太子河、辽河干流等流域，在沈阳、广州、上海等 城市开展过洪水风险图的研究和绘制，浙江省、福建省等省也开展过全省范围的洪水风 险图的绘制。 除制作纸制洪水风险图外，我国在洪水风险图数字化方面也进行了研究。中国水利 水电科学研究院减灾所利用m 印i n f 0p r o f e s s i o n a l 、m a pb a s i c 等软件开发出了广东北江 大堤洪水风险图、荆江分洪区洪水风险图、浦东洪水风险图、天津市暴雨沥涝分析图等 产品。这些数字化洪水风险图在防洪救灾、抢险调度中发挥了巨大的作用【l 引。 1 4 研究思路与内容 目前洪水风险分析计算的方法主要有三种：水文学法、水力学法和历史水灾法【l 引。 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 水力学法是通过计算洪水发生时的流速、流向、水深等水力学特征值，得到洪水淹没过 程、淹没历时等数据以反映洪灾可能造成的危害，综合考虑数据来源情况，本研究采用 水力学法进行洪水淹没风险分析计算，利用d h i 开发的m i k e l1 软件建立一维河道洪 水演进模型。通过对历史洪水的模拟率定河道的糙率，利用率定的糙率进行设计洪水演 进模拟计算。通过模拟s f s 不同频率洪水的出库流量过程，对比水面线与辽河左岸堤防 堤顶高程做出易出险位置分析。由于辽河大堤大多为土堤，考虑一旦发生水位超过设计 洪水位就会发生溃堤事件，在此基础上利用m i k e l l 的d a m b r e a k 做出合理的溃堤模 拟，利用m i k e f l o o d 耦合到二维淹没区域，为风险图的绘制提供可靠的数据基础。 图1 2 为本文研究的技术路线图。 河 道 断 面 数 据 堤 防 设 计 资 料 上 游 流 量 过 程 河 床 糙 蛊 数 据 地 面 品 程 数 据 堤 防 设 计 资 料 公 路 路 基 局 度 土 地 利 用 状 况 一维、二维模型耦合连接进行洪水淹没计算 ljjjjj 洪 溃最水流洪 水口大 深速 水 溃流淹分分到 堤 且 没 布 布达里 位过范 数数 时 置程围据据间 图1 2 研究技术路线 f i g1 2 t h er e s e a r c hr o u t eo ft e c l l i l o l 0 斟 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 2 一维模型构建 洪水风险计算是绘制洪水风险图的核心内容，本课题以水力学方法进行洪水风险分 析计算，建立研究区域的水动力模型是洪水风险分析计算的基础，建立河道内一维洪水 演进水动力模型又是淹没区二维水动力模型的计算基础，为二维模型提供可靠的数据保 证和上边界条件。下面介绍以d h i 公司开发的m i k e l l 搭建一维水动力模型的方法。 2 1mik e l1 简介 国外目前已有多种商业化的一维非恒定流洪水演进模型。如：美国国家环保局的 w a s p ( w a t e rq u a l i t ya n a l y s i ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 、美国水道实验站的c e q u a l - r j v l 、 美国陆军工程兵团的h e c 5 q 、丹麦水力研究所( d h i ) 的m i k e1 1 等。其中m i k e l l 是最受欢迎的一个河流模拟系统。它是d h i 二十多年经验与开发的结晶。 m i k e l l 是一款多功能的一维水动力学软件包，以求解圣维南方程组作为理论基础， 并带有对流扩散，水质生态，泥沙传输，降雨径流，洪水预报，实时操作及溃坝模拟等 多种模块。并可与d h i 其他分析模型交互运用；图形用户界面友好、与m i k e g i s 地理 信息系统的联合运用，提供了自成体系的应用环境【1 4 】。 该软件包商业化程度较高，并被广泛应用于工程实际之中。该模型在全世界数千个 项目中得到应用和检验，被多个国家( 如澳大利亚、孟加拉国、英国等) 列为水动力与 水质模型的工业标准，并得到美国联邦紧急灾害管理署( f e m a ) 的认证，作为一个通 用的河流软件在美国数条河流上应用。m i k e l l 在中国南方多条河流上也得到应用，如 长江中游的洪水预报，苏州河干流防洪水位。 2 2 模型计算原理 任何有关非恒定流的数学模拟程序都基于以下三个要素： ( 1 ) 反映有关物理定律的微分方程组； ( 2 ) 对微分方程组进行线性化的有限差分格式； ( 3 ) 求解线性方程组的算法。 m i k e1 1 水动力学模型的微分方程一维明渠非恒定流方程，即圣维南( s a i n t v e 彻m ) 方程组1 1 5 j ，它的基本假定是： ( 1 ) 不可压缩、均质流体； ( 2 ) 基本是一维流态； ( 3 ) 坡降小、纵向断面变化幅度小； 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 ( 4 ) 静水压力分布。 圣维南( s a i n t v e 彻n t ) 方程组具体形式为： 望：丝 ( 4 1 ) 一= 一 、1 ， 望+ 竺芝+ 鲥丝+ 塑：o ( 4 2 ) 新缸。舐c 2 丘r 其中，q 表示流量，彳表示断面面积，茗、f 分别为距离与时间的坐标，乃表示水深， c 表示谢才系数，r 表示水力半径，g 表示重力加速度，a 为动量校正系数。 公式( 4 1 ) 是连续性方程，反映质量守恒；公式( 4 2 ) 是动量方程，反映动量守 恒。 m i k e1 1 采用六点a b b o t t i o n e s c u 有限差分格式对圣维南方程组进行离散。该离散 格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量，而是按顺序交替计算水位或流量，分别 称为h 点和q 点，如图2 1 所示。 图2 1 六点a b b o 伽i o n e s c u 有限差分格式 f i g2 1i m p l i c i ta b b o t - i o n e s c u6 - p o i n ts c h e m e 2 3 基础数据预处理 m i k e l l 水动力( h d ) 模型中，河网文件和断面文件共同概化整个河道。河网文件 主要描绘河道的走向，在x y 平面方向概化河道，而断面文件通过选取河道横断面边界 上的点，用该点距离左岸的距离和绝对高程在x z 方向来概化河道1 6 1 。由于提供的实测 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 断面不充足，段面的间距比较大，影响模拟精度，所以必须根据流域d e m 图中提取所 需的断面数据 以辽河c a d 地形图和d e m 图为基础数据提取辽河横断面( x ，y ，z ) 数据，为辽河的 洪水演进模拟提供可靠的数据。其中c a d 地形图描绘了河道的走向和堤防，桥梁等水 工建筑物的地理位置信息。d e m 图是以5 米为基本单位并且x y 坐标与c a d 地形图对 应的含有高程信息的点阵。由于数据量庞大，c a d 手工绘图提取辽河断面高程数据工 作量巨大而且浪费了很多宝贵的时间，通过j a v a 语言编写程序，实现了断面文件的智能 提取。 2 3 1d x f 文件结构 要在辽河c a d 地形图和有高程数据的d e m 图中提取m i k e l l 断面文件所需要的数 据，首先要把d 、g 格式的c a d 文件转换为d x f 格式，才能对c a d 文件进行二次开发， 提取高程数据。在了解d x f 文件的内部结构基础上，针对该文件的数据组织结构进行二 次开发，提取工程中所需要的数据。从总体结构来看整个d x f 文件由7 个部分组成，分 别是标题段( h e a d e rs e c t i o n ) ，类段( c l a s s e ss e c t i o n ) ，表段( t a b l e ss e “o n ) ，块 段( b l o c k ss e c t i o n ) ，实体段( e r l t i t i e ss e c t i o n ) ，对象段( o b j e c t ss e c t i o n ) ，最后是 文件结束标志( e o f ) 。其中实体段主要记录了每个几何元素的名称，所在图层名，线 型名，颜色号，基本高度等数据，本文的数据提取也是主要提取实体段中的点和线段的 数据，所以主要介绍一下实体段中点和线段的标注代码，具体内容如表2 1 所示i l 川。 表2 1 线段和点组代码 i 2 l b 2 1 g r o u pc o d eo fl i n es e g m e n ta n dp o i n t 2 3 2 数据库设计 由于d e m 图的数据量巨大，而且要用到数据的查询搜索技术，所以要利用 s q l s e r v e r 2 0 0 0 建立数据库，将d e m 图中提取的各点的坐标及对应的高程数据和辽河 地形图中提取的表示河道断面的线段数据录入到数据库中【l 引。由于数据量的庞大，提取 后的数据有1 2 g 左右，要加快程序的搜索技术就必须将数据化整为零，利用数据的区 间定位加快搜索速度。经纬网将辽河地形图分割成6 8 个区间，每一个红色方框表示一 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 个区间，分区编号如图1 所示( 其中绿色线段表示断面，蓝色曲线表示河道堤防) 。对 应的d e m 图也分割成6 8 个区间。提取的d e m 图各区间数据分别存放在数据库中的6 8 张表中，表名与分区的编号一致。i n d e x 表存放断面端点的x - y 坐标及端点所在的数据 分区。 图2 2 流域分区示意图 f i g2 2 p 狐i t i o no fr i v e r b 弱i n 2 3 。3 差值算法 计算断面高程坐标z ，首先要了解d e m 网格的插值算法。主要有两种插值算法，并 将两种算法的计算结果进行了比较。双线性插值是根据插值点与相邻点的距离确定相 应的权值计算出插值点的属性值。双线性内插的示意图如图2 3 所示，其中( x 、y ) 坐 标表示插值点的位置，f ( i + u ，j + v ) 表示插值点，其他参数的含义参见文献【1 9 】。 双线性插值公式为： f ( i + u ，j + v ) = ( 1 一u ) ( 1 v ) f ( i ，j ) + ( 1 一u ) v f ( i ，j + 1 ) + u ( v ) f ( i + 1 ，j ) + u v f ( i + l ，j + 1 ) 为了改进双线形插值法在插值曲面邻域边界处导数不连续性，引入立方卷积法。该方 法不仅考虑的映射点4 个直接邻点属性值的影响，还考虑邻点灰度值变化率的影响。立方 卷积用映射点周围1 6 个邻点的属性值，利用三次多项式s ( w ) 进行插值的内插方法( 如图 2 4 所示) 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 图2 3 双线性插值 f i g2 3 b i i i n e a ri n t e 叩o l a t i o n li li r ( j l ，j 1 ) ( i 1 j + 2 ) 罗 1 r ( j ，j ) 上 妒t 【y ) t ( j + ，j j ) ( j 十l 。一1 上 t 丫 了i ( 件2 。j j ll ( 胁2 。弦2 ) rx 图2 4 立方卷积内插 f i g2 4 c u b i cc o n v o l u t i o ni n t e 叩o l a t i o n s c w 产 厂4 三二彳二- 二 i i ? i ! 1 w i ，1 i | 专是三孑 所要计算的插值点的属性值为：f ( x ，y ) = a b c 其中a ，b ，c 分别为： a = b = s ( 1 + v ) s ( v ) s ( 1 - v ) s ( 2 - v ) f ( i - 1 ，j - 1 ) f ( i ，j - 1 ) f ( i + 1 ，j - 1 ) f ( i + 2 ，j - 1 ) f ( i 一1 f ( i ，j ) f ( i + 1 f ( i + 2 c = s ( 1 + u ) s ( u ) s ( 1 一u ) s ( 2 一u ) f ( i - 1 ，j + 1 ) f ( i ，j + 1 ) f ( i + 1 ，j + 1 ) f ( i + 2 ，j + 1 ) f ( i 1 ，j + 2 ) f ( i ，j + 2 ) f ( i + 1 ，j + 2 ) f ( i + 2 ，j + 2 ) 2 3 3 程序设计原理及实现步骤 辽河c a d 地形图和d e m 图的x - y 坐标的对应关系是程序设计的基础。首先在了 解d x f 文件组代码的基础上，利用i o 流将d e m 图中的点阵数据提取出来并录入到数 据库。然后新建在辽河c a d 地形图中新建图层，以河道两岸堤防为端点垂直河道中心 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 线方向手工绘制横断面。同样利用i o 流将新建图层中各个断面端点x y 坐标提取，并 录入到数据库。根据经纬网将d e m 图画分为6 8 个数据分区，手工将断面端点所在数据 分区录入到数据库。必要的手工操作可以提高算法的大幅度数据搜索速度，搜索速度是 没有将数据分区前的5 0 倍左右。设断面的两个端点坐标( x l ，x 2 ) ，( x 2 ，y 2 ) 。跟据等分线定 理将断面等分为n ( i 根据实际工程需要来确定，本文取1 0 6 ) 份后，第i 个等分点的坐 标为( x i = x i + ( x 2 - x 1 ) 木i n ，y i = y 1 + ( y 2 y 1 ) 宰i 1 1 ) 。因为d e m 图的最小点距为5 米，所以等分点 的高程坐标未必能在数据中搜索到。但是根据( x i ，y i ) 很容易计算出该等分点所在的点阵 网格顶点的坐标。然后在数据库中搜索网格顶点的高程坐标，对网格内的点插值计算。 根据计算精度的需要可以选择双线性内插，立方卷积内插两种插值方法对d e m 网格进 行插值计算，两种插值方法各有利弊。双线性插值方法是对最近邻法的一种改进，它是利 用插值点( x i ，y i ) 在d e m 网格中的4 个邻点的属性值对插值点属性值进行插值。在数据 库中只需要搜索4 个点的属性所以计算的速度比较快。为了改进双线形插值法在插值曲 面邻域边界处导数不连续性，提高计算精度，引入立方卷积法。该方法不仅考虑的插值点 4 个直接邻点属性值的影响，还考虑邻点属性值变化率的影响。立方卷积法需要搜索插值 点邻近的1 6 个点的属性值进行计算，所以高精度是以算法速度作为代价的，是双线性 插值方法计算时间的4 倍。通过比较两种算法的计算值偏差，选择双线性插值方法就可 以满足工程需要，而且提高了计算速度。程序流程如图2 5 所示。 l 煦等第黼 l 上 i 蚵骱鬟讣瓣触 l 计算等分点所在网格的顶点) 【，y l 世标，并查询得出该顶点对应 i 的z 坐标值 上 插值计算出等分点的z 坐标， 并将等分点】【 y ，z 坐标以m i k c l l 可以引用的格式导出 图2 5 程序流程图 f i g2 5p r o g r 锄n o wc h a f t 寻囝 大连理工大学硕士学位论文 2 4 模型构建 m i l 1 1 通过以下文件实现对河道的概化： ( 1 ) 断面文件( 文件扩展名：掌x i l s l1 ) ： ( 2 ) 河网文件( 文件扩展名：幸n w k l l ) ； ( 3 ) 边界文件( 文件扩展名：+ b n d l l ) ； ( 4 ) 参数文件( 文件扩展名： h d l l ) ； ( 5 ) 时间序列文件( 文件扩展名：牛d f s 0 ) ； ( 6 ) 模拟文件( 文件扩展名：木s i m l l ) 。 收集到的基础资料和m i k e1 1 各文件的关系见图2 6 。在本章将详细介绍各种数据 的收集整理以及各文件的建立。 图2 6 各基础资料与m i k e1 1 各文件关系图 f i g2 6 t h er c l a t i o n s h i po f t l l eb a s i cd a ：t aa 1 1 df i l e so f m i k e l1 2 4 1 河网文件 收集到的原始资料为辽宁经纬测绘科技有限公司测绘的辽河干流地区的a u t o c a d 测绘地图。图2 7 为沿辽河干流大堤，宽5 0 0 0 m 60 0 0 m 的带状。2 0 0 4 年1 0 月航摄， 2 0 0 5 年1 月调绘，1 9 9 3 年版图式，8 0 西安坐标系，8 5 国家高程基准( 黄海基面) ，等 高距为1 米。图上有1 0 0 0 m 1 0 0 0 m 的坐标网格和3 4 5 ”( 经度) 2 3 0 ( 纬度) 的网格。 流域航拍照片。 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 图2 7c a d 测绘地图( 部分) f i g2 7 t h em a po fc a d ( p a r t i a l ) 由于研究的是洪水期的情况，河道点绘在主洪线上。左右岸的河堤大致平行于主洪 线，所以近似取河堤的中心线作为河道走向线。在c a d 测绘地图上连接左右堤防，捕 捉中点、连线就得到左右河堤的中心线。再将连线点的坐标复制到河网编辑器的表格视 窗“点”的信息栏，回到图像视窗用画图工具条中的“自动连接河道”将点连接起来。再将 中心线加以修正，让线尽量圆滑一些，没有过大的折角。由于描绘河道的各点坐标均为 c a d 测绘地图上的实际的坐标，m i k e1 1 有自动测距功能，可以测出河道上各点的里 程，就是实际里程。河道上的这些点并不是模型的计算点，不影响模型的计算。 将流域航拍照片作为底图添加到编辑完的河网文件的图像视窗如图2 8 所示。 大连理i ：人、硕f ：学位论文 4 7 0 o4 4 9 0 0 0 05 0 0 0 0 0 5 删5 2 5 3 0 0 0 05 4 0 0 2 4 2断面文件 图2 8 河网叮视化效果吲 f i g2 8 v i s u a l i z a t i o no fm a po fr i v e rn e t 表2 2 卜- 垫面糙率表 t 拍2 2 r o u g h n e s sc o e 衔c i e n to fu n d e r l y i n gs u r f a c e 卜垫面 村序树从早水道路，一地河道 糙二钲( n ) 0 0 700 6 500 6o0 5o 0 3 500 3 5o 0 2 5 00 3 5 锄 咖 蝴 蚴 姗 龇 | | 嗍 | | 一 耋 删 蝴 耋耋 删 甜 钟 螂 蛳 蛳 蜕 纵 似 獬 删 拙 蜘 蝴 蛳 删 删 锄 螂 ： 辽河河流断面成果裘 3 点罨距离 地面桩上坐标 备j 雯 t商程态程x i 5 一3 9 ，02 l6 6覃国边坟边 8 一1 852 2g l堤脚 7一7 。92 6l t堰炕 8_ 3 42 8 2 7堤炕 9l 1 2 l 左 0 。o2 7 s 72 7 铭鹰9 2 瘁1 8 i 彳i4 8 l 写8 彳8 嚣 堤竣 l o o 92 7 钧 堤扁 l ls ，92 7 8 2埋眉 1 21 9 32 2 3 4堤脚、j 末边 1 38 2 6 2 2s o 霉田边、林边 莲 1 6 6 32 2 8 6 军团 嚣 2 3 752 2 旱田 1 8 3 1 222 3 ，l s覃田 l 了3 8 842 32 8摹田 1 8哇1 932 37 8罩豳边 1 9嘎3 l8 2 23 7 常上 2 0 唾3 唾s2 00 7 水边 2 l 4 4 0 01 86 6水下 2 24 4 7 ，l1 83 s水下 2 34 6 l ，81 90 t水下 2 4 7 l71 90 8 嫩下 2 s 哇8 6 。51 89 8水下 2 89 售；31 9 1 3水下 2 7s 1 3 21 94 s水下 2 = 85 2 0 7 2 00 3 水边 约 5 4 7 彳2 0 4 9 弼潍地 5 t 3 ，32 08 8弼潍魄 3 l暖舄l2 08 9河滩地 麓嘲j o0 2 09 2 河滩地 3 3 7 s 2s2 0 s 8 河滩地 3 哇 8 3 982 0s 8 淹滩地 3 5麓婚t2 l0 2河滩地 3 6售4 782 0 售8褥潍地、竣下 瓣9 s l22 l 秘诲滩地、坎上 麓 1 0 2 7 ，32 2 2 6 河i 壤她 3 9 l o s 832 27 8 竣下 稍 1 0 6 4 o2 38 l 坎上 l i 0 7 3 ，b2 3 铀 晕田边 镗 “0 782 3 3 2旱田 4 31 1 6 532 40 8罩田 4 碡1 2 l 哇72 31 2旱田 4 st 2 7 8 7 2 3 4 0 旱田 4 6 1 3 6 292 2 7 7 覃田 奄7 1 畦2 7o 2 3o l 量国 毒8l 喀9 62 2 2 9犟疆 躺l ! 潞ss2 21 ；0豆辫 图2 9 辽河断面数据( 部分) f i g2 9 t h es e c t i o n sda _ t ao f l i a or i v e r ( p 矾i a l ) 根据辽宁省河务局提供的2 0 0 5 年实测大断面数据编辑断面文件，如图2 1 0 。由于 大断面下垫面地貌条件不同，断面糙率按照风险图编制导则中的糙率表初定【2 0 】，如表 2 2 所示，经过历史洪水模拟率定后再进行修正。辽河大断面属于复式断面，根据大断 面原始资料中水平坐标对应的地貌条件标记主河槽和边滩的分界线，根据2 0 0 5 年实测 断面数据和不同实测点的地质条件设定主槽范围。如图所示，蓝线之间的部分为主槽， 人连理 ：人学硕十学f 审论文 通过对断面数据的m a r k 4 、m a r k 5 标记实现( 如图2 1 0 ) 。主河槽和边滩分别牢定不同 的糙率系数。断而单稗由各个断面的相对累距计算得出。 基栏 3 4 55 2 篷好 曼正 j 序用 角度 赫蕾。 囊噌 o 础滞嗟墼 甜毫l 蹑萄 分割锺嚣 h 4 # 世ph # 背“ i i 州v * 叫o 鲫由蝴h 口m ，删i b w2 甜甘t ，l e h 岣h l 州 0 垢 阻力曼l 系数n vn 目h 嘶f b 0 晒l 蚋f b h0 0 2 5 1 ni 鬏鳓荔臻彩籀# 辫 7 8 88 32 1 2 豫t 73 o 2 l 嚣t s5 梵3 4b 秘蝇7 轼町1 69 s 7 甜7 71 0o e 7 m 飘1 1o t 5 2 7 1 2 o 越“1 3 9 i 打1 4o 卵端5 ti so i f k it a oa ：1 o0 5 。2 0 。5 0 r 一1 0 嘲r i o0 5 0 二= i o0 6 0 j o0 5 。r - 1 0o 广i oo l 一； o 口 o0 f l 00 5 0 f l 缸八断面啦；蠢吾照理詹熬罨 蔓新标记龇j 扎 飞 、蛐 、一， v 。埚 l 矧2 1 0 断惭文什原始数据编辑界而 f j g 2 10 e d i t i n gi n t e r f 、a c eo fs e c t i o n sd a t a l j l2 0 0 5 年实测断面数据可以得出左岸堤顶高程延河道变化的趋势，与图纸竣i ：允 岸堤顶高程比较基本一致，只有个别断嘶差别较大，经分析图纸的高程数掘比较合理， 所以将2 0 0 5 实测断曲歹e 岸高程根据图纸的堤顶高程做如f 修i r ( 表2 3 ) ，修正f j 订后a 岸堤顶高程对比如图2 11 所示。 表2 3 堤顶高程修止表 7 r a b 2 3 r o u g h n e s sc o e 筒c i e n to fu n d e r l y i n gs u r f a c e 洪水风险图编制中的洪水演进数值模拟研究 f i g2 11c o m p a r i s o ne l e v a t i o nd a 妇o fm e a s u r e ds e c t i o i l st 0d r a w i n go nt h ep a p e r 2 4 3 边界条件和时间序列文件 边界条件分为外部边界条件和内部边界条件。所谓外部边界就是模型中自由端点物 质流出此处即意味着流出模型区域，流入也必然是从模型外部流入，这些地方必须给定 水文条件( 如流量、水位值) ，否则模型无法计算。所谓内部边界是指从模型内部河段 某点或某段河长流入或流出模拟河段的地方，包括降雨径流的入流、工厂排污、灌溉取 水。内部边界条件可以根据实际情况设定。是否设定这些内部边界条件通常不会影响模 型的运行，但会影响到模拟结果的可靠性。 上游和旁侧入流边界条件为流量( q ) ，下游边界条件为水位( h ) 或者水位流量关 系( q - h ) ，如图2 1 2 所示。 研究区域是辽河干流s f s 到l z 这一河段。研究区域不应受边界条件的直接影响。 边界最好设在远离研究区域的地方。 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 2 边界条件设置示意图 f i g2 12b 0 u n d a d ，c o n d i t i o n 注：1 ) q 1 、q 2 为上游边界条件，属于外