CN115935856B - 一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法 - Google Patents

一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，包括以下步骤：S1、根据数字高程模型和土地利用数据，构建水动力模型；S2、根据水动力模型识别建筑物对象，构建并存储建筑物对象的相关属性；S3、根据建筑物对象的相关属性分析建筑物受力情况，划分风险等级，并判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则，维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；S4、修改曼宁系数，使建筑物倒塌，并使洪水能够通过建筑物，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟。本发明可以模拟建筑物对洪水的阻碍作用，能够实现模拟溃坝洪水与建筑物之间的耦合作用，更加准确的模拟溃坝洪水演进过程，简化计算，提高判断准确性。

Description

一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法
技术领域
本发明涉及溃坝洪水演进过程模拟领域，具体包括一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法。
背景技术
水库具有高水头、大水量的特点，其在地震、极端洪水条件下发生溃决后，通常会导致极端洪水，对下游产生严重破坏。尤其是在城市地区，由于溃坝洪水水头高、流速快的特点，对城市下垫面会产生破坏作用，针对建筑物的破坏不仅会造成严重的经济损失，还会对居民安全造成威胁。在建筑物破坏后，洪水的演进路径会发生变化，原本阻碍洪水通过的区域会变成畅通的行洪通道，对洪水演进过程尤其是演进速度产生影响。在大规模建成区，这一影响更为显著，会使部分地区洪水到达时间提前、洪水破坏更为严重。因此，研究溃坝洪水对建筑物的破坏与改造作用对城市建设与安全有重要意义。通常，在洪水模拟中，采用固定的曼宁系数对下垫面的粗糙程度进行刻画，对于建筑物区域，可以采用增加高程值、扣除建筑物区域或增大曼宁系数的方法，以保证水流无法通过。但对溃坝洪水的破坏作用无法刻画，这会导致在部分地区低估溃坝洪水的影响，使洪水到达时间较实际洪水过程延后。本发明提出了考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，在模拟过程中，动态修改浅水方程中的摩阻项，不仅可以模拟建筑物对洪水的阻碍作用，还可以模拟溃坝洪水与建筑物之间的耦合作用，更加准确的模拟溃坝洪水演进过程。对城市建筑物风险评估，溃坝洪水应急策略，防灾减灾等具有积极作用。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法解决了现有技术无法刻画溃坝洪水的破坏作用，溃坝洪水演进过程模拟不准确的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，包括以下步骤：
S1、根据数字高程模型和土地利用数据，构建水动力模型；
S2、根据水动力模型识别建筑物对象，构建并存储建筑物对象的相关属性；
S3、根据建筑物对象的相关属性分析建筑物受力情况，划分风险等级，并判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则，维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；
S4、修改曼宁系数，使建筑物倒塌，并使洪水能够通过建筑物，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟。
进一步地，步骤S1的具体实现方式如下：
S1-1、获取数字高程模型和土地利用数据；
S1-2、根据公式：
Figure BDA0004048386110000021
Figure BDA0004048386110000022
Figure BDA0004048386110000023
得到浅水方程；其中，h为水深，t为时间，u、v分别为x、y方向的流速，Sce为流体源或汇项，Z为自由表面高程，ve为有效粘度系数，g为重力加速度，Fx为x方向的摩阻项；Fy为y方向的摩阻项；
S1-3、根据浅水方程构建水动力模型，将建筑物区域曼宁系数设定为特征值。
进一步地，步骤S2的具体实现方式如下：
S2-1、根据水动力模型搜索曼宁系数为特征值的节点，并将搜索得到的节点作为建筑物单元；
S2-2、将相邻的建筑物单元归类于同一建筑物对象；
S2-3、构建并存储建筑物对象包含的单元、建筑物边界长度、方向、建筑物内外侧信息。
进一步地，步骤S3的具体实现方式如下：
S3-1、将建筑物作为刚体；
S3-2、分析每个建筑物的边界单元的水流方向和建筑物边界方向的关系，判断水流在x，y方向上是否对建筑物产生冲击；若是，进入步骤S3-3；否则，判定建筑物未达到倒塌等级，进入步骤S3-6；
S3-3、对产生冲击的建筑物的边界单元建立动量方程，分别分析x、y两个方向的受力情况；
S3-4、计算建筑物所受合理大小，划分风险等级；
S3-5、判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则进入步骤S3-6；
S3-6、维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟。
进一步地，步骤S3-3的具体实现方式如下：
S3-3-1、对建筑物划分三个断面A，B，C；
S3-3-2、根据公式：
Figure BDA0004048386110000031
得到建筑物三个断面水平方向的恒定总流动量方程；其中，ρ为流体密度，u1、u2、u3分别为A、B、C三个断面对应位置的标量流速；
Figure BDA0004048386110000032
分别为A、B、C三个断面对应位置的矢量流速，/>
Figure BDA0004048386110000041
为水体受到的矢量力；dA’为积分区域面积元素；
S3-3-3、根据公式：
Figure BDA0004048386110000042
得到简化后的恒定总流动量方程；其中，α，0.6<α<1.0为洪水绕流损失系数；u′为标量流速；
Figure BDA0004048386110000043
为矢量流速；
S3-3-4、根据公式：
Figure BDA0004048386110000044
Figure BDA0004048386110000045
得到
Figure BDA0004048386110000046
在x方向上的建筑物受到的分力F′x和/>
Figure BDA0004048386110000047
在y方向上的建筑物受到的分力F′y；其中，lx和ly分别表示建筑物的边界单元在x方向和y方向上的投影长度，ux和uy分别表示x方向和y方向上的流速；i为边界单元的编号，i＝1,2,3…，n，n为该建筑物边界单元个数。
进一步地，步骤S3-4的具体实现方式如下：
S3-4-1、根据公式：
Figure BDA0004048386110000048
得到建筑物受到的合力F合；
S3-4-2、根据建筑物受到的合力和建筑物倒塌阈值β计算风险等级；当
Figure BDA0004048386110000049
时，为中低风险，建筑物未达到倒塌等级；当/>
Figure BDA00040483861100000410
时，为高风险，建筑物达到倒塌等级；其中，A1为建筑物面积；将建筑物划分为商业楼、办公楼、居民楼、基础设施，并对不同的建筑物类型设置不同的倒塌阈值。
进一步地，步骤S4中在建筑物倒塌后，使洪水能够通过建筑物的具体实现方式如下：
修改曼宁系数，使曼宁系数与裸地相同，得到浅水方程中对应的Fx与Fy的值，根据Fx与Fy计算得到水流的u、v值，此时洪水便可以通过建筑物区域。
本发明的有益效果为：本发明可以在建筑物达到倒塌等级或其他单元达到破坏等级后，动态修改曼宁系数，改变浅水方程中的摩阻项，控制水流在建筑物区域的流动，能够更加详尽的反应溃坝洪水与建筑物之间的耦合作用；提高溃坝洪水的计算精度，并且能够对城市的建筑物进行风险评估，占用较少内存存储大量边界信息，能够直接用于建筑物受力计算；设定不同类型建筑物的倒塌阈值进行建筑物倒塌判断，使判断简单迅速，并更加准确。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为建筑物边界信息存储方式示意图；
图3为未考虑建筑物破坏情况下洪水到达时间分布图；
图4为本方法考虑建筑物破坏情况下洪水到达时间分布图；
图5为建筑物受力情况图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，包括以下步骤：
S1、根据数字高程模型和土地利用数据，构建水动力模型；
S2、根据水动力模型识别建筑物对象，构建并存储建筑物对象的相关属性；
S3、根据建筑物对象的相关属性分析建筑物受力情况，划分风险等级，并判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则，维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；
S4、修改曼宁系数，使建筑物倒塌，并使洪水能够通过建筑物，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟。
步骤S1的具体实现方式如下：
S1-1、获取数字高程模型和土地利用数据；
S1-2、根据公式：
Figure BDA0004048386110000061
Figure BDA0004048386110000062
Figure BDA0004048386110000063
得到浅水方程；其中，h为水深，t为时间，u、v分别为x、y方向的流速，Sce为流体源或汇项，Z为自由表面高程，ve为有效粘度系数，g为重力加速度，Fx为x方向的摩阻项；Fy为y方向的摩阻项；
S1-3、根据浅水方程构建水动力模型，将建筑物区域曼宁系数设定为特征值。
步骤S2的具体实现方式如下：
S2-1、根据水动力模型搜索曼宁系数为特征值的节点，并将搜索得到的节点作为建筑物单元；
S2-2、将相邻的建筑物单元归类于同一建筑物对象；
S2-3、构建并存储建筑物对象包含的单元、建筑物边界长度、方向、建筑物内外侧信息。
步骤S3的具体实现方式如下：
S3-1、将建筑物作为刚体；
S3-2、分析每个建筑物的边界单元的水流方向和建筑物边界方向的关系，判断水流在x，y方向上是否对建筑物产生冲击；若是，进入步骤S3-3；否则，判定建筑物未达到倒塌等级，进入步骤S3-6；
S3-3、对产生冲击的建筑物的边界单元建立动量方程，分别分析x、y两个方向的受力情况；
S3-4、计算建筑物所受合理大小，划分风险等级；
S3-5、判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则进入步骤S3-6；
S3-6、维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟。
步骤S3-3的具体实现方式如下：
S3-3-1、对建筑物划分三个断面A，B，C；
S3-3-2、根据公式：
Figure BDA0004048386110000071
得到建筑物三个断面水平方向的恒定总流动量方程；其中，ρ为流体密度，u1、u2、u3分别为A、B、C三个断面对应位置的标量流速；
Figure BDA0004048386110000072
分别为A、B、C三个断面对应位置的矢量流速，/>
Figure BDA0004048386110000073
为水体受到的矢量力；dA’为积分区域面积元素；
S3-3-3、根据公式：
Figure BDA0004048386110000074
得到简化后的恒定总流动量方程；其中，α，0.6<α<1.0为洪水绕流损失系数；u′为标量流速；
Figure BDA0004048386110000081
为矢量流速；
S3-3-4、根据公式：
Figure BDA0004048386110000082
Figure BDA0004048386110000083
得到
Figure BDA0004048386110000084
在x方向上的建筑物受到的分力F′x和/>
Figure BDA0004048386110000085
在y方向上的建筑物受到的分力F′y；其中，lx和ly分别表示建筑物的边界单元在x方向和y方向上的投影长度，ux和uy分别表示x方向和y方向上的流速；i为边界单元的编号，i＝1,2,3…，n，n为该建筑物边界单元个数。
步骤S3-4的具体实现方式如下：
S3-4-1、根据公式：
Figure BDA0004048386110000086
得到建筑物受到的合力F合；
S3-4-2、根据建筑物受到的合力和建筑物倒塌阈值β计算风险等级；当
Figure BDA0004048386110000087
时，为中低风险，建筑物未达到倒塌等级；当/>
Figure BDA0004048386110000088
时，为高风险，建筑物达到倒塌等级；其中，A1为建筑物面积；将建筑物划分为商业楼、办公楼、居民楼、基础设施，并对不同的建筑物类型设置不同的倒塌阈值。
步骤S4中在建筑物倒塌后，使洪水能够通过建筑物的具体实现方式如下：
修改曼宁系数，使曼宁系数与裸地相同，得到浅水方程中对应的Fx与Fy的值，根据Fx与Fy计算得到水流的u、v值，此时洪水便可以通过建筑物区域。
如图2所示，每个最小单元的边界信息采用带有正负号的两个浮点型变量进行存储，边界存储方式为：两个浮点型变量的绝对值分别表示该边界在x轴、y轴上的投影长度；两个浮点型变量的正负号表示洪水在该边界的哪一侧。第一个变量为正，表示洪水在边界的右侧，为负则在左侧；第二个变量为正，表示洪水在边界的上侧，为负则在下侧。
如图3和图4所示，在考虑建筑物破坏后，洪水提前10分钟左右到达，并且淹没面积略微增加。这对溃坝洪水应急，防灾减灾策略等具有积极影响；考虑建筑物破坏的溃坝洪水演进模拟方法能够更加准确模拟溃坝洪水演进过程，能更加准确的划定受影响区域。
如图5所示，将建筑物的受力面分成三个断面，分别记为A，B，C。
在本发明的一个实施例中，在城市A进行溃坝洪水演进的变曼宁系数模拟，模拟前需获取该市的DEM和土地利用数据，依据该市的建筑物密度、地形平均坡度、建筑物类型等选取洪水绕流损失系数α＝0.7和不同类型建筑物的倒塌阈值的破坏阈值β1，β2。
在获取A市的DEM数据和土地利用数据后，对该地区建立水动力模型，在为网格赋值过程中，建筑物区域的单元曼宁系数被赋值为9999，以避免洪水从建筑物区域通过，同时便于对建筑物的识别。在计算开始前，首先自动识别建筑物对象，并赋予建筑物对象边界属性和所包含单元属性。
在模拟过程中，设置洪水绕流损失系数α＝0.7，对建筑物受力进行计算
Figure BDA0004048386110000091
Figure BDA0004048386110000092
并通过下式判断建筑物的风险等级：
中低风险：
Figure BDA0004048386110000093
高风险：/>
Figure BDA0004048386110000094
在建筑物处于高风险时，更改该建筑物对象所有单元的曼宁系数，以修改潜水方程中的摩阻项，达到洪水可以通过建筑物区域的目的。其他区域达到破坏条件时，同样修改曼宁系数，达到模拟洪水对下垫面的破坏作用。在模拟持续运行过程中，不断计算判断建筑物的风险等级，并通过判断结果动态修改曼宁系数，达到模拟溃坝洪水与建筑物之间耦合作用的目的。即可完成溃坝洪水演进的变曼宁系数模拟方法。
本发明可以模拟建筑物对洪水的阻碍作用，能够实现模拟溃坝洪水与建筑物之间的耦合作用，更加准确的模拟溃坝洪水演进过程，并有助于城市建筑物风险评估，溃坝洪水应急策略，防灾减灾；简化计算，提高判断准确性。

Claims (2)

1.一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据数字高程模型和土地利用数据，构建水动力模型；
S2、根据水动力模型识别建筑物对象，构建并存储建筑物对象的相关属性；具体包括：
S2-1、根据水动力模型搜索曼宁系数为特征值的节点，并将搜索得到的节点作为建筑物单元；
S2-2、将相邻的建筑物单元归类于同一建筑物对象；
S2-3、构建并存储建筑物对象包含的单元、建筑物边界长度、方向、建筑物内外侧信息；
S3、根据建筑物对象的相关属性分析建筑物受力情况，划分风险等级，并判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则，维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；具体包括：
S3-1、将建筑物作为刚体；
S3-2、分析每个建筑物的边界单元的水流方向和建筑物边界方向的关系，判断水流在x，y方向上是否对建筑物产生冲击；若是，进入步骤S3-3；否则，判定建筑物未达到倒塌等级，进入步骤S3-6；
S3-3、对产生冲击的建筑物的边界单元建立动量方程，分别分析x、y两个方向的受力情况；具体包括：
S3-3-1、对建筑物划分三个断面A，B，C；
S3-3-2、根据公式：
Figure FDA0004272009610000011
得到建筑物三个断面水平方向的恒定总流动量方程；其中，ρ为流体密度，u1、u2、u3分别为A、B、C三个断面对应位置的标量流速；
Figure FDA0004272009610000021
分别为A、B、C三个断面对应位置的矢量流速，/>
Figure FDA0004272009610000022
为水体受到的矢量力；dA’为积分区域面积元素；
S3-3-3、根据公式：
Figure FDA0004272009610000023
得到简化后的恒定总流动量方程；其中，α，0.6<α<1.0为洪水绕流损失系数；u′为标量流速；
Figure FDA0004272009610000024
为矢量流速；
S3-3-4、根据公式：
Figure FDA0004272009610000025
Figure FDA0004272009610000026
得到
Figure FDA0004272009610000027
在x方向上的建筑物受到的分力F′x和/>
Figure FDA0004272009610000028
在y方向上的建筑物受到的分力F′y；其中，lx和ly分别表示建筑物的边界单元在x方向和y方向上的投影长度，ux和uy分别表示x方向和y方向上的流速；i为边界单元的编号，i＝1,2,3…，n，n为该建筑物边界单元个数；
S3-4、计算建筑物所受合理大小，划分风险等级；具体包括：
S3-4-1、根据公式：
Figure FDA0004272009610000029
得到建筑物受到的合力F合；
S3-4-2、根据建筑物受到的合力和建筑物倒塌阈值β计算风险等级；当
Figure FDA00042720096100000210
时，为中低风险，建筑物未达到倒塌等级；当/>
Figure FDA00042720096100000211
时，为高风险，建筑物达到倒塌等级；其中，A1为建筑物面积；
S3-5、判断建筑物是否达到倒塌等级，若是，进入步骤S4；否则进入步骤S3-6；
S3-6、维持当前曼宁系数，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；
S4、修改曼宁系数，使建筑物倒塌，并使洪水能够通过建筑物，实现溃坝洪水与建筑物之间的耦合模拟；具体包括：
修改曼宁系数，使曼宁系数与裸地相同，得到浅水方程中对应的Fx与Fy的值，根据Fx与Fy计算得到水流的u、v值，使洪水通过建筑物区域。
2.根据权利要求1所述的一种考虑建筑物破坏的溃坝洪水模拟方法，其特征在于，步骤S1的具体实现方式如下：
S1-1、获取数字高程模型和土地利用数据；
S1-2、根据公式：
Figure FDA0004272009610000031
Figure FDA0004272009610000032
Figure FDA0004272009610000033
得到浅水方程；其中，h为水深，t为时间，u、v分别为x、y方向的流速，Sce为流体源或汇项，Z为自由表面高程，ve为有效粘度系数，g为重力加速度，Fx为x方向的摩阻项；Fy为y方向的摩阻项；
S1-3、根据浅水方程构建水动力模型，将建筑物区域曼宁系数设定为特征值。
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