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D-Flow 模式

D-Flow FM為D-Flow Flexible Mesh之簡稱,可用於對 1D-2D-3D 中進行流體動力學模擬,可針對河川下游河口、都市水文水理、河川水文水理、1D-2D整合、2D-3D整合等水文水理應用。而帶有Flexible Mesh非規則網格技術優勢,在模式建立過程中可不受網格形狀影響,更能反映在真實地表的建立,如圖1。

圖1 支援多種網格型態

圖1 支援多種網格型態

(1) 模式核心網格

D-Flow FM的核心計算網格,主要是採用NetCDF格式。模式可支援多種淹水模型的建置方式,除了傳統的純一維的河道演算及純二維的地表淹水演算外,同時支援一二維耦合的淹水計算方案。且在二維模式上所使用的淹水計算格,則是採用非規則網格的架構。有別於較為常見的規則網格以及QuadTree網格,可透過多種解析度的多邊形組合來勾勒出特定地區的二維計算範圍。

非規則網格可透過集水區邊界、縣市邊界、建物區塊線、道路線等不規則多邊形(Polygon)來描述模式的運算範圍,使用者可依據該地區之特色進行不同解析度的規劃,如:針對都市地區加強運算解析度,而在農地魚塭等地則採用較低解析度來提高運算效率。

D-Flow FM因應不規則網格制定了相對應的網格資料架構,透過建立”節點”、”邊線”、”面”之間的關聯性來描述二維淹水網格的樣態,如圖2、圖3所示。這種架構有別於常用的Shp、GeoJson等格式,採用NetCDF檔案格式進行儲存,在傳統GIS軟體可支援的向量與網格型態之檔案格式之中,並無法直接有效讀取,需要搭配新的mesh網格資料圖層方式匯入。而目前已經可以透QGIS的mesh layer方式匯入D-Flow FM模擬成果檔案。

(2) D-Flow FM使用演算法

A. 1D計算方面

D-Flow FM的演算法SOBEK2相同,基於Saint Venant方程式。

圖2 1D演算方法

圖2 1D演算方法

B. 2D計算方面

D-FlowFM使用2D 深度平均模型(2D depth-averaged mode),搭配depth-integrating the Navier-Stokes equations推導淺水波方程式Altaie和Dreyfus,2018) 。假設垂直動量交換可以忽略不計,垂直速度分量顯著小於水平速度分量,以及靜水壓力梯度與水深呈線性關係。

圖3 二維演算方法

圖3 二維演算方法

(3) D-Flow FM 1D2D 與SOBEK2主要差異

A. SOBEK2只能使與2D網重疊的簡單結構化網格進行1D2D計算

B. D-Flow FM 1D2D可以使用彈性格網方式進行1D2D計算,搭配固定堰,可指定高度的線,可放置在網格上方的固定堰(溢堤線)上。

C. 可搭配較低解析度的網格,使用固定堰(溢堤線)來提升局部區域高程變化(例如道路、小型提壩)可以提升運算效率時,保持準確性。

D. D-Flow FM 支援多種GIS圖資與功能,例如WMS服務、netcdf檔案格式、坐標投影系統轉。