中小型天然河道水面曲線可視化計算系統(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實驗室，武漢大學，武漢430072）摘要 在天然河道治理和堤防除險加固中，都要通過水力計算得出水面曲線，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算的實用方法，并采用VB6.0語言編制出天然河道水面曲線可視化計算系統(tǒng)，應用該系統(tǒng)可簡化工程設計人員的工作難度，大大提高設計效率。關鍵詞 中小型天然河道；水力計算；水面曲線；軟件；VB6.0；CAD1 概述目前計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，試算法計算工作量相當大，多用于計算流量不變和流段較少的情況，對于流量變化和流

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。同時考慮到現(xiàn)有的中小型天然河道水面曲線計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，不能自動繪制成果圖。為此本水面曲線可視化計算系統(tǒng)力圖與實際工程需要相結合，將既有的計算程序發(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，并且自動繪制出河道水面縱橫剖面計算成果圖，提高了工作效率。2 數(shù)學模型及算法2.1 計算方法天然河道的水流一般是非恒定非均勻流。但經(jīng)驗表明，天然河道水力要素隨時間的變化是很緩慢的。因此，我們可以近似地認為天然河道的水流運動在一定時間內(nèi)是恒定非均勻流，這種近似滿足中小型天然河道規(guī)劃設計階段對水力計算的要求。計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)，對于收縮河段采用0，對于擴散河段，可以根據(jù)實際情況選取，如果出現(xiàn)兩個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，計算機將每次自動給此系數(shù)增加“-0.2”，再進行計算,直到得出合理結果。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Z0時，H即為其解。試算時，將H的范圍取為高于河底而低于斷面最高點，如果河水超過斷面最高點時，斷面需要加高。 二分法的具體作法是：先計算河道上半部分，即初設水位為斷面最高點，得到Z值，并令Z0=Z，次設水位為河底與斷面最高點之間的中點，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)判別結果，對新區(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 河道橫斷面計算即計算過水面積A和濕周。計算方法為將過水斷面分成若干梯形，分別計算每個梯形的面積和濕周后，疊加而成。3 可視化設計界面及計算機繪圖功能的開發(fā)3.1 界面程序編制要點本系統(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、所測地形點數(shù)、各斷面距上一斷面的距離、動能修正系數(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，輸入各斷面地形點的坐標(Xi，Yi，

6、Xi)，其中Yi為該點的高程，Xi和Xi分別為到中心點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，將自動跳出擋水建筑物基本資料的填寫，通過輸入橋墩個數(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，如果有誤直接點擊“修改數(shù)據(jù)”按鈕），最后進行計算，并且自動繪制出河道水面曲線成果圖，如界面。（略）為了使五個界面構成有機整體并與核心計算程序之間建立聯(lián)系，在界面程序中設置四個模塊，在第一個模塊中定義了一系列的

7、公用類型（Public）變量，用來將當前界面中輸入的數(shù)據(jù)賦給該模塊中的相應變量并保存起來，使在操作過程中已經(jīng)輸入的數(shù)據(jù)不會丟失。另外三個模塊為ConnectCAD()、AddLine和AddText，其功能在接下來的計算機繪圖功能的開發(fā)中將加以詳述，這樣給設計者在進行試算時帶來了很大的便利。3.2 計算機繪圖功能的開發(fā)計算機自動繪圖功能的開發(fā)，將減輕設計人員的工作強度，提高設計效率。本設計系統(tǒng)采用過程ConnectCAD()與AutoCAD實現(xiàn)連接，用AcadApp ActiveDocument. ModelSpace的AddLine、AddText、AddDimAligned屬性分別實現(xiàn)繪制

8、直線、添加文字和進行尺寸標注，使系統(tǒng)能夠快速準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 ("不能運行AUTOCAD,請檢查是否安裝了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 結語經(jīng)比較，本系統(tǒng)計算結果用廣東省梅州市水電設計院的手算結果進行了驗證，比較符合工程的實際情況。此外，在進行水面曲線計算時，糙率和局部阻力系數(shù)對計算成果的影響較大，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)，可以結合實際情況選用。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，計算斷面可適當加密。 參 考 文 獻1 徐正凡主編.水力學M

15、：北京：高等教育出版社，19862 (日)吉川秀夫著.水力學M：北京：北京冶金工業(yè)出版社，19863 劉潤生主編.水力學M：上海：上海交通大學出版社，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