基于Civil 3D計算水庫庫容的方法研究

侯 毅，孫湘琴，潘衛平，趙 琳

（浙江省水利水電勘測設計院，浙江 杭州 310002）

水庫的庫容計算是水利工程規劃設計中一項經常涉及的計算內容，傳統的庫容計算方法主要包括等高線法、斷面法［1］、方格網法以及在GIS軟件平臺上構建不規則三角網（TIN）模型，利用其統計分析和二次開發功能進行庫容計算［2］。

隨著BIM技術的推廣應用，許多三維設計軟件被越來越多的設計人員所掌握，軟件的某些功能為我們解決工程問題提供了新的思路。應用Civil 3D軟件“體積面板”功能可以方便、快捷地求解水庫庫容。

1 Civil3D體積面板法庫容求解原理

運用“體積面板”功能，分別指定“基準曲面”和“對照曲面”，三角網體積曲面提供了基準曲面和對照曲面之間的精確差異。體積曲面中任何點的Z值都恰好等于對照曲面和基準曲面在該點處的Z值之差，計算機即可自動統計出兩面間的體積。

該體積以兩面邊界的交集為邊界，可理解為以“基準曲面”為底面，“對照曲面”為頂面和以交集邊界為母線的豎直面圍合而成的封閉實體的體積。由于曲面是上下起伏的，“基準曲面”和“對照曲面”在不同位置的豎直方向上、下關系可能會有變化，軟件把“基準曲面”在下的體積記為填方，“基準曲面”在上的體積記為挖方。

應用以上原理，在建立地形曲面和水位曲面的基礎上，以庫底地形曲面為“基準曲面”，以某水位的水平面為“對照曲面”，兩面圍合形成體積。需要特別注意的是，正確的邊界是保證計量準確性的關鍵。由于靜庫容水面可近似認為是水平面［3］，兩面交集邊界就是水平面與地形曲面的交線，即一條標高等于水位值的等高線。在此等高線范圍內，內部孤島超出水面的體積記為挖方，地形曲面在下的體積記為填方，此填方量即為庫底地形曲面與水面之間水的體積，即該水位對應的庫容。

圖1 指定“基準曲面”和“對照曲面”創建體積曲面

圖2 體積曲面邊界和內部孤島

2 工程實例

以老撾某水庫工程為例，該項目處于規劃階段，已測得二維地形圖，初步擬定該水庫死水位995m，正常蓄水位1023m，設計洪水位1035m，校核洪水位1041m。欲了解各特征水位下的水位-庫容關系。

應用上述Civil 3D體積面板法，求解過程如下：

（1）地形圖處理

在Civil 3D中“創建曲面”將測量的等高線、地形點數據生成地形曲面。

表1 老撾某水庫水位～庫容曲線

圖3 利用測量數據生成地形曲面

（2）制作水位曲面

以正常蓄水位1023m為例，將壩址上游的1023m等高線連接成封閉的二維多段線，以該等高線創建1023m水位曲面。Civil 3D自動生成的三角網水位曲面，其邊界大于實際水域邊界。在曲面定義中，將1023m等高線添加為外部邊界，即可獲得理想的水位曲面。

圖4 用等高線界定水位曲面

（3）體積面板求解

應用“體積面板”功能，以地形曲面為“基準曲面”，以正常蓄水位1023m水位曲面為“對照曲面”，計算機自動統計：

①挖方，代表內部孤島超出水面的體積；

②填方，代表此水位對應的庫容；

圖5 軟件自動生成統計結果

（4）結果驗證

采用等高線法，計算庫容的基本公式［4］：

式中，ΔV—部分庫容，萬m3；A1，A2—相鄰兩等高線各自包圍的水面面積，萬m2；ΔZ—相鄰兩等高線（水位）間的水位差，m。

表1為老撾某水庫水位～庫容曲線，從表中可見，1023水位對應的庫容，等高線法計算結果為668.99萬m3，對比Civil 3D軟件統計結果669.37萬 m3，差別約為 0.6‰，表明此方法可靠。

（5）結果整理

按照上述方法，求解死水位、設計洪水位和校核洪水位對應庫容。結果如圖6所示。

結果可直接從軟件導出為表格，見表2。

圖6 各水位及對應庫容

表2 水庫水位-庫容表

3 結語

在Civil 3D中建立水位曲面和庫底地形曲面進行庫容計算，能夠消除面積量測的誤差，求解結果的準確度只取決于地形圖精度［5］，計算過程清晰簡潔、結果直觀易懂。特別是對于多內部孤島的情況（如千島湖水庫），效率優勢十分明顯。應用此方法，無需借助GIS平臺和規劃專業，只要有地形圖，水工設計人員便可快捷建立水位-庫容曲線，具有實際的推廣意義［6］。

［1］呂敏.水庫泥沙淤積分析及庫容測量［J］.水利技術監督，2016（01）：84-86.

［2］鄭東升.基于GIS平臺的水庫庫容計算方法研究［J］.安徽水利水電職業技術學校學報，2010，10（03）：22-24.

［3］蘆云峰，譚德寶，楊中華.空間信息技術的大型水庫庫容計算［J］.長江科學院院報，2010，27（01）：9-12.

［4］萬俊，高仕春.水資源開發利用［M］.武漢：武漢大學出版社，2008.

［5］付紅娟.關于水庫庫容計算方法探析［A］.第八屆東北三省測繪學術與信息交流會論文集［C］.326-328.

［6］朱方亮，呂朝陽.五強溪水庫擴大防洪庫容初步研究［J］.水利規劃與設計，2015（10）：41-43.