SMS在河道沖淤分析中的應用

郁玉鎖

SMS在河道沖淤分析中的應用

郁玉鎖

一、引言

目前根據實測資料分析河道沖淤的途徑主要有兩種：一種是根據河道水下實測地形切割斷面，按幾何法（簡稱地形斷面法）直接計算河道泥沙的沖淤體積，即由某一水位高程下的上、下斷面過水面積計算斷面間相應水位下的河道槽蓄量，對各計算斷面間的河道槽蓄量累加，并由此計算全河段相應水位下的河道槽蓄量；另一種方法是河道輸沙平衡分析法（簡稱輸沙量法)，根據河段進出口水文測站的實際輸沙量估算河道泥沙的沖淤量，即輸入和輸出某一河段的沙量之差，應等于該河段內河床淤積和沖刷的沙量。上述兩種方法在空間分析上存在一定的局限性，不能直觀反映河道沖淤的具體部位。

SMS（Surface-water ModelingSystem）是由美國陸軍工程兵水利工程實驗室和揚·伯明翰大學等合作開發的一款較為成熟的水環境模擬軟件。SMS具有強大的前后處理和計算功能。在前處理方面，能自動生成四邊形網格和三角網格，并可直接進行單元格質量的調整；在后處理方面，具有強大的分析功能，如三維河道地形的展示，流場動畫的制作等等。本文主要采用SMS中的前后處理模塊進行河道沖淤的計算。

二、河段概況

本次分析采用的地形資料以2005年安徽省水利水電勘測設計院實測的地形圖和2008年安徽省交通勘測設計院實測的地形圖為基礎，選取淮河中游鳳臺大橋至平圩大橋段，進行河床演變分析。本段河道形態見圖1。

鳳臺大橋至平圩大橋河段全長約26km，本段河型復雜，是淮河中游段河道形態最復雜的河段之一。河段主槽斷面復雜，深泓變化大。本段整治工程集中，已實施的整治工程為黑龍潭疏浚；正在實施和將要實施的有上、下六坊堤廢棄及其河道疏浚等。本段行洪區眾多，涉及淮干行洪的行洪區有燈草窩生產圩、上六坊堤行洪區、下六坊堤行洪區。本河段上游有峽山口控制，下游有荊山口控制，兩個山口均是兩山對峙，一水中穿。幾千年來，淮河一直穿行于這兩個峽山之間，從未決出峽山，因此本河段河勢一直相對穩定。

三、基于SMS河道數字地形的建立

1.不規則三角網（TIN）的建立

不規則三角網（TIN，TriangulatedIrreg-ularNetwork）是一種表示數字高程模型的方法，利用現有地形圖上的離散點數據將研究區域劃分為相連的三角面網格，即對于平面上n個離散點，其平面坐標為（xi，yi），i=1，2，…，n。將其中相近的三點構成最佳三角形，使每個離散點都成為三角形的頂點。三角面的形狀和大小取決于河道地形測點的位置和密度。TIN的數據存儲方式比格網復雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標、節點連接的拓撲關系等。

TIN建立后，區域中任意點落在三角面的頂上、邊上和三角形內。如果點不在頂點上，該點的高程通常利用線性插值的方法得到（在邊上的用邊的兩個頂點的高程，在三角形內則用三個頂點的高程）。

2.網格的布置及插值

為了統一2005年、2008年兩測次的河道地形的計算范圍，在TIN的基礎上布置網格，然后在內插出網格節點的高程值。研究河段的網格布置如圖2所示。

為較好地反映河道地形的變化，采用二次四邊形單位劃分河道主槽區域，采用二次三角形單元劃分河道灘地區域，共布置網格約1.4萬個，覆蓋兩岸河堤之間的河道地形。網格節點高程插值的方法很多，如距離加權法、多項式內插法、樣條函數內插法、多面函數法等等。大量的實驗證明，由于實際地形的非平穩性，不同的內插方法對河道地形的精度并無顯著影響，主要取決于原始采樣點的密度和分布。本次網格節點高程采用線性內插法。

四、基于SMS河道沖淤分析的應用

建立河道地形數字高程模型后，利用SMS軟件對河道地形表面進行分析，如斷面套繪、河道沖淤分布分析等。

1.斷面套繪

河道橫斷面的變化是河道沖淤最直觀的表現，不同年份實測斷面的對比分析可以反映該河段的橫向和縱向變形。但由于2005年和2008年兩測次斷面位置不固定，利用原始數據進行斷面套繪較困難。而利用SMS可對建立的河道地形數字高程模型切割一條或多條橫斷面，從而彌補河道斷面測量位置不固定帶來的問題。

河道斷面1套、2套繪圖見圖3、圖4。從圖中可以看出，采用這種插值方式也會造成一定的誤差，這種方法從2008年插值得出的數據精度較低，主要是散點的密度以及分布造成的。總體數據精度較高，可以滿足斷面套繪的需要，具有一定的推廣價值。對于數值差別較大的區域，可以通過對該區域網格進行適當加密來消除奇異點。

2.沖淤分布分析

通過對不同測次的河道網格點高程進行相減，得出兩個測次之間各網格處河道沖淤厚度，再建立網格點的高程Z為河道沖淤厚度的河道地形模型，就可以形象直觀地表現出河道沖淤在研究區域內的分布。Z大于零表示河道淤積，反之，表示河道沖刷。

由圖3、圖4可以得出，本河段總體沖淤趨勢是刷槽淤灘。燈草窩左汊呈緩慢淤積的趨勢；超河段主槽呈沖刷趨勢，局部有沖刷深坑。

上述沖淤圖不僅能定性分析河道的沖淤部位和沖淤強度，還可以將沖淤厚度大于某一數值的區域標示出來，并計算其所占面積比例等等。將沖淤厚度分為幾等級，計算出每個區域的面積、體積，可更清晰地表現河道的沖淤分布格局，有利于認識泥沙在河道內的沖淤變化規律。

五、結論

本文介紹了兩種常規河道沖淤分析方法，輸沙量差法和斷面法。上述兩種方法存在不能直觀反映河道沖淤具體部位，空間分析能力差等缺陷。

以鳳臺大橋至平圩大橋河段為例，詳細介紹了利用SMS軟件建立河道數字高程地形的具體實現方法，并得出了本段河道的演變情況。

基于SMS對河道數字地形進行分析，通過切割河道表面生成的斷面數據，可以進行斷面套繪的分析，從而彌補河道斷面測量位置不固定帶來的問題。通過對2005年、2008年兩個測次的河道地形模型的對比分析，得到河床沖淤變化圖，可以直觀地分析河道的沖淤部位和沖淤強度在研究區域內的分布。上述研究表明，基于SMS進行河道沖淤分析是一種行之有效的方法，值得推廣

安徽省淮河河道管理局233000）

（專欄編輯：徐 攀）