一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，所述方法包括以下步驟：基于情景分析方法構(gòu)建風(fēng)暴潮災(zāi)害情景；提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法；構(gòu)建多模式多目標(biāo)的洪災(zāi)避難最優(yōu)路徑選擇模型；其中，所述提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法具體為：1)建立區(qū)域地形的三維網(wǎng)格模型；2)建立耦合VOF法的SST?k-ω洪水演進(jìn)三維紊流模型；3)基于三維數(shù)值模擬結(jié)果繪制三維風(fēng)險(xiǎn)圖。本發(fā)明增加了洪水動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)流動(dòng)和災(zāi)害時(shí)間分布的真實(shí)性及可視化效果；運(yùn)用多模式多目標(biāo)的應(yīng)急路徑疏散模型來進(jìn)一步提高應(yīng)急避難體系的完善性及合理性，有效制定災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，建立多模塊耦合的、完整度高的、可實(shí)施性強(qiáng)的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析體系。
【專利說明】一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及土木建筑與水利工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù) 測(cè)精度的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 風(fēng)暴潮災(zāi)害作為海洋災(zāi)害之首，已受到國家及政府的高度重視，對(duì)災(zāi)害的研究也 自然成為了重中之重。目前研究風(fēng)暴潮災(zāi)害的主要手段為數(shù)值模擬，風(fēng)暴潮數(shù)值模擬包括 災(zāi)害預(yù)報(bào)的數(shù)值模擬及災(zāi)害洪水淹沒的數(shù)值模擬。本發(fā)明旨在解決風(fēng)暴潮災(zāi)害發(fā)生后洪水 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬、災(zāi)害時(shí)空分布規(guī)律及應(yīng)急預(yù)案制定方面的問題，為風(fēng)暴潮的防災(zāi)減災(zāi)工程 提供有力的技術(shù)支持。
[0003] 在國外風(fēng)暴潮災(zāi)害研究中，Ken. Granger[1]對(duì)澳大利亞Cairns市的風(fēng)暴潮災(zāi)害 風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量化研究，根據(jù)不同的風(fēng)暴潮潮高、數(shù)字高程（DEM)模型和洪水淹沒深度設(shè) 計(jì)不同的風(fēng)暴潮暴露場(chǎng)景，并對(duì)建筑物和城市基礎(chǔ)設(shè)施的暴露性進(jìn)行了評(píng)估，建立了城市 社區(qū)脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和綜合評(píng)價(jià)指數(shù)；J. BenaVente[2]對(duì)西班牙加第斯灣沿岸地區(qū)沿 海地區(qū)風(fēng)暴潮洪水危險(xiǎn)性進(jìn)行研究，并計(jì)算風(fēng)暴潮潮高、建立DEM模型和二維風(fēng)暴潮洪水 演進(jìn)模型，繪制了風(fēng)暴潮洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；Rafael Cafiizarcsm采用Delft3D-Flow軟件，運(yùn)用 二維水動(dòng)力模型研究風(fēng)暴潮災(zāi)害下美國紐約長島沿海岸有障礙物區(qū)域的洪水淹沒情形； Rosemary A.E. Smith[4]基于二維水力學(xué)模型，結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)，模擬英國西南區(qū)域沿海岸臺(tái) 風(fēng)風(fēng)暴潮洪水淹沒影響，計(jì)算洪水淹沒面積，分析災(zāi)害情形；八11(±^ /8.?〇1'1：111^1:〇[5]基于 二維淺水模型，建立風(fēng)暴潮災(zāi)害洪水淹沒模型，計(jì)算葡萄牙某區(qū)域不同重現(xiàn)期風(fēng)暴潮洪水 淹沒水深、面積等水力參數(shù)，進(jìn)一步繪制洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)圖；
[0004] 在國內(nèi)風(fēng)暴潮災(zāi)害研究中，張文婷等[6]基于GIS技術(shù)，采用種子蔓延法建立二維 洪水淹沒演進(jìn)模型，獲取二維風(fēng)暴潮洪水潰堤淹沒參數(shù)，從而進(jìn)一步計(jì)算洪水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，繪 制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖；朱軍政等 m通過建立二維水動(dòng)力模型，實(shí)現(xiàn)在海堤存在情況下，風(fēng)暴潮發(fā) 生潮水溢流時(shí)的淹沒情況；葉明武[8]從臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)出發(fā)，采用二維水動(dòng)力模 型對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害潰堤情景進(jìn)行數(shù)值模擬，以疏散時(shí)間最短為目標(biāo)建立人員疏散應(yīng)急疏散體 系；周亞飛 [9]在進(jìn)行臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃的基礎(chǔ)上，利用ADCirc模式計(jì)算風(fēng)暴潮洪水 淹沒范圍及水深，通過元胞傳輸模型計(jì)算車輛疏散最優(yōu)路徑；傅賜福 [1°]針對(duì)濱海新區(qū)風(fēng)暴 潮，選取4個(gè)強(qiáng)度天氣系統(tǒng)，采用ADCirc模式建立二維風(fēng)暴潮漫灘模型，結(jié)合風(fēng)暴潮淹沒風(fēng) 險(xiǎn)與承災(zāi)體脆弱性繪制災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)圖。
[0005] 從國內(nèi)外開展的一系列研究和應(yīng)用來看，對(duì)風(fēng)暴潮災(zāi)害的研究多為基于簡單假定 的溢流或漫灘或潰堤等的單一方面、單一情景的研究，沒有形成具有一定邏輯分析的包含 漫灘、溢流、潰堤、越浪等多種現(xiàn)象的風(fēng)暴潮災(zāi)害復(fù)合情景分析體系，對(duì)災(zāi)害情景的研究不 全面，綜合反映能力較差；對(duì)于單一情景的數(shù)值模擬還僅局限于二維甚至是一維的水動(dòng)力 模型，與實(shí)際風(fēng)暴潮洪水的三維流動(dòng)有一定差距；對(duì)風(fēng)暴潮洪水的應(yīng)急避難研究往往為人 員疏散或車輛疏散的單一疏散模式單一優(yōu)化目標(biāo)的求解計(jì)算，應(yīng)急方案有效性及適用性有 待提商。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提供了一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，本發(fā)明采用情景分析、 洪水三維演進(jìn)及應(yīng)急避難模型三者耦合的技術(shù)，建立多模塊耦合的、完整度高的、可實(shí)施性 強(qiáng)的風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析體系，詳見下文描述：
[0007] -種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，所述方法包括以下步驟：
[0008] 基于情景分析方法構(gòu)建風(fēng)暴潮災(zāi)害情景；提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法；
[0009] 構(gòu)建多模式多目標(biāo)的洪災(zāi)避難最優(yōu)路徑選擇模型；其中，
[0010] 所述提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法具體為：
[0011] 1)建立區(qū)域地形的三維網(wǎng)格模型；
[0012] 2)建立耦合V0F法的SST k-ω洪水演進(jìn)三維紊流模型；
[0013] 3)基于三維數(shù)值模擬結(jié)果繪制三維風(fēng)險(xiǎn)圖。
[0014] 所述三維SST k-ω紊流封閉數(shù)學(xué)模型具體為：
[0015] 連續(xù)方程：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟： 基于情景分析方法構(gòu)建風(fēng)暴潮災(zāi)害情景；提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法； 構(gòu)建多模式多目標(biāo)的洪災(zāi)避難最優(yōu)路徑選擇模型；其中， 所述提出風(fēng)暴潮災(zāi)害三維數(shù)值模擬方法具體為： 1) 建立區(qū)域地形的三維網(wǎng)格模型； 2) 建立耦合VOF法的SST k-ω洪水演進(jìn)三維紊流模型； 3) 基于三維數(shù)值模擬結(jié)果繪制三維風(fēng)險(xiǎn)圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，其特征在于，所 述洪水演進(jìn)三維紊流模型具體為： 連續(xù)方程：
動(dòng)量方程：
SST k-ω紊流方程： Φ, = Ρ,Φ, + d-F,) Φ9
式中Ρ為密度；t為時(shí)間；ΧρΧ』為坐標(biāo)分量；u^Uj為ΧρΧ』方向上的速度分量；Ρ為壓 力；μ為分子動(dòng)力粘性系數(shù)；μ t為紊流粘性系數(shù)；Φρ φ2、φ3分別表示k-ω、k_ ε和SST 模型，F(xiàn)i為混合函數(shù)；vt為渦粘系數(shù)，Ω為渦量，F(xiàn)2為混合函數(shù)，k為湍動(dòng)能，ω為比耗散 率；ν為運(yùn)動(dòng)粘度；為交叉擴(kuò)散項(xiàng)的正數(shù)項(xiàng)；σ ω2、a i為湍流模型常數(shù)，y為距壁面距 離。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度的方法，其特征在于，所 述三維紊流模型邊界條件具體為： 1)進(jìn)口邊界條件：進(jìn)口處相對(duì)大氣壓強(qiáng)為〇 ; 2) 出口邊界條件：各速度分量及k和ω均取為第二類邊界條件，g卩
φ取 u, V，w, k, ω，U、v、w分別為X、y、z方向上的速度分量出口相對(duì)大氣壓為零的恒壓邊界； 3) 固壁邊界條件：在壁面采用無滑移、等溫壁、法向壓力為零的條件，湍流模型近壁 面計(jì)算條件中湍動(dòng)能k方程的壁面邊界條件為零，ω方程的壁面邊界條件為ω =60 v/ [β^Λγ^2]，其中，ν為運(yùn)動(dòng)粘度，^為湍流系數(shù)，Ayi為壁面上第一層網(wǎng)格點(diǎn)到壁面的 距離。 4) 下墊面邊界：下墊面邊界采用等效糙率法進(jìn)行處理，糙率為表征邊界表面對(duì)水流阻 力影響的各種因素的綜合系數(shù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104156525SQ201410380762
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月5日
【發(fā)明者】王曉玲, 孫小沛, 程正飛, 敖雪菲, 宋明瑞 申請(qǐng)人:天津大學(xué)