CN113836837A - 一种基于flo-2d泥石流数值模拟方法、设备及存储设备 - Google Patents

一种基于flo-2d泥石流数值模拟方法、设备及存储设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于FLO‑2D泥石流数值模拟方法、设备及存储设备，包括：将研究区DEM数据导入ArcGIS，通过ArcGIS将DEM数据以ASCII格式进行保存；在ArcGIS中对DEM数据进行水文分析，并将分析后的数据以Basin Model格式进行保存；将保存的Basin Model格式文件导入HEC‑HMS软件进行流域分析，得到清水流量线；将得到的ASCII格式文件、清水流量线和其他泥石流特征值导入FLO‑2D中进行计算，得到泥石流影响范围、流速以及流深随时间变化图。一种基于FLO‑2D泥石流数值模拟设备及存储设备，用于实现基于FLO‑2D泥石流数值模拟方法。本发明的有益效果是：完成泥石流运动过程的较为真实的模拟，对泥石流的发生进行预警，为后续泥石流的防治、风险评估及居民搬迁等工作提供数据支撑。

Description

一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法、设备及存储设备
技术领域
本发明涉及地质工程领域，尤其涉及一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法、设备及存储设备。
背景技术
我国是世界上多山的国家，泥石流灾害分布十分广泛，尤其在我国西部山区极为严重。为降低泥石流危害，减少其发生后造成的损失，通过数值模拟的方法对不同条件下泥石流运动特征和影响范围进行研究十分必要。国内外泥石流数值模拟软件有许多，如RAMMS、ANSYS CFX、MassMov2D以及FLODW-R等，而FLO-2D由于其可以展示泥石流流速、流深以及影响范围随时间变化的过程，能较真实的模拟泥石流的实际运动轨迹为广大科研和工程人员所青睐。目前，学者们通过FLO-2D软件对泥石流过程进行模拟时，在开始的水文流域信息处理部分，大多使用软件自身的水文流域分析模块，相比ArcGIS和HEC-HMS，FLO-2D 自身的水文流域分析模块功能较少，最终得到的模拟结果准确度较差，而水文流域分析结果的准确度是影响泥石流模拟结果可靠度的一个重要因素。因此，提出一种在ArcGIS和HEC-HMS水文流域分析基础上的FLO-2D泥石流数值模拟方法十分必要，可为后续泥石流的防治、风险评估及居民搬迁等工作提供数据支撑。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法、设备及存储设备，基于ArcGIS和HEC-HMS水文流域分析基础上的FLO-2D泥石流数值模拟方法，能够较好地模拟泥石流实际运动轨迹。
一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，主要包括以下步骤：
S1：将研究区DEM数据导入ArcGIS，通过ArcGIS将DEM数据以ASCII 格式文件进行保存；
S2：同时在ArcGIS中对研究区DEM数据进行水文处理，将处理后的文件以BasinModel格式进行保存；
S3：将保存的Basin Model格式文件导入HEC-HMS软件中，进行流域处理，得到泥石流清水流量线；
S4：确定研究区泥石流特征值；
S5：将ASCII格式文件、泥石流特征值和泥石流清水流量线导入FLO-2D 中进行模拟计算，得到模拟的泥石流数值。
进一步地，在ArcGIS中对研究区DEM数据进行水文处理的过程包括：对研究区DEM数据进行流域填充分析、流动方向生成、汇流阈值计算、流域网格划分、流域范围界定以及流域流出点圈定。
进一步地，HEC-HMS流域处理过程包括：流域模型导入、各个流域点损失模型赋值、各个流域点转换和衰减条件下的赋值、天气模型输入与赋值、控制条件的输入与赋值。
进一步地，所述泥石流特征值包括：曼宁系数、屈服应力、粘滞系数以及层流阻滞系数。
进一步地，模拟计算的过程包括：将ASCII格式文件中的高程数据导入、泥石流特征值输入以及泥石流清水流量线输入，进行泥石流数值随时间变化关系的计算。
进一步地，所述泥石流数值包括泥石流影响范围、流速和流深。
一种存储设备，所述存储设备存储指令及数据用于实现一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
一种基于FLO-2D泥石流数值模拟设备，包括：处理器及所述存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现一种基于FLO-2D 泥石流数值模拟方法。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：通过使用多软件结合，充分利用现有资料，较真实模拟泥石流运动过程，对泥石流的发生进行预警，为后续泥石流的防治、风险评估及居民搬迁等工作提供数据支撑。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法的流程图。
图2是本发明实施例中导入ArcGIS后研究区DEM数据的示意图。
图3是本发明实施例中ArcGIS中水文信息处理后流域范围的示意图。
图4是本发明实施例中研究区ASCII格式高程图。
图5是本发明实施例中泥石流流动后流速分布图。
图6是本发明实施例中硬件设备工作的示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法、设备及存储设备。本发明的实施以云南某泥石流为例，如图1所示，基于ArcGIS和HEC-HMS 软件对其水文流域信息进行处理，得到清水流量线，然后将研究区ASCII格式的高程数据文件、清水流量线以及泥石流特征值输入FLO-2D软件中进行模拟计算，最终得到泥石流影响范围、流速以及流深随时间变化关系图。
请参考图1，图1是本发明实施例中一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤一、ArcGIS中DEM数据文件转换为ASCII格式文件，如图2：
(1)将研究区DEM数据在ArcGIS中打开，点击ArcToolbox调出工具箱，在ArcToolbox中点击打开“conversion tools”工具，然后在conversiontools菜单中，选择由栅格转出选项，进一步在栅格转出功能中选择栅格转ASCII，最终完成 ASCII格式文件的转换。
步骤二、ArcGIS中水文信息处理如图3：
(1)在ArcGIS中，点击Preprocessing-Fill Sinks(需要安装插件HEC-GeoHMS) 完成流域填充。
(2)点击Preprocessing-Flow Direction生成流动方向。
(3)执行Preprocessing-FlowAccumulation命令生成汇流阈值。
(4)依次点击Preprocessing-Stream Definition，Preprocessing-StreamSegmentation以及Preprocessing-Catchment GridDelineation三个步骤，完成集水区网格划分。
(5)逐步进行Preprocessing-Catchment Polygon Processing, Preprocessing-Drainage Line Processing和Preprocessing-Adjoint Catchment Processing三个过程，完成对研究区流域信息初步的计算
(6)点击Project Setup-Start New Project，定义一个新的数据库，为后续进一步水文分析做准备。
(7)点击“Add Project Points”，选择流域流出点。
(8)选择Project Setup-Generate Project，得到拟分析泥石流流域范围
(9)依次点击Characteristics-River Length,Characteristics-River Slope,Characteristics-Longest Flowpath,Characteristics-Centroid Elevation,Characteristics-Centroidal Longest Flow-path，在新的数据库中完成水文信息的赋予。
(10)选择Parameters-River Auto Name和parameters-Basin Auto Name完成流域的命名。
(11)依次完成HMS-Map To HMS Units，HMS-HMS Schematic，HMS-Toggle Legend-HMS Legend以及HMS-Prepare Data For Model Export四个步骤，最终完成ArcGIS中水文信息的处理。
(12)点击HMS-Basin Model File,完成Basin Model格式文件的保存。
步骤三、HEC-HMS中流域信息处理：
(1)打开HEC-HMS软件，点击File-New，创建新文件，然后点击 Import-BasinModel将ArcGIS导出的Basin Model格式文件导入，实现流域模型的导入。
(2)点击Parameters-Loss-Initial And Constant完成各个流域损失模型的赋值
(3)执行Parameters-Transform-Snyder Unit Hydrograph命令完成各个流域转换条件下的赋值。
(4)点击Parameters-Baseflow-Recession完成各个流域衰减条件的赋值。
(5)点击Components-Meteorologic Model Manager完成天气模型的输入，并在天气模型中输入研究区相应的雨型和不同工况条件下的降雨量，完成天气模型参数的赋予。
(6)点击Components-Control Specifications Manager完成控制条件的输入，在控制条件文件中输入模型计算开始和结束时间。
(7)点击Compute-Simulation Runs-Run进行计算，得到各个流域点的清水流量线。
步骤四、泥石流特征值确定：
(1)查阅泥石流相关文献以及软件说明书中关于参数确定的部分，分析研究区泥石流特点，最终确定曼宁系数n、屈服应力、粘滞系数以及层流阻滞系数。
步骤五、FLO-2D软件模拟计算，如图4和图5所示：
(1)点击File-New Project-From Existing ASCII Grid File，将研究区ASCII格式的高程数据文件导入。
(2)点击Grid-Create Grid进行网格剖分。
(3)执行Grid-Setup Computational Area-Define Modeling Boundary WithPolygon操作，定义后续计算区域。
(4)点击Grid-Interpolate Elevation Points对研究区高程进行插值，插值后点击View-Grid Element Elevation Rendering查看高程插值是否已成功。
(5)点击File-Shapefile，然后执行Grid-Compute Manning Coefficients命令进行曼宁系数的赋值，接下来点击File-Save Flo-2D Files保存文件。
(6)选择File-Open Existing Flo-2D Project，导入已赋予曼宁系数的Flo-2D文件。
(7)执行Grid-Mud And Sediment Transport命令，在弹出对话框中输入对应参数(参数确定主要参考试验、相关文献以及统计数据这三个方面)，完成屈服应力、粘滞系数以及层流阻滞系数的赋予。
(8)点击File-Shapefile，导入ArcGIS中已处理好的泥石流入流点位置的Shapefile文件，右键点击入流点位置所在网格，然后点击In/Out Condition ForElement，在弹出对话框中输入处理后清水流量线数据，点击确定。
(9)点击File-Run Flo-2D，进行计算。
FLO-2D软件采用非牛顿流体模式与中心差分格式(central differencescheme)，通过求解流体运动控制方程式，求出平面上x轴与y轴水平流速u、流动深度h、堆积深度、堆积范围。FLO-2D计算泥石流x轴、y轴方向水平流速u、流动深度h、堆积深度、堆积范围必须遵循流体运动约束方程：
Figure BDA0003249251290000051
式1是流体连续方程，其中h为流动深度，t为运动时间，Ux代表x轴方向水平流速，Uy代表y轴方向水平流速，
Figure BDA0003249251290000061
代表水力坡降。
流体运动模式可概述为动力波模式、扩散波模式、运动波模式，式2与式3 为描述流体运动模式的动力波模式(dynamic wave model)：
Figure BDA0003249251290000062
Figure BDA0003249251290000063
式4与式5描述流体于x轴与y轴运动扩散波模式(diffusion wave model)：
Figure BDA0003249251290000064
Figure BDA0003249251290000065
式6与式7描述流体运动波模式(kinematic wave model)：
Sfx＝Sbx (6)
Sfy＝Sby (7)
Sfx代表流体x轴方向摩擦坡降(frictionslope)，Sbx代表x轴方向底床坡降(bedslope)。Sfy代表流体y轴方向摩擦坡降(friction slope)，Sby代表y轴方向底床坡降 (bedslope)，g为重力加速度。式2与式3为流体运动力平衡动量方程式，作用为描述流体运动的动力作用。式2与式3等号右边项依次为摩擦坡降、底床坡降、压力梯度、流体动力加速度及流体局部加速度。按照美国陆军工程兵学院(US ARMY Corps of Engineers)(1996)研究结论，对沟谷型泥石流在沟口堆积区运动过程采用动力波模式与扩散波模式进行模拟获得结果差异极微小，故采用动力波模式对研究区泥石流运动过程进行模拟。
(10)点击File-Run Mapper-Mapper Pro进行结果计算查询。
请参见图6，图6是本发明实施例的硬件设备工作示意图，所述硬件设备具体包括：一种基于FLO-2D泥石流数值模拟设备401、处理器402及存储设备403。
一种基于FLO-2D泥石流数值模拟设备401：所述一种基于FLO-2D泥石流数值模拟设备401实现所述一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
处理器402：所述处理器402加载并执行所述存储设备403中的指令及数据用于实现所述一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
存储设备403：所述存储设备403存储指令及数据；所述存储设备403用于实现所述一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
本发明的有益效果是：通过基于ArcGIS、HEC-HMS软件对研究区水文流域信息进行处理，然后将研究区ASCII格式高程数据、清水流量线以及泥石流特征值导入FLO-2D中完成泥石流运动过程的较为真实的模拟，对泥石流的发生进行预警，为后续泥石流的防治、风险评估及居民搬迁等工作提供数据支撑。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将研究区DEM数据导入ArcGIS，通过ArcGIS将DEM数据以ASCII格式文件进行保存；
S2：同时在ArcGIS中对研究区DEM数据进行水文处理，将处理后的文件以BasinModel格式进行保存；
S3：将保存的BasinModel格式文件导入HEC-HMS软件中，进行流域处理，得到泥石流清水流量线；
S4：确定研究区泥石流特征值；
S5：将ASCII格式文件、泥石流特征值和泥石流清水流量线导入FLO-2D中进行模拟计算，得到模拟的泥石流数值。
2.如权利要求1所述的一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：步骤S2，在ArcGIS中对研究区DEM数据进行水文处理的过程包括：对研究区DEM数据进行流域填充分析、流动方向生成、汇流阈值计算、流域网格划分、流域范围界定以及流域流出点圈定。
3.如权利要求1所述的一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：步骤S3中，HEC-HMS流域处理过程包括：流域模型导入、各个流域点损失模型赋值、各个流域点转换和衰减条件下的赋值、天气模型输入与赋值、控制条件的输入与赋值。
4.如权利要求1所述的一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：步骤S4中，所述泥石流特征值包括：曼宁系数、屈服应力、粘滞系数以及层流阻滞系数。
5.如权利要求1所述的一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：步骤S5中，模拟计算的过程包括：将ASCII格式文件中的高程数据导入、泥石流特征值输入以及泥石流清水流量线输入，进行泥石流数值随时间变化关系的计算。
6.如权利要求5所述的一种基于FLO-2D泥石流数值模拟方法，其特征在于：所述泥石流数值包括泥石流影响范围、流速和流深。
7.一种存储设备，其特征在于：所述存储设备存储指令及数据用于实现权利要求1～6任一项所述的基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
8.一种基于FLO-2D泥石流数值模拟设备，其特征在于：包括：处理器及存储设备；所述处理器加载并执行所述存储设备中的指令及数据用于实现权利要求1～6任一项所述的基于FLO-2D泥石流数值模拟方法。
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