洪水模擬的案例
基于MIKE?FLOOD和ArcObjects的洪水淹沒模擬及可視化
摘 要：文以遼河中游平原地區(qū)為研究對象, 使用水動力學計算軟件MIKE FLOOD對漫堤洪水淹沒過程進行模擬, 并在此基礎上采用GIS開發(fā)組件ArcObjects結合可視化編程語言C#開發(fā)了洪水演進顯示模塊。該模塊具有洪水蔓延過程動態(tài)演示、淹沒信息查詢及洪災損失統(tǒng)計的功能，實現(xiàn)了洪水淹沒模擬計算結果的可視化。汛期時可以利用該模塊為防洪救災提供決策信息。
關鍵詞：水淹沒模擬, MIKE FLOOD, ArcObjects, 可視化
1 引言(Introduction)
我國是一個洪澇災害頻繁發(fā)生的國家，每年因洪災造成的經(jīng)濟損失約占全部自然災害損失的60%以上[1]，如何有效地減少洪災損失一直是人們關注的焦點。早期的防洪措施主要是修建水庫、加高堤防、建立蓄滯洪區(qū)等工程性措施，近些年來隨著信息技術的發(fā)展，計算機仿真逐漸成為防洪減災的重要手段之一[2]。該方法是通過對某一地區(qū)可能發(fā)生的洪水提前進行淹沒模擬，計算出淹沒范圍和淹沒水深并制定相應的防洪救災策略。一旦發(fā)生洪水，可以按照先前制定的策略進行防洪調(diào)度和搶險救災，從而達到減少洪災損失的目的 。
如何使用計算機仿真技術科學，準確地預測、模擬和顯示洪水淹沒范圍，對于防洪救災和損失評估具有十分重要的意義。不少學者在這方面進行了深入研究并取得一定的成果，如劉仁義等提出基于GIS的種子蔓延算法來確定洪水的淹沒范圍[3]，崔寶俠等采用廣度優(yōu)先搜索算法模擬洪水的淹沒過程[4]，丁志雄等以GIS技術為基礎，采用平面模擬方法進行洪水淹沒范圍和水深分布的計算[5]。以上這些方法雖然都可以仿真洪水的淹沒過程，但僅僅是對水流蔓延過程的一種簡化模擬，并未從水動力學計算模型的角度出發(fā)進行洪水淹沒模擬，因此計算結果會存在一定誤差。
展開 基于COMSOL軟件模擬洪水對建筑物的沖擊過程 ￥600
眾所周知，我國是洪水災害多發(fā)的國家，據(jù)資料統(tǒng)計，中國洪澇災害造成的經(jīng)濟損失居各種災害之首。我國幅員遼闊，按其成因可以分為：暴雨洪水、風暴潮、冰川洪水、潰堤洪水等多種形式，而我國遭遇的主要是前兩種。我國在大陸季風氣候的長時間影響下，降雨時間集中，強度大，每年6-9月的降雨量占全年的60%。近年來城市的市政排水設施時刻在經(jīng)受著暴雨的考驗，一二線城市在關鍵時候，也到處是“海景房”。我國住宅建筑物，特別是農(nóng)村，沒有專業(yè)設計沒有任何防洪措施，包括現(xiàn)在的很多城市建筑也沒有防洪設計，一旦遭遇洪水，都會對建筑物造成很大影響。
本篇文檔模擬了洪水對建筑物（采用簡單的幾何形狀進行了簡化）沖擊后的拔高、反射以及回退消散的過程。模擬結果如下：
感興趣的朋友可下載模型源文件了解詳細模擬過程。
展開 水和環(huán)境仿真分析
FLOW3D水利和環(huán)境仿真解決方案
FLOW-3D 提供了對水和環(huán)境行業(yè)面臨的廣泛問題的準確模擬，從大型水力發(fā)電項目到小型市政污水處理系統(tǒng)。仿真分析可以在評估設計方案時發(fā)揮至關重要的作用，有助于降低復雜性并將重點放在優(yōu)化解決方案上。通過使用仿真分析工具從不同的設計方案中獲得的寶貴經(jīng)驗，可以節(jié)省大量的時間和金錢。
FLOW3D能夠完成的仿真課題：
截流模型模擬仿真
污染仿真
潰壩洪水模擬仿真
海嘯仿真
滑坡涌浪模擬仿真
下水道設計模擬仿真
沉沙池模擬仿真
橋梁沖刷模擬
灌溉與排水工程模擬仿真
水電站流體力學仿真
泥沙工程設計模擬仿真
沉積物沖刷模擬
引水渠道及前池設計模擬仿真
湍流分析
水工隧洞設計模擬仿真
空氣夾帶分析
導流和截流模型
數(shù)值模擬橋梁崩潰
水閘設計模擬仿真
雪崩模擬
溢洪道設計模擬仿真
泥石流模擬
溢洪道液壓評估
水電站模擬
洪水模擬
污水處理仿真
魚道設計模擬仿真
水利工程虛擬仿真
FLOW3D成功案例：
查看和下載更多水利和環(huán)境實踐案例
使用FLOW-3D可以通過邊界條件的設定，解決復雜的實際問題。用戶不必花費大量時間進行預處理（即設置問題），而是可以花時間應用他們的工作結果。
展開 【CFD仿真算例】防洪保護區(qū)淹沒風險仿真
計算軟件：自主計算代碼
仿真平臺：自建高性能計算集群
算例說明：通過CFD仿真，可以得到防洪保護區(qū)淹沒水深、范圍及災情損失
工程應用：城市、防洪保護區(qū)、蓄滯洪區(qū)淹沒風險計算
創(chuàng)新貢獻：自動化計算流程+智能化參數(shù)優(yōu)化+自主計算代碼
洪水風險圖的定義和目的
洪水風險圖是通過歷史調(diào)查、水文分析及洪水模擬計算，將指定頻率或歷史典型洪水在某一區(qū)域內(nèi)引起洪水災害時的淹沒范圍、水深、歷時、流速和洪災損失以及防洪工程和防汛物質(zhì)分布、洪水避難通道和地點等信息以通俗易懂的形式展示出來的一種專業(yè)地圖。
洪水風險圖在國外的目的主要是用于洪水保險；洪水風險圖在國內(nèi)是非工程措施的重要手段之一，它在合理布置防洪工程、科學管理洪泛區(qū)、指導防汛搶險等工作中發(fā)揮十分重要的作用，同時在規(guī)范土地利用、提高國民的防洪減災意識等方面也具有非常重要的意義。
水文學和水力學的區(qū)別
“洪水風險圖導則”中推薦使用3種方法進行洪水風險分析，即水力學法、水文學法和歷史水災法。那到底“水文學”和“水力學”有什么區(qū)別？
水文學（hydrology）是地球物理學和自然地理學的分支學科。研究存在于大氣層中、地球表面和地殼內(nèi)部各種形態(tài)水在水量和水質(zhì)上的運動、變化、分布，以及與環(huán)境及人類活動之間相互的聯(lián)系和作用。
水力學是研究以水為代表的液體的宏觀機械運動規(guī)律，及其在工程技術中的應用。水力學包括水靜力學和水動力學。
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BIM在土木工程的位置和可能性
搞CFD（Computational Fluid Dynamics）方向的一個博士，講BIM和CFD結合，進行了慕尼黑市中心的洪水模擬（下圖·），讓我大為驚艷。不過這個目前還在理論研究階段，什么時候可能投入商業(yè)運營還是未知數(shù)。
上圖還提到了一個概念叫GIS（Geographic Information System 地理信息系統(tǒng)），整個慕尼黑市中心的房屋布局和地形信息就是通過GIS技術獲得的。GIS和BIM的結合運用是現(xiàn)在德國甚至歐洲比較火的方向了。去年展會上，三分之一的內(nèi)容都是跟這個有關。這兩項技術的結合，不僅能用在已建成建筑的維護上，也能用于正在建設中建筑的監(jiān)測和管理。
其他的方面，包括：Buildingsmart提出的OpenBIM的思想——旨在實現(xiàn)工程項目各階段各方面不同軟件之間的互操作性；將建筑設計模型直接調(diào)整轉化為力學分析模型：工程管理軟件的云端運營等。
總體來說，BIM真的是個非常寬泛的概念，但是這些可能性都是源于BIM的內(nèi)核——數(shù)據(jù)交換。這個概念已經(jīng)重復多次出現(xiàn)了，也將是我后面討論的重點。對于不少土木工程從業(yè)人員來說，BIM可能意味著一大堆專業(yè)軟件，希望今天的簡單介紹能對BIM這個扎根于土木，而廣于土木的的特點能夠有所了解。
這只是一篇簡單而正是的開場白。文中涉及到了一些較為專業(yè)的名詞概念和它們的應用，我會在后面的文章中進行介紹，也敬請期待。
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展開 防澇水道與橋梁建設
在洪水期間，越過壩體的洪水會淹沒現(xiàn)有的灌溉渠道，造成水災。整個流場包括了壩體尺寸、灌溉渠道位置及尺寸，現(xiàn)有河道以及洪水水位的復雜水文計算。
采用FLOW-3D 進行流場計算，流體工程師能夠在平均水位高度的信息上得到相當精確的預測值（與傳統(tǒng)的二維計算分析工具相比）。舉例而言，F(xiàn)LOW-3D 能夠模擬洪水越過壩體后造成的漩渦，以及模擬洪水沖擊壩體的狀況。
從仿真的結果中，ASGC 的工程師對于該工程設計案非常有信心，面對隨時可能發(fā)生的洪水狀況，其工程設計能夠更有把握的進行防澇設施設計。
黑神話悟空中的流體力學
朦朦：工程上，人們對于非牛頓流體的模擬，提出了很多經(jīng)驗性質(zhì)的模型來表示粘性和應力應變的關系，比如冪次模型、交叉模型等。但在游戲中，不會這么精細，所謂血池，可能僅僅是變了顏色和密度的水，其余處理過程就和普通牛頓流體差不多。
帥臣：還有像第二章沙子上的滑行、第四章盤絲洞蟲子射的毒液、第五章巖漿，巖漿可能就是貼圖了，畢竟粘性很大，流動感不是很強，巖漿的流動看起來貌似是靜止的，這是典型的層流。
說到這我還想吐槽一下，天命人在沙子上的滑行不符合能量守恒，跳起來之后好像水平方向的速度分量就突然消失了。
朦朦：這會兒可能又會飄過彈幕感嘆帥臣的關注點。其實前面舉了這么多黑悟空中的例子呀，就是想告訴大家游戲中的物理引擎和工程中的物理引擎是同根同源頭，或者說游戲中對現(xiàn)實世界的仿真模擬與工業(yè)級的仿真模擬同根同源。其實世界上第一臺通用計算機在1946年出現(xiàn)時，當時的目的就是為了計算火炮的彈道，這個場景和現(xiàn)在的槍戰(zhàn)游戲很接近。
帥臣：而且，不僅游戲物理引擎會對物理規(guī)律做簡化，工程上仿真軟件里也一樣會做簡化，比如對N-S方程的簡化，工程中最常用的雷諾平均模型，就是面對大量計算做出的無奈妥協(xié)。而游戲物理引擎在這個妥協(xié)的基礎上又往前邁了一步而已。
朦朦：但現(xiàn)在隨著計算機性能越來越好，游戲物理引擎其實也在精度上逐漸提高。甚至有些工程場景，希望有快速結果且對精度要求不高的，也會用游戲引擎做模擬。比如汽車碰撞模擬、洪水災害模擬、履帶車駕駛模擬，甚至航天員的訓練。換句話說，游戲和現(xiàn)實世界的邊界將來可能會越來越模糊
帥臣：很可能未來有一天，計算機計算能力足夠強，物理引擎將不再有游戲級和工程級的區(qū)別，游戲即工程。看完這期視頻，觀眾以后打游戲再也不用心虛了。這哪是打游戲啊，這明明是在做仿真計算！
展開 【CAE案例】數(shù)據(jù)同化在一維水動力洪峰預報模型中的應用
對于每次洪水事件，模型都會進行多次循環(huán)推演：在循環(huán)k中，前8小時先根據(jù)觀測數(shù)據(jù)來預測最佳的Ai值，然后根據(jù)預測值Ai計算五個橫流流量（Q1, Q2, Q3, Q4和Q5）并進行24小時的洪水預報模擬。
模型結果
全局模型分別在無數(shù)據(jù)同化（free run）和有數(shù)據(jù)同化（DA）兩種情況下運行，得出的結果表明了將數(shù)據(jù)同化應用到洪水預報中的益處。表1總結對比了10次洪水事件中，無數(shù)據(jù)同化和有數(shù)據(jù)同化兩個模型在每個觀測站的最大預見期（預見期越長，當局開展應急處理的時間越充分）內(nèi)計算得到的平均納什系數(shù)（Nash-Sutcliffe coefficient）。其中納什系數(shù)是衡量模型結果好壞的標準，當納什系數(shù)的值接近1時，表示模型質(zhì)量好，結果可信度高；值接近0時，表示模擬結果接近觀測值的平均值水平，即總體結果可信，但過程模擬誤差大；值遠遠小于0時，則模型是不可信的。經(jīng)過對比可以得知，使用數(shù)據(jù)同化后，模型的質(zhì)量得到了顯著提升。
展開 國產(chǎn)流體仿真一體機：VirtualFlow智算終端，軟硬協(xié)同的工業(yè)仿真
流體仿真技術正在各個行業(yè)深度滲透，從航空航天全機氣動布局的減阻優(yōu)化，到核工業(yè)反應堆蒸汽發(fā)生器的流動換熱分析；從石油化工管道的水合物生成預測，到水利水務領域的洪水四預模擬，精準的流體計算已成為高端制造研發(fā)的核心驅(qū)動力。
然而，傳統(tǒng) "通用軟件 + 分散硬件" 的仿真模式正面臨著現(xiàn)實困境：
部署復雜性高：傳統(tǒng)模式需分別采購軟件授權、服務器主機、GPU 加速卡等多類設備，僅軟硬件集成調(diào)試環(huán)節(jié)就需耗費較長時間。
性能瓶頸突出：通用硬件難以匹配流體仿真對內(nèi)存帶寬、并行計算效率及散熱穩(wěn)定性的需求，常導致 30% 以上的算力資源閑置。
安全隱患顯著：海外仿真軟件的數(shù)據(jù)導出限制與后門風險；硬件供應鏈受制于國際環(huán)境，關鍵芯片與部件存在斷供風險，無法滿足國家關鍵行業(yè)領域的數(shù)據(jù)安全要求。
VirtualFlow流體仿真一體機
VirtualFlow流體仿真一體機由上海積鼎信息科技聯(lián)合國產(chǎn)高性能計算平臺深度定制，集成自主可控的 VirtualFlow 通用流體仿真軟件與企業(yè)級高性能算力資源，打造“開箱即用”的工業(yè)級仿真解決方案。面向航空航天、核電能源、石油化工、水利水務、汽車制造等行業(yè)的大規(guī)模流體仿真需求，提供全流程國產(chǎn)化替代能力。全面突破傳統(tǒng)仿真工作站性能瓶頸，實現(xiàn)仿真效率的跨越式躍升。
硬件層面
搭載 “拯救者創(chuàng)世” 系列頂級配置，包括英特爾 Ultra 9 275HX 處理器、英偉達 RTX 5090 24GB 獨顯、192GB 四通道 DDR5 內(nèi)存及 2TB PCIe 5.0 固態(tài)硬盤，配合乾坤創(chuàng)世散熱系統(tǒng) 2.0，為流體仿真提供極致算力支撐。
展開 【CAE案例】水動力仿真軟件在洪澇預測上的服務開發(fā)
該信息將協(xié)助當局在發(fā)生洪水事件時有效地使用和調(diào)度人力物力等資源。圖4顯示了EFFORS門戶網(wǎng)站內(nèi)歷史洪水事件的模擬結果。用戶定義的關注點的二維模型的水深信息如圖5所示。
