洪水是人类面临的主要自然灾害之一，防洪直接关系到国家和地区的经济发展、社会安定。嫩江、松花江流域是我国洪涝灾害较为频繁的地区。通过技术手段进行洪水数值模拟^[1-3]，加强洪水淹没的可视化，将其转化为受众面广的直观形态，对洪水淹没的灾害评估与应急决策管理具有重要的意义。

目前国内外学者对洪水数值模拟及可视化方法进行了深入研究，葛小平等^[4]采用GIS与水力演进模型，结合三维模拟技术和对象关系模型数据库，实现浙江奉化江流域洪水淹没范围模拟；李云等^[5]通过建立一、二维洪水演进数学模型，实现淮河临淮岗区段洪水演进数值模拟和三维可视化；丁志雄等^[6]基于遥感和GIS技术基础上，采用平面模拟方法实现洪水淹没范围和水深分布的模拟；Mahendra等^[7]结合GIS技术和水动力学模型，对印度Yamuna河的洪水淹没范围进行了模拟分析；Patro等^[8]基于一维与二维水动力模型的Mike软件，模拟了Mahanadi三角洲的淹没范围及水深；韦春夏^[9]基于ArcGIS和SketechUp对洪水演进的可视化进行了研究。已有的数值模拟方法和可视化技术为洪水演进模拟提供了有效的辅助手段，但是对于航电枢纽的洪水淹没分析尚未进行报道，同时结合Mike21与GIS洪水淹没模拟与可视化方法用于防洪决策管理尚需进行深入研究。

本文基于Mike21软件与GIS技术，以依兰航电枢纽区段为例，对典型工况进行数值模拟并结果分析，提取三维可视化所需的数据；并提出以洪水数值模拟分析为基础的洪水淹没三维动态可视化演示方法。通过C#4.0编程语言，利用AE控件创建三维场景，耦合三维地形仿真模型与水面TIN模型，实现洪水演进过程三维动态模拟。

1 研究区段洪水淹没数值模拟分析

Mike21软件是目前主流的二维水动力模拟计算软件之一，在平面二维自由表面流数值模拟方面功能突出^[10-11]。其中Mike21 FM水动力模块是基于数值解的二维浅水方程和沿水深积分的不可压缩的雷诺平均Navier-Stokes方程，模拟由于各种作用力而造成的水位、水流变化和任何忽略分层的二维自由表面流，采用非结构化网格采用的数值方法。控制方程离散时，结果变量u、v位于单元中心，跨边界通量垂直于单元边。

本文以松花江依兰航电枢纽区段的来洪情况为例，采用平面二维洪水数学模型实现洪水淹没数值模拟，对不同工况的洪水数值模拟分析，为洪水淹没过程三维可视化提供所需数据。

1.1 二维洪水数学模型建立

依兰航电枢纽段平面二维洪水数学模型如下

$ \frac{{\partial \xi }}{{\partial t}} + \frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \frac{{\partial q}}{{\partial y}} = 0 $

(1)

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial p}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\frac{{{p^2}}}{h}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\frac{{pq}}{h}} \right) + gh\frac{{\partial \xi }}{{\partial x}} + \\ \frac{{gp\sqrt {{p^2} + {q^2}} }}{{{C^2}{h^2}}} - \mathit{\Omega }q - fV{V_x} = 0 \end{array} $

(2)

$ \begin{array}{l} \frac{{\partial q}}{{\partial t}} + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\frac{{{q^2}}}{h}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\frac{{pq}}{h}} \right) + gh\frac{{\partial \xi }}{{\partial y}} + \\ \frac{{gq\sqrt {{p^2} + {q^2}} }}{{{C^2}{h^2}}} - \mathit{\Omega }p - fV{V_y} = 0 \end{array} $

(3)

式中：h(x, y, t)为水深，m；ξ(x, y, t)为自由水面水位，m；p(x, y, t)、q(x, y, t)为x、y方向的流量密度，m/s；C(x, y)为Chezy阻力系数，m^1/2/s；g为重力加速度，m/s²；f(V)=γ_a²ρ_a为风摩擦因素，γ_a²风应力系数，ρ_a空气密度；V(x, y, t)、V_x(x, y, t)、V_y(x, y, t)为风速及x、y方向的风速分量，m/s；Ω(x, y)=2ωsin ψ，为Coriol系数，ω为地球自转角速度，ψ为计算点纬度；x、y为空间坐标，m；t为时间，s。依兰航电枢纽区段纬度为46°17′20″~46°19′57″，计算时纬度选取地理位置纬度为46°19′。

1.2 数字地形模型构建

数字地形是Mike21下的洪水数值模拟的模型基础，也是GIS洪水淹没三维动态可视化场景的重要组成部分。数字地形构建主要分为四个部分：1)DWG地形数据处理。通过对地形图在CAD中拼接处理、删除无关图层、填充符号等，利用ArcMap转换得到注记、点、线、面和多面体等地形图数据；使用ArcGIS、CASS9.0将提取的等高线与高程点转化为带有具体值的属性表；加载TIN和等高线数据，校正细化，实现原始DWG数据转换为ArcGIS数据库格式数据。2)纸质地形数据处理。通过地理配准、控制点拾取、剪裁与拼接，创建“等高线”要素类；根据高程点判读并填充其高程，实现纸质地形图转换为Geodatabase数据。3)几何边界提取。考虑到Mike中的几何建模与3Ds Max中精细建模都需要校准后的枢纽总平面布置图，对CAD数据进行坐标转换，赋予控制点坐标值；保留建筑物外轮廓边界，完成枢纽几何边界提取。4)数字地形数据生成。通过等高线和高程点数据生成TIN数据，利用实地的高精度测量样本真值对DEM误差进行检验修正，对获得的河道数据进行高程重新配色、渲染与光照调整等操作，完成数字地形数据生成。

1.3 糙率设定与边界条件确定

为了实现典型工况下模拟，对依兰航电枢纽段自然条件与水文资料进行研究分析，根据设计洪水过程线与下游水位流量关系曲线，为Mike21的二维洪水数学模型提供糙率设定与边界条件。

1) 选取1998年为典型，该年洪水历时59 d，为松干型洪水，牡丹江未发生洪水。枢纽采用设计洪水标准为100 a一遇，工况设置为牡丹江未发生洪水，松干发生100、50、20 a一遇洪水的三种情况。如图 1所示。

模型的初始条件按照调洪运行方式取坝址上游水位97.0 m，选取坝址下游水位和控制条件中松干出口水位相同。时间以8月1日0:00为起点，计算步长取30 s，至9月29日0:00，共59 d。采用三角形与四边形网格相结合，对建筑物与数字地形进行网格绘制，其中船闸引航道、厂房及厂房下游斜坡等采用四边形网格；泄洪闸内水流顺直，采用四边形网格划分；计算中发现，松干出口边界位置对网格的要求较高，故改为四边形网格以保证水流流出方向垂直于出口处河道断面，其他采用三角网格划分。

2) 松干洪水时河道糙率引用《松花江依兰航电枢纽库区泥沙淤积数学模型研究报告》^[11]成果，以模型中松干上游洪水入口来水量Q进行分段设定:当Q=6 000 m³/s时，n=0.025 8；当Q=7 000 m³/s时，n=0.025 5；当Q=8 000 m³/s时，n=0.023 5；当Q＞9 000 m³/s时，n=0.022 0。

3) 泄洪闸混凝土部分的糙率n=0.013，泄洪闸后方格宾护底的糙率n=0.035，浆砌石部分的糙率n=0.025，各建筑物素砼部分的糙率n=0.015，级配不良砾糙率n=0.03，滩地糙率n=0.08，其他部分糙率的确定根据表面结构和材料按照推荐值设定。

1.4 洪水模拟结果及分析

1) 松花江中心线沿程水面线

将依兰航电枢纽坝址的上游7 km，下游3 km区域，划分成21个监测断面，每隔500 m划分一个断面，其中枢纽坝轴线断面为15#断面。

松干100 a一遇工况下，松花江中心线沿程水面线如图 2所示。8月29日上下游水位差最大为1.151 m，9月1日最小为1.145 m；同时泄洪闸一直处于敞泄状态，上游水位始终高于下游，且前后水面线高程差不超过0.48 m，泄洪功能良好，未明显改变水面线抬高过程，同时泄洪闸下游消能流速减慢导致坝址后500 m附近略有壅高。

2) 泄洪闸的流态和过流分析

将泄洪闸的编号以门库为界分为两组，一侧12孔泄洪闸，另一侧18孔泄洪闸，与门库相邻的泄洪闸编号为12-1#与18-1#，并向两侧依次顺延编号，如图 3所示。并对松干100 a一遇牡丹江未发生洪水工况下7日(8.26~9.1)洪峰泄洪闸流量进行监测。12孔和18孔泄洪闸流量如表 1所示。

从表中看出，泄洪闸泄洪能力满足要求，过流情况总体顺畅稳定，导流墙、门库附近有少许漩涡或回流；泄洪闸流量分配基本平均，单个闸孔没有出现流量超过800 m³/s；12-10#、12-11#、12-12#泄洪闸邻近厂房，在其影响下较其他闸孔过流量偏小，18-18#泄洪闸受到船闸边界影响，亦有此情况。此外，12-9#、18-5#两闸孔较其他闸孔过流量偏大，在检修及变形监测时应为重点对象。

3) 淹没区域

将数字地形和Mike21水动力模拟相结合，在Mike21计算结果中提取出不同时刻的淹没范围，采用分区平面模拟方法模拟淹没范围，能够更准确、科学地确定和模拟洪水淹没范围，满足可视化开发的数据要求。图 4显示了1998年型松干100 a一遇洪水过程所造成淹没的过程。

2 洪水动态可视化演示系统构建 2.1 面向可视化的数据提取

Mike21计算获得的仿真结果可以在Mike view中进行结果的三维显示，但是对模拟场景构建及展示能力有限，同时其二维信息、表格、视频等系列结果展示需要调用不同的模块，造成结果可视化的局限，结果查询不便。因此需要将计算得到的数据格式转换成可在GIS平台上展示的数据类型。

根据洪水数据结果的显示需要，将Mike21计算结果dfsu格式文件通过Data Extraction模块按时间间隔进行提取，通过Gird Series模块转换为dfs2数据。考虑到Mike与ArcGIS软件均有ASCII格式文件转换接口，通过调用Mike zero中GIS工具的Mike2 GRD模块将dfs2文件转换为ASCII格式, 然后在ArcGIS中使用Mike2GRD工具转换的网格文件生成三维场景中虚拟洪水水面。

2.2 水工建筑物实体建模

针对枢纽水工建筑物形式多样、结构复杂的特点，在洪水淹没研究区段的三维可视化仿真的过程中，如何高效、快速运用和显示三维模型显得尤为重要。

综合考虑精确度和效率等方面因素，基于3ds Max软件建模步骤如下：1)采用CAD平面设计图作为底图，对原始的CAD平面图存在的未闭合、连线有隔断等问题进行优化，确定构建的三维模型，保证各种模型与平面设计地图充分叠合，降低地物融合的难度。2)以建筑物的底面边界为依据，进行挤出、拉伸等不同的建模方式，通过布尔运算，细化建立的粗糙模型，基于纹理映射技术和灯光、图像混合等技术，完成三维水工建筑物的建模。厂房模型如图 5所示。

2.3 三维场景融合

数字地形与水工建筑物模型构建后，不能立即组合成洪水淹没研究区段的三维场景，因为数字地形与水工建筑物模型并不完全匹配，存在相互遮挡或相互分离，不能真实反映研究区段的实际情况。基于GIS、3ds Max和City Engine软件，按照高清影像的相应平面位置摆放数字建筑物，同时对集成的场景修正优化，确保数字建筑物摆放平整合理无悬空或陷入，删除重叠面和不可见面，从而减少场景的复杂度与闪烁感。

2.4 GIS空间数据库与属性数据库设计

针对洪水动态可视化数据冗杂，本文将洪水淹没的数值模拟分析数据与可视化相关数据存储到数据库中。其中包括属性数据与空间数据，属性数据库存储洪水淹没数值模拟的各种静态与动态数据，空间数据库为洪水淹没的可视化数据、三维模型与数字地形，为洪水淹没场景可视化实现、信息查询提供了数据支撑，可视化数据结构如图 6所示。

2.5 基于GIS的洪水演进三维动态仿真方法

洪水演进三维动态仿真是基于GIS的三维动态演示，采用“全程仿真钟”的方法，利用AE二次开发工具，加载不同时刻的洪水淹没仿真信息，包括淹没历时和对应不同时刻的洪水淹没水深、流速、水位要素属性信息等，实现任意时刻下三维场景及洪水淹没要素模型耦合状态再现。基于GIS中生成的洪水淹没变化子模型i对应任意时刻的面貌W_i(t)，映射到相应的图元对象，则t时刻洪水淹没过程瞬态影像可表示为$ W\left( t \right) = \sum\limits_{i = 1}^n {{W_i}\left( t \right)} $，n为洪水淹没子模型总数。总体模型面貌随时间的变化而变化，把洪水淹没子模型的任意时刻整体面貌贮存在模型库中，并与其时间属性进行关联，读取模型库中的模型数据及相对应的属性信息，不断更新属性数据变量。通过对模型数据库的循环，以图层的形式将子模型数据显示在三维场景中^[13]，形成一种逼真的洪水淹没效果，实现洪水淹没演进的三维动态交互式可视化，洪水演进仿真流程图如图 7所示。

3 洪水淹没三维可视化系统

针对Mike结果无法与场景有效结合的问题，利用GIS空间显示功能，将洪水淹没计算结果进行可视化表达，通过建模技术及三维场景融合技术，搭建数字地形与水工建筑物的耦合场景，采用AE组件，融合洪水淹没的可视化数据，通过C#4.0语言开发，选用区域水面，按照时间序列变化，建立依兰航电枢纽区段洪水淹没三维动态可视化系统，实现松花江干流及支流牡丹江来洪淹没过程的模拟，实现三维场景洪水淹没可视化、二维信息同步、场景水流动态显示。

3.1 场景可视化与漫游

系统可提供互动式查询展示，与传统的动画演示不同，设有三种不同的漫游方式：鹰眼模式、旋转漫游、平移放缩。实现不同角度、不同层面、不同视角的观察。坝址下游场景如图 8所示。

3.2 洪水淹没过程演进与查询

系统提供了四种水面选项，分别为高仿真动态水波纹、水深等值线配色、水位等值线配色和流速等值线配色，以满足不同的演示需求，系统实现了洪水过程自动播放、手动控制演示功能，展示洪水演进情况，以流速演示模式为例，如图 9所示。

3.3 数据资料的实时同步显示

系统一方面实现了Mike21计算结果的三维可视化显示功能，另一方面为了提供更加详实的数据，运行时将模拟计算成果的断面监测、流场、水面线等重要数据在屏幕左右两边位置实时显示，包含了21个松干断面、7个牡丹江断面、12孔和18孔泄洪闸数据，可按时间为索引对监测数据查询。

4 结论

1) 选取依兰航电枢纽区段的1998年松干型洪水为例，结果表明洪水过程中个断面水位无异常，枢纽泄洪能力满足要求，门库导流墙附近有少许漩涡，整体流态稳定。

2) 基于“GIS-Mike-GIS”结构，建立了以洪水数值模拟分析为基础的洪水淹没三维动态可视化演示方法，开发了洪水淹没三维动态可视化系统，解决了Mike专业计算软件计算结果在具体防洪决策使用过程中不易展示的难题，可有效辅助防洪决策。

3) 本文案例仅仅针对3种工况建立了演示系统，在实际应用中，可事先面向研究区段，计算足够多的工况，以满足来洪时，可以根据不同工况展示相应工况下的淹没参数和淹没场景，更好地服务于防洪决策。