Simulation软件营拓展阅读：什么是河道侵蚀及雨洪模拟软件Caesar？

2021-07-04 16:45 作者:Needle设计空间站 0人读过 | 我要投稿

暑期软件工作营

暑假快要来啦！Needle为同学们的暑假准备了丰富系统的软件课程，本次暑假软件工作营包含了基础课程和进阶课程。基础课程包括了景观学生必学的五大软件：PS+AI+GIS+Rhino+Grasshopper，进阶课程则涵盖了可做景观动态模拟的Simulation课程，可做景观参数化编程的Processing课程以及景观异形建模的Maya课程等。
如果你希望精进自己的软件制图能力及建模能力等，那么基础课程绝对适合你！如果你希望能够学些不一样的前沿技能以及深化研究方法，又或是已经工作但希望能提升自己的技能水平增加技能点，那么进阶课程也一定能够让你满意！
本次课程设置于七月和八月暑假期间，本次课程采取CCTALK的线上直播形式，课后提供课程视频回放及微信群内答疑，方便同学们自由灵活的学习与回顾。还不快下滑来看看我们的精彩课程设置！

基于Casear LisFlooding的雨洪

以及河道侵蚀和沉积的数字化模拟平台

Casear LisFlooding

本文主要介绍基于Casear Lisflooding的雨洪以及河道侵蚀和沉积的数字化模拟平台。河流是高频率变化自然场景之一。河流中包含了多个动态变化的自然过程，如洪水，沉积和侵蚀，生物多样性的演变等。在河流的场景里，数字化模型可以介入，将河流中的动态过程转化成为数学算法。地质科学家和计算机科学家合作开发过多种数字化模拟平台，旨在表示影响河流形态和动力变化的显著过程和特性，允许在建模环境中模拟和观察过去的动态过程。Caesar Lisflooding 属于这些平台之一。CAESAR是用Visual C#编写的，在Windowsnt、2000、XP、Vista、7和8-32和64位上作为Windows程序运行。它有很好的可操作性，由于搭建了完整的切闭合的平台和前端的操作界面，在使用过程中，不需要编程经验。

Caesar Lisflooding 综合了元胞自动机及计算流体动力学模型。它将 Lisflood-FP 二维水动力流模型与多粒径泥沙输移模型相结合，模拟多重流动路径及河流集水区的侵蚀和沉积，其能够在广泛的空间(1~1 000 km2)和时间(<1~1 000+ 年) 范围内运行。模拟中集成泥沙、流模型、水文、植被、坡度与迭代等模块的数值参数。模拟输入端以数字高程模型(digital elevation model, DEM)为基本载体，将栅格重采样为 10 m 以维持计算稳定性。研究采用河段模式，输入流域水量数据来进行多情景水量洪泛区模拟。

Fig.1 模拟河流系统的不同类型

（Source：赵天逸,成玉宁.基于CAESAR-Lisflood的弯曲型河流景观演化与洪泛区治理—以英国塞文河为例[J].风景园林,2021,28(02):76-82.）

Caesar Lisflooding 中的Dem处理

CAESAR可以接受DEM中的任何网格单元大小（尽管所有单元的大小必须相同），并已用于从1m到100m的DEM单元。但是，网格单元大小的选择很重要，因为在可以建模的区域、分辨率和运行模型所需的时间之间需要做出重大的折衷。CAESAR最多可以运行200万个网格单元，但可能最适合于25万到50万个网格单元的应用程序。很简单，网格单元的数量越小，模型运行的速度就越快。这一点尤其重要，因为线性增加分辨率会导致栅格单元数呈指数增长。此外，侵蚀极限参数-或每次迭代可侵蚀或沉积在单元上的量-可能取决于网格单元大小。单元高程的变化表示局部坡度的变化，1m单元的0.1m变化等于坡度的10%，而10m单元的0.1m变化等于1%。因此，增加正在建模的DEM的网格单元大小会导致计算时间的指数级增长，因为网格单元之间的变化会导致坡度变化不太严重。

此外，单元大小影响流模型的时间步长。这个时间步长由courant数、流动深度和网格单元大小控制。更小的网格单元将导致更小的时间步，因为流不能一次跨越多个单元（在距离上）。此外，较小的网格单元尺寸会导致单元之间高程的较大相对变化，为了保持流动模型的数值稳定性。

在这个Dem读取条件下，如需模拟特殊场地，则需要获取它的详细Dem数据或者编辑与地形相符的excel数据。这两种方式在大部风情况下都稍显复杂。因此，笔者试图开发了连接Rhino和Caesar的借口API，通过rhino中搭建地形，模型通过借口直接转化为Caesar能够读取的高程数据。同时，可以设置指定区域的土地粒径。简化了整体的工作流程。

Fig.2 Flow Based on Python API （Rhino to Caesar）

CASEAR可以在两种模式下运行；集水模式，除降雨外无外部通量或输入；以及具有一个或多个将水和沉积物输入到系统的点的到达模式。它可以同时在集水模式和到达模式下运行。

Catchment Mode：雨洪模拟

对于集水模式，CAESAR需要降雨数据，理想情况下应为每小时一次，但使用了不同的时间段（分钟到天）。理想情况下，研究集水区应具有降雨记录以及允许评估/校准模型水文成分的测量点或出口。因此，模型流量与给定洪水的现场观测流量相匹配。但是，如果这不可用，可以使用附近的降雨数据，并且可以使用水文模型参数化的示例设置范围。

Fig.3 Caesar 界面参数设置

CAESAR还需要集水区的光栅DEM（而不是TIN），编辑和校正DEM是准备CAESAR模拟的重要部分。该模型可以处理各种DEM分辨率，并已应用于1m-100m网格单元的DEM中。一些DEM可以以原始形式应用，但通常数据中包含的错误可能会导致模型出现重大问题，例如错误的单元高程序列可能会导致谷底障碍物。因此，建议首先对DEM进行处理，以清除任何水槽或凹坑，并确保排水管网直接下降至出口点。

CAESAR的设置使得DEM的水和沉积物出口点（测量沉积物和水输出的地方）必须位于地图的一个边缘。该模型不会路由水或允许水从“无数据”单元格（值为-9999的单元格）流出，因此必须从要流出的DEM边缘删除这些单元格。

Catchment Mode 常用于河道的雨洪模拟，来测试在急降雨或者河道洪水的情况下，河道周边的淹没范围。可指导河道泄洪设施或海绵体的设计，验证调节设计的多种参数包括尺寸，深度以及排洪连接方式等。

Fig.4 应用于实际项目的雨洪模拟

Reach Mode：沉积与侵蚀模拟

对于reach模型，CAESAR还需要相同格式的DEM文件。同样，值得花时间确保DEM中没有错误。有时，个别单元格或单元格组可能需要编辑或删除，为此，CAESAR网站上提供了一个名为RasterEdit（由Marco Van de Wiel创建）的有用程序。

Fig.5 Raster Edit

至于集水模式，水必须直接从DEM的任何边缘流出–它不会被路由到-9999或Nodata单元。在reach模式下，需要一个包含reach的水和沉积物输入的附加文件。这些数据存储在一个ascii文件中，时间步长在第一列，排水量在第二列，单独粒度分数的输入（时间步长以m3为单位）在第6到第14列。此文件与其中一个汇流输出文件的格式相同CAESAR还可以在集水区和河段模式下运行，因此对于也包含点源（例如主要支流）的集水区，模型可以同时采用降雨和点输入。

Casear还需要集水区粒度分布的信息。它目前可容纳9种不同粒级的泥沙，可同时处理推移质和悬移质。该模型使用一个可变的时间步长，由流域内发生的侵蚀和沉积量控制。设置一个参数，它表示在任何一个时间步长内可能发生的最大腐蚀或沉积量。如果超过此值，模型将时间步长减半，并重复侵蚀计算，直到低于此限制。这确保了数值稳定性，并允许模型在静止期（例如低流量）有较长的时间步长（最多1小时），但在洪水或侵蚀活动期间有较小的时间步长。

Reach Mode主要模拟河道的侵蚀和沉积的动态过程。通过场地内粒径的大小，来控制侵蚀速度的快慢。

Video 2 实际场地的沉积侵蚀模拟