中小型天然河道水面曲線可視化計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)研究

1、中小型天然河道水面曲線可視化計(jì)算系統(tǒng)的開發(fā)研究任翔 劉川順 （水資源與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢大學(xué)，武漢430072）摘要 在天然河道治理和堤防除險(xiǎn)加固中，都要通過水力計(jì)算得出水面曲線，從而確定河道的水力要素。本文探討了中小型天然河道水力要素計(jì)算的實(shí)用方法，并采用VB6.0語言編制出天然河道水面曲線可視化計(jì)算系統(tǒng)，應(yīng)用該系統(tǒng)可簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)人員的工作難度，大大提高設(shè)計(jì)效率。關(guān)鍵詞 中小型天然河道；水力計(jì)算；水面曲線；軟件；VB6.0；CAD1 概述目前計(jì)算中小型天然河道水面曲線的常用方法是試算法、圖解法和迭代法，試算法計(jì)算工作量相當(dāng)大，多用于計(jì)算流量不變和流段較少的情況，對(duì)于流量變化和流

2、段較多的情況，采用圖解法可以節(jié)省一定的工作量。圖解法大致分為兩大類，一類是考慮流速水頭和局部水頭損失的圖解法，該法過程繁瑣；另一類是忽略流速水頭和局部水頭損失的圖解法，如艾斯考夫法，該法為了免去計(jì)算的難度，略去某些次要水力因素的影響，必將帶來很大的累計(jì)誤差，然而采用二分迭代法能很好地避免工作量大、精確度不高的缺點(diǎn)。同時(shí)考慮到現(xiàn)有的中小型天然河道水面曲線計(jì)算程序不能完全顧及河道斷面、流量的沿程變化和水工建筑物（如橋墩）帶來水面壅高變化的影響，不能自動(dòng)繪制成果圖。為此本水面曲線可視化計(jì)算系統(tǒng)力圖與實(shí)際工程需要相結(jié)合，將既有的計(jì)算程序發(fā)展到能考慮流量、糙率沿程變化及地形變化和擋水建筑物帶來的水面壅高

3、等綜合影響，并且自動(dòng)繪制出河道水面縱橫剖面計(jì)算成果圖，提高了工作效率。2 數(shù)學(xué)模型及算法2.1 計(jì)算方法天然河道的水流一般是非恒定非均勻流。但經(jīng)驗(yàn)表明，天然河道水力要素隨時(shí)間的變化是很緩慢的。因此，我們可以近似地認(rèn)為天然河道的水流運(yùn)動(dòng)在一定時(shí)間內(nèi)是恒定非均勻流，這種近似滿足中小型天然河道規(guī)劃設(shè)計(jì)階段對(duì)水力計(jì)算的要求。計(jì)算恒定流一般采用伯諾里方程，通過二分法試算求解，即： (1)式(1)中：符號(hào)的下表1、2分別代表同一河段的下游斷面和上游斷面； 為沿程水頭損失，；為局部水頭損失，； 為局部阻力系數(shù)，對(duì)于收縮河段采用0，對(duì)于擴(kuò)散河段，可以根據(jù)實(shí)際情況選取，如果出現(xiàn)兩個(gè)試算水位均小于下游水位的情況，

4、表示局部阻力系數(shù)選用不當(dāng)，計(jì)算機(jī)將每次自動(dòng)給此系數(shù)增加“-0.2”，再進(jìn)行計(jì)算,直到得出合理結(jié)果。2.2 二分法原理采用二分法試算求解，將伯諾里方程變?yōu)椋?(2)式(2)中：H為上游斷面的試算水位，則當(dāng)Z0時(shí)，H即為其解。試算時(shí)，將H的范圍取為高于河底而低于斷面最高點(diǎn)，如果河水超過斷面最高點(diǎn)時(shí)，斷面需要加高。 二分法的具體作法是：先計(jì)算河道上半部分，即初設(shè)水位為斷面最高點(diǎn)，得到Z值，并令Z0=Z，次設(shè)水位為河底與斷面最高點(diǎn)之間的中點(diǎn)，又得Z值，用Z0Z作判別式，如Z0Z<0，表示水面在此區(qū)間，如Z0Z>0，表示水面在另一區(qū)間，根據(jù)判別結(jié)果，對(duì)新區(qū)間繼續(xù)二分和繼續(xù)判別，逐步

5、縮小搜索區(qū)，直至試算的兩個(gè)水位差在允許誤差范圍內(nèi)為止，從而得出該斷面的水位。2.3 河道橫斷面計(jì)算即計(jì)算過水面積A和濕周。計(jì)算方法為將過水?dāng)嗝娣殖扇舾商菪?，分別計(jì)算每個(gè)梯形的面積和濕周后，疊加而成。3 可視化設(shè)計(jì)界面及計(jì)算機(jī)繪圖功能的開發(fā)3.1 界面程序編制要點(diǎn)本系統(tǒng)采用VB6.0編制了可視化操作界面。首先輸入工程名稱、起推水位和所計(jì)算的橫斷面?zhèn)€數(shù)，選擇流量、糙率特征以及是否具有擋水建筑物，如界面I。（略）其次輸入各斷面的河底高程、所測(cè)地形點(diǎn)數(shù)、各斷面距上一斷面的距離、動(dòng)能修正系數(shù)、局部阻力系數(shù)、流量和糙率，如界面II。（略）接著根據(jù)提供的河道橫斷面示意圖，輸入各斷面地形點(diǎn)的坐標(biāo)(Xi，Yi，

6、Xi)，其中Yi為該點(diǎn)的高程，Xi和Xi分別為到中心點(diǎn)0的距離，這樣充分考慮了河道地形變化帶來的影響，如界面III。（略）其中在界面III中提供了CheckBox控件用來選擇該斷面是否具有擋水建筑物，選中該控件，將自動(dòng)跳出擋水建筑物基本資料的填寫，通過輸入橋墩個(gè)數(shù)和橋墩直徑，從而考慮擋水建筑物壅水帶來的影響，如界面。（略）最后為計(jì)算控制界面，首先檢查輸入的數(shù)據(jù)是否正確（可以參考各橫斷面圖，如果有誤直接點(diǎn)擊“修改數(shù)據(jù)”按鈕），最后進(jìn)行計(jì)算，并且自動(dòng)繪制出河道水面曲線成果圖，如界面。（略）為了使五個(gè)界面構(gòu)成有機(jī)整體并與核心計(jì)算程序之間建立聯(lián)系，在界面程序中設(shè)置四個(gè)模塊，在第一個(gè)模塊中定義了一系列的

7、公用類型（Public）變量，用來將當(dāng)前界面中輸入的數(shù)據(jù)賦給該模塊中的相應(yīng)變量并保存起來，使在操作過程中已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。另外三個(gè)模塊為ConnectCAD()、AddLine和AddText，其功能在接下來的計(jì)算機(jī)繪圖功能的開發(fā)中將加以詳述，這樣給設(shè)計(jì)者在進(jìn)行試算時(shí)帶來了很大的便利。3.2 計(jì)算機(jī)繪圖功能的開發(fā)計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪圖功能的開發(fā)，將減輕設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用過程ConnectCAD()與AutoCAD實(shí)現(xiàn)連接，用AcadApp ActiveDocument. ModelSpace的AddLine、AddText、AddDimAligned屬性分別實(shí)現(xiàn)繪制

8、直線、添加文字和進(jìn)行尺寸標(biāo)注，使系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確的繪制出天然河道水面線成果圖。其中，過程ConnectCAD用于連接AutoCAD，程序代碼如下：Public ACADAPP As AcadApplication '檢查運(yùn)行AUTOCADPublic Sub 連接autocad()On Error Resume NextSet ACADAPP = GetObject(, "AUTOCAD.APPLICATION")If Err Then Err.Clear Set ACADAPP = CreateObject("AUTOCAD.APPLICATION&qu

9、ot;) If Err Then MsgBox ("不能運(yùn)行AUTOCAD,請(qǐng)檢查是否安裝了AUTOCAD") Exit Sub End IfEnd IfACADAPP.Visible = True : ACADAPP.Documents.AddEnd SubAddLine屬性用于繪制直線，程序代碼如下：Public Sub DrawLine(X1 As Variant, Y1 As Variant, X2 As Variant, Y2 As Variant, Lcolor As Integer) Dim Lineobj As AcadLine : Dim Pstart(0

10、 To 2) As DoubleDim Pend(0 To 2) As Double Pstart(0) = X1 : Pstart(1) = Y1 : Pend(0) = X2 : Pend(1) = Y2 Set Lineobj = ACADAPP.ActiveDocument.ModelSpace.AddLine(Pstart, Pend) Lineobj.Color = LcolorZoomExtentsEnd Sub AddText屬性用于文本編輯，程序代碼如下：Public Sub WriteFont(P_Iinsert As Variant, Text_String As Str

11、ing, Text_Roation As Single, SIZE As Variant) 'CAD中寫字Dim Styobj As AcadTextStyleDim Typeface As String:Dim Bold As BooleanDim Italic As Boolean : Dim CharSet As LongDim PitchandFamily As Long:Dim Textobj As AcadTextDim Insertp(0 To 2) As Double:Dim Height As DoubleSet Styobj = ACADAPP.ActiveDocu

12、ment.TextStyles.Add("M_Font1")Typeface = "宋體" : Italic = True : CharSet = 1PitchandFamily = 1 Or 16Styobj.SetFont Typeface, Bold, Italic, CharSet, PitchandFamilyACADAPP.ActiveDocument.ActiveTextStyle = StyobjInsertp(0) = P_Iinsert(0) : Insertp(1) = P_Iinsert(1) : Height = SIZESet

13、 Textobj = ACADAPP.ActiveDocument.ModelSpace.AddText(Text_String, Insertp, Height)Textobj.Rotation = Text_RoationTextobj.UpdateEnd SubAddDimAligned屬性用于尺寸標(biāo)注，程序代碼如下：Private Sub Command1_Click()Dim dimObj As AcadDimAlignedDim point1(0 to 2) As Double : Dim point2(0 to 2) As Double : Dim location(0 to 2

14、) As DoubleSet dimObj=AcadApp.ActiveDocument.ModelSpace.AddDimAligned(point1, point2,location)End Sub4 結(jié)語經(jīng)比較，本系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果用廣東省梅州市水電設(shè)計(jì)院的手算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，比較符合工程的實(shí)際情況。此外，在進(jìn)行水面曲線計(jì)算時(shí)，糙率和局部阻力系數(shù)對(duì)計(jì)算成果的影響較大，在有資料的河段，可以根據(jù)水文資料來推求河段的平均糙率，在無資料的地區(qū)，可以結(jié)合實(shí)際情況選用。河道的分段原則上要求該段河道內(nèi)的形狀、糙率、底坡的變化不要太大，若不能滿足時(shí)，計(jì)算斷面可適當(dāng)加密。 參 考 文 獻(xiàn)1 徐正凡主編.水力學(xué)M

15、：北京：高等教育出版社，19862 (日)吉川秀夫著.水力學(xué)M：北京：北京冶金工業(yè)出版社，19863 劉潤生主編.水力學(xué)M：上海：上海交通大學(xué)出版社，19825 張俊華編. 河道整治及堤防管理M：河南：黃河水利出版社，19986 張晉西. Visual Basic與AutoCAD二次開發(fā)M.北京：清華大學(xué)出版社，2002THE DEVELOPMENT AND RESEARCH TO VISUAL CALCULATE SYSTEM OF MEDIUM AND LITTLE-SIZED RIVERS SURFACE HYDROGRAPHRen xiang , Liu Chuan-shun(Stat

16、e Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072 , China)Abstract As for river administration and flood protection, it is essential to get the rivers surface hydrograph and ascertain some rivers hydraulic factors. Therefore, this paper research some applicative methodologies about medium and little-sized rivers hydraulic factor. At the same time, introduce a river surface