CN104598701A - 一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，本发明构建的仿真系统可模拟现实中的河网以及其水闸，同时可以在其仿真模型中设置和散布污染物，并依据本发明中的迭代推演方法有效地模拟污染物在河网中的扩散情况，并以图像形式实时反映其变化。使水污染问题的分析将变得高效，从而城市的河网河涌的污染治理分析将变得更加有效率，城市的水污染治理水平将提升。

Description

一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法。

背景技术

保障居民供水安全和良好的生活环境是关系国计民生的大事。近年以来，随着经济的快速发展，工业废水与生活污水的大量排放，使得河流水源污染事故频频发生，不仅制约了经济的可持续发展，并且对于人民的健康安全都造成了严重的威胁。因此，对水质的监控，突发性水质风险的预警及分析，城市供水的精细化管理成为政府部门与科研单位越来越重要的工作。因此水污染事故的数值模拟、河网群闸联控调水补水成为了近年来的研究热点。

水污染的模拟分析、河网的群闸联控都要使用水动力和水质模型进行数值模拟。对此，国内外已有很多的研究。这些模拟方法，可以结合GIS软件对设定的污染事件进行模拟还原和后续影响分析。这些模型和方法很多也有较好的准确性，但是它们的可视化程度和交互性还有很大不足，造成分析和决策的效率较低。除了图表之外，目前用得最多的是每隔一定时段的污染状态图。这些污染状态图能让人了解污染扩散的轨迹。但由于他们生成速度慢，以至于经常无法用于辅助决策。例如某处河网内突发污染，如何调度水库和河网内各处水闸以快速把污染从河网中排掉，这是一个很紧急的问题。各处水闸如何调度，可能有很多种潜在方案。而要把这些方案模拟生成各时段的污染状态图并比较出最优，可能需要好几天的时间。而等时间过了好几天再去处理该突发污染，污染可能早已经失去控制了。再例如靠近出海口的河网需要对各水闸联控调度来引入潮水来冲淡和带走生活污水。多种水闸联控方案进行数据模拟和比较分析需要很长的时间。而且每个月份的水文数据都是不同的，因此数据和方案也会不同。所以，要研究筛选出最佳的水闸联控方案，工作量是非常繁重的，并且效率低下。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够模拟推演污染物在河网中扩散情况的三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，包括以下步骤：

步骤一，先对河网、水闸与周边地形建立三维仿真模型，对河流划分网格、设置边界；

步骤二，建立推演分析数据库；

步骤三，从河道交汇点、分岔口、边界位置和河宽急剧变化的位置选取河道的关键断面；

步骤四，获取河道关键断面的连续的水位、流速数据并记入数据库的网格水位流速信息表；

步骤五，设置污染物的播撒位置、数量和播撒方式；

步骤六，根据关键断面的水位，用迭代法计算所有非关键断面的水位，计算方法为：以关键断面对河道分段，对每对关键断面之间的所有网格循环，从水位由低到高遍历所有网格；对每个网格i执行如下操作：把网格i和与i相邻并且水位比i高的k个网格，把它们的水位求个平均值，重新赋值给这k+1的网格，其计算公式为：

上式中：h _new 为要计算的新水位，将赋值给所有做平均的网格，h _i 和h _j 分别为网格i、j的旧水位，S _i 和S _i 分别为网格i、j的面积，P _j→i 为网格j的水流向网格i的概率；

步骤七，用迭代法计算出每个河道中每个非关键断面网格的流速，先算出网格i的输入流量：

上式中，v _j→i 为从水位比网格i高的相邻网格j流入网格i的流速，A _j 为网格j的河道断面面积；

根据网格的输入流量等于输出流量的原理，利用网格i的输入流量除以输出方向的总截面积，获得网格i的平均输出流速，其计算公式为：

上式中，v _j→i 为更高相邻网格j流入网格i的速度，k为网格i的更高相邻网格的个数，m为网格i的更低相邻网格p的个数，A _j 和A _p 分别为网格j和网格p的河流断面面积；

根据网格i与每个网格p的水位差对网格i输入每个网格p的流量进行分配，对于网格i流向水位更低的某个网格p的流速，其计算公式为：

上式中，v _{i→p_d} 为网格i流向水位更低的某个网格p的流速，dLevel _p 为网格i与某网格p的水位差，为网格i与各网格p的平均水位差，为该网格的平均输出流速；

如果本次迭代并非为初次，网格i本身有上次迭代推导的输出流速数据，通过以下公式把网格i在某输出方向的上次推导的流速与本次推导的流速做平均：

上式中，v _{i→p_new} 为网格i往更低网格p方向的新输出流速，v _{i→p_d} 为本次推导出的输出流速，v _{i→p_o} 为上次推导出的输出流速；

利用上式获得的网格i对各网格p的新输出流速以及各网格p的河道断面面积，计算一个新平均输出流速：

将新平均输出流速与调整前的平均输出流速相比，获得比值t，即；最后，将比值t值对更高相邻网格j流入网格i的流速进行调整：；

步骤八，根据数据库中水闸开关时刻表或根据软件系统中的交互操作，来实时改变三维模型中水闸的开关状态；

步骤九，根据计算出的水位和流速驱动污染物在河道中的运动，渲染一帧，一次迭代结束；然后返回至步骤六并按以上顺序进行下一次迭代，通过多次迭代使界面不断渲染，从而在三维场景中看到污染物的运动和扩散过程。

进一步，所述步骤一采用3Dmax或Creator建立三维仿真模型。

进一步，所述步骤二中的数据库包括模型信息表、网格信息表、网格水位流速信息表、水闸信息表和水闸开关信息表，该数据库由SQL Server或Sybase或Oracle建立。

进一步，所述步骤四中，利用测流仪等工具实地测量或者根据其他水力模型算得取得所有关键断面的连续的水位、流速数据。

进一步，所述步骤七中，其选取的网格j（或p）的河流断面面积A _j （或A _p ）可以为横断面面积A或纵断面面积Aw，并根据以下公式进行选取：

上式中，为网格的流速矢量，方向是本网格参考点指向流向网格的参考点，为网格两条横跨两岸的边的中点的连线矢量。

本发明的有益效果是:本发明构建的仿真系统可模拟现实中的河网以及其水闸，同时可以在其仿真模型中设置和散布污染物，并依据本发明中的迭代推演方法有效地模拟污染物在河网中的扩散情况，并以图像形式实时反映其变化。使水污染问题的分析将变得高效，从而城市的河网河涌的污染治理分析将变得更加有效率，城市的水污染治理水平将提升。

附图说明

图1为本发明实施步骤流程图；

图2为本发明的河道关键断面选取示例图；

图3为本发明的网格流速分段迭代流程图；

图4为本发明的仿真推演计算流程图。

具体实施方式

现结合附图和具体实施例对本发明要求保护的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，本实施例包括以下步骤：

步骤一，先对河网、水闸与周边地形建立三维仿真模型，对河流划分网格、设置边界；本实施在建立三维仿真模型时，采用了3DMax和Creator作为构建模型的工具，模型格式采用flt模型。在别的实施例中，可采用其它的建模工具或其它模型格式。

步骤二，建立推演分析数据库；在本实施例中的数据库由SQL Server、Sybase和Oracle建立，包括有模型信息表、网格信息表、网格水位流速信息表、水闸信息表和水闸开关信息表；在别的实施例中数据库可用其它工具建立，也可以包括不同的内容。

步骤三，从河道交汇点、分岔口、边界位置和河宽急剧变化的位置选取河道的关键断面，其选取的位置可参考附图2所示。

步骤四，获取河道关键断面的连续的水位、流速数据并记入数据库的网格水位流速信息表；在本实施例中，可利用测流仪等工具实地测量取得所有关键断面的连续的水位、流速数据。如测出一个月每天每隔一小时的水位及流速，形成当月的历史数据。也可根据其他水力模型算得。取得的数据记入数据库的网格水位流速信息表。

步骤五，设置污染物的播撒位置、数量和播撒方式。

步骤六，根据关键断面的水位，用迭代法计算所有非关键断面的水位，计算方法为：以关键断面对河道分段，对每对关键断面之间的所有网格循环，从水位由低到高遍历所有网格；对每个网格i执行如下操作：把网格i和与i相邻并且水位比i高的k个网格，把它们的水位求个平均值，重新赋值给这k+1的网格，其计算公式为：

上式中：h _new 为要计算的新水位，将赋值给所有做平均的网格，h _i 和h _j 分别为网格i、j的旧水位，S _i 和S _i 分别为网格i、j的面积，P _j→i 为网格j的水流向网格i的概率，如果网格j只有i这一个下游网格，则P _j→i =1；若网格j有好几个下游网格（即相邻有好几个网格水位比它低），则根据各个下游网格与网格j的水位差计算概率。

公式把自己的水位和周围高位网格的水位取个平均值。在本实施例中，循环直至这个时候退出，整个水道流域的所有网格这一次计算出来的水位与上一次的水位相比，差小于某个很少的数，即：，ε为一个很小的数，例如可取0.0001。

步骤七，如图3所示，用迭代法计算出每个河道中每个非关键断面网格的流速，先算出网格i的输入流量：

上式中，v _j→i 为从水位比网格i高的相邻网格j流入网格i的流速，A _j 为网格j的河道断面面积；其中，网格j在河流交汇处时，要在网格信息表中记录两个方向的断面面积，除了与网格长度方向垂直的横断面A，还要有个沿着长度方向的纵断面Aw。

另一方面，输入流量与输出流量相等，那么流量除以输出方向的总截面积，就是输出的平均流速，推及到本实施例中，利用网格i的输入流量除以输出方向的总截面积，获得网格i的平均输出流速，其计算公式为：

上式中，v _j→i 为更高相邻网格j流入网格i的速度，k为网格i的更高相邻网格的个数，m为网格i的更低相邻网格p的个数，A _j 和A _p 分别为网格j和网格p的河流断面面积；

一般情况下，公式是取上面分支。下面分支是防止除数为0，实际上也有这样的情况，就是一个网格周围相邻网格水位全比它高的时候，这时候只有输入没有输出。

在本实施例中，其选取的网格j（或p）的河流断面面积A _j （或A _p ）可以为横断面面积A或纵断面面积Aw，并根据以下公式进行选取：

上式中，为网格的流速矢量，方向是本网格参考点指向流向网格的参考点，为网格两条横跨两岸的边的中点的连线矢量。上式的含义是：当流速矢量与跨河边中点矢量夹角<45°时，A _j 取横截面面积；当流速矢量与跨河边中点矢量夹角>=45°时，A _j 取纵截面面积。

由于网格i可能具有多个输出方向，其总的输出流速会根据水位差分配至相邻的更低网格p中, 根据网格i与每个网格p的水位差对网格i输入每个网格p的流量进行分配，对于网格i流向水位更低的某个网格p的流速，其计算公式为：

上式中，v _{i→p_d} 为网格i流向水位更低的某个网格p的流速，dLevelp为网格i与某网格p的水位差，为网格i与各网格p的平均水位差，为该网格的平均输出流速。上式的含义是：各方向的输出流速参照“推导平均流速”进行上下调整，调整的依据是水位差的大小。水位差大的方向，流速就让它大些；水位差小的方向，流速就让它小些。公式的下半分支是防止=0时用0做除数。

如果本次迭代并非为初次，网格i本身有上次迭代推导的输出流速数据，通过以下公式把网格i在某输出方向的上次推导的流速与本次推导的流速做平均：

上式中，v _{i→p_new} 为网格i往更低网格p方向的新输出流速，v _{i→p_d} 为本次推导出的输出流速，v _{i→p_o} 为上次推导出的输出流速；

至此，就得出网格i往各个输出方向的新流速。但还要有对旧数据的反馈和调整，这种反馈要传递到本次计算的源头，即更高相邻网格，要令他们的流速也有所改变。利用上式获得的网格i对各网格p的新输出流速以及各网格p的河道断面面积，计算一个新平均输出流速：

将新平均输出流速与调整前的平均输出流速相比，获得比值t，即；最后，将比值t值对更高相邻网格j流入网格i的流速进行调整：。

步骤八，根据数据库中水闸开关时刻表或根据软件系统中的交互操作，来实时改变三维模型中水闸的开关状态。

步骤九，根据计算出的水位和流速驱动污染物在河道中的运动，渲染一帧，一次迭代结束；然后返回至第六步并按以上顺序进行下一次迭代，通过多次迭代使界面不断渲染，从而在三维场景中看到污染物的运动和扩散过程。

如图4所示，在本实施例中，系统的推演流程为：a.先设置初始时间；b.然后从数据库中查出各采样点初始数据；c.循环直至收敛，按水位迭代公式计算出稳定的水位状态；假如时间未超出且推移时间段内采样点数据未有变化，则执行d.更新各采样点水位；假如推移时间段内采样点数据有变化，则执行e.遍历更新所有网格水位，即执行第六步中的推演过程；f.遍历更新所有网格流速，即执行第七步中的过程；g.推演一步，根据其设定的时间间隔推演各网格的水位及流速在该时间间隔后的变化；h.根据水位移动污染物；i.根据段格内污染物多少更新段格水面颜色；j.时间往后推移，将系统时间往后推移一个设定的间隔时间；假如时间未超出则根据推移时间段内采样点数据有没有变化而返回步骤d或e，假如时间已经超出，则结束推演。

以上实施例仅是本发明的一些优选实施方式，但本发明的保护范围并不仅限于此。本领域技术人员应该理解，所有未背离本发明精神和范围的任何修改或局部替换都在本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，其特征在于；包括以下步骤：

步骤一，先对河网、水闸与周边地形建立三维仿真模型，对河流划分网格、设置边界；

步骤二，建立推演分析数据库；

步骤三，从河道交汇点、分岔口、边界位置和河宽急剧变化的位置选取河道的关键断面；

步骤四，获取河道关键断面的连续的水位、流速数据并记入数据库的网格水位流速信息表；

步骤五，设置污染物的播撒位置、数量和播撒方式；

步骤六，根据关键断面的水位，用迭代法计算所有非关键断面的水位，计算方法为：以关键断面对河道分段，对每对关键断面之间的所有网格循环，从水位由低到高遍历所有网格；对每个网格i执行如下操作：把网格i和与i相邻并且水位比i高的k个网格，把它们的水位求个平均值，重新赋值给这k+1的网格，其计算公式为：

上式中：h _new 为要计算的新水位，将赋值给所有做平均的网格，h _i 和h _j 分别为网格i、j的旧水位，S _i 和S _i 分别为网格i、j的面积，P _j→i 为网格j的水流向网格i的概率；

步骤七，用迭代法计算出每个河道中每个非关键断面网格的流速，先算出网格i的输入流量：

上式中，v _j→i 为从水位比网格i高的相邻网格j流入网格i的流速，A _j 为网格j的河道断面面积；

根据网格的输入流量等于输出流量的原理，利用网格i的输入流量除以输出方向的总截面积，获得网格i的平均输出流速，其计算公式为：

上式中，v _j→i 为更高相邻网格j流入网格i的速度，k为网格i的更高相邻网格的个数，m为网格i的更低相邻网格p的个数，A _j 和A _p 分别为网格j和网格p的河流断面面积；

根据网格i与每个网格p的水位差对网格i输入每个网格p的流量进行分配，对于网格i流向水位更低的某个网格p的流速，其计算公式为：

上式中，v _{i→p_d} 为网格i流向水位更低的某个网格p的流速，dLevel _p 为网格i与某网格p的水位差，为网格i与各网格p的平均水位差，为该网格的平均输出流速；

如果本次迭代并非为初次，网格i本身有上次迭代推导的输出流速数据，通过以下公式把网格i在某输出方向的上次推导的流速与本次推导的流速做平均：

上式中，v _{i→p_new} 为网格i往更低网格p方向的新输出流速，v _{i→p_d} 为本次推导出的输出流速，v _{i→p_o} 为上次推导出的输出流速；

利用上式获得的网格i对各网格p的新输出流速以及各网格p的河道断面面积，计算一个新平均输出流速：

将新平均输出流速与调整前的平均输出流速相比，获得比值t，即；最后，将比值t值对更高相邻网格j流入网格i的流速进行调整：；                   

步骤八，根据数据库中水闸开关时刻表或根据软件系统中的交互操作，来实时改变三维模型中水闸的开关状态；

步骤九，根据计算出的水位和流速驱动污染物在河道中的运动，渲染一帧，一次迭代结束；然后返回至步骤六并按以上顺序进行下一次迭代，通过多次迭代使界面不断渲染，从而在三维场景中看到污染物的运动和扩散过程。

2.根据权利要求1所述的一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，其特征在于；所述步骤一采用3Dmax或Creator建立三维仿真模型。

3.根据权利要求1所述的一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，其特征在于；所述步骤二中的数据库包括模型信息表、网格信息表、网格水位流速信息表、水闸信息表和水闸开关信息表，该数据库由SQL Server或Sybase或Oracle建立。

4.根据权利要求1所述的一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，其特征在于；所述步骤四中，利用测流仪等工具实地测量或者根据其他水力模型算得取得所有关键断面的连续的水位、流速数据。

5.根据权利要求1所述的一种三维场景分段迭代的河网污染仿真推演方法，其特征在于；所述步骤七中，其选取的网格j（或p）的河流断面面积A _j （或A _p ）可以为横断面面积A或纵断面面积Aw，并根据以下公式进行选取：

上式中，为网格的流速矢量，方向是本网格参考点指向流向网格的参考点，为网格两条横跨两岸的边的中点的连线矢量。