基于VB的斷面法沖淤計算編程實現與應用

梅同單，張智敏，甘坤，袁野

(長江水利委員會水文局西南諸河水文水資源勘測局，云南 昆明 650051)

1 引 言

為保證水電站的正常、高效運行，掌握庫區的沖刷淤積情況，電廠往往投入大量資源對庫區的泥沙和淤積情況進行監測。地形法、斷面法和輸沙量平衡法是庫區沖刷淤積計算最常應用的三種方法[1]。地形法需要對全庫或者部分地區進行地形測量，采用地形數據制作DEM分析沖刷淤積情況，其優點是分析數據精確，能直觀地反映庫區沖淤的空間變化，但測量時間長，投入成本較高，且需要周期性的測量分析，分析精度受測圖比例尺大小影響，比例尺越大分析精度越高。斷面法往往建立在地形測量的基礎上，根據河道形狀等布設河道橫斷面，周期性地測量橫斷面來分析沖刷淤積情況，其優點是測量時間短，投入成本低，但是受到斷面位置代表性、斷面間距大小、分析方法等影響，結果分析精度難以控制[2]。工程應用中往往采用縮小斷面間距的方法來提高分析精度。輸沙量平衡法是采用入庫和出庫水文、泥沙監測情況，分析全庫的出入庫泥沙情況，來分析庫區的沖淤情況，其優點是在了解沖刷淤積數量的同時還可以掌握泥沙特性等情況，但是水文、泥沙監測投入成本較高，難以掌握沖刷淤積的空間分布情況，且精度受監測數據影響較大。相比之下，斷面法計算沖淤量是最常用的辦法，其監測成本相對較低，適合周期性監測，精度易把控，能基本掌握沖刷淤積的空間分布情況。

斷面法計算沖淤量原理簡單，市場當中應用的程序很多，但是往往只輸出一個沖淤結果，無法得到斷面間沖淤變化的縱向分布情況，難以分析沖淤量的可靠性，無法核定計算結果的影響因素，比如斷面長度不一致造成面積差過大、斷面間距影響結果精度等。本文主要采用基于對象的程序設計語言Visual Basic(簡稱VB)，通過將斷面測量成果數據(點名、起點距、高程)導入計算程序，判斷斷面的長度，人為給出斷面的間距，計算斷面間總槽蓄量和各高程值對應的槽蓄量，得到斷面間的沖刷淤積量及縱向分布情況。同時，通過計算的斷面面積、槽蓄量等，分析沖淤量的可靠性，通過部分人為干預或調整，進一步提高計算結果的精度。

2 斷面法計算沖淤量

斷面法計算沖淤量，主要是通過測量河道橫斷面，計算斷面面積、相鄰斷面間距，將相鄰斷面間的幾何形態近似為臺體或椎體，采用梯形法或錐形法計算相鄰斷面間在同一水位下的槽蓄量(即容積)，通過兩個測量周期計算的槽蓄量，得到兩相鄰斷面間的沖淤變化量，累計各斷面間的沖淤量即可得到全庫的沖淤變化總量[3]。

斷面法計算沖淤量具體步驟如下：

(1)根據河道形狀等布設橫斷面，采用一定的測量手段測量斷面數據(X，Y，Z)，實測水位或根據沿程水位變化情況推算水位值H。

(2)整理斷面數據，算出斷面起點距D和高程Z，計算確定的水位下各斷面的面積S。公式如下：

Sj=∑(Zji+Zji+1)×|Dji+1-Dji|÷2

(1)

式中：Sj——第j條斷面的面積；

Zji——第j條斷面第i點的高程；

Dji——第j條斷面第i點的起點距。

(3)確定相鄰斷面間距L，一般采用河道中心線或深泓線量算。

(4)采用梯形法或椎體法計算相鄰斷面間的槽蓄量V。

相鄰橫斷面槽蓄量計算公式如式下[4]：

(2)

式中：Vj——相鄰斷面間(第j條與第j+1條)槽蓄量；

Lj——相鄰斷面間(第j條與第j+1條)的距離；

Sj——第j條橫斷面面積；

Sj+1——第j+1條橫斷面面積。

當兩相鄰斷面的面積相近，可將相鄰兩斷面間的形態看似梯形；當兩相鄰斷面的面積差距較大時，錐形體更能代表兩相鄰斷面間的形態。

(5)不同測次間的相鄰斷面間槽蓄量即為相鄰斷面間的沖淤變化量△V。

斷面法計算沖淤量，其結果精度主要受斷面代表性、測量精度和斷面間距影響[1]。測量精度主要影響斷面特征點的高程值，影響斷面面積進而影響到沖淤量的精度；斷面間距一般采用河道中心線或深泓線量算，在平直河道影響不大，但在彎曲河道會存在較大差異，從而影響斷面間的槽蓄量。斷面的布設位置代表性也會對沖淤結果產生影響。

采用斷面法計算沖淤量還要求兩個測次采用同一水位值，不同測次的同一斷面具有相同的長度，這樣對結果影響較小。斷面布設越近，越能代表沖淤變化的空間特征。

3 編程實現

Visual Basic(簡稱VB)是一種通用的基于對象的程序設計語言，該語言不但可以達到結構化程序所設計的多項對象這一設計語言需求，而且還兼具圖形用戶接口，方便向設計程序語言方面創造更優質的服務[5]。

3.1 主要需要解決的問題

(1)斷面的長度須一致，計算水位采用同一水位值。

常規計算軟件往往忽略斷面長度對面積的影響，使得斷面長度對沖淤量的影響被無視。本程序采用編輯整理后的斷面數據，程序自動分析斷面的長度，截取相同的斷面長度。根據兩不同測次相同斷面的起點距大小進行判斷，讀取兩不同測次相同斷面的起點距最大值和最小值，程序自動進行截取，使得兩不同測次斷面有相同的長度(即有效分析長度)。如若需分析的斷面長度固定，測量長度無法滿足需求時也可通過線性內插得到部分點的起點距和高程。

計算水位采用相同水位值進行，避免了因水位不同造成的誤差。

(2)沖淤量的縱向分布難以看出，沖淤厚度情況難以掌握。

常規計算軟件采用一個水位值計算，僅得到一個總的沖淤量，無法看出沖淤變化的縱向分布。本程序設計采用相同水位值計算，程序自動分析斷面的最高點、最低點、深泓點、中間點等，計算得到高程變化區間，可根據實際需求設定沖淤變化分析高程區間，計算不同的高程區間的槽蓄量，得到不同測次兩相鄰斷面間的沖淤量在縱向的分布情況。同時，也可計算出沖刷面積和淤積面積。

常規計算軟件往往只輸出一個沖淤總量，無法得到沖淤厚度的數值。沖淤變化在平面上的分布主要通過沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值來表示。本程序根據斷面槽蓄量的計算、斷面間面積的確定以及斷面縱向的沖淤變化分布，可以計算出沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值。

3.2 程序設計流程圖(圖1)：

圖1 程序設計流程圖

4 應用實例

在瀾滄江中游某電站測量項目中，需要對河道進行河道演變分析和沖淤分析評價。外業測量采用SONIC 2024多波束測深系統進行，采集測區水下的高密度點云數據。從點云數據中每10m布設一條斷面，提取斷面數據進行編輯整理，采用程序計算沖淤量，輸出需要的斷面長度、斷面間面積、槽蓄量、沖淤量、沖淤厚度等數據，得到需求的結果。

程序計算得到該區域淤積了 1 027.3 m3，面積為 417.3 m2，平均淤積厚度為 2.46 cm，總沖淤量計算結果如表1所示：

斷面法計算沖淤量結果 表1

斷面間縱向沖淤變化情況如表2(此表僅列出沖淤量，按 5 m間距分析，沖淤面積、沖淤厚度等暫未列出)：

斷面間沖淤變化縱向分析結果 表2

采用不同測次的多波束測深系統采集的高密度點云數據，生成地形圖，導入ArcGIS 10.2，通過格式轉換、生成TIN、生成RASTER等步驟，分析兩不同測次的沖刷淤積量，得到該區域淤積了 1 058.1 m3，面積為 420.6 m2，平均淤積厚度為 2.51 cm。計算結果較為接近，程序計算結果與ArcGIS地形法分析誤差為3%，說明程序計算結果可靠。

5 結 語

(1)本程序在斷面數據分析方面，實現了程序的自動判斷，減少了人為對數據整理的步驟，減小了勞動強度、縮短了作業時間、提高了作業效率。

(2)本程序采用斷面法計算沖淤量，可以消除斷面長度不同造成分析精度低等問題，直接輸出沖刷淤積量，分析區域內的沖刷面積、淤積面積、平均沖刷厚度、平均淤積厚度等值，以及縱向的沖刷淤積情況。具有操作方便、計算結果可靠、成果豐富等優點。

(3)本程序計算的斷面長度、斷面面積、斷面深泓點數據、斷面間面積、槽蓄量等數據，生產實踐中還有很多應用價值。生產當中可采用斷面長度等數據進行測量工作量統計，斷面深泓數據等可作為河道演變分析的依據，斷面間槽蓄量的計算方法也可應用到庫容計算等領域，不同高程級的槽蓄量、面積計算等也可作為庫容-水位(高程)、面積-水位(高程)曲線關系計算的依據，在水庫、河道、湖泊等水利項目中具有一定的應用價值。

此程序也有一定的局限。在成果展示方面還難以實現，無法像ArcGIS或其他三維顯示軟件等進行三維展示，成果僅限于數據表格等形式。在工程實際中如只需要簡單的成果數據，本程序是能滿足需求的。