基于VB的斷面法沖淤計(jì)算編程實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

梅同單，張智敏，甘坤，袁野

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)水文局西南諸河水文水資源勘測(cè)局，云南 昆明 650051)

1 引 言

為保證水電站的正常、高效運(yùn)行，掌握庫區(qū)的沖刷淤積情況，電廠往往投入大量資源對(duì)庫區(qū)的泥沙和淤積情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。地形法、斷面法和輸沙量平衡法是庫區(qū)沖刷淤積計(jì)算最常應(yīng)用的三種方法[1]。地形法需要對(duì)全庫或者部分地區(qū)進(jìn)行地形測(cè)量，采用地形數(shù)據(jù)制作DEM分析沖刷淤積情況，其優(yōu)點(diǎn)是分析數(shù)據(jù)精確，能直觀地反映庫區(qū)沖淤的空間變化，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，投入成本較高，且需要周期性的測(cè)量分析，分析精度受測(cè)圖比例尺大小影響，比例尺越大分析精度越高。斷面法往往建立在地形測(cè)量的基礎(chǔ)上，根據(jù)河道形狀等布設(shè)河道橫斷面，周期性地測(cè)量橫斷面來分析沖刷淤積情況，其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間短，投入成本低，但是受到斷面位置代表性、斷面間距大小、分析方法等影響，結(jié)果分析精度難以控制[2]。工程應(yīng)用中往往采用縮小斷面間距的方法來提高分析精度。輸沙量平衡法是采用入庫和出庫水文、泥沙監(jiān)測(cè)情況，分析全庫的出入庫泥沙情況，來分析庫區(qū)的沖淤情況，其優(yōu)點(diǎn)是在了解沖刷淤積數(shù)量的同時(shí)還可以掌握泥沙特性等情況，但是水文、泥沙監(jiān)測(cè)投入成本較高，難以掌握沖刷淤積的空間分布情況，且精度受監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)影響較大。相比之下，斷面法計(jì)算沖淤量是最常用的辦法，其監(jiān)測(cè)成本相對(duì)較低，適合周期性監(jiān)測(cè)，精度易把控，能基本掌握沖刷淤積的空間分布情況。

斷面法計(jì)算沖淤量原理簡(jiǎn)單，市場(chǎng)當(dāng)中應(yīng)用的程序很多，但是往往只輸出一個(gè)沖淤結(jié)果，無法得到斷面間沖淤變化的縱向分布情況，難以分析沖淤量的可靠性，無法核定計(jì)算結(jié)果的影響因素，比如斷面長(zhǎng)度不一致造成面積差過大、斷面間距影響結(jié)果精度等。本文主要采用基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語言Visual Basic(簡(jiǎn)稱VB)，通過將斷面測(cè)量成果數(shù)據(jù)(點(diǎn)名、起點(diǎn)距、高程)導(dǎo)入計(jì)算程序，判斷斷面的長(zhǎng)度，人為給出斷面的間距，計(jì)算斷面間總槽蓄量和各高程值對(duì)應(yīng)的槽蓄量，得到斷面間的沖刷淤積量及縱向分布情況。同時(shí)，通過計(jì)算的斷面面積、槽蓄量等，分析沖淤量的可靠性，通過部分人為干預(yù)或調(diào)整，進(jìn)一步提高計(jì)算結(jié)果的精度。

2 斷面法計(jì)算沖淤量

斷面法計(jì)算沖淤量，主要是通過測(cè)量河道橫斷面，計(jì)算斷面面積、相鄰斷面間距，將相鄰斷面間的幾何形態(tài)近似為臺(tái)體或椎體，采用梯形法或錐形法計(jì)算相鄰斷面間在同一水位下的槽蓄量(即容積)，通過兩個(gè)測(cè)量周期計(jì)算的槽蓄量，得到兩相鄰斷面間的沖淤變化量，累計(jì)各斷面間的沖淤量即可得到全庫的沖淤變化總量[3]。

斷面法計(jì)算沖淤量具體步驟如下：

(1)根據(jù)河道形狀等布設(shè)橫斷面，采用一定的測(cè)量手段測(cè)量斷面數(shù)據(jù)(X，Y，Z)，實(shí)測(cè)水位或根據(jù)沿程水位變化情況推算水位值H。

(2)整理斷面數(shù)據(jù)，算出斷面起點(diǎn)距D和高程Z，計(jì)算確定的水位下各斷面的面積S。公式如下：

Sj=∑(Zji+Zji+1)×|Dji+1-Dji|÷2

(1)

式中：Sj——第j條斷面的面積；

Zji——第j條斷面第i點(diǎn)的高程；

Dji——第j條斷面第i點(diǎn)的起點(diǎn)距。

(3)確定相鄰斷面間距L，一般采用河道中心線或深泓線量算。

(4)采用梯形法或椎體法計(jì)算相鄰斷面間的槽蓄量V。

相鄰橫斷面槽蓄量計(jì)算公式如式下[4]：

(2)

式中：Vj——相鄰斷面間(第j條與第j+1條)槽蓄量；

Lj——相鄰斷面間(第j條與第j+1條)的距離；

Sj——第j條橫斷面面積；

Sj+1——第j+1條橫斷面面積。

當(dāng)兩相鄰斷面的面積相近，可將相鄰兩斷面間的形態(tài)看似梯形；當(dāng)兩相鄰斷面的面積差距較大時(shí)，錐形體更能代表兩相鄰斷面間的形態(tài)。

(5)不同測(cè)次間的相鄰斷面間槽蓄量即為相鄰斷面間的沖淤變化量△V。

斷面法計(jì)算沖淤量，其結(jié)果精度主要受斷面代表性、測(cè)量精度和斷面間距影響[1]。測(cè)量精度主要影響斷面特征點(diǎn)的高程值，影響斷面面積進(jìn)而影響到?jīng)_淤量的精度；斷面間距一般采用河道中心線或深泓線量算，在平直河道影響不大，但在彎曲河道會(huì)存在較大差異，從而影響斷面間的槽蓄量。斷面的布設(shè)位置代表性也會(huì)對(duì)沖淤結(jié)果產(chǎn)生影響。

采用斷面法計(jì)算沖淤量還要求兩個(gè)測(cè)次采用同一水位值，不同測(cè)次的同一斷面具有相同的長(zhǎng)度，這樣對(duì)結(jié)果影響較小。斷面布設(shè)越近，越能代表沖淤變化的空間特征。

3 編程實(shí)現(xiàn)

Visual Basic(簡(jiǎn)稱VB)是一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語言，該語言不但可以達(dá)到結(jié)構(gòu)化程序所設(shè)計(jì)的多項(xiàng)對(duì)象這一設(shè)計(jì)語言需求，而且還兼具圖形用戶接口，方便向設(shè)計(jì)程序語言方面創(chuàng)造更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[5]。

3.1 主要需要解決的問題

(1)斷面的長(zhǎng)度須一致，計(jì)算水位采用同一水位值。

常規(guī)計(jì)算軟件往往忽略斷面長(zhǎng)度對(duì)面積的影響，使得斷面長(zhǎng)度對(duì)沖淤量的影響被無視。本程序采用編輯整理后的斷面數(shù)據(jù)，程序自動(dòng)分析斷面的長(zhǎng)度，截取相同的斷面長(zhǎng)度。根據(jù)兩不同測(cè)次相同斷面的起點(diǎn)距大小進(jìn)行判斷，讀取兩不同測(cè)次相同斷面的起點(diǎn)距最大值和最小值，程序自動(dòng)進(jìn)行截取，使得兩不同測(cè)次斷面有相同的長(zhǎng)度(即有效分析長(zhǎng)度)。如若需分析的斷面長(zhǎng)度固定，測(cè)量長(zhǎng)度無法滿足需求時(shí)也可通過線性內(nèi)插得到部分點(diǎn)的起點(diǎn)距和高程。

計(jì)算水位采用相同水位值進(jìn)行，避免了因水位不同造成的誤差。

(2)沖淤量的縱向分布難以看出，沖淤厚度情況難以掌握。

常規(guī)計(jì)算軟件采用一個(gè)水位值計(jì)算，僅得到一個(gè)總的沖淤量，無法看出沖淤變化的縱向分布。本程序設(shè)計(jì)采用相同水位值計(jì)算，程序自動(dòng)分析斷面的最高點(diǎn)、最低點(diǎn)、深泓點(diǎn)、中間點(diǎn)等，計(jì)算得到高程變化區(qū)間，可根據(jù)實(shí)際需求設(shè)定沖淤變化分析高程區(qū)間，計(jì)算不同的高程區(qū)間的槽蓄量，得到不同測(cè)次兩相鄰斷面間的沖淤量在縱向的分布情況。同時(shí)，也可計(jì)算出沖刷面積和淤積面積。

常規(guī)計(jì)算軟件往往只輸出一個(gè)沖淤總量，無法得到?jīng)_淤厚度的數(shù)值。沖淤變化在平面上的分布主要通過沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值來表示。本程序根據(jù)斷面槽蓄量的計(jì)算、斷面間面積的確定以及斷面縱向的沖淤變化分布，可以計(jì)算出沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值。

3.2 程序設(shè)計(jì)流程圖(圖1)：

圖1 程序設(shè)計(jì)流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例

在瀾滄江中游某電站測(cè)量項(xiàng)目中，需要對(duì)河道進(jìn)行河道演變分析和沖淤分析評(píng)價(jià)。外業(yè)測(cè)量采用SONIC 2024多波束測(cè)深系統(tǒng)進(jìn)行，采集測(cè)區(qū)水下的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。從點(diǎn)云數(shù)據(jù)中每10m布設(shè)一條斷面，提取斷面數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯整理，采用程序計(jì)算沖淤量，輸出需要的斷面長(zhǎng)度、斷面間面積、槽蓄量、沖淤量、沖淤厚度等數(shù)據(jù)，得到需求的結(jié)果。

程序計(jì)算得到該區(qū)域淤積了 1 027.3 m3，面積為 417.3 m2，平均淤積厚度為 2.46 cm，總沖淤量計(jì)算結(jié)果如表1所示：

斷面法計(jì)算沖淤量結(jié)果 表1

斷面間縱向沖淤變化情況如表2(此表僅列出沖淤量，按 5 m間距分析，沖淤面積、沖淤厚度等暫未列出)：

斷面間沖淤變化縱向分析結(jié)果 表2

采用不同測(cè)次的多波束測(cè)深系統(tǒng)采集的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)，生成地形圖，導(dǎo)入ArcGIS 10.2，通過格式轉(zhuǎn)換、生成TIN、生成RASTER等步驟，分析兩不同測(cè)次的沖刷淤積量，得到該區(qū)域淤積了 1 058.1 m3，面積為 420.6 m2，平均淤積厚度為 2.51 cm。計(jì)算結(jié)果較為接近，程序計(jì)算結(jié)果與ArcGIS地形法分析誤差為3%，說明程序計(jì)算結(jié)果可靠。

5 結(jié) 語

(1)本程序在斷面數(shù)據(jù)分析方面，實(shí)現(xiàn)了程序的自動(dòng)判斷，減少了人為對(duì)數(shù)據(jù)整理的步驟，減小了勞動(dòng)強(qiáng)度、縮短了作業(yè)時(shí)間、提高了作業(yè)效率。

(2)本程序采用斷面法計(jì)算沖淤量，可以消除斷面長(zhǎng)度不同造成分析精度低等問題，直接輸出沖刷淤積量，分析區(qū)域內(nèi)的沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值，以及縱向的沖刷淤積情況。具有操作方便、計(jì)算結(jié)果可靠、成果豐富等優(yōu)點(diǎn)。

(3)本程序計(jì)算的斷面長(zhǎng)度、斷面面積、斷面深泓點(diǎn)數(shù)據(jù)、斷面間面積、槽蓄量等數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實(shí)踐中還有很多應(yīng)用價(jià)值。生產(chǎn)當(dāng)中可采用斷面長(zhǎng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量工作量統(tǒng)計(jì)，斷面深泓數(shù)據(jù)等可作為河道演變分析的依據(jù)，斷面間槽蓄量的計(jì)算方法也可應(yīng)用到庫容計(jì)算等領(lǐng)域，不同高程級(jí)的槽蓄量、面積計(jì)算等也可作為庫容-水位(高程)、面積-水位(高程)曲線關(guān)系計(jì)算的依據(jù)，在水庫、河道、湖泊等水利項(xiàng)目中具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

此程序也有一定的局限。在成果展示方面還難以實(shí)現(xiàn)，無法像ArcGIS或其他三維顯示軟件等進(jìn)行三維展示，成果僅限于數(shù)據(jù)表格等形式。在工程實(shí)際中如只需要簡(jiǎn)單的成果數(shù)據(jù)，本程序是能滿足需求的。