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        MATLAB在橋涵水文課程教學(xué)中的應(yīng)用

        2020-10-14 08:18:00路世偉劉洪宇杜國(guó)鋒張繼承
        四川建材 2020年9期
        關(guān)鍵詞:橋涵配線洪峰流量

        路世偉,劉洪宇,杜國(guó)鋒,曾 磊,張繼承

        (長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院,湖北 荊州 434023)

        0 前 言

        橋涵水文課是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的土木工程專業(yè)課程,對(duì)學(xué)生了解并進(jìn)行橋梁和涵洞勘察、水文計(jì)算以及基礎(chǔ)設(shè)計(jì),甚至將來(lái)從事相關(guān)行業(yè)的設(shè)計(jì)、施工具有重要的作用。但在目前的教學(xué)過(guò)程中,教學(xué)方法乃至教學(xué)效果均存在較大的問(wèn)題[1]。教學(xué)方法以教師簡(jiǎn)要介紹相關(guān)的知識(shí)、原理為主,學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí),積極性不高,教學(xué)效果并不理想。大部分學(xué)生只是知道大概知識(shí)、原理,而并未從這個(gè)教學(xué)過(guò)程中完全掌握相關(guān)的計(jì)算如何操作,這對(duì)于培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力是非常不利的[2-3]。因此,必須對(duì)橋涵水文課程的教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn),提高學(xué)生的參與程度,培養(yǎng)其動(dòng)手能力,響應(yīng)國(guó)家建設(shè)雙一流高校的戰(zhàn)略規(guī)劃[4-5]。

        隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和大型復(fù)雜工程的建設(shè),傳統(tǒng)手工計(jì)算顯得越來(lái)越捉襟見(jiàn)肘,如何讓學(xué)生充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)來(lái)鞏固知識(shí)結(jié)構(gòu)、提升計(jì)算效率是我們必須要思考的問(wèn)題[6]。MATLAB軟件充分利用了計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展的優(yōu)勢(shì),給高等教育提供了一個(gè)額外的選擇。如能將MATLAB軟件融入專業(yè)課的教學(xué)過(guò)程,而學(xué)生在編制相關(guān)計(jì)算程序的過(guò)程中又可以對(duì)所學(xué)知識(shí)進(jìn)行充分掌握,對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代高等教育改革將發(fā)揮著不可估量的作用。

        1 MATLAB軟件的特點(diǎn)

        1)語(yǔ)法規(guī)則簡(jiǎn)單?;緮?shù)據(jù)單位是矩陣,指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式相似,初學(xué)者非常容易上手。

        2)MATLAB基本的語(yǔ)言環(huán)境提供了數(shù)以千計(jì)的計(jì)算函數(shù),極大地提高了用戶的編程效率。

        3)MATLAB是一種腳本式的解釋型語(yǔ)言,同時(shí)也支持對(duì)C,F(xiàn)ORTRAN,C++,JAVA等語(yǔ)言直接進(jìn)行編譯。

        4)程序和數(shù)據(jù)文件可移植性較強(qiáng),與平臺(tái)無(wú)關(guān)。MATLAB軟件可以運(yùn)行在很多不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)上,如Windows Me/NT/2000/XP、很多不同版本的UNIX以及Linux。

        2 MATLAB在橋涵水文課程中的應(yīng)用

        適線法是將隨機(jī)變量樣本值及相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)頻率在幾率紙上點(diǎn)繪出適當(dāng)頻率曲線以求得參數(shù)的一種方法,對(duì)于推算一定重現(xiàn)期的年徑流洪峰流量非常重要。但是如果手工計(jì)算的話,適線法就會(huì)顯得計(jì)算量特別大,在教學(xué)過(guò)程中學(xué)生往往會(huì)陷入巨大的計(jì)算量而不利于學(xué)生掌握該方法的核心內(nèi)容。本文以洪峰流量計(jì)算為例,展示MATLAB在橋涵水文課程教學(xué)中的應(yīng)用。

        某流域有17年實(shí)測(cè)洪水資料,如表1所示。另調(diào)查到1936年曾發(fā)生一次大洪水,根據(jù)洪痕推算洪峰流量為10 000 m3/s。若取1936年和1998年的洪水為特大洪水,試用矩法計(jì)算二百年一遇的設(shè)計(jì)洪峰流量。

        表1 洪水資料表

        解:

        總的特大洪水個(gè)數(shù)a=2,連續(xù)觀測(cè)序列中特大洪水個(gè)數(shù)l=1,最大觀測(cè)年限N=2000-1936+1=65,連續(xù)觀測(cè)年限n=2000-1984+1=17。

        偏態(tài)系數(shù)計(jì)算:

        第一次配線,取Cs=2CvN=0.6702,φ(0.5%,0.6702)=3.1959,

        第二次配線,取Cs=3CvN=1.0053,φ(0.5%,1.0053)=3.4934,

        第三次配線,取Cs=4CvN=1.3404,φ(0.5%,1.3404)=3.7787,

        經(jīng)過(guò)三次配線以后發(fā)現(xiàn),第三次配線結(jié)果最符合要求,故選擇二百年一遇的設(shè)計(jì)洪峰流量為11 370 m3/s。

        頻率與最大洪峰流量關(guān)系見(jiàn)圖1。

        圖1 頻率與年最大洪峰流量關(guān)系圖

        MATLAB計(jì)算程序如下:

        clear; close; clc

        x_0=[10000;8670;7700;6940;6830;6700;5320;5260;5180;5140;4510;4470;3900;3890;3490;3390;2840;520];

        a=2;l=1;

        N=65;

        for n=1:a

        p0(n,1)=n/N;

        end

        for n=a+1:length(x_0)

        p0(n,1)=(n-a+1)/(length(x_0)-a+1);

        end

        p1=norminv(p0)-norminv(0.0001);

        BB=[p1 x_0];

        p=[0.1;0.5;1;5;10;15;20;25;30;35;40;45;50;55;60;65;70;75;80;85;90;95;99];

        pp=norminv(0.01*p)-norminv(0.0001);

        x_av=5017;

        cv=[0.3351 0.3351 0.3351];

        cs=[2*0.3351 3*0.3351 4*0.3351];

        AA(:,1)=pp;

        AA(:,2)=((cs(1)/2*gaminv(1-p*0.01,4/cs(1)^2,1)-2/cs(1))*cv(1)+1)*x_av;

        AA(:,3)=((cs(2)/2*gaminv(1-p*0.01,4/cs(2)^2,1)-2/cs(2))*cv(2)+1)*x_av;

        AA(:,4)=((cs(3)/2*gaminv(1-p*0.01,4/cs(3)^2,1)-2/cs(3))*cv(3)+1)*x_av;

        plot(BB(:,1),BB(:,2),'ko','linewidth',1)

        hold on

        plot(AA(:,1),AA(:,2),'r','linewidth',1)

        plot(AA(:,1),AA(:,3),'b--','linewidth',1)

        plot(AA(:,1),AA(:,4),'m','linewidth',1)

        hold off

        h=findobj('type','axes'); set(h,'xtick',[]);

        xx=[0.1 1 5 10 20 30 40 50 60 70 90 95 99];

        yy=norminv(xx/100,0,1)-norminv(0.0001,0,1);

        for i=1:size(yy,2)

        line([yy(i),yy(i)],[0 12000],'color','k');

        end

        for i=1:12000/1000

        line([0 yy(end)],[1000*i 1000*i],'color','k');

        end

        for i=1:size(xx,2)

        text('string',num2str(xx(i)),'HorizontalAlignment','center','pos',[yy(i),-500]);

        end

        set(h,'xlim',[norminv(0.001,0,1)-norminv(0.01/100,0,1), norminv(0.99,0,1)-norminv(0.0001,0,1)],'ylim',[0,12000]);

        legend('原始數(shù)據(jù)','第一次配線','第二次配線','第三次配線')

        ylabel('年最大洪峰流量(m^3/s)')

        xlabel('頻率P(%)','pos', [-norminv(0.0001,0,1)+norminv(0.30,0,1),-200])

        3 結(jié)論與展望

        1)MATLAB軟件的功能強(qiáng)大,對(duì)于一些運(yùn)算有著提高運(yùn)算效率的現(xiàn)實(shí)意義。

        2)對(duì)于橋涵水文課程中的一些相關(guān)計(jì)算,也具有高效性、精確性的優(yōu)點(diǎn)。

        3)在橋涵水文課程的教學(xué)中,教師通過(guò)軟件演示的教學(xué)方式,在教授知識(shí)的同時(shí)引入軟件的應(yīng)用,學(xué)生在編制相關(guān)計(jì)算程序的過(guò)程中可以將所學(xué)知識(shí)融會(huì)貫通,對(duì)推動(dòng)現(xiàn)代高等教育改革將發(fā)揮著較好的作用。

        [ID:010174]

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