辛振科

(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司， 蘭州 730000)

水庫庫容是水庫最重要的參數(shù)指標(biāo)，精確高效地計(jì)算水庫庫容對(duì)水庫的運(yùn)行調(diào)度和設(shè)計(jì)計(jì)算有著至關(guān)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)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(huán)境下，使用C#語言實(shí)現(xiàn)三維可視化水庫庫容計(jì)算系統(tǒng)的方法，并設(shè)計(jì)了地形數(shù)據(jù)處理、視圖處理等主要子功能模塊。魏萬鴻等[3]在對(duì)各種常用庫容計(jì)算公式進(jìn)行對(duì)比分析的基礎(chǔ)上，改進(jìn)了已有的“擬臺(tái)體公式”，并分析了各種計(jì)算公式的計(jì)算精度及適用范圍。徐玲玲等[4]以某水庫為研究對(duì)象，采用數(shù)值解析法進(jìn)行調(diào)洪演算，對(duì)比考慮和不考慮動(dòng)庫容影響的計(jì)算結(jié)果，以及對(duì)比考慮動(dòng)庫容影響下分段推算和不分段推算的計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了數(shù)值解析法的有效性和精確性。何亮等[5]基于ArcGIS Engine開發(fā)了水庫庫容計(jì)算與淤積分析專用軟件，實(shí)現(xiàn)了水庫庫容的高精度計(jì)算。荊海峰等[6]將三維激光掃描技術(shù)應(yīng)用于某抽水蓄能電站庫容的三維測(cè)量中，介紹了數(shù)據(jù)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(wǎng)法、方格網(wǎng)法計(jì)算了不同滯洪水位下的庫容量，認(rèn)為采用三角網(wǎng)法計(jì)算庫容應(yīng)用較靈活，計(jì)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(tǒng)計(jì)，提出了一種水庫庫容高效計(jì)算方法。李浩等[9]采用等高線法和離散點(diǎn)法計(jì)算水庫庫容，發(fā)現(xiàn)離散點(diǎn)法計(jì)算結(jié)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(chuàng)建曲面分層體積數(shù)據(jù)，使用Excel Vba編程工程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正并創(chuàng)建庫容曲線。采用二次插值公式，實(shí)現(xiàn)不同水位與庫容插值，方便設(shè)計(jì)人員查找特征水位、特征庫容。本文采用Civil 3D軟件建立某調(diào)蓄水池的三維模型，通過Civil 3D軟件自動(dòng)計(jì)算所建立的三維模型的體積來求出調(diào)蓄水池的容積，并與傳統(tǒng)的等高線法計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 工程案例

某調(diào)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(nèi)壩坡坡比為1∶2.75，其余尺寸參數(shù)見圖1、圖2。

2 庫容計(jì)算

2.1 等高線法

本工程調(diào)蓄水池的內(nèi)坡坡比為1∶2.75，池深為6.5m。因此每0.5m高度計(jì)算一個(gè)截面，由低往高依次編為序號(hào)A0-A13。計(jì)算結(jié)果如表1所示。

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

圖1 某調(diào)蓄水池平面布置圖

圖2 某調(diào)蓄水池1-1剖面圖

表1 等高線法庫容計(jì)算結(jié)果

庫容按如下公式計(jì)算：

(1)

V=∑Vi

(2)

式中：

Ai表示第i個(gè)多段線勾勒出閉合多段線等高線的面積，Hi表示第i次計(jì)算時(shí)的水深，Vi表示Ai與Ai+1之間Hi水深對(duì)應(yīng)的水體體積，i≥1，i為整數(shù)；V表示調(diào)蓄水池水深對(duì)應(yīng)的容積。

2.2 Civil 3D三維建模法

AutoCAD Civil 3D是一款A(yù)utodesk公司推出的面向基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的BIM解決方案。本文通過Civil 3D三維建模功能，建立調(diào)蓄水池內(nèi)水體的三維模型來計(jì)算水池容積。

首先將內(nèi)壩坡坡底線和內(nèi)壩坡坡頂線分別合并成一條閉合多段線(該多段線各頂點(diǎn)的高程相同)，將坡頂線向上垂直移動(dòng)6.5m(本工程池深)，其次采用Civil 3D放樣命令，對(duì)坡頂線和坡底線進(jìn)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(duì)應(yīng)的庫容模型、設(shè)計(jì)水位對(duì)應(yīng)的庫容模型、最低死水位對(duì)應(yīng)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(jì)算結(jié)果截面如圖4所示，可以看出計(jì)算出的體積為29 351.182m3。為了給出庫容曲線，繼續(xù)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(diào)蓄水池容積，如此循環(huán)計(jì)算，直至水池水位不足一個(gè)下降標(biāo)高。表2給出了Civil 3D三維建模法的計(jì)算結(jié)果，為了與等高線法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表2采用的截面編號(hào)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(jié)果

表2 Civil 3D三維建模法庫容計(jì)算結(jié)果

2.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

通過對(duì)比表1和表2的數(shù)據(jù)可知，等高線法和Civil 3D三維建模法計(jì)算的庫容僅有細(xì)微的差別，二者的誤差在0.001以內(nèi)，等高線法計(jì)算的結(jié)果略高于Civil 3D三維建模法計(jì)算的結(jié)果。

等高線法和Civil 3D三維建模法計(jì)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(jì)算過程可以看出，等高線法的計(jì)算精度取決于每次上升水位的高度，當(dāng)高度無限小時(shí)，計(jì)算結(jié)果將無限逼近Civil 3D三維建模法計(jì)算的結(jié)果，但這樣將花費(fèi)設(shè)計(jì)工作人員的較多的時(shí)間和精力。

圖5 某調(diào)蓄水池水位-庫容曲線

3 結(jié) 語

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

當(dāng)需要給出庫容曲線時(shí)宜采用等高線法計(jì)算，當(dāng)只需給出總庫容時(shí)宜采用Civil 3D三維建模法計(jì)算，從而提高計(jì)算設(shè)計(jì)工作人員的效率。

等高線法的計(jì)算精度取決于選取等高線的數(shù)量，為確保計(jì)算精度，選取的等高線數(shù)量不宜過少，從本文的計(jì)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(jì)算精度和效率非常高，適用于計(jì)算各種復(fù)雜地形的水庫水池，宜推廣普及。