亭下水库溃坝预演分析三维演示系统开发研究

周学龙，吕华新，谢延东

(1.奉化市测绘院，浙江奉化 315500； 2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079)

亭下水库溃坝预演分析三维演示系统开发研究

周学龙1，2∗，吕华新1，谢延东1

(1.奉化市测绘院，浙江奉化 315500； 2.武汉大学资源与环境科学学院，湖北武汉 430079)

水库溃坝分析是一个非常复杂的过程。本文借助测量、遥测、遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)等手段采集基础数据，构建亭下水库的三维模拟环境，将预设的大坝溃口条件下的洪水淹没走势、某时刻的淹没范围和各点的淹没高程以三维形式，形象生动的表现出来，为水库淹没损失评估、洪水应急预案、人口疏散路线制定等工作提供及时的、形象的、强有力的辅助依据。

水库；溃坝分析；三维演示；GIS

1 引 言

亭下水库坝址位于著名的首批国家4A级旅游区浙江省奉化市溪口镇上游7 km处，是一座以防洪、灌溉为主，结合发电、供水、养鱼、旅游等综合利用的大型水利枢纽工程。根据水利部的要求，亭下水库要做好大坝的溃坝分析评估预案。溃坝风险分析是利用已有信息和合适的方法、措施、手段确认大坝的堤防工程的运行状况，辨识与评估潜在风险因素，明晰风险的状况、计算溃坝所产生的后果等。

溃坝分析的主要意义在于，通过对水库大坝的溃坝计算和洪水演进模拟，对其水情信息进行分析，以便合理地确定大坝和堤防的防洪设计标准，制定相应的应急预警措施，保障下游居民人身财产安全和生活生产。同时，可以评估可能经济损失、生命损失、社会和环境影响及水库大坝的综合风险，为大坝维护管理提供提供参考，为下游人员及经济规划提供指导。

2 系统建设的内容

“亭下水库溃坝分析三维演示系统”的建设目标是在硬件、软件、网络及数据的基础上，根据奉化市亭下水库管理局在防洪工作的业务需求，确定以GIS(地理信息系统)、RS(遥感)、VR(虚拟现实)[1]、DBMS (数据库管理系统)等先进技术为手段，在已经建立的亭下水库三维防洪调度系统的基础上，将预设的大坝溃口条件下的洪水淹没走势、某时刻的淹没范围和各点的淹没高程以三维形式，形象生动的表现出来，为水库淹没损失评估、洪水应急预案、人口疏散路线制定等工作提供及时的、形象的、强有力的辅助依据。系统建设的主要内容为以下几个方面:

(1)利用水库溃坝洪水预期影响区域内数字正射影像和数字高程模型建立预计淹没区三维地形；

(2)利用1∶1万地形图对溃坝各时刻淹没范围进行计算，计算内容包括各点洪水破坏能力、洪水淹没深度和流速、洪水波到达时间等；

(3)基于三维场景对溃坝计算结果进行三维可视化；

(4)利用计算结果生成淹没范围图、水深分布图、流速分布图、淹没范围图等风险图。

3 系统总体功能结构

亭下水库溃坝分析三维演示平台，以溃坝分析结果数据为基础，三维展示平台为核心，为水库管理者提供直观、准确的溃坝洪水形势和预计结果。系统提供风险图绘制功能和水位信息查询功能，风险图主要分为库区洪水风险图和溃坝洪水风险图两大块。具体包括最大淹没范围图、最大水深分布图、最大流速分布图、洪水到达时间分布图、淹没历时分布图、淹没范围图、淹没水深分布图、流速分布图。水位信息查询功能，用户可以查询淹没范围内任意点位的水深、流速等信息。系统整体功能架构如图1所示。

4 系统的构建与应用

4.1 三维地形的构建

水库溃坝分析三维演示系统使用的三维地形数据，采用Skyline软件体系中的地形制作软件TerraBuilder制作生成[2]。三维地形的生产流程如图2所示。

图1 系统功能架构图

图2 三维地形生产流程图

4.2 平台架构

溃坝分析三维演示系统，采用.NET Framework 3.5框架为基础，以Skyline为三维演示平台。轻量级数据库MySql为后台数据库支持。利用ADO.NET技术将数据库与三维场景关联。从而实现水库实时的、用户交互良好的、反映结果真实的溃坝分析三维演示平台，平台整体架构如图3所示。

图3 平台整体架构图

4.3 数据库建设

亭下水库溃坝分析三维演示平台采用轻量级数据库MySql为数据库支持，利用MySql数据库对点位淹没信息进行综合存储管理。并对数据库进行查询索引优化，使得在对数据库进行点位淹没信息查询构面的响应速度更快，结果更准确。数据库组织表结构如表1所示:

数据库表结构图 表1

5 关键技术

亭下水库溃坝分析三维演示系统的核心功能即溃坝洪水演示，而溃坝洪水演示的核心技术为从数据库中提取某时刻各点位的淹没信息，将点位淹没信息构建成三维面在三维场景中显示。点位淹没信息构面不同于等值线生成(水位相同的点构线)，因为水位相同的点可能是不连通的。点位淹没信息构面的难度主要在于:

(1)获取从数据库中查询出的某时刻点位淹没信息的系列点位中的临界点(即处于淹没边缘的点)，并将这些临界点以“真实”的顺序构面。

(2)考虑洼地的影响，当大坝崩溃达到一定时间后，淹没水面可能存在不连通的情况，也就是说，要构建的三维面可能存在多环的情况。如何正确识别多环并构建正确的淹没面，这是一个技术难点。

本系统采用底层算法，将查询得到的点位逐个筛选构面。算法的核心思想[3～6]可以用图4表示。

图4 点位筛选图 图5 四方向图

图4为假定某时刻下查询出的点位淹没信息，方格中的值为水位高程，0表示未淹没。构面的算法即为取某个点位(如B2)，先判断该点水位是否为0，若是，则循环到下一个点；若不是，则取改点周围的点的水位信息进行判断，若周围的点中存在为0的水位高程，则该点为临界点，将其取出进行构面[7]。周围点位获取的个数采用四方向法，即获取点位上、下、左、右四个接点，如图5所示，采用该算法也能构建出三维面，达到预期效果。

6 溃坝分析三维演示模拟

三维溃坝洪水模拟是本系统的核心功能，溃坝洪水模拟的操作面板如下图所示。在面板中预设了三种工况模式，用户可以点击进行工况模式演进的任意切换。当用户选择了某一工况模式时，三维场景中自动播放该工况下的洪水演进模拟效果。用户可以点击“开始”、“暂停”、“结束”三个按钮对洪水演进模拟进行控制。当用户正在播放洪水演进效果时，面板中的进度条会实时反映出洪水时刻信息，用户也可以将进度条拖动到任意的时刻，将该时刻的洪水信息调出来查看，系统界面如图6所示。

图6 溃坝分析三维演示图

7 结 语

水库溃坝风险评估分析对我国水库大坝的安全管理，使水库发挥最大的社会、经济效益，具有重大意义。亭下水库溃坝分析三维演示系统的建成方便水库管理局对水库淹没演进信息的全面掌握，并提供决策辅助，系统的上线将为灾后分析、制定防洪预案、应急方案和风险管理提供必要的科学依据。

[1] 王国庆，吴广茂，刘天时.虚拟现实(VR)技术及其应用[J].航空计算技术，1994(2):P21～27.

[2] 彭国均，池天河，唐丽玉等.数字城市的三维图形构建技术[J].地球信息科学，2003，5(3):84～88.

[3] 童立新.新安江模型在东江水库洪水预报中的应用[J].水利科技与经济，2005(1):47～53.

[4] 白薇.城市洪水风险分析及基于GIS的洪水淹没范围模拟方法研究[D].哈尔滨:东北农业大学，2001.

[5] 李娜，刘树坤.GIS技术在洪水风险管理系统开发中的应用[J].水利水电，2003.

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[7] 王金忠，胡环.新安江模型在清河水库产流预报中的应用[J].东北水利水电，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

周学龙(1973—)，男，工程师，主要从事大地测量、地理信息系统应用等技术工作。

国家重大科技专项(2013ZX07105-005)