基于Civil 3D的某調蓄水池容積計算

辛振科

(甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司， 蘭州 730000)

水庫庫容是水庫最重要的參數指標，精確高效地計算水庫庫容對水庫的運行調度和設計計算有著至關重要的作用。胡躍斌等[1]闡述了容積等效斷面間距的高程分級標準、計算流程及特殊問題的處理方法。靳晟等[2]研究了如何在Visual studio.net 2010和Arc GIS engine SDK10.0環境下，使用C#語言實現三維可視化水庫庫容計算系統的方法，并設計了地形數據處理、視圖處理等主要子功能模塊。魏萬鴻等[3]在對各種常用庫容計算公式進行對比分析的基礎上，改進了已有的“擬臺體公式”，并分析了各種計算公式的計算精度及適用范圍。徐玲玲等[4]以某水庫為研究對象，采用數值解析法進行調洪演算，對比考慮和不考慮動庫容影響的計算結果，以及對比考慮動庫容影響下分段推算和不分段推算的計算結果，驗證了數值解析法的有效性和精確性。何亮等[5]基于ArcGIS Engine開發了水庫庫容計算與淤積分析專用軟件，實現了水庫庫容的高精度計算。荊海峰等[6]將三維激光掃描技術應用于某抽水蓄能電站庫容的三維測量中，介紹了數據從采集、處理、成果輸出的流程。王曉莉等[7]分別采用斷面法、三角網法、方格網法計算了不同滯洪水位下的庫容量，認為采用三角網法計算庫容應用較靈活，計算精度較高。王元超[8]利用GIS的空間疊加分析、屬性表連接、CAD輔助制圖、Excel快速編輯及統計，提出了一種水庫庫容高效計算方法。李浩等[9]采用等高線法和離散點法計算水庫庫容，發現離散點法計算結果精度更高。馬超等[10]利用AutoCAD Civil 3D軟件曲面高程分析特性，創建曲面分層體積數據，使用Excel Vba編程工程對數據進行修正并創建庫容曲線。采用二次插值公式，實現不同水位與庫容插值，方便設計人員查找特征水位、特征庫容。本文采用Civil 3D軟件建立某調蓄水池的三維模型，通過Civil 3D軟件自動計算所建立的三維模型的體積來求出調蓄水池的容積，并與傳統的等高線法計算的結果進行對比。

1 工程案例

某調蓄水池平面布置圖如圖1所示，圖2為圖1中的1-1剖面圖，池底高程為1 768.50m，池頂高程為1 775.00m，內壩坡坡比為1∶2.75，其余尺寸參數見圖1、圖2。

2 庫容計算

2.1 等高線法

本工程調蓄水池的內坡坡比為1∶2.75，池深為6.5m。因此每0.5m高度計算一個截面，由低往高依次編為序號A0-A13。計算結果如表1所示。

首先將內坡坡底線合并成一條閉合曲線，采用CAD偏移命令，對勾勒出的閉合多段線向外偏移，偏移距離為：內坡坡比2.75乘以擬上升水位高度。

圖1 某調蓄水池平面布置圖

圖2 某調蓄水池1-1剖面圖

表1 等高線法庫容計算結果

庫容按如下公式計算：

(1)

V=∑Vi

(2)

式中：

Ai表示第i個多段線勾勒出閉合多段線等高線的面積，Hi表示第i次計算時的水深，Vi表示Ai與Ai+1之間Hi水深對應的水體體積，i≥1，i為整數；V表示調蓄水池水深對應的容積。

2.2 Civil 3D三維建模法

AutoCAD Civil 3D是一款Autodesk公司推出的面向基礎設施行業的BIM解決方案。本文通過Civil 3D三維建模功能，建立調蓄水池內水體的三維模型來計算水池容積。

首先將內壩坡坡底線和內壩坡坡頂線分別合并成一條閉合多段線(該多段線各頂點的高程相同)，將坡頂線向上垂直移動6.5m(本工程池深)，其次采用Civil 3D放樣命令，對坡頂線和坡底線進行直紋放樣，放樣出的三維模型如圖3所示，圖中由高到低依次為壩頂高程對應的庫容模型、設計水位對應的庫容模型、最低死水位對應的庫容模型。再次采用Civil 3D軟件快捷命令“MASSPROP”求出模型的三維特性，計算結果截面如圖4所示，可以看出計算出的體積為29 351.182m3。為了給出庫容曲線，繼續采用三維拉伸面命令，將模型由頂面依次向下偏移，使用“MASSPROP”命令求出頂面向下偏移后的模型體積，即水位下降后的調蓄水池容積，如此循環計算，直至水池水位不足一個下降標高。表2給出了Civil 3D三維建模法的計算結果，為了與等高線法計算結果進行對比，表2采用的截面編號與水位變化高度與表1相同。

圖3 庫容三維模型

圖4 模型求解結果

表2 Civil 3D三維建模法庫容計算結果

2.3 計算結果對比

通過對比表1和表2的數據可知，等高線法和Civil 3D三維建模法計算的庫容僅有細微的差別，二者的誤差在0.001以內，等高線法計算的結果略高于Civil 3D三維建模法計算的結果。

等高線法和Civil 3D三維建模法計算的庫容曲線如圖5所示。從圖5可以看出二者的水位-庫容曲線近乎完全重合。

從計算過程可以看出，等高線法的計算精度取決于每次上升水位的高度，當高度無限小時，計算結果將無限逼近Civil 3D三維建模法計算的結果，但這樣將花費設計工作人員的較多的時間和精力。

圖5 某調蓄水池水位-庫容曲線

3 結 語

等高線法和Civil 3D三維建模法計算的水池容積均具有非常高的精度和可信度，兩種計算方法可以互相驗證校核，從而確保計算結果的準確無誤。

當需要給出庫容曲線時宜采用等高線法計算，當只需給出總庫容時宜采用Civil 3D三維建模法計算，從而提高計算設計工作人員的效率。

等高線法的計算精度取決于選取等高線的數量，為確保計算精度，選取的等高線數量不宜過少，從本文的計算可以看出，每0.5m取一條等高線可以確保較高的精度。

Civil 3D三維建模法計算精度和效率非常高，適用于計算各種復雜地形的水庫水池，宜推廣普及。