亭下水庫潰壩預演分析三維演示系統開發研究

周學龍，呂華新，謝延東

(1.奉化市測繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢 430079)

亭下水庫潰壩預演分析三維演示系統開發研究

周學龍1，2?，呂華新1，謝延東1

(1.奉化市測繪院，浙江奉化 315500； 2.武漢大學資源與環境科學學院，湖北武漢 430079)

水庫潰壩分析是一個非常復雜的過程。本文借助測量、遙測、遙感(RS)、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)等手段采集基礎數據，構建亭下水庫的三維模擬環境，將預設的大壩潰口條件下的洪水淹沒走勢、某時刻的淹沒范圍和各點的淹沒高程以三維形式，形象生動的表現出來，為水庫淹沒損失評估、洪水應急預案、人口疏散路線制定等工作提供及時的、形象的、強有力的輔助依據。

水庫；潰壩分析；三維演示；GIS

1 引 言

亭下水庫壩址位于著名的首批國家4A級旅游區浙江省奉化市溪口鎮上游7 km處，是一座以防洪、灌溉為主，結合發電、供水、養魚、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。根據水利部的要求，亭下水庫要做好大壩的潰壩分析評估預案。潰壩風險分析是利用已有信息和合適的方法、措施、手段確認大壩的堤防工程的運行狀況，辨識與評估潛在風險因素，明晰風險的狀況、計算潰壩所產生的后果等。

潰壩分析的主要意義在于，通過對水庫大壩的潰壩計算和洪水演進模擬，對其水情信息進行分析，以便合理地確定大壩和堤防的防洪設計標準，制定相應的應急預警措施，保障下游居民人身財產安全和生活生產。同時，可以評估可能經濟損失、生命損失、社會和環境影響及水庫大壩的綜合風險，為大壩維護管理提供提供參考，為下游人員及經濟規劃提供指導。

2 系統建設的內容

“亭下水庫潰壩分析三維演示系統”的建設目標是在硬件、軟件、網絡及數據的基礎上，根據奉化市亭下水庫管理局在防洪工作的業務需求，確定以GIS(地理信息系統)、RS(遙感)、VR(虛擬現實)[1]、DBMS (數據庫管理系統)等先進技術為手段，在已經建立的亭下水庫三維防洪調度系統的基礎上，將預設的大壩潰口條件下的洪水淹沒走勢、某時刻的淹沒范圍和各點的淹沒高程以三維形式，形象生動的表現出來，為水庫淹沒損失評估、洪水應急預案、人口疏散路線制定等工作提供及時的、形象的、強有力的輔助依據。系統建設的主要內容為以下幾個方面:

(1)利用水庫潰壩洪水預期影響區域內數字正射影像和數字高程模型建立預計淹沒區三維地形；

(2)利用1∶1萬地形圖對潰壩各時刻淹沒范圍進行計算，計算內容包括各點洪水破壞能力、洪水淹沒深度和流速、洪水波到達時間等；

(3)基于三維場景對潰壩計算結果進行三維可視化；

(4)利用計算結果生成淹沒范圍圖、水深分布圖、流速分布圖、淹沒范圍圖等風險圖。

3 系統總體功能結構

亭下水庫潰壩分析三維演示平臺，以潰壩分析結果數據為基礎，三維展示平臺為核心，為水庫管理者提供直觀、準確的潰壩洪水形勢和預計結果。系統提供風險圖繪制功能和水位信息查詢功能，風險圖主要分為庫區洪水風險圖和潰壩洪水風險圖兩大塊。具體包括最大淹沒范圍圖、最大水深分布圖、最大流速分布圖、洪水到達時間分布圖、淹沒歷時分布圖、淹沒范圍圖、淹沒水深分布圖、流速分布圖。水位信息查詢功能，用戶可以查詢淹沒范圍內任意點位的水深、流速等信息。系統整體功能架構如圖1所示。

4 系統的構建與應用

4.1 三維地形的構建

水庫潰壩分析三維演示系統使用的三維地形數據，采用Skyline軟件體系中的地形制作軟件TerraBuilder制作生成[2]。三維地形的生產流程如圖2所示。

圖1 系統功能架構圖

圖2 三維地形生產流程圖

4.2 平臺架構

潰壩分析三維演示系統，采用.NET Framework 3.5框架為基礎，以Skyline為三維演示平臺。輕量級數據庫MySql為后臺數據庫支持。利用ADO.NET技術將數據庫與三維場景關聯。從而實現水庫實時的、用戶交互良好的、反映結果真實的潰壩分析三維演示平臺，平臺整體架構如圖3所示。

圖3 平臺整體架構圖

4.3 數據庫建設

亭下水庫潰壩分析三維演示平臺采用輕量級數據庫MySql為數據庫支持，利用MySql數據庫對點位淹沒信息進行綜合存儲管理。并對數據庫進行查詢索引優化，使得在對數據庫進行點位淹沒信息查詢構面的響應速度更快，結果更準確。數據庫組織表結構如表1所示:

數據庫表結構圖 表1

5 關鍵技術

亭下水庫潰壩分析三維演示系統的核心功能即潰壩洪水演示，而潰壩洪水演示的核心技術為從數據庫中提取某時刻各點位的淹沒信息，將點位淹沒信息構建成三維面在三維場景中顯示。點位淹沒信息構面不同于等值線生成(水位相同的點構線)，因為水位相同的點可能是不連通的。點位淹沒信息構面的難度主要在于:

(1)獲取從數據庫中查詢出的某時刻點位淹沒信息的系列點位中的臨界點(即處于淹沒邊緣的點)，并將這些臨界點以“真實”的順序構面。

(2)考慮洼地的影響，當大壩崩潰達到一定時間后，淹沒水面可能存在不連通的情況，也就是說，要構建的三維面可能存在多環的情況。如何正確識別多環并構建正確的淹沒面，這是一個技術難點。

本系統采用底層算法，將查詢得到的點位逐個篩選構面。算法的核心思想[3～6]可以用圖4表示。

圖4 點位篩選圖 圖5 四方向圖

圖4為假定某時刻下查詢出的點位淹沒信息，方格中的值為水位高程，0表示未淹沒。構面的算法即為取某個點位(如B2)，先判斷該點水位是否為0，若是，則循環到下一個點；若不是，則取改點周圍的點的水位信息進行判斷，若周圍的點中存在為0的水位高程，則該點為臨界點，將其取出進行構面[7]。周圍點位獲取的個數采用四方向法，即獲取點位上、下、左、右四個接點，如圖5所示，采用該算法也能構建出三維面，達到預期效果。

6 潰壩分析三維演示模擬

三維潰壩洪水模擬是本系統的核心功能，潰壩洪水模擬的操作面板如下圖所示。在面板中預設了三種工況模式，用戶可以點擊進行工況模式演進的任意切換。當用戶選擇了某一工況模式時，三維場景中自動播放該工況下的洪水演進模擬效果。用戶可以點擊“開始”、“暫停”、“結束”三個按鈕對洪水演進模擬進行控制。當用戶正在播放洪水演進效果時，面板中的進度條會實時反映出洪水時刻信息，用戶也可以將進度條拖動到任意的時刻，將該時刻的洪水信息調出來查看，系統界面如圖6所示。

圖6 潰壩分析三維演示圖

7 結 語

水庫潰壩風險評估分析對我國水庫大壩的安全管理，使水庫發揮最大的社會、經濟效益，具有重大意義。亭下水庫潰壩分析三維演示系統的建成方便水庫管理局對水庫淹沒演進信息的全面掌握，并提供決策輔助，系統的上線將為災后分析、制定防洪預案、應急方案和風險管理提供必要的科學依據。

[1] 王國慶，吳廣茂，劉天時.虛擬現實(VR)技術及其應用[J].航空計算技術，1994(2):P21～27.

[2] 彭國均，池天河，唐麗玉等.數字城市的三維圖形構建技術[J].地球信息科學，2003，5(3):84～88.

[3] 童立新.新安江模型在東江水庫洪水預報中的應用[J].水利科技與經濟，2005(1):47～53.

[4] 白薇.城市洪水風險分析及基于GIS的洪水淹沒范圍模擬方法研究[D].哈爾濱:東北農業大學，2001.

[5] 李娜，劉樹坤.GIS技術在洪水風險管理系統開發中的應用[J].水利水電，2003.

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[7] 王金忠，胡環.新安江模型在清河水庫產流預報中的應用[J].東北水利水電，2001(9):41～46.

Study on Development of Three-dimensional Demonstration Preview System about Dam-break Analysis of Tinxa Reservoir

Zhou Xuelong1，2，Lv Huaxin1，Xie Yandong1
(1.Fenghua Institute of Surveying and Mapping，Fenghua 315500，China；2.School of Resource and Environmental Sciences，Wuhan University，Wuhan 430079，China)

Since reservoir Dam-break analysis is very complicated，acquiring basal reservoir data or flood data by full digital photography andmeasure technique，remotemonitoring，remote sensing，geographical information system，GPS，etc builds pavilion reservoir 3 d simulation environment.Will preset the dam under the condition of the dyke flood situation，amoment of submerged at various points in the submerged range and height in three dimensional form，vivid display，for reservoir flood damage assessment，flood emergency plan，population evacuation route work provide timely，such as image，powerful auxiliary basis.

reservoir；dam-break analysis；three-dimensional demonstration；GIS

1672-8262(2013)04-33-03

P208.2，TP391.9

A

2013—07—10

周學龍(1973—)，男，工程師，主要從事大地測量、地理信息系統應用等技術工作。

國家重大科技專項(2013ZX07105-005)