ANUGA Hydro - ANUGA Hydro

ANUGA Hydro
ANUGA title.jpg
Средство просмотра ANUGA, показывающее моделирование наводнения
Средство просмотра ANUGA, показывающее моделирование наводнения
Разработчики)Геонауки Австралия и Австралийский национальный университет
изначальный выпускДекабрь 2006 г.; 14 лет назад (2006-12)
Стабильный выпуск
2.1[1] / 3 августа 2020; 4 месяца назад (3 августа 2020 г.)
Репозиторий
Отредактируйте это в Викиданных
Написано вPython, C
Операционная системаLinux, Майкрософт Виндоус
Доступно ванглийский
ЛицензияGNU GPLv2 +[2]
Интернет сайтgithub.com/ ГеонаукиАвстралия/ anuga_основной

ANUGA Hydro[3] это бесплатный и открытый исходный код программный инструмент для гидродинамического моделирования, подходящий для прогнозирования последствий гидрологических бедствий, таких как речные наводнения, штормовые нагоны и цунами. Например, ANUGA можно использовать для создания карт прогнозируемых наводнений на основе гипотетических цунами или же наводнение сценарии. Название ANUGA без уточнения неофициально используется для обозначения инструмента ANUGA Hydro.

АНУГА

Фон

Моделирование воздействия на искусственную среду стихийных бедствий, таких как наводнения, штормовые нагоны и цунами, имеет решающее значение для понимания их экономического и социального воздействия на наши городские сообщества. Геонауки Австралия и Австралийский национальный университет разработали свободно доступный инструмент моделирования гидродинамических наводнений под названием ANUGA, чтобы помочь имитировать воздействие этих опасности. На основе исследований, проведенных в Австралийском национальном университете в девяностые годы, разработка ANUGA была начата в Geoscience Australia в 2004 году.[4] Хотя первоначальной целью ANUGA была возможность смоделировать наводнение в результате штормовых нагонов, основное внимание было перенаправлено на наводнение цунами после Землетрясение и цунами 2004 года в Индийском океане.[5][6] Первый общедоступный выпуск ANUGA с открытым исходным кодом состоялся в декабре 2006 года. В 2007 году после обращения инженеров местного самоуправления был добавлен режим дождя. Это позволяет размещать ливень непосредственно над топографией, описанной в расчетной области. Временной ряд можно применить к многоугольнику или к серии многоугольников. В качестве альтернативы можно применить сетку осадков. Это особенно полезно для применения радиолокационных осадков. ANUGA может моделировать водопропускные трубы и мосты с помощью кода из открытой сетевой модели Watershed Bounded Network Model (WBNM) {Boyd, Rigby, VanDrie}, имеющей процедуру трубы, коробки и трапеции. Продолжается разработка решателя водопропускных труб произвольной формы и привязка к одномерной модели трубопроводной сети, такой как SWMM. ANUGA устойчива даже при экстремальном потоке с высокими числами Фруда. Примером этого является прорыв дамбы Святого Франциска 1928 года в Калифорнии, который привел к экстремальной скорости потока и сложным волнам в извилистой долине. ANUGA запустила эту модель с постоянным сохранением полного объемного баланса массы и без нестабильности где-либо в модели.

Двигатель моделирования

В динамика жидкостей в ANUGA основаны на Метод конечных объемов для решения Уравнение волн на мелкой воде. Область исследования представлена ​​сеткой треугольных ячеек, которые могут различаться по размеру, чтобы улавливать детали там, где это необходимо. Решая основное уравнение для каждой ячейки, поверхности воды, высоты дна (следовательно, глубины) и горизонтали (X-y) импульс отслеживаются с течением времени.

Основная возможность ANUGA заключается в том, что он может моделировать процесс смачивания и высыхания, когда вода входит и покидает область. Это означает, что он подходит для моделирования потока воды на пляж или сушу, а также вокруг таких конструкций, как здания. ANUGA также может моделировать гидравлические прыжки из-за способности метода конечных объемов учитывать разрывы в решении. В то время как ANUGA работает с разрывами в сохраняющихся величинах импульса, только решатели с прерывистым высотом допускают скачки в возвышении пласта. Последние были добавлены в код в 2013 году и включают алгоритм по умолчанию в ANUGA 2.0.

Пользовательский интерфейс

Большинство компонентов ANUGA написаны на объектно-ориентированном языке программирования. Python.[7] Программное обеспечение, написанное на Python могут производиться быстро и легко адаптироваться к изменяющимся требованиям в течение всего срока службы. Компоненты с интенсивными вычислениями написаны для повышения эффективности в C процедуры, работающие напрямую с Python тупой конструкции.

Чтобы создать модель сценария, пользователь указывает геометрию (батиметрия и топография ), начальный уровень воды, граничные условия Такие как прилив, а также любые принудительные условия, которые могут управлять системой, например осадки, водозабор, напряжение ветра или же градиенты атмосферного давления. Сила тяжести и Сопротивление трению из разных местности в модели представлены заранее определенные условия принуждения.

Зритель ANUGA

Программа просмотра ANUGA[8] это программа графического 3D-рендеринга, подходящая для анимации выходных файлов из ANUGA.

  • Средство просмотра ANUGA, показывающее моделирование наводнения

  • Средство просмотра ANUGA, показывающее треугольную сетку, используемую для модели проверки эксперимента с волновым резервуаром острова Окусири.

Дополнительные возможности просмотра доступны через несколько других опций:

- Использование коммерческого программного обеспечения, такого как WaterRide (ссылка на веб-сайт)

- Использование бесплатных инструментов, таких как Mirone (программа просмотра сетки), в которой есть специальный инструмент под названием Aquamoto.

- Использование SWW2DEM в сочетании с любой ГИС-платформой

- Использование Crayfish Viewer в качестве плагина в QGIS

- Возможно использование таких инструментов, как VisIt (ссылка на веб-сайт)

  • Инструмент Aquamoto в программном обеспечении MIRONE

  • Пользовательский интерфейс Wateride от Worley Parsons

Валидационные исследования

ANUGA была тщательно проверена на соответствие экспериментам с волновым резервуаром и полевым исследованиям, где это возможно, и поставляется с набором проверочных тестов, включающим около 30 аналитических решений, волновых резервуаров и полевых испытаний. Примеры включают проверку против эксперимента с волновым резервуаром для цунами Окусири 1995 года,[9] эксперименты по запуску волновых резервуаров в Университете Квинсленда,[10] удар цунами 2004 года в Индийском океане на пляже Патонг,[11] сравнение с другими моделями,[12][13] ANUGA была поздним участником британского проекта сравнительного анализа 2D-моделей в 2010 году с использованием версии 1.1beta_7501. В результате не все тесты были завершены. Однако из основных тестов ANUGA была в пределах сопоставимого диапазона результатов других моделей. С конца 2013 года стандартный набор тестов для этой модели также включает в себя модель полного водосбора (Водосборный бассейн Towradgi Creek), которая была проверена на случай урагана 17 августа 1998 года.

Методология разработки программного обеспечения ANUGA

ANUGA разработана как ГИБКИЙ проект так с твердым соблюдением Разработка через тестирование и Непрерывная интеграция. ANUGA имеет более 1200 индивидуальных тестов, которые могут быть запущены пользователями или разработчиками, чтобы убедиться, что данная установка работает должным образом. ANUGA полностью версионируется с использованием системы управления исходным кодом git, которая позволяет пользователю в любое время воспроизвести модель, запущенную из предыдущей версии. Это также, конечно, позволяет сравнивать с текущей версией.

Сводка графика разработки ANUGA

Отмечая, что ANUGA работает как в последовательном (1 ядро), так и в параллельном (много ядер), испытанном на 1000

Вот примерный график основных событий:
Дата: Версия: Комментарий
1999: -------: Zoppou Roberts Paper
2004: -------: Штормовой прилив
2005: -------: Цунами
2006/08/16: 3500: Код перемещен в SVN
2006/09/07: 3548: Автономный просмотрщик с возможностью анимации
19.12.2006: 4092: Первый публичный релиз с открытым исходным кодом и бесплатно
2007/06/04: 4530: Добавлена ​​функция принудительного выпадения осадков: д-р Оле Нильсен, Руди ван Дри
2008/03/28: 5178: Принуждение осадков к полигонам: Д-р Оле Нильсен, Руди ван Дри
2008/06/10: 5435: мосты / водоотводные трубы (с использованием метода Министерства транспорта США, адаптированного с помощью обобщенных уравнений Бойда в модели WBNM): д-р Оле Нильсен, доц. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри, доктор Петар Милевски
15.07.2008: 5585: Добавлен многоствольный водопропускной канал
14.08.2009: 7376: Подвижная кровать (высота кровати может изменяться во времени): д-р Оле Нильсен
19.08.2009: 7452: Переместить водопропускную трубу от форсунки к оператору: доц. Профессор Стивен Робертс
2010 /: Разрабатываются операторы переноса наносов и растительности: Мариэлла Периньон см. https://github.com/mperignon/anugaSed
11.11.2010: 8069: выпущен основной пакет версии 1.2.0
2010/11/25: 8087: выпущена дата обновления Minor Package 1.2.1
31.01.2011: 8116: Обновление условий ветра и давления
2011/03/08: 8128: Разработана концепция операторов модельной области
2011/03/22: 8161: Кинематическая вязкость перенесена из Форсирования в Оператор
2012 / xx / xx: xxxx: Добавлена ​​функция шероховатости Mannings с изменяющейся глубиной: Assoc. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри
2012/07/31: 8485: Эрозия на основе оператора сдвигового пласта: доц. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри
2013/05/27: 8877: Добавить возможность структуры ворот: доц. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри
2013/09/12: 8973: Установить значение по сетке (RADAR Rainfall & Roughness Grid): Assoc. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри
2013/12/05: 0debdd6: Добавлены алгоритмы DE, хорошо сбалансированный и прерывистый подъем: Гарет Дэвис
2014/07/10: bf590e3: Настройка интегрального оператора граничного потока: Гарет Дэвис
2014/08/05: af03985: Отчет о сохранении массы: Гарет Дэвис
2014/12/18: 1.2.5: Пакет перемещен на GitHub
2015/02/07: 1.3.1: Существенное изменение в структуре каталогов
2015/03/19: 1.3.10: перенесено на GitHub.com//GeoscienceAustralia/anuga_core
2015/04/28: 1.3.11: Обновлено руководство и добавлен validations_report в каталог doc
2015/05/04: 2.0: основной выпуск, в котором мы перешли на алгоритм DE0 (прерывистое повышение) в качестве алгоритма по умолчанию.
2016/06/28: 321cd1e: Добавлен оператор эрозии, предоставленный Тедом Ригби
2017/05/20: Создание филиала Github для инициирования разработки сети SWMMLINK 1D Pipe для ANUGA 2D Д-р Оле Нильсен, доц. Профессор Стивен Робертс, Руди Ван Дри, доктор Петар Милевски

Идеи развития ANUGA на будущее

Развитие ANUGA продолжается и динамично. Внедрение «Операторов» было важным шагом, поскольку открыло множество дополнительных возможностей. Дальнейшее развитие в настоящее время обусловлено как увеличением производительности, так и расширением возможностей. В настоящее время ведутся работы по следующим пунктам (которые будут перемещены в приведенный выше список, когда они будут полностью выполнены):
- Легкая доступность версии с поддержкой графического процессора (в настоящее время работает бета-версия)
- Подключение к высокопроизводительной модели городской трубопроводной сети, такой как SWMM
- Постоянное улучшение скорости кода

Ограничения

Хотя ANUGA является гибким инструментом гидродинамического моделирования, он имеет ряд ограничений, о которых должен знать любой потенциальный пользователь. Они есть:

  • Математическая модель представляет собой двумерное волновое уравнение мелкой воды. Таким образом, он не может разрешить вертикальные конвекция и, следовательно, не разбивающиеся волны или 3D турбулентность (например. завихренность ).
  • Предполагается, что все пространственные координаты равны UTM (метры). Таким образом, ANUGA не подходит для моделирования потоков в областях, превышающих полторы зоны UTM (шириной 9 градусов).
  • Предполагается, что жидкость невязкая, хотя кинематическая вязкость может использоваться для моделирования с использованием оператора кинематической вязкости.
  • Конечный объем - это очень надежный и гибкий численный метод, особенно когда он реализован на неструктурированной треугольной сетке, но это не самый быстрый метод, и альтернативные алгоритмы с достаточно простой геометрией могут решить проблему быстрее, чем ANUGA.
  • Сопротивление трению реализуется с использованием Формула Мэннинга.

Пользователи

История использования

  • ANUGA была испытана как обычная гидродинамическая 2D модель наводнения.[15] как на сложной городской системе, так и на более простой сельской системе. Городская модель включала сценарий прорыва плотины, когда паводковая вода проходила через жилую зону.

В модели было обнаружено:

«Возможность построить модель с элементами, различающимися по размеру в соответствии с моделируемыми элементами, позволила моделировать поведение потока реалистично и на уровне локальной детализации, который структурированные сеточные модели не могут практически воспроизвести»
  • ANUGA использовалась для оценки вероятной разницы в усилении и рассеянии цунами между различными характерными прибрежными заливами, прибрежными входами и эстуариями.[16] Результаты показали, что:
«для больших заливов набег волны может быть усилен в шесть раз по сравнению с амплитудой на границе модели. Для небольших заливов усиление зависит от местоположения линии воды в океане или стадии приливов»
  • В 2005 году ANUGA использовалась для демонстрации возможности моделирования затопления городского прибрежного города в рамках деятельности Рабочей группы по катастрофическим бедствиям в 2005 году Департаментом генерального прокурора и Geoscience Australia для тогдашнего Австралийского комитета по чрезвычайным ситуациям.
  • В 2007 году, после добавления Оле Нильсена и Руди ВанДри начальной функции форсирования осадков, она была использована для моделирования водосбора Маккуори Ривулет, а затем всего водосбора озера Иллаварра.
  • С тех пор на нем моделировались тысячи водосборов в Австралии, Германии, Мозамбике, Индонезии, Бразилии, Маврикии, на острове Реюньон и во многих других местах.
  • В 2013 году исследователи использовали ANUGA для репликации работы доктора Бретта Сандерса по моделированию прорыва дамбы Святого Франциска 1928 года. ANUGA не только смогла воспроизвести время прихода волны наводнения, но и, по-видимому, более реалистично запечатлела экстремальное выплескивание непосредственно вниз по течению от плотины в извилистой долине. https://www.mssanz.org.au/modsim2013/A4/mungkasi.pdf
  • С 2013 по 2016 год в рамках проекта Австралийской национальной программы обеспечения устойчивости к стихийным бедствиям (NDRP) была разработана «Структура моделирования наводнений для ACT», которая смоделировала все 9400 км2 в 2D с использованием радиолокационных осадков, применяемых непосредственно к расчетной сетке. Этот проект был номинирован на премию правительства ACT.
  • Самая большая известная модель водосбора, использующая прямые осадки в полной 2D-модели, на сегодняшний день составляет около 85 000 км2, являясь частью реки Кондамин-Балонн в Австралии.
  • В 2015 году исследователи из Бразилии использовали ANUGA для моделирования «ВЛИЯНИЯ ДЕЗЛЕСА НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОДЫ ДЛЯ НИЗКОГО АМАЗОНСКОГО НАВОДА»
  • в 2015-2016 годах Департамент экономического развития, занятости, транспорта и ресурсов, Татура, Виктория использовал ANUGA для моделирования ирригационных заливов, сделав вывод, что: «.... Физические (гидрологические) модели и модели роста культур применяются и могут быть запущены. в сочетании друг с другом. В качестве примера 2D-модель потока поверхностных вод ANUGA была адаптирована для тестирования конструкции ирригационного участка для проверки границы. Был включен алгоритм инфильтрации, использующий модифицированное уравнение Костякова (МК), которое рассчитывает инфильтрацию как функция времени затопления. После пересмотра модель ANUGA успешно смоделировала поверхностное орошение при проверке границ и использовалась в Smarter Irrigation for Profit, чтобы помочь оценить варианты дренажа для орошаемых молочных пастбищ. https://www.crdc.com.au/sites/default/files/Smarter%20Irrigation%20for%20Profit%20Snapshot.pdf
  • В 2017 году исследователи из Университета Колорадо использовали ANUGA для моделирования эрозии и переноса наносов, а также эффектов сопротивления растительности, в результате чего были сформулированы новые операторы, заявившие, что: «Эти операторы используются для моделирования эрозии, переноса и осаждения наносов по всей территории. , и влияние сопротивления растительности на поток ". https://www.hydroshare.org/resource/90cfc292f1cc4b6c96c66265a992b759/

Награды и экспозиция

ANUGA использовалась для понимания риска цунами для побережья Западной Австралии, и результаты этой работы используются менеджерами по чрезвычайным ситуациям и Департаментом планирования и инфраструктуры Западной Австралии. В 2007 году эта работа была удостоена премии Asia-Pacific Spatial Excellence Award.[17] и награда Австралии за более безопасные сообщества за управление чрезвычайными ситуациями. В июне 2009 года ANUGA была показана в специальном выпуске австралийской телепрограммы «Новые изобретатели: борьба с бедствиями».[18]

Поддержка и участие

ANUGA - это проект с открытым исходным кодом, поддерживаемый организациями, которые его разрабатывают и используют.

Исходный код доступен на GitHub https://github.com/GeoscienceAustralia/anuga_core и здесь могут быть отправлены запросы на вытягивание. Цель состоит в том, чтобы создать сообщество пользователей модели и со-разработчиков / участников для взаимодействия с репозиторием github. Существуют строгие правила относительно необходимости модульного тестирования, чтобы код был включен в репозиторий Со временем вполне вероятно, что будет сформулирован руководящий документ для разработчиков, чтобы помочь другим внести свой вклад в код.

Вопросы и интерес к участию можно направлять в список рассылки [email protected]

Обучение персонала

В настоящее время ни ANU, ни GA не проводят специального обучения. Тем не менее, в 2008 году в Geoscience Australia в Канберре был проведен первый семинар по использованию и будущему модели ANUGA.

С тех пор Руди Ван Дри провел учебный курс для группы из крупной страховой компании, Руди также прошел обширный и подробный учебный курс в Университете Эссена в 2011 году; Подробная презентация и понимание его использования в Мозамбике в 2013 году и семинар в Университете Удаяна на Бали в 2017 году.

Лицензия

ANUGA находится в свободном доступе и распространяется на условиях Стандартная общественная лицензия GNU.

Рекомендации

  1. ^ «Релиз 2.1». 3 августа 2020 г.. Получено 4 августа 2020.
  2. ^ «Руководство пользователя ANUGA» (PDF). 19 мая 2015. Получено 13 сентября 2015.
  3. ^ https://github.com/GeoscienceAustralia/anuga_core
  4. ^ Нильсен О. Программное обеспечение для измерения расхода воды, открытое для всех. В: Новости AusGEO, № 75, сентябрь 2004 г .; страницы 8–9. Наличие: <http://www.ga.gov.au/ausgeonews/archive/200410.jsp >
  5. ^ Нильсен О., Робертс С., Грей Д., Макферсон А. и Хитчман А. Гидродинамическое моделирование прибрежных затоплений. В: MODSIM 2005 Международный конгресс по моделированию, моделированию и имитационному моделированию Австралии и Новой Зеландии; страницы: 518–523. Наличие: <http://www.mssanz.org.au/modsim05/papers/nielsen.pdf >. [цитировано 1 мая 2011 г.].
  6. ^ Оле Нильсен, Джейн Секстон, Дункан Грей и Ник Барцис. Моделирование отвечает на вопросы о цунами. В: Новости AusGEO, № 83, сентябрь 2006 г .; pagesAvailability: <http://www.ga.gov.au/ausgeonews/ausgeonews200609/modelling.jsp >.
  7. ^ https://www.python.org
  8. ^ http://sourceforge.net/projects/anuga-viewer/
  9. ^ Нильсен О., Робертс С., Грей Д., Макферсон А. и Хитчман А. Гидродинамическое моделирование прибрежных затоплений. В: MODSIM 2005 Международный конгресс по моделированию и имитационному моделированию, моделированию и имитационному моделированию Австралии и Новой Зеландии; страницы: 518–523. Наличие: <http://www.mssanz.org.au/modsim05/papers/nielsen.pdf >. [цитировано 1 мая 2011 г.].
  10. ^ Том Болдок и др. Прямые измерения напряжения сдвига в слое в лабораторных условиях. Наличие: <«Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 10 марта 2012 г.. Получено 2011-05-01.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)>
  11. ^ Jakeman et al. К пространственно распределенной количественной оценке моделей наводнений цунами. В ДИНАМИКЕ ОКЕАНА, том 60, номер 5; страницы: 1115–1138, Дои:10.1007 / s10236-010-0312-4. Наличие: <https://doi.org/10.1007%2Fs10236-010-0312-4 >
  12. ^ Руди Ван Дри, доктор Петар Милевски, Майкл Саймон. ANUGA: - Определение реальной опасности по прямой гидрологии в 2D-гидравлической модели и роль неровностей. Наличие: <http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/handle/2042/35745/22414-005VAN.pdf?sequence=1 >
  13. ^ Сачи Консервирование. Установка и испытание новой гидравлической модели. Наличие: <http://anuga.anu.edu.au/attachment/wiki/AnugaPublications/ANUGA%20%E2%80%93%20installation%20and%20Testing%20of%20new%20hydraulic%20model%20-%20Sachi%20Canning%202009 .doc >
  14. ^ T. Schlurmann, W. Kongko, N. Goseberg, D. H. Natawidjaja и K. Sieh. КАРТА ОПАСНЫХ УСЛОВИЙ ЦУНАМИ НЕРВНОГО ПОЛЯ ПАДАНГ, ЗАПАДНАЯ СУМАТРА: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕОСПАТИЧЕСКИХ ДАННЫХ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ СЦЕНАРИЕВ ИСТОЧНИКОВ, 2010 г. Доступность: <http://www.gitews.org/tsunami-kit/en/E1/f Further_resources/hazard_maps/padang/Near%20field%20tsunami%20hazard%20map%20Padang%20West%20Sumatera%20by%20Schlurmann%20et%20al.pdf >.
  15. ^ Ригби, Э. и ван Дри, Руди. ANUGA: Новая бесплатная гидродинамическая модель с открытым исходным кодом [онлайн]. В: Proceedings of Water Down Under 2008; страницы: 629–638. Ламберт, Мартин (редактор); Дэниэл, TM (редактор); Леонард, Майкл (редактор). Модбери, Южная Америка: инженеры Австралии; Causal Productions, 2008. Доступность: <http://search.informit.com.au/documentSummary;dn=566845972639991;res=IELENG > ISBN  0-85825-735-1. [цитировано 21 декабря 2009 г.].
  16. ^ Болдок Т.Э., Барнс, член парламента, Гвардия, Пенсильвания, Хи, Томас, Ханслоу, Д., Ранасинг, Р., Грей, Д., Нильсен, О. (2007) «Моделирование затопления цунами на береговой линии с характерной формой», 16-е Австралазийская конференция по механике жидкостей (AFMC), опубликованная Инженерной школой Университета Квинсленда. Наличие: <http://espace.library.uq.edu.au/eserv/UQ:121035/Baldock_afmc_16_07.pdf > ISBN  978-1-86499-894-8
  17. ^ "Geoscience Australia получает награду за превосходство в области пространственного моделирования цунами".
  18. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 28 апреля 2011 г.. Получено 1 мая 2011.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)

внешняя ссылка