基于 DEM和“土地平整法”的水庫面積-庫容曲線計算系統設計與開發

2010-07-23 11:19:20許輝熙薛萬蓉何政偉張東輝

四川建筑 2010年3期

關鍵詞：設計

許輝熙,薛萬蓉,何政偉,張東輝

(1.四川建筑職業技術學院交通與市政工程系測量工程研究所,四川德陽 618000;2.成都理工大學數字國土與生態科學研究所,四川成都 610059)

修建水庫是水電站建設的重要內容。庫區地形開闊,河道縱坡緩,水庫蓄水量就大,工程效益也較大;反之,若庫區地形狹窄,河道縱坡陡,壩雖高,但其蓄水量不一定大。用以反映水庫地形特征的曲線稱為水庫特性曲線,分為水庫水位-面積關系曲線和水庫水位-庫容關系曲線(簡稱水庫面積-庫容曲線,下同),它們是水庫的重要技術指標,是水庫規劃設計的重要依據[1]。

水庫面積-庫容曲線計算,關鍵在于水庫庫容計算。常用水庫庫容計算方法有兩種[2]:一種是圖上量測;一種是實地量測。在圖上量算的方法中又有“等高線法”[3]、“格網法”、“橫斷面法”[4]和“解析法”[5]。 “等高線法”、“格網法”和“橫斷面法”計算庫容工作量大,耗時多,精度較低;“解析法”計算的精度比前三種方法要高,但算法復雜,不易實現。實地量測的方法是在庫區實地,采用測量橫斷面圖的方法進行庫容的量測計算,這種方法的精度要高些,但是實際可操作性不強。GIS技術的普及應用,為水利水電工作者解脫繁重的量算工作、提高工作精度和效率提供了技術支持。

本文基于數字高程模型(DEM),提出基于“土地平整法”計算水庫面積-庫容曲線的思想,并通過.NET平臺 C#語言編寫軟件,以期在水電開發決策的預可研階段實現水庫面積-庫容曲線的快速計算,提高決策效率和水平,有利于各項參數比選,真正做到水電站規劃的優化設計。

圖1 “土地平整法”計算水庫面積和庫容的基本原理

1 基本原理

“土地平整法”計算水庫面積-庫容曲線的基本原理:將計算水庫面積和庫容視為一項土地平整工程,水庫面積就是工程設計標高所在平面面積,水庫庫容計算就是工程土方的填方量,如圖 1所示。

“土地平整法”計算水庫面積和庫容的簡要過程:將“土地平整區”(庫區)微分成許多相同的正方形單元,且認為每個單元表面是水平的,即高程是均一的,而鄰近單元有差異。這樣,單個柵格單元填方體積實際就是地面與“土地平整設計標高線”(即水庫設計水位線)之間構成的立方體體積 V=Δh×s,s是微分單元面積,Δh是該單元實際地面高程與“設計標高”(即設計水位線)之間的差值。將整個“土地平整區”(即庫區)所有微分單元體積求和就是“土地平整工程量”(即庫容);而所有單元面積之和就是水庫水面面積。式(1)是水庫面積和庫容計算公式。

式中:a為地面采樣微分單元邊長;h0為某一設計水位高程;hi為該設計高程以下淹沒的某一單元的高程;n為淹沒單元個數;V為該設計高程的水庫庫容;S為該設計高程下的水庫面積。

根據式(1)可以計算任意設計水位高程 h0對應的水庫水面 S和水庫容積 V,進而可以繪制水位-面積曲線和水位-庫容曲線。

但是,和土地平整工程不同之處是,水庫庫容計算“只填不挖”,即只算“填方體積”,不算“挖方體積”,包括庫區中的孤島也不能“開挖”。

2 軟件系統架構與設計

2.1 系統框架設計

系統框架結構設計見圖2。本系統工作流程為:

(1)對 DEM數據進行預處理操作,生成系統易于導入的數據集。

(2)導入符合要求的數據集,生成一維數組,將硬盤數據導入到計算機的內存儲器中,以便于算法實現。

(3)進行計算前的準備工作,設置相關參數,滿足不同數據下對系統計算的不同需求,這些設置包括:設置高程信息、DEM分辨率和高程計算步長等。

(4)把事先導入的數據,通過讀取上述設置信息,代入數學模型中,分別得出水庫面積和水庫庫容計算結果。

(5)利用圖形控件,根據計算結果,生成水庫水位-面積和水庫水位-庫容曲線,將所有的原始數據、中間設置數據和計算結果(包括文本和圖形)都能夠以一定的方式導出到硬盤中,供研究分析使用。

2.2 系統詳細設計

本系統以 DEM(ASCII碼)數據為計算起點,以生成水庫水位-面積和水庫水位-庫容曲線為最終目標,整體功能具有嚴密的流程,數據具有明顯時序性。鑒于此,本系統的設計采用的是流程式架構,即根據數據運算的先后順序來劃分系統模塊。系統的功能總體上分為5個。

(1)數據導入模塊:讀取經過預處理的數據文件,并導入到數組中;

(2)數據準備模塊:進行計算前相關參數的設置等準備工作;

(3)數據計算模塊:根據數學算法,計算水庫面積和水庫容積;

(4)生成圖形模塊:繪制相關曲線;

(5)導出數據模塊:將中間數據以及結果數據進行導出。

3 水庫面積-庫容曲線計算系統的實現

3.1 關鍵技術

本系統開發工具選擇.NET平臺的 C#語言。C#是.NET平臺的主流語言,是一種先進的、面向對象的語言。通過 C#可以使程序開發人員快速地建立大范圍的基于 Microsoft網絡平臺的應用,并且提供大量的開發工具和服務,幫助開發人員開發基于計算和通信的各種應用。C#也可以為 C/C++開發人員提供快速的開發手段而不需要犧牲任何 C/C++語言的特點和優點。從繼承角度來看,C#在更高層次上重新實現了 C/C++,熟悉C/C++開發的人員可以很快地轉變為 C#開發人員。作為一種全新的語言,C#具有許多新特性,其中主要有自動內存管理、統一類型系統、版本控制及對網絡編程新標準的支持等。

圖2 水庫面積-庫容曲線計算系統框架設計

3.1.1 自動內存管理

.Net運行時(Run Time)提供了一個無用單元收集器,負責 C#程序中的內存管理。當檢測到過程需要清理時,即調用無用單元收集器,由其檢測哪些對象不可以從代碼中訪問,并將其刪除。

3.1.2 統一類型系統

所有類型都是從 System Object類型派生而來,并且它們都可被當作對象處理。

3.1.3 版本兼容

版本兼容問題起因于多個應用程序都安裝了相同DLL名字的不同版本。.Net平臺通過使用裝配件 (裝配件是自我描述的安裝單元)對應用程序提供版本支持,使C#可以更好地支持版本控制。

3.1.4 支持網絡編程新標準

C#的內置特性使任何組件可以輕松轉化為 XML網絡服務,被任何操作系統上運行的任何程序調用。

3.2 數據結構設計

本系統采用的是多級數據控制結構,可以在保護重點數據的前提下,利用緩存技術,優化文件數據的運算和存儲方式。數據讀取的方式是后臺處理辦法,一定程度上加速了讀取的速度。表1是系統核心數據的定義。

4 瑪爾擋水電站水庫面積-庫容曲線計算實例分析

4.1 研究區概況

黃河瑪爾擋水電站為西北勘測設計研究院《黃河上游干流多松至爾多河段水電規劃》推薦 3級開發方案中的第 2個梯級電站。壩址位于青海省瑪沁縣拉軍鎮上游約 5 km的黃河干流上,左岸為果洛州瑪沁縣,右岸為海南州同德縣,距上游規劃的寧木特水電站(正常蓄水位 3 410m)約 75 km,距下游規劃的爾多水電站(正常蓄水位 3 070m)約 33 km。西寧～果洛州省道(S101)通過下壩址右壩肩,距西寧市公路里程約 363 km。工程規模為Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物為1級,次要建筑物為 3級,是一座以發電為主的大型水電樞紐工程。工程目前處于預可研階段。

壩址區地處青藏高原腹地,為典型高原深切峽谷地貌。河谷彎曲,總體西流,深切 200～250m,河道狹窄,水流湍急,多有跌坎,岸坡陡峭,部分直立,基巖裸露較好,河床覆蓋淺,沖溝支流發育,多常年有水,兩岸高平臺為黃河高階地侵蝕堆積成因,受局部剝蝕,呈不連續分布。場內勘察工作環境和條件如氣候(多雨雪、大風)、交通、供水供電、水上作業等,極為困難。

4.2 水庫面積-庫容曲線的軟件計算過程

以瑪爾擋水電站研究區格網DEM計算初擬正常蓄水位3 270m時的水庫面積-庫容曲線為例,說明軟件的使用過程。

(1)DEM數據準備。采用研究區 1∶10000等高線數據,在 ArcGIS的 WorkStation工作環境中,利用 Topogridtool命令生成 2m分辨率格網DEM,根據水電站水庫設計的下壩址位置和初擬正常蓄水位 3 270m,通過掩膜(mask)處理得到正常蓄水位線以下的 DEM,利用 ArcGIS的“Raster to ASCII”命令將其導出為 ASCII碼(文本文件),刪除文本文件中記錄原數據行列號等信息的頭文件,得到可直接用于本系統計算水庫面積和庫容的數值文件。

(2)啟動系統(圖 3),讀入 DEM文本文件(圖 4)。

(3)輸入設計水位線、DEM柵格單元大小和高程計算步長(圖 5)。

(4)計算不同水位時的水庫面積(圖 6)。

(5)計算不同水位時的水庫庫容(圖 7)。

(6)自動生成水庫水位-面積關系曲線(圖 8)。

(7)自動生成水庫水位-庫容關系曲線(圖 9)。

(8)文本、圖片等成果輸出(圖 10)。