天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究

来源：网络收集时间：2026-09-06

导读：第43卷第2期2012年1月文章编号：1001－4179（2012）02－0054－04 人民长江YangtzeRiverVol．43，No．2Jan．，2012 天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究 12 陈德敏，何建京，陈鸣 3 （1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；京水科院水文水资源研

第43卷第2期2012年1月

文章编号：1001－4179（2012）02－0054－04

人民长江YangtzeRiverVol．43，No．2Jan．，2012

天然河道洪水演进数值模拟及动态可视化研究

陈德敏，何建京，陈

鸣

（1．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；京水科院水文水资源研究所，江苏南京210024）

2．河海大学力学与材料学院，江苏南京210098；3．南

摘要：为使洪水演进中计算获得的枯燥的水文数据变得直观形象，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“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助MIKE11GIS的

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，提高流域防洪决策能力。关

键

词：MIKE11；ArcGIS；洪水演进；可视化；北江流域

文献标志码：A

中图法分类号：TV143

作为非工程防洪措施的重要组成内容，洪水演进

丹的数值模拟及洪水风险图的制作一直是研究热点，麦水力研究所研制的MIKE系列和ESRI公司开发的

ArcGIS软件成为其研究的重要工具。许多学者运用MIKE软件模拟了洪水过程［1－3］，将计算结果绘于表格和图形中，这种表达方式不够直观生动；也有前人基于ArcGIS制作洪水淹没图［4－5］，或结合水文模型并对，但对水动力学模型与ArcGIS结合的研究相对较少。因此，基ArcGIS进行二次开发实现洪水演进可视化

于MIKE11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进动态可视化，可进一步丰富洪水演进数字化内容，对

实时变化有较决策者全面了解洪灾程度的空间分布、大帮助。

［6］

形处理和表达以及与之结合的相关学科的推动，使其

在测绘制图、资源管理、城乡规划、灾害预测、宏观决策等方面表现出强大的生命力

［8］

。

1．1MIKE11HD与理论基础

MIKE11HD水动力学模型是MIKE11的核心模块，它的理论基础为明渠非恒定流控制方程，即圣维南方程组，由连续方程和运动方程组成

QA

+=qxt

［7］

：

（1）（2）

Q|Q|QQh

+（）+gA+g2=0txAxCAR

t为时间坐标；x为空间坐标；Q为流量；h为水式中，

位；C为谢才系数；A为过流断面面积；R为水力半径；g为重力加速度；q为单位长度旁侧入流流量。MIKE11HD使用6点Abbott－lonescu格式离散圣维南方程组，并运用追赶法求解。该离散方法的特点就是将河网离散为交替网格，在每一个网格节点按顺序交替计算水位和流量。

1MIKE11和ArcGIS相关简介

MIKE11是MIKE系列软件里开发最为成熟的商

业软件，主要用于河流、河口、灌溉系统和其他内陆水域的水文学、水力学、水质和泥沙传输模拟，在洪水预报、水量水质管理、水利工程规划等方面得到广泛应［7］

用。而ArcGIS独特的地理空间分析能力、强大的图

收稿日期：2011－10－25

1．2ArcGIS与可视化

GIS是在计算机软硬件支持下，对整个或者部分

存储、地球表层空间中的有关地理分布数据进行采集、

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项（2009ZX07528－005－02）；江苏省环境监测科研基金项目（1021）作者简介：陈德敏，男，硕士研究生，主要从事水动力学研究。E－mail：cdmhhu@163．com

［8］

管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。常见的GIS系统中，ArcGIS以其强大的分析能力占据了大量

5月21日12：00至5月23日11：00水文资料做为边

界条件，将英德站和高道站的水位实测数据用于率定，最终河床糙率取值范围为0．021～0．039，英德站率定结果如图2（a）所示。模型验证的方法是保持模型所仅改变边界条件，将模型计算结果与有率定参数不变，

实测数据进行比较。本模型验证时段为2002年7月2日8：00至7月4日7：00，英德站验证结果如图2（b）所示。由图可见，计算结果与实测值拟合较好，最《水文情报预报规范》大误差值为0．27m，符合要求

。

成为主流的GIS系统。ArcGIS强大的空间信息市场，

处理和分析功能使其具有空间性和动态性的可视化功

能，可以为洪水演进模拟的可视化研究提供更直观的同时友好的数据兼容性可实现与地表空间分析手段，MIKE数据的交互，可视化表现水动力学模型计算成果。

2洪水模型应用

模型应用区域位于北江流域白石窑坝下至连江口段。北江地处亚热带气候区，是珠江的第二大水系，它的行洪调控对保障广州、佛山等重要城市和珠江三角

［9］

洲的防洪安全至关重要。

2．1模型建立

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43km，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江两大汇入支流，长湖站是翁江的控制站，距其交汇口约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，该支流划分为20个断面，边界条件为流量过程。河网概

根据边界点化见图1。在模拟文件中选用稳态启动，

上的水位流量数据，利用稳态假设计算各节点上的初

始水位流量

。

图2

模型率定验证结果对比

3洪水演进可视化

随着计算机技术的发展和信息数字化技术的发展，洪水演进必然会上升到模拟仿真的高度，仅仅使用文字和图表等形式表达显得冗长而枯燥。利用MIKE11GIS的“纽带”作用，借助ArcGIS具有的空间性和动态性的可视化功能，通过分层、设色等形式，二维、三维的视角，即可形象、直观地显示计算结果。

3．1三维地形概况

原始数据包括10m精度等高线图、水下地形点

1∶50000图、山地高程点图、县界边界图等矢量图层，广东省飞来峡水利枢纽防洪综合影像图。由于计算机

2配置条件所限，不可能对整个流域（约1300km）进行

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1

河网示意

在ArcMap中将影像图进行坐标配准后做为底图，由于洪水演进多与河道内部及周边地形密切相关，故根据河道走势合理插值加密水下高程点，同时精减远离河道的等高线图层，在保证地形概况的前提下进一步减少数据量。利用处理后的等高线图层、水下地

2．2模型率定和验证

模型率定工作主要是通过调整河床糙率使模拟的

河床糙率必须基于流域实际水位流量与实测值一致，

情况在合理的范围内进行调整。本模型采用2002年

形点图层、山地高程点图层以及两区域的裁切多边形生成各自的TIN（不规则三角网）图层，在ArcScene打为凸显地形效果将其高程夸张系数设置开TIN图层，

“外墙”为3，经生成和底面后最终效果如图3所示

。

但在图5（a）最低水位时只有若干小区域内流围较小，

速表示成深色，而在图5（b）最高水位时整个峡谷区流

流速变化极大，这也与速值基本都在0．92m/s以上，

峡谷区洪 …… 此处隐藏：4969字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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