梯级水库群调控的水动力水质仿真模拟技术

冶运涛，梁犁丽，曹 引，龚家国，蒋云钟

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038）

梯级水库群调控的水动力水质仿真模拟技术

冶运涛，梁犁丽，曹 引，龚家国，蒋云钟

（中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京 100038）

梯级水库群形成的巨系统的复杂性给运行管理和调控决策带来不确定性，保障水库群效益的发挥亟需先进的信息技术和水利专业模型提供支撑。以虚拟现实技术、模型计算和在线监测为基础，以水流水质的可视化表达为核心，系统分析虚拟现实技术与数值模拟的结合方式，研究梯级水库群调控虚拟环境建模方法、三维虚拟流域环境平台研发、模型和监测驱动的水动力水质虚拟仿真技术。初步以三峡工程为例，验证研发技术的可行性，为梯级水库群智能化管理和调度提供新的思路。

数字流域；梯级水库群；调控；水动力；水质；虚拟仿真；仿真建模

0 引言

梯级水库调节过程引发的水动力效应可能导致的崩岸、上游淤积、下游冲刷、污染物累积、航线优选等问题出现，已引起政府和社会的高度关注。国内已较为系统地研究了梯级水库群调度[1]、河道冲淤变化[2]、污染物迁移转化[3]等带来的水动力水质效应，积累了丰富成果，但是仍缺乏有效方法将梯级水库群动态调节带来的水动力水质效应通过更加科学直观的方式研究和展示，不利于科学决策和高效管理，尤其梯级水库群的调控决策非结构化程度更高[4]，需要更多的人机动态交互和分布式协同工作，因此对支撑调度决策的系统时效性和直观性要求更高，为推动流域管理向智慧流域[5]方向迈进提供技术支持。

国内外学者对可视化仿真在水领域应用展开研究。Lai 等[6]利用已有试验和数值模拟结果生成了大尺度洪水减灾工程的三维虚拟环境。Chien 等[7]把Google Earth 作为可视化工具，实现了二维水动力模型计算结果在数字地球上的展示。Zhang 等[8]提出了利用数值模型和虚拟环境进行流域决策的实时交互仿真框架。Zhang 等[9]在建立的虚拟航道环境中可视化仿真水流过程。叶松等[10]对三峡库区万州段污染物迁移转化过程进行了动态模拟，展现了水污染扩散推进三维效果。Ye 等[11]在虚拟流域环境中实现了大尺度河道冲淤过程的三维可视化。冶运涛等[12]集成二维溃坝水流模型和在线监测数据，形象直观地展现了堰塞湖的蓄水过程和洪水演进的三维效果。高阳等[13]在水污染事件的与空间的数据集成基础上，汇集数字地球所提供的地形地貌数据，直观地表现了水污染运移过程。

可视化仿真技术能够直观展现梯级水库群调控水动力水质效应的时空过程，能有效地辅助工程人员的科学决策，有很强的实用性。但是传统的水库群优化调度计算与决策模拟，都是以二维图表或报表展示调度结果和运算过程，整个过程不直观[14]1，缺乏沉浸感和交互性，且很少考虑由于水库调度造成的水力边界调整引发的水动力水质效应的表达；水库的运行管理基本上还是在二维平面上或者是采用摄像头进行监视，三维地理信息系统和虚拟仿真等三维可视化技术的出现和发展，为水库调度管理提供了全新的技术平台[14]1。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性和多感知性等特点，并已在许多领域得到了研究和应用，在水利水电行业也有学者进行了一定的研究。因此，本文将虚拟现实应用到梯级水库群调控水动力水质效应的建模及仿真中，开发梯级水库群水动力水质效应虚拟仿真系统，使工程决策人员真正地融入到仿真过程中，实现“人在回路中的仿真”[15]，极大地提高梯级水库群管理的现代化水平。

1 水动力水质虚拟仿真系统分析

1.1 虚拟现实与数值模拟结合

虚拟现实技术（或称为虚拟仿真技术）为流域综合管理的立体可视化管理提供了一种途径。它将以水循环为纽带的多源的水资源、社会经济、生态环境等信息高度融合，将真实流域空间“搬入”计算机生成虚拟流域环境，使用户在虚拟空间中对流域进行交互观察和控制，从而实现对流域的协同高效管理。

流域数值模拟是首先通过对流域中的研究对象概化，运用适当的数学工具，建立用数学语言模拟现实的模型；再者，运用计算机辅助数学模型求解过程，从而根据实际系统或过程的特征，按照一定的数学规律用计算机程序语言模拟实际运行状况，预测未来发展情景，对研究对象定量分析，并提供对象的最优决策或控制[16]24-26。如梯级水库调节改变水流运动边界造成的水动力模拟，以及伴随水动力特性变化导致的水质迁移转化、泥沙悬浮及沉降的转化、水库淹没范围的模拟等。

流域仿真模拟是将虚拟现实技术与流域数值模拟相结合而形成的支撑流域综合管理的新型手段和方法。虚拟现实可以为用户提供身临其境般的交互式仿真环境，比一般可视化仿真有更优越的沉浸感和交互性；而数值模拟主要关心流域水循环过程及其调控耦合系统的模拟预测，更具有专业特色，是流域仿真模拟的核心引擎，可以为流域管理辅助决策提供依据。因此，可将虚拟现实和数值模拟技术两者结合起来，以利用它们各自的特点。通过两者的结合，开发梯级水库群调控水动力水质效应虚拟仿真系统，服务于水库群运行管理。

1.2 系统的功能分析

1）具有自适应调整视点的虚拟环境漫游。系统提供通过鼠标和键盘改变视点视角和位置的手动漫游控制方式，还可以预定制漫游路径实现自动巡航。自适应调整是在视点接近地形地物表面时，启动碰撞检测功能避免视点穿越物体而有“违和”感。漫游和碰撞检测功能的结合增强了用户在虚拟环境中真实沉浸感。

2）水利工程实体模型信息的交互动态查询。在虚拟环境中漫游浏览时，鼠标移动到待选三维模型，双击左键就可以以对话框方式显示该模型的属性信息。如通过构建属性数据库存储实体模型信息，鼠标点击实体后即可实现相关信息的查询，增强用户和实体模型之间的实时交互性。

3）闸坝控制的仿真。水库的调节通过闸门的控制实现。通过图形建模方式对水库和闸门进行精细建模，构造其运动节点的自由度，利用鼠标操纵实现闸门的启闭，或者基于远程自动化调度指令信息实现闸门的自动启闭。

4）泄流形态的模拟。根据大坝表孔、中孔、底孔的闸门开闭变化，动态演示出流流量的大小变化和影响范围。

5）水库淹没过程的模拟。建立地形网格的拓扑关系并获取网格节点高程值；给定水位后，按照基于无向图的洪水淹没过程算法搜索出洪水淹没区。当给定系列水位值后，在计算机生成的虚拟场景中，动态模拟库区洪水淹没过程，给人一目了然的感觉。

6）河道水流可视化模拟。仿真系统水流模拟不仅满足视觉需要，而且能够模拟各种来水情况下的真实水流形态，为摸清水流、泥沙或污染物的相互作用机理提供直观的可视化手段。

7）水质迁移转化三维可视化。基于水质模型计算结果或监测数据，通过标量场的可视化表达方式。根据模拟或监测结果以不同颜色梯度变化映射不同的水质浓度，在三维虚拟环境中，直观展现河道水质浓度的沿程变化过程。

8）工程方案论证。以往的工程方案基于二维可视化平台规划设计，简单的点、线、面所表达的工程方案不够清晰直观，难于理解和多方案比选。而虚拟现实技术生成的三维场景具有真实的立体感、高度的沉浸感和良好的交互特性。在计算机生成的虚拟环境中，根据规则模型的实际尺寸建模，然后与场景融合，对比多种方案的空间布置和模拟不同方案的效果，确定最终方案。

1.3 系统开发流程及总体框架

系统所用地形建模软件为 Terra Vista，地物建模软件为 Multigen Creator，三维模型采用 OpenFlight格式文件存储，三维场景驱动采用 Open Scene Graph（OSG）和 OpenGL2.0 共同完成，系统开发采用Visual Studio 2008。Terra Vista，Creator 和 OpenGVS三者分别发挥不同的作用，大范围地形生成采用Terra Vista，具体地物如桥梁、闸门、建筑物建模用Multigen Creator，场景驱动及功能开发采用 OSG，动态水流模拟采用 OpenGL 基本图元函数绘制。系统总体框架如图 1 所示。

2 流域虚拟环境建模方法

2.1 地形建模

梯级水库群调控主要关注河道及坝区环境，因此采用分区建模降低渲染负担。河道外的地形地貌采用较粗分辨率的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和遥感影像，将其导入到地形建模软件 Terra Vista 生成大范围多分辨率地形环境[16]12-13；河道内地形（含消落带区）及坝区地形采用高精度DEM 和航拍图片生成精细分辨率的地形场景，并与河道外地形形成嵌套建模结构[16]13-15。

图 1 系统总体框架

2.2 地物建模

根据地物模型是否具有行为特性将其分为静态和动态模型 2 类。静态模型只进行几何和形象建模 2 个过程，其中几何建模指的是构造与真实世界物体形状相同或相似的模型，而形象建模是为增强模型真实感，将图片以纹理映射的方式添加到几何模型上，并施以光照阴影等处理。若规则地物模型的系列特征参数之间具有明确的几何关系，可以利用参数化方法建模。不规则地物模型则用 Multigen Creator 等软件依据物体的外形轮廓由基本的点、线、多边形构建。场景中的动态模型具有行为特性，则需要按照节点之间运动的连接关系动态建模，这不仅展示生动丰富的三维场景，还能逼真显示水利工程的调控过程，如升船机升降运动、闸门的开闭、水轮机旋转、航船运动等动态模型，需要精细描述实体结构的几何数据按其具体尺寸和连接结构建模。

2.3 粒子系统建模

粒子系统是由 Reeves 于 1983 年首次提出[17]的一种不规则模糊物体建模及其图像生成的最为成功方法，在水、云、森林等自然景观的模拟方面已取得很好的效果[18]。本系统中用粒子系统模拟泄洪及水流流场。粒子模拟技术可以比较生动地表现水流运动的细节，不但在视觉上有独特的表现力，而且可以与物体的受力运动等物理机制相结合，模拟出高逼真的流体运动状态，但是越精细的模拟需要越多的存储空间和越高的渲染能力，不能大范围使用，可以根据实际应用情况处理。

2.4 数据组织及存储

系统建设中包括空间和属性数据2 种。空间数据采用 OpenFlight 格式组织存储，应用 Extern 外部引用节点存储和管理地物模型空间位置信息，并以唯一 ID 标识。属性数据则存储于 SQL Server 数据库。空间与属性数据的双向连接查询通过 ID 关联，其他专业数据的获取则通过直接搜索数据库实现。

3 三维虚拟仿真平台

三维虚拟仿真平台采用开源视景软件包 OSG 开发。OSG 包含了一系列的开源图形库，主要为图形图像应用程序的开发提供场景管理和图形渲染优化的功能，采用 ANSI 标准C++ 和标准模板库（STL）编写，使用底层 OpenGL底层渲染 API，具有良好的跨平台性。它采用自顶向下树状结构的场景图管理和组织空间数据集。场景图具有大量定义的节点类型及其内部的空间组织结构能力，提高了渲染的效率，被广泛应用于 GIS，CAD，DCC，数据库开发，虚拟现实，动画和游戏等领域。OSG 的运行体系如图 2 所示。

图 2 OpenSceneGraph 体系结构

三维虚拟仿真平台利用主线程和辅助线程统领整个系统的操作和渲染工作。系统主要分为系统初始化、场景渲染和系统退出，如图 3 所示。系统初始化主要是设置渲染窗口、摄像机初始位置、光照雾化参数初始化、载入地形地物模型等。场景渲染实现了动态几何体更新、拣选、排序和高效渲染，主要完成更新、拣选和绘制 3 种遍历操作。更新遍历是允许程序修改场景图形，实现动态场景，主要由程序或者场景图形中节点的回调函数完成，如修改摄像机观察参数、光照雾化参数、动态水体模拟、闸门的启闭等动态实体模拟。拣选遍历是检测场景节点的边界包围盒，判断是否在当前视野内，将在视野内的节点加入渲染列表绘制。绘制遍历是调用底层 API 对拣选遍历产生的几何体列表渲染。程序退出是卸载指针对象占用的内存空间，智能指针能够自动释放。

4 水动力水质仿真虚拟技术

图 3 程序框架示意图

4.1 基于碰撞检测的多模式漫游控制技术

虚拟环境的多模式漫游控制通过键盘、鼠标等基本的输入设备控制视点（或摄像机）的空间位置及旋转变化，实现在场景中飞行或行走，比如前进、后退、左转、右转、上升、下降、俯看、仰视等。这不仅增强用户的沉浸感及方便用于检验场景模型正确性，而且能够自由观看水库群调度变化引起的水动力水质效应的时空演变情况，以此检验调度方案的合理性及水流变化模拟预测的正确性，更为决策者制定可操作方案提供基础。场景漫游包括固定路径、视点聚焦、手动等 3 种漫游模式，并利用碰撞检测技术防止漫游中不合理地“穿越”地形或物体。碰撞检测限制了漫游视点与物体之间的几何位置关系，若系统根据检测视点与物体的距离小于某给定值即判定有碰撞，自动调整视点向后退移。包围体方法是一个常用的碰撞检测方法。为提高碰撞检测效率，利用多个多边形将物体包裹起来表示包围体，并利用这些多边形进行碰撞检测，其精确度取决于多边形划分的细致程度。

4.2 基于虚拟环境的可视化信息查询与分析技术

可视化信息查询与分析包括双向和条件查询、热链接等，以及水位水质变化趋势和水质多断面评价分析，并用直观的图表显示出来；信息查询包括某时刻的水位、水质、水利工程实体等信息的查询。

双向查询实现方法如下：打开并激活要查询的对应实体，用鼠标拾取该实体上任意一点，则可弹出与之相应的信息。由于系统中属性数据与空间数据对应关联，当鼠标激活实体模型某一点时，则激活了与该实体相应的属性数据库表记录，那么将用户感兴趣记录中有关字段内容以对话框形式显示在屏幕上。与此相反，选中实体模型对象对应属性数据库表某条记录，被选中实体的颜色在虚拟环境中变得鲜亮或闪烁，视点同步定位到该实体。条件查询是在对话框中输入逻辑表达式，将其作为查询条件，就可查询符合条件的信息状况。对于按时间的动态数据查询，使用条件查询尤为方便。热链接就是把某一实体和另外的图形、文本文件、数据库、应用模型、视频等对象连接起来。当启动热链接，用鼠标点中该实体时，能立刻显示出与该实体相连接的对象。比如查询水利工程建筑物设计 CAD 详图就可以通过热链接实现。水利工程建筑物在虚拟环境中以适当简化的三维立体模型表达，若查看其结构设计细部或详细图件，可以用与该实体模型相关联的属性数据库表记录的某字段字符型数据为公共项建立热链接，将结构设计图处理成视图文件，并把公共项数据名称作为图件名称保存在系统文件中，从而确立实体模型与结构设计图件的热键连接关系。在虚拟环境中查询时，激活该实体模型并点击菜单中的热链接按钮，以鼠标选中待查询的物体，那么就可以将与其相连接的结构设计图显示在窗口中。

4.3 基于远程自动控制的闸门反馈动态仿真技术

在水库实际调度过程中，大坝孔口闸启闭、船闸启闭，以及水轮机旋转速度调整已实现自动或半自动的控制，通过传感器设备将采集的闸门开度或水轮机转速信息传递到三维虚拟仿真平台中，驱动虚拟环境中相应实体形态变化，实现物理实体和虚拟实体的双向通信，有助于管理者掌控工程运行。若对虚拟环境中实体进行可视化与动态模拟，仅靠纹理图像配以简单的几何结构难以描述和操控实体模型细部结构，则需要按这些物体的实际尺寸详细建模，并按照层次结构组织，通过设置运动链和局部坐标对其灵活操控和实时驱动。Multigen Creator建模软件平台中提供了较强的运动链分析功能[19]。它在具有层次关系的模型结构树中，明确实体部件运动时的相互关系，在此基础上，建立不同的运动自由度（DOF）子节点，并将需要运动的实体部件置于其下，然后可以控制 DOF 子节点模拟部件的运动。如三峡升船机、大坝孔口闸门等可通过此种方式完成建模。其关键步骤如下：1）在实体模型组节点下创建 DOF 父节点，将设置自由度的模型都移动到该节点下，成为 DOF 节点的子节点；2）使用“Local-DOF/Position DOF”功能模块创建局部坐标系，受运动控制的实体部件相对于局部坐标系旋转和移动；3）利用“Local-DOF/Set DOF Limits”功能模块设置该 DOF 节点相对局部坐标系的自由度属性；4）在程序中对 DOF 节点调用，便可模拟相对实体的运动。

4.4 基于物理模型的大坝泄流可视化仿真技术

用计算机逼真模拟高坝泄洪雾化现象，对于直观分析雾化影响范围及程度、方便决策、防范危害、确保工程安全具有现实意义。现有关于泄洪雾化的研究主要集中在理论计算、物理模型或原型观测方面，很少涉及泄洪雾化现象的计算机模拟和可视化，尤其是基于一定物理机理、实现不规则泄洪水流运动场景的虚拟，更是一个新的研究课题。大坝泄流过程可视化仿真是在泄流时的水流运动轨迹方程控制下，利用粒子系统可视化模拟水滴粒子的产生、运动直至消亡等全部过程。具体步骤如下：1）结合大坝泄洪水流物理机制，建立构成泄洪水流的粒子系统中不同水滴粒子轨迹的运动控制方程；2）在大坝孔洞出口断面生成一定数量的具有空间位置、运动速度、加速度、大小、形状及生命周期等初始属性的水滴粒子，新生成的水滴粒子数目可由围绕均值变化的正态分布随机数控制；3）在每一帧中，由步骤 1）运动轨迹方程计算所有存活的水滴粒子的空间位置，并赋予其新的属性；4）水滴粒子的消亡可以认为当水滴粒子跌入大坝下游水流即可消失；5）绘制所有泄洪水流粒子系统中存活的水滴粒子，将其显示在屏幕上。系统循环推进每一帧，通过重复步骤 2）～5），就可以动态模拟大坝泄洪整个过程。

4.5 基于水动力模型的流场可视化仿真技术

数学模型计算与物理实验、原型观测并列为流域研究的三大手段，已在工程建设各阶段发挥了重要作用[20]。数学模型计算往往会产生大量数据，但这些数据本身并不能直观形象地揭示现象本质特征。结合虚拟现实和科学计算可视化技术，将科学计算中产生的水利专业数据映射为直观的静态或动态图形图像，有助于对随时空变化的物理量和现象进行数据分析，寻找水利专业数据之间的关联以便进行数据挖掘和科学推理。

运用河道水流模型或水沙模型计算时，1）将研究区域离散化为网格单元，一般为四边形、三角形或混合网格；2）在网格单元上离散水流模型或水沙模型的控制方程，形成数值方程组；3）选择数值算法求解数值方程，获得某一时刻计算网格节点上的流速、水位、流量、泥沙量等信息；4）按照一定时间步长输出模型计算结果。在进行流场可视化仿真时，需要将用欧拉场表示的模型计算结果转换为拉格朗日场，用于追踪水体粒子的运动轨迹。在流场转换时，视可视化效果选定时间步长驱动水体粒子运动以平滑仿真水体粒子运动。若模型计算结果输出时间步长过大时，可以通过缩小模型计算输出时间步长，或将相邻时刻的输出模型计算结果进行线性插值。

将水体视为水体粒子的集合，可以用粒子系统表示[21]。流场可视化仿真可以通过粒子系统中粒子的产生、运动、死亡，绘制表达整个水流状态动态变化情况。粒子产生是基于模型计算网格控制空间分布情况，并规定每个网格单元内粒子数目阈值；由于粒子运动可能造成单元内粒子数目超过规定阈值，则将粒子置于“死亡”状态进行删减，若小于给定阈值，就“出生”新的粒子；粒子“出生”时的属性根据所在网格单元节点的水流特性值插值计算得到。粒子运动由流速、时间和位置组成的常微分方程控制，采用自适应 Runge-Kutta 方法积分常微分方程得到粒子新位置，同时通过扫描数值计算网格，根据所在网格单元节点的属性值插值计算粒子属性。粒子死亡满足以下 2 个条件之一：1）网格单元内粒子数目超过规定阈值；2）粒子运动到河道外。粒子绘制是对整个研究区域存在粒子进行绘制显示，粒子形状设计为一定粗细的三维实体箭头，实体箭头长度表示流速大小，箭头指向表示流速方向，实体厚度表示水深或水位的高低，实体箭头颜色表示泥沙浓度大小，这样能够实现标、矢量数据的统一表达；根据系统建设需要，也可以对粒子绘制为线性箭头，线段长度和指向分别表示流速大小和方向，颜色可以表示泥沙量、水深或水位值，设置按钮进行切换，用不同颜色显示标量信息时空分布。

在场景控制漫游过程中，视点可能距离关注河道较远，可以自动关闭流场显示，以河道纹理代替显示河道水面，或者削减总数调整粒子空间分布；若部分河道流场位于视点范围内，对位于视点范围外的河道流场自动消隐不予绘制。上述处理方式的目的是降低系统渲染数据量，提高系统运行速度。

4.6 基于水质模型的污染物运移可视化仿真技术

与河道水流流场不同，水质模型输出的模拟结果属于标量场，其可视化方法包括颜色映射、云图、等值面及体绘制等。颜色映射与云图应用于一、二维水质模型模拟预测结果的可视化；等值面与体绘制则用于三维水质模型模拟预测结果的可视化。

一维水质模型模拟预测可视化仿真步骤如下：1）在模型计算断面之间视情况增加用于演示的辅助断面，顺直河段处增加辅助断面少，弯曲河段处增加辅助断面多，计算断面和辅助断面构成可视化仿真演示断面集合；2）根据辅助断面与上下游计算断面的距离，线性插值出辅助断面的水质浓度，依次类推，可以得到演示断面集合的浓度场；3）为了使浓度场时序变化更加符合实际情况，需要结合河道地形追踪出每个断面水位与地形相交的淹没点，具体算法见文献 [22]；4）利用颜色的梯度变化表示断面浓度值的大小，根据断面的淹没点构成三角网格，形成浓度场序列[23]。

二维水质模型通常基于规则或不规则网格输出模型计算网格单元或网格节点的水质浓度值，若模型计算结果为网格单元的浓度值，则需要利用反距离权重插值方法计算出网格节点的水质浓度值。对于规则格网，由于节点和单元之间拓扑结构明显，很容易离散为三角形网格单元；对于不规则格网为三角形单元的网格，不予以处理；对于其他单元，如常用的四边形网格，将其离散化为三角形网格。在三角形网格化的基础上，结合网格节点浓度值，建立与其对应的颜色映射列表，直接绘制浓度场。在此基础上，追踪浓度场的等值线并填充等值线形成表达浓度场的云图。

三维水质模型基于分层网格计算，分层网格构成了水体的真三维数据。三维数据处理方法主要分为体绘制和等值面两大类，其中等值面方法在实时生成图像方面具有明显优势。传统的移动立方体方法（Marching Cube，MC）难以处理任意 8 节点六面体单元的结果数据，为避免该不足，利用单元节点相关性的等值面构造算法实现三维模型计算结果的体可视化[24]。以某一水质计算六面体单元为例，算法描述如下：1）利用给定的水质浓度阈值 C，分别比较判断与单元 8 个节点的水质浓度值的大小关系；2）若与当前单元 8 个节点水质浓度值之差均为正值节点或负值节点，则转至 6）；3）以某正值节点作为当前节点，搜索与其相邻的 3 个节点；4）若相邻节点为负值点，等值点坐标可以通过线性插值方法计算；5）若相邻节点为正值点，则以其为当前节点，转至 3）；6）以同样方式循环判断处理下一单元；7）将搜索的等值点连接为等值面片。

4.7 基于在线监测的水库调控可视化预警技术

可视化预警主要包括水位、水质、设备运行、大坝安全等预警。利用河道关键断面、设备运行关键部件及大坝关键部位等处布设的传感器设备，实时采集河道的水位、水质、设备运行状态、大坝形变等数据，以无线或有线的方式迅速传输到监控中心，按给定的预警分级指标，发出报警信息；还可以结合数值模型，预测水文和工程安全事件的演变趋势，适时发出预警，并将这些报警或预警信息以不同的颜色动态显示在三维虚拟环境中，并配以声音播放或解说。以水质预警为例，对水质自动监测站、常规水质监测断面、入河排污口监测站点及入库污染物的实时监视，监测数据通过 GPRS、局域网等传输方式传送到三维虚拟仿真系统平台，并通过人工选择分析方法、标准和阈值实现分析报警。在此基础上，利用水质预警模型模拟污染物运移变化过程，实现突发性污染事件预警。在应急处理过程中，展示水情、水质信息，包括重要常规水质监测断面水质现状及趋势、实时水情水质自动监测站监测信息、水质现状评价信息等展示。根据实时水质监测结果，显示主要河道的水质评价图，在电子地图上标注常规水质监测断面和自动水质监测站的位置、最新监测数据和现状水质类别；展示自动水质监测站的最新监测信息，以折线图的形式展示监测断面的高锰酸盐指数、氨氮、总磷、总氮等监测指标的变化趋势。

4.8 基于虚拟环境的多方案优选仿真技术

大型梯级水库群承担着防洪、发电、航运、供水、生态等多项任务，为优化水库群调度，发挥综合效益，在对水库的实际管理中，可利用虚拟仿真平台支撑各种工程或调度方案的优化。三峡工程建成后，实行冬季蓄水夏季放水排沙的“蓄清排浑”的运行方案，受水库运行调节及自然环境本底影响与控制，库区 145～175 m 高程将全部成为周期性淹没的消落区，现有的生态系统发生重大演变，很可能导致严重生态环境问题，将破坏三峡水库与库岸景观和旅游环境。为了综合治理消落带生态环境，可以根据不同调度时期的消落带淹没情况种植不同的作物，从而可以防治消落带水土流失、改善生态环境、美化旅游景观，这种效果可以在三维虚拟仿真平台中进行模拟。长江中上游大型水库修建改善了航运条件，但是由于河道地形复杂，出现了许多碍航河段，同时由于水库调度造成的水动力效应，给航船运行带来了困难。可以结合水动力学、数字高程、水库调度和优化等模型，建立航线优选模型，确定最优航线，将最优航线、碍航区域、水流流态不稳定区域通过可视化方式与周围环境相融合，仿真模拟航船的运行调度过程。同样，大坝的阻隔影响了水流的连续性和鱼类的洄游通道，带来的水流流态的变化会影响生物栖息地的变化，结合水沙、栖息地和水库调度等模型识别出栖息地区域，通过三维虚拟仿真平台将栖息地变化情况标识在虚拟环境中，动态仿真不同生物种群的栖息地区域变化。

4.9 基于水库调度的库容变化可视化仿真技术

水库防洪作用的大小由防洪库容决定。湖泊型水库的水面比较开阔，水流坡降缓且流速很小，水面趋于水平，其淹没区域的动态变化可以采用基于广度优先搜索数据结构的种子点蔓延算法[25]。顾及洪水淹没的实际情况，本文方法的起始淹没点位置一般选在坝前附近的网格单元内，以此网格为种子点向周围遍历其相邻网格单元，若相邻网格单元被淹没，则被计入淹没缓冲区，并将这些新被淹没的边界网格单元作为新的种子点，继续向外判断进行连通域搜索，直至淹没连通域搜索完毕，即可得到整个淹没区域。在淹没区搜索过程中，对于淹没区内部网格单元，以新的水位为基础计算更新该网格单元的水深信息。

河道型水库库面宽度较小，而回水范围可能较长，水面线坡降较大，不能用“水平面”的方法进行模拟仿真，而采用考虑到水面线演进和变化的动库容计算方法，按照不恒定的水动力学理论和模型进行分析和计算，河道型水库库区的水流演进模拟需要的水动力学方程可以用一维的河道水流运动圣维南方程组描述，方程采用四点线性隐式差分格式求解，在实际水库计算时，需要将整个水库库区概化为分段河网计算。支流调节能力按静库容方法计算（出口水位按动库容计算），支流库容根据实测地形资料分别建立库容曲线；区间和支流水量根据实测资料和降雨径流水文模型计算[26]。库区淹没动态变化的可视化仿真是基于水动力学模型计算的断面水位搜索河道的淹没边界、确定淹没区域的网格单元集合，然后进行渲染，即可在三维虚拟环境中演示河道型水库库容的动态变化过程。

5 工程实例应用

三峡工程是治理和开发长江的关键性骨干工程，是当今世界最大的水利枢纽工程，具有防洪、发电、航运、供水及生态等综合功能。三峡工程在带来巨大社会和经济效益的同时，出现了频繁发生的库区支流“水华”现象、水库下游清水下泄导致河道崩岸及消落带区域的生态环境问题，甚至水电站调节引发的非恒定过程对三峡与葛洲坝两坝间通航条件造成了很大影响。这些问题归结为梯级水库群调控水动力水质效应失衡造成的。众多学者通过建设河道整治工程和水库联合调度研究来改变水动力条件，从而解决水库上下游的生态环境、通航及崩岸问题。在这些生产实践和科学研究中产生了由原型观测、物理实验和数学模型[27]计算产生的海量数据，这些海量数据是否有效得到合理解释，如何从中提炼和挖掘潜在规律，并采用直观方式表达，成为研究人员面临的问题。通过构建仿真系统，可以将这些数据的时空变化通过科学计算可视化技术展现于虚拟环境中，立体化表达各种规则数据的时空分布，提高海量数据综合管理和挖掘效率，服务于梯级水库调控。

利用以上技术，构建了三峡-葛洲坝梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真平台。三峡河道地形精度为 1∶5 000，河道外地形精度 1∶250 000，地表纹理通过对遥感影像合成生成，利用三维建模工具Terra Vista 对河道和周围场景进行自动嵌套建模；三峡大坝、升船机及水轮机转子根据实际设计资料则利用 Multigen Creator 精细建模生成；其他相关属性数据存储在 SQL Server 中。利用开源三维视景软件包 OSG，导入地形地物模型，生成三维虚拟仿真平台，通过研发的虚拟表达关键技术，实现了三维场景的漫游、信息可视化查询分析、闸门控制的动态反馈、泄流的可视化仿真、流场的可视化模拟、水质的可视化预警、三峡消落带方案的优化和库容变化可视化仿真等功能，列出部分三维效果，如图 4～10 所示。

图 4 裸露地面消落带

图 5 植被覆盖消落带

图 6 三峡下游的涡流状态

图 7 流场信息的查询

图 8 水质信息可视化

图 9 河道断面截取

图 10 水淹模拟分析

5 结语

三维虚拟仿真能够模拟预演水库群调控重大实践问题的决策，使决策者和管理者快速获取和理解准确直观和全方位信息，并为他们提供立体逼真和协同综合的会商环境。对梯级水库群调控的功能进行了分析，并设计了系统总体框架，开发了梯级水库群调控综合管理平台，研究梯级水库群虚拟环境建模方法和梯级水库群调控下水动力水质效应虚拟表达关键技术，包括基于碰撞检测的多模式漫游控制、虚拟环境的可视化信息查询与分析、远程自动控制的闸门反馈动态仿真、物理模型的大坝泄流过程可视化仿真、水动力学模型的河道水流流场可视化仿真、水质模型的污染物运移可视化仿真、在线监测的水库调控可视化预警、虚拟环境的多方案优选仿真和水库调度的库容变化可视化动态仿真等技术。最后以三峡工程为例，构建了三峡-葛洲坝梯级水库调控水动力水质效应虚拟仿真平台，具备了场景漫游、信息查询、闸门启闭、大坝泄流、流场可视化、水质可视化、水质预警、方案优选、库容可视化仿真等功能，可以为水库群调控提供技术支撑，为其他水库群调控系统构建提供借鉴。

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Simulation techniques of hydrodynamic and water quality caused by regulation and operation in cascade reservoirs group

YE Yuntao, LIANG Lili, CAO Yin, GONG Jiaguo, JIANG Yunzhong
(Department of Water Resources, China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038, China)

Complex giant system of cascade reservoirs formed by cascade reservoirs will bring great uncertainty to their running management and control decision-making. In order to guarantee benef i t development of reservoirs group,

it is an urgent need to provide advanced information technology and water conservancy professional model as support.Based on the technology of virtual reality, model calculation and online monitoring, and taking the visual expression of water quality and hydrodynamics as the core, the paper systematically analyzes the combination mode between the virtual reality technology and numerical simulation. And then it presents the modeling method of virtual environment for cascade reservoirs group, 3D virtual watershed environment platform development and key techniques of virtual simulation of water quality and fl ow characteristics driven by model and monitoring. The developed techniques are preliminary application in the Three Gorges Project and proved to be feasible, which provides a new train of thought on intelligent management and dispatching of cascade reservoirs group.

digital river basin; cascade reservoirs; regulation and operation; hydrodynamic; water equality; virtual reality; simulation modeling

TV697

A

1674-9405(2017)06-0023-10

10.19364/j.1674-9405.2017.06.005

2017-03-09

国家重点研发计划课题（2017YFC0405804，2017YFC0405801）；国家自然科学基金项目（51309254）；中国水利水电科学研究院“十三五”重点科研专项（资基本科研KY1701）；中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室开放研究基金（IWHR-SKL-201517）

冶运涛（1983-），男，河南许昌人，高级工程师，主要从事水信息学与智慧流域、流域水循环模拟及水资源遥感方面的研究。