基于C#語言河流模擬數(shù)據(jù)處理軟件的開發(fā)與應(yīng)用

蘇曉慧，曹勇，吳海亮

(1.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

1 前言

近年來，隨著國(guó)內(nèi)沿河城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，無論是防洪保護(hù)區(qū)、灘區(qū)或蓄滯洪區(qū)，防洪保安的任務(wù)和需求都與日俱增，對(duì)于洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性，提出了更高的要求。利用一維或二維水力學(xué)計(jì)算模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，建立相應(yīng)的預(yù)警機(jī)制，是開展洪水風(fēng)險(xiǎn)管理、災(zāi)情評(píng)估、應(yīng)急決策的重要手段。

平面二維水流模型能夠計(jì)算出防洪工程、蓄滯洪區(qū)的流速和水深分布，在洪水預(yù)報(bào)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、防洪影響評(píng)價(jià)等工作中得到了廣泛應(yīng)用。MIKE21模型是丹麥水力研究所(DHI)開發(fā)的平面二維自由表面流模型，可以通過選定不同的模塊，進(jìn)行不同對(duì)象的模擬研究，用于水流、水質(zhì)、波浪等二維水力學(xué)現(xiàn)象的研究。目前，Mike21模型已被國(guó)內(nèi)多個(gè)水利科研和設(shè)計(jì)單位購買，廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐中的防洪影響評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖等項(xiàng)目中。

Mike21模型可以自由靈活地設(shè)置多種不同的邊界條件，快速解決工作中的實(shí)際問題。但該軟件的前處理過程相對(duì)繁瑣，需要將計(jì)算范圍線和地形點(diǎn)高程的文件從AutoCAD中提取出來，經(jīng)處理后才能導(dǎo)入模型；后處理導(dǎo)出的形式比較單一，很難將流場(chǎng)、水深圖導(dǎo)出至CAD圖的原坐標(biāo)位置，還需要其他軟件的輔助，過程比較繁瑣。

為了解決Mike21模型在河流洪水模擬中的實(shí)際問題,更好地做好前處理和后處理相關(guān)工作，基于C#語言開發(fā)了河流數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理程序，可以顯著提高前處理的工作效率，使得后處理計(jì)算成果的展現(xiàn)形式更加豐富。

2 Mike21模型及相關(guān)研究工具簡(jiǎn)介

2.1 Mike21水動(dòng)力模型簡(jiǎn)介

Mike21水流模型具體包括水動(dòng)力、水質(zhì)、泥沙等功能模塊，其中水動(dòng)力模塊處于核心位置，是所有其他模塊運(yùn)行的基礎(chǔ)。此次研究的重點(diǎn)就是Mike21的水動(dòng)力模塊。

天然水流的模擬是復(fù)雜的，用三維方程來模擬研究是合適的。但對(duì)于一般河道來說，由于水深方向比平面上的研究尺寸要小得多，物理量沿水深的分布可以忽略不計(jì)，壓力分布與靜壓假定十分接近，故可以采用沿水深方向平均的平面二維水流數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算河道流場(chǎng)，既簡(jiǎn)化了水流運(yùn)動(dòng)基本方程，也能模擬水面的變化。

2.2 Mike21洪水模型構(gòu)建步驟

與其他洪水模型建立過程相似，Mike21洪水模型構(gòu)建主要分成三大步：前處理、模型計(jì)算、后處理。

前處理過程主要包括：網(wǎng)格剖分、地形高程點(diǎn)提取、高程插值，生成地形文件等；模型計(jì)算過程包括：導(dǎo)入地形文件、確定邊界及初始條件、糙率的率定、模型的搭建、設(shè)定模型輸出等；后處理就是依據(jù)模型計(jì)算的結(jié)果，生成流場(chǎng)圖、水深圖，通過分析計(jì)算得出科學(xué)的結(jié)論。

2.3 DHI Mike.net開發(fā)接口

DHI Mike提供了.net開發(fā)接口，包含兩部分，一為Mike SDK，二為開發(fā)接口位于用戶計(jì)算機(jī)Windows文件夾下的Microsoft.net的assembly子文件夾中，在該文件夾下面提供了較多的.net API，包括了DFS.net API、PFS.net API、MHydro.net API、Mike1D.net API等。

其中DFS.net API是一套用于讀取、修改和創(chuàng)建DFS文件的接口類，Dfsfilefactory類提供了打開了現(xiàn)有DFS文件的方法，目前支持打開dfs1、dfs2、dfs3、dfsu等類型的文件。

Mike21的計(jì)算成果文件為dfsu文件，可以通過引用Dfsfilefactory類打開計(jì)算成果文件，從中可以讀取到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元信息，以及不同計(jì)算時(shí)段的水深、流速等數(shù)據(jù)。

2.4 AutoCAD二次開發(fā)技術(shù)

在我國(guó)大多數(shù)的測(cè)繪成果都是AutoCAD文件，在CAD中數(shù)據(jù)一般按地形要素分圖層保存，高程數(shù)據(jù)包括了高程散點(diǎn)和等高線。為了生成Mike21模型能夠識(shí)別的固定格式的地形文件，需要將這些高程散點(diǎn)和等高線的X、Y、Z值都提取出來，盡可能提取更多的地形數(shù)據(jù)來表征地形地貌的變化。同時(shí)，計(jì)算范圍線的提取也非常重要，需要在CAD中將其描繪出來，提取數(shù)據(jù)后生成固定格式的文件。

從AutoCAD將這些地形要素批量化快速導(dǎo)出時(shí)，需運(yùn)用CAD二次開發(fā)技術(shù)。目前，較為常見的AutoCAD二次開發(fā)的方式，即AutoLISP、ADS、Object ARX 和ActiveX Automation。其中，ActiveX Automation作為微軟公司統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其工作原理的核心是允許不同軟件之間通過暴露對(duì)象，達(dá)到相互控制和操作的目標(biāo)。ActiveX技術(shù)是面向?qū)ο?，大多?shù)面向?qū)ο蠡幊痰恼Z言和應(yīng)用程序，都能利用ActiveX接口與AutoCAD 進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)所需的定制功能。本文基于C#編程語言，利用ActiveX技術(shù)對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)。

2.5 Visual Studio C#的開發(fā)環(huán)境

C#(C Sharpe)是由微軟公司開發(fā)的一種面向?qū)ο?、運(yùn)行于NET Framework框架上的高級(jí)編程語言。它具有上手速度快、功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)類型安全等特點(diǎn)，將 VB 簡(jiǎn)單的可視化操作和C++的高運(yùn)行效率整合起來，是進(jìn)行NET開發(fā)的首選語言。本次選用的開發(fā)工具是Visual Studio Community 2019，是微軟公司針對(duì)個(gè)人用戶而開發(fā)的免費(fèi)版本，其功能和專業(yè)版相差不大。

3 河流模擬數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā)

3.1 開發(fā)環(huán)境配置

在Visual Studio環(huán)境下，新建C#的Windows窗體應(yīng)用程序，并將其命名為“河流模擬數(shù)據(jù)處理程序”，如圖1所示。

圖1 創(chuàng)建新的窗體應(yīng)用程序圖

在編輯器右側(cè)的解決方案資源管理器中，在通過“添加引用”，搜索并添加DHI.Generic.MikeZero.DFS.dll、Interop.AutoCAD.dll和Interop.AXDBLib.dll，在代碼編輯頁面，寫入以下代碼：

using AutoCAD；

using AXDBLib;

using DHI.Generic.MikeZero.DFS.dfsu;

以上代碼可將程序所需要的模塊導(dǎo)入，引入命名空間，完成程序開發(fā)環(huán)境的配置，繼而正式開始應(yīng)用程序開發(fā)。

3.2 前處理功能設(shè)計(jì)

前處理主要實(shí)現(xiàn)4個(gè)功能需求：①打開CAD文件，如果已經(jīng)打開文件，則顯示已打開文件的名稱；②提取高程散點(diǎn)對(duì)象，包括了多行文字、單行文字和塊文字等的插入點(diǎn)坐標(biāo)和高程值；③提取等高線對(duì)象，包括多段線、三維多段線上點(diǎn)坐標(biāo)和標(biāo)高值；④提取計(jì)算范圍線節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。

進(jìn)行前處理模塊各個(gè)功能代碼編寫時(shí)，需要首先聲明全局變量AutoCAD.AcadApplication AcadApp和AutoCAD.AcadDocument AcadDoc，其中AcadApplication是CAD 對(duì)象接口，AcadDocument是CAD 文件。

3.3 后處理功能設(shè)計(jì)

后處理主要實(shí)現(xiàn)5個(gè)功能需求：①打開Mike21的計(jì)算成果文件；②通過輸入計(jì)算時(shí)段，生成水深分布圖；③通過輸入計(jì)算時(shí)段，生成流速分布圖；④通過輸入任意點(diǎn)的坐標(biāo)，獲取該點(diǎn)計(jì)算過程中的水深變化過程線；⑤通過輸入任意點(diǎn)的坐標(biāo)，獲取該點(diǎn)計(jì)算過程中的流速變化過程線。

編寫代碼時(shí)，首先將using DHI.Generic.MikeZero.DFS.dfsu寫入，引入命名空間，并新建一個(gè)ReadingDfsuFile方法。該軟件的界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 后處理功能模塊界面設(shè)計(jì)圖

4 在北金堤蓄滯洪區(qū)影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

4.1 項(xiàng)目背景

濮陽-范縣-臺(tái)前輸氣管道工程地處濮陽市境內(nèi)，大部分位于北金堤蓄滯洪區(qū)，其總體布置：自濮陽縣中開輸氣管線濮陽分輸站起，向東穿越S101省道，穿過金堤河、晉中南鐵路、范輝高速后沿東北方向敷設(shè)，在范縣縣城南邊進(jìn)入范縣分輸站(新建)，出站后向東南方向敷設(shè)，沿S101省道敷設(shè)至臺(tái)前縣城西邊的臺(tái)前末站(新建)。根據(jù)《中華人民共和國(guó)防洪法》，在洪泛區(qū)、蓄滯洪區(qū)內(nèi)建設(shè)非防洪建設(shè)項(xiàng)目，需編制洪水影響評(píng)價(jià)報(bào)告。為了研究工程修建前后，北金堤蓄滯洪水區(qū)的洪水演進(jìn)的變化情況，利用Mike21模型進(jìn)行了數(shù)值模擬。

4.2 北金堤蓄滯洪區(qū)基本情況

北金堤滯洪區(qū)是我國(guó)較大的滯洪區(qū)之一，位于黃河下游高村～陶城鋪寬河段，在黃河左岸大堤與北金堤的夾角地帶。

北金堤滯洪區(qū)的淹沒范圍涉及河南省新鄉(xiāng)市長(zhǎng)垣縣、安陽市滑縣，濮陽市的濮陽縣、范縣、臺(tái)前縣以及山東省莘縣、陽谷縣。全區(qū)西南至東北，上寬下窄，狀如羊角，長(zhǎng)171 km，南北最寬處為40 km，最窄處約7 km，滯洪區(qū)內(nèi)地勢(shì)西高東低，平均比降1/5 000，上游平均高程57.60 m，下游平均高程41.40 m，滯洪區(qū)總面積2 918 km2，蓄滯洪水量為20億m3。

4.3 前處理數(shù)據(jù)提取

通過已編譯好的河流模擬數(shù)據(jù)處理軟件，打開所要提取數(shù)據(jù)的CAD文件，分別點(diǎn)擊提取高程點(diǎn)、提取等高線和提取范圍線即可完成數(shù)據(jù)的提取，操作簡(jiǎn)便，可直接生成Mike21模型識(shí)別格式的文件。將以上生成的兩個(gè)文件直接導(dǎo)入到Mike21模型中，再進(jìn)行網(wǎng)格剖分，高程差值，生成的地形文件。

4.4 后處理成果生成

后處理在Mike21模型計(jì)算完成以后進(jìn)行，首先打開計(jì)算成果dfsu文件，在程序的對(duì)話框中輸入任意時(shí)刻的計(jì)算時(shí)段，以及任意點(diǎn)的坐標(biāo)，例如時(shí)段填100，X坐標(biāo)為20 351 648.05，Y坐標(biāo)為3 959 719.06。通過點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，即可完成后處理過程，生成的流速分布見圖3所示。

圖3 北金堤蓄滯洪區(qū)流速分布圖

輸氣管道工程末端某閥室處的水深和流速變化曲線見圖4、圖5，可知洪水約在第58個(gè)小時(shí)演進(jìn)至侯廟閥室，水深持續(xù)增加并保持在定值，流速先增后減并趨于零。

圖4 水深變化過程線圖

圖5 流速變化過程線圖

5 結(jié)論

Mike21模型具有簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，可以自由靈活地設(shè)置多種不同的邊界條件，快速解決工作中的實(shí)際問題。但其前處理功能相對(duì)較弱；后處理過程中計(jì)算成果的表現(xiàn)形式較為單一。為了更好地做好前處理和后處理相關(guān)工作，基于C#語言，研究開發(fā)了河流數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處理軟件，既可以提高前處理的工作效率，也豐富了后處理數(shù)據(jù)展現(xiàn)形式，簡(jiǎn)化了工作流程。該軟件可以推廣到其他河流洪水影響評(píng)價(jià)或洪水風(fēng)險(xiǎn)模擬等項(xiàng)目中，具有良好的使用效果和實(shí)踐推廣價(jià)值。