中小型天然河道水面曲线可视化计算系统的开发研究
任翔 刘川顺
(水资源与水利水电工程国家重点实验室,武汉大学,武汉430072)
摘要 在天然河道治理和堤防除险加固中,都要通过水力计算得出水面曲线,从而确定河道的水力要素.本文探讨了中小型天然河道水力要素计算的实用方法,并采用VB6.0语言编制出天然河道水面曲线可视化计算系统,应用该系统可简化工程设计人员的工作难度,大大提高设计效率.
关键词 中小型天然河道;水力计算;水面曲线;软件;VB6.0;CAD
1 概述
目前计算中小型天然河道水面曲线的常用方法是试算法,图解法和迭代法,试算法计算工作量相当大,多用于计算流量不变和流段较少的情况,对于流量变化和流段较多的情况,采用图解法可以节省一定的工作量.图解法大致分为两大类,一类是考虑流速水头和局部水头损失的图解法,该法过程繁琐;另一类是忽略流速水头和局部水头损失的图解法,如艾斯考夫法,该法为了免去计算的难度,略去某些次要水力因素的影响,必将带来很大的累计误差,然而采用二分迭代法能很好地避免工作量大,精确度不高的缺点.同时考虑到现有的中小型天然河道水面曲线计算程序不能完全顾及河道断面,流量的沿程变化和水工建筑物(如桥墩)带来水面壅高变化的影响,不能自动绘制成果图.为此本水面曲线可视化计算系统力图与实际工程需要相结合,将既有的计算程序发展到能考虑流量,糙率沿程变化及地形变化和挡水建筑物带来的水面壅高等综合影响,并且自动绘制出河道水面纵横剖面计算成果图,提高了工作效率.
2 数学模型及算法
2.1 计算方法
天然河道的水流一般是非恒定非均匀流.但经验表明,天然河道水力要素随时间的变化是很缓慢的.因此,我们可以近似地认为天然河道的水流运动在一定时间内是恒定非均匀流,这种近似满足中小型天然河道规划设计阶段对水力计算的要求.
计算恒定流一般采用伯诺里方程,通过二分法试算求解,即:
(1)
式(1)中:符号的下表1,2分别代表同一河段的下游断面和上游断面; 为沿程水头损失,
;为局部水头损失,; 为局部阻力系数,对于收缩河段采用=0,对于扩散河段,可以根据实际情况选取,如果出现两个试算水位均小于下游水位的情况,表示局部阻力系数选用不当,计算机将每次自动给此系数增加"-0.2",再进行计算,直到得出合理结果.
2.2 二分法原理
采用二分法试算求解,将伯诺里方程变为:
(2)
式(2)中:H为上游断面的试算水位,则当Z0时,H即为其解.试算时,将H的范围取为高于河底而低于断面最高点,如果河水超过断面最高点时,断面需要加高.
二分法的具体作法是:先计算河道上半部分,即
初设水位为断面最高点,得到Z值,并令Z0=Z,次设水位为河底与断面最高点之间的中点,又得Z值,用Z0Z作判别式,如Z0Z0,表示水面在另一区间,根据判别结果,对新区间继续二分和继续判别,逐步缩小搜索区,直至试算的两个水位差在允许误差范围内为止,从而得出该断面的水位.
2.3 河道横断面计算
即计算过水面积A和湿周.计算方法为将过水断面分成若干梯形,分别计算每个梯形的面积和湿周后,叠加而成.
3 可视化设计界面及计算机绘图功能的开发
3.1 界面程序编制要点
本系统采用VB6.0编制了可视化操作界面.首先输入工程名称,起推水位和所计算的横断面个数,选择流量,糙率特征以及是否具有挡水建筑物,如界面I.(略)其次输入各断面的河底高程,所测地形点数,各断面距上一断面的距离,动能修正系数,局部阻力系数,流量和糙率,如界面II.(略)接着根据提供的河道横断面示意图,输入各断面地形点的坐标(Xi,Yi,Xi'),其中Yi为该点的高程,Xi和Xi'分别为到中心点0的距离,这样充分考虑了河道地形变化带来的影响,如界面III.(略)其中在界面III中提供了CheckBox控件用来选择该断面是否具有挡水建筑物,选中该控件,将自动跳出挡水建筑物基本资料的填写,通过输入桥墩个数和桥墩直径,从而考虑挡水建筑物壅水带来的影响,如界面Ⅳ.(略)最后为计算控制界面,首先检查输入的数据是否正确(可以参考各横断面图,如果有误直接点击"修改数据"按钮),最后进行计算,并且自动绘制出河道水面曲线成果图,如界面Ⅴ.(略)
为了使五个界面构成有机整体并与核心计算程序之间建立联系,在界面程序中设置四个模块,在第一个模块中定义了一系列的公用类型(Public)变量,用来将当前界面中输入的数据赋给该模块中的相应变量并保存起来,使在操作过程中已经输入的数据不会丢失.另外三个模块为ConnectCAD(),AddLine和AddText,其功能在接下来的计算机绘图功能的开发中将加以详述,这样给设计者在进行试算时带来了很大的便利.

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