一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法
2023-05-23 12:19:01
一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法
【專利摘要】本發明公開了一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，所述方法包括以下步驟：基於情景分析方法構建風暴潮災害情景；提出風暴潮災害三維數值模擬方法；構建多模式多目標的洪災避難最優路徑選擇模型；其中，所述提出風暴潮災害三維數值模擬方法具體為：1)建立區域地形的三維網格模型；2)建立耦合VOF法的SST?k-ω洪水演進三維紊流模型；3)基於三維數值模擬結果繪製三維風險圖。本發明增加了洪水動態實時流動和災害時間分布的真實性及可視化效果；運用多模式多目標的應急路徑疏散模型來進一步提高應急避難體系的完善性及合理性，有效制定災害應急預案，建立多模塊耦合的、完整度高的、可實施性強的風暴潮災害風險分析體系。
【專利說明】一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及土木建築與水利工程【技術領域】，尤其涉及一種提高風暴潮災害風險預 測精度的方法。
【背景技術】
[0002] 風暴潮災害作為海洋災害之首，已受到國家及政府的高度重視，對災害的研究也 自然成為了重中之重。目前研究風暴潮災害的主要手段為數值模擬，風暴潮數值模擬包括 災害預報的數值模擬及災害洪水淹沒的數值模擬。本發明旨在解決風暴潮災害發生後洪水 實時動態模擬、災害時空分布規律及應急預案制定方面的問題，為風暴潮的防災減災工程 提供有力的技術支持。
[0003] 在國外風暴潮災害研究中，Ken. Granger[1]對澳大利亞Cairns市的風暴潮災害 風險進行了定量化研究，根據不同的風暴潮潮高、數字高程（DEM)模型和洪水淹沒深度設 計不同的風暴潮暴露場景，並對建築物和城市基礎設施的暴露性進行了評估，建立了城市 社區脆弱性評價指標體系和綜合評價指數；J. BenaVente[2]對西班牙加第斯灣沿岸地區沿 海地區風暴潮洪水危險性進行研究，並計算風暴潮潮高、建立DEM模型和二維風暴潮洪水 演進模型，繪製了風暴潮洪水風險圖；Rafael Cafiizarcsm採用Delft3D-Flow軟體，運用 二維水動力模型研究風暴潮災害下美國紐約長島沿海岸有障礙物區域的洪水淹沒情形； Rosemary A.E. Smith[4]基於二維水力學模型，結合雷達數據，模擬英國西南區域沿海岸臺 風風暴潮洪水淹沒影響，計算洪水淹沒面積，分析災害情形；八11(±^ /8.?〇1'1：111^1:〇[5]基於 二維淺水模型，建立風暴潮災害洪水淹沒模型，計算葡萄牙某區域不同重現期風暴潮洪水 淹沒水深、面積等水力參數，進一步繪製洪水淹沒風險圖；
[0004] 在國內風暴潮災害研究中，張文婷等[6]基於GIS技術，採用種子蔓延法建立二維 洪水淹沒演進模型，獲取二維風暴潮洪水潰堤淹沒參數，從而進一步計算洪水風險等級，繪 制洪水風險圖；朱軍政等 m通過建立二維水動力模型，實現在海堤存在情況下，風暴潮發 生潮水溢流時的淹沒情況；葉明武[8]從颱風風暴潮災害風險系統出發，採用二維水動力模 型對風暴潮災害潰堤情景進行數值模擬，以疏散時間最短為目標建立人員疏散應急疏散體 系；周亞飛 [9]在進行颱風風暴潮風險等級區劃的基礎上，利用ADCirc模式計算風暴潮洪水 淹沒範圍及水深，通過元胞傳輸模型計算車輛疏散最優路徑；傅賜福 [1°]針對濱海新區風暴 潮，選取4個強度天氣系統，採用ADCirc模式建立二維風暴潮漫灘模型，結合風暴潮淹沒風 險與承災體脆弱性繪製災害風險圖。
[0005] 從國內外開展的一系列研究和應用來看，對風暴潮災害的研究多為基於簡單假定 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、越浪等多種現象的風暴潮災害複合情景分析體系，對災害情景的研究不 全面，綜合反映能力較差；對於單一情景的數值模擬還僅局限於二維甚至是一維的水動力 模型，與實際風暴潮洪水的三維流動有一定差距；對風暴潮洪水的應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化目標的求解計算，應急方案有效性及適用性有 待提商。
【發明內容】
[0006] 本發明提供了一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，本發明採用情景分析、 洪水三維演進及應急避難模型三者耦合的技術，建立多模塊耦合的、完整度高的、可實施性 強的風暴潮災害風險分析體系，詳見下文描述：
[0007] -種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，所述方法包括以下步驟：
[0008] 基於情景分析方法構建風暴潮災害情景；提出風暴潮災害三維數值模擬方法；
[0009] 構建多模式多目標的洪災避難最優路徑選擇模型；其中，
[0010] 所述提出風暴潮災害三維數值模擬方法具體為：
[0011] 1)建立區域地形的三維網格模型；
[0012] 2)建立耦合V0F法的SST k-ω洪水演進三維紊流模型；
[0013] 3)基於三維數值模擬結果繪製三維風險圖。
[0014] 所述三維SST k-ω紊流封閉數學模型具體為：
[0015] 連續方程：
[0016]
【權利要求】
1. 一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟： 基於情景分析方法構建風暴潮災害情景；提出風暴潮災害三維數值模擬方法； 構建多模式多目標的洪災避難最優路徑選擇模型；其中， 所述提出風暴潮災害三維數值模擬方法具體為： 1) 建立區域地形的三維網格模型； 2) 建立耦合VOF法的SST k-ω洪水演進三維紊流模型； 3) 基於三維數值模擬結果繪製三維風險圖。
2. 根據權利要求1所述的一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，其特徵在於，所 述洪水演進三維紊流模型具體為： 連續方程：
動量方程：
SST k-ω紊流方程： Φ, = Ρ,Φ, + d-F,) Φ9
式中Ρ為密度；t為時間；ΧρΧ』為坐標分量；u^Uj為ΧρΧ』方向上的速度分量；Ρ為壓 力；μ為分子動力粘性係數；μ t為紊流粘性係數；Φρ φ2、φ3分別表示k-ω、k_ ε和SST 模型，Fi為混合函數；vt為渦粘係數，Ω為渦量，F2為混合函數，k為湍動能，ω為比耗散 率；ν為運動粘度；為交叉擴散項的正數項；σ ω2、a i為湍流模型常數，y為距壁面距 離。
3. 根據權利要求1所述的一種提高風暴潮災害風險預測精度的方法，其特徵在於，所 述三維紊流模型邊界條件具體為： 1)進口邊界條件：進口處相對大氣壓強為〇 ; 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大氣壓為零的恆壓邊界； 3) 固壁邊界條件：在壁面採用無滑移、等溫壁、法向壓力為零的條件，湍流模型近壁 面計算條件中湍動能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為運動粘度，^為湍流係數，Ayi為壁面上第一層網格點到壁面的 距離。 4) 下墊面邊界：下墊面邊界採用等效糙率法進行處理，糙率為表徵邊界表面對水流阻 力影響的各種因素的綜合係數。
【文檔編號】G06F17/50GK104156525SQ201410380762
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月5日 優先權日:2014年8月5日
【發明者】王曉玲, 孫小沛, 程正飛, 敖雪菲, 宋明瑞 申請人:天津大學