SMS在河道沖淤分析中的應用

郁玉鎖

SMS在河道沖淤分析中的應用

郁玉鎖

一、引言

目前根據(jù)實測資料分析河道沖淤的途徑主要有兩種：一種是根據(jù)河道水下實測地形切割斷面，按幾何法（簡稱地形斷面法）直接計算河道泥沙的沖淤體積，即由某一水位高程下的上、下斷面過水面積計算斷面間相應水位下的河道槽蓄量，對各計算斷面間的河道槽蓄量累加，并由此計算全河段相應水位下的河道槽蓄量；另一種方法是河道輸沙平衡分析法（簡稱輸沙量法)，根據(jù)河段進出口水文測站的實際輸沙量估算河道泥沙的沖淤量，即輸入和輸出某一河段的沙量之差，應等于該河段內河床淤積和沖刷的沙量。上述兩種方法在空間分析上存在一定的局限性，不能直觀反映河道沖淤的具體部位。

SMS（Surface-water ModelingSystem）是由美國陸軍工程兵水利工程實驗室和揚·伯明翰大學等合作開發(fā)的一款較為成熟的水環(huán)境模擬軟件。SMS具有強大的前后處理和計算功能。在前處理方面，能自動生成四邊形網(wǎng)格和三角網(wǎng)格，并可直接進行單元格質量的調整；在后處理方面，具有強大的分析功能，如三維河道地形的展示，流場動畫的制作等等。本文主要采用SMS中的前后處理模塊進行河道沖淤的計算。

二、河段概況

本次分析采用的地形資料以2005年安徽省水利水電勘測設計院實測的地形圖和2008年安徽省交通勘測設計院實測的地形圖為基礎，選取淮河中游鳳臺大橋至平圩大橋段，進行河床演變分析。本段河道形態(tài)見圖1。

鳳臺大橋至平圩大橋河段全長約26km，本段河型復雜，是淮河中游段河道形態(tài)最復雜的河段之一。河段主槽斷面復雜，深泓變化大。本段整治工程集中，已實施的整治工程為黑龍?zhí)妒杩?；正在實施和將要實施的有上、下六坊堤廢棄及其河道疏浚等。本段行洪區(qū)眾多，涉及淮干行洪的行洪區(qū)有燈草窩生產(chǎn)圩、上六坊堤行洪區(qū)、下六坊堤行洪區(qū)。本河段上游有峽山口控制，下游有荊山口控制，兩個山口均是兩山對峙，一水中穿。幾千年來，淮河一直穿行于這兩個峽山之間，從未決出峽山，因此本河段河勢一直相對穩(wěn)定。

三、基于SMS河道數(shù)字地形的建立

1.不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）的建立

不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN，TriangulatedIrreg-ularNetwork）是一種表示數(shù)字高程模型的方法，利用現(xiàn)有地形圖上的離散點數(shù)據(jù)將研究區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)格，即對于平面上n個離散點，其平面坐標為（xi，yi），i=1，2，…，n。將其中相近的三點構成最佳三角形，使每個離散點都成為三角形的頂點。三角面的形狀和大小取決于河道地形測點的位置和密度。TIN的數(shù)據(jù)存儲方式比格網(wǎng)復雜，它不僅要存儲每個點的高程，還要存儲其平面坐標、節(jié)點連接的拓撲關系等。

TIN建立后，區(qū)域中任意點落在三角面的頂上、邊上和三角形內。如果點不在頂點上，該點的高程通常利用線性插值的方法得到（在邊上的用邊的兩個頂點的高程，在三角形內則用三個頂點的高程）。

2.網(wǎng)格的布置及插值

為了統(tǒng)一2005年、2008年兩測次的河道地形的計算范圍，在TIN的基礎上布置網(wǎng)格，然后在內插出網(wǎng)格節(jié)點的高程值。研究河段的網(wǎng)格布置如圖2所示。

為較好地反映河道地形的變化，采用二次四邊形單位劃分河道主槽區(qū)域，采用二次三角形單元劃分河道灘地區(qū)域，共布置網(wǎng)格約1.4萬個，覆蓋兩岸河堤之間的河道地形。網(wǎng)格節(jié)點高程插值的方法很多，如距離加權法、多項式內插法、樣條函數(shù)內插法、多面函數(shù)法等等。大量的實驗證明，由于實際地形的非平穩(wěn)性，不同的內插方法對河道地形的精度并無顯著影響，主要取決于原始采樣點的密度和分布。本次網(wǎng)格節(jié)點高程采用線性內插法。

四、基于SMS河道沖淤分析的應用

建立河道地形數(shù)字高程模型后，利用SMS軟件對河道地形表面進行分析，如斷面套繪、河道沖淤分布分析等。

1.斷面套繪

河道橫斷面的變化是河道沖淤最直觀的表現(xiàn)，不同年份實測斷面的對比分析可以反映該河段的橫向和縱向變形。但由于2005年和2008年兩測次斷面位置不固定，利用原始數(shù)據(jù)進行斷面套繪較困難。而利用SMS可對建立的河道地形數(shù)字高程模型切割一條或多條橫斷面，從而彌補河道斷面測量位置不固定帶來的問題。

河道斷面1套、2套繪圖見圖3、圖4。從圖中可以看出，采用這種插值方式也會造成一定的誤差，這種方法從2008年插值得出的數(shù)據(jù)精度較低，主要是散點的密度以及分布造成的?？傮w數(shù)據(jù)精度較高，可以滿足斷面套繪的需要，具有一定的推廣價值。對于數(shù)值差別較大的區(qū)域，可以通過對該區(qū)域網(wǎng)格進行適當加密來消除奇異點。

2.沖淤分布分析

通過對不同測次的河道網(wǎng)格點高程進行相減，得出兩個測次之間各網(wǎng)格處河道沖淤厚度，再建立網(wǎng)格點的高程Z為河道沖淤厚度的河道地形模型，就可以形象直觀地表現(xiàn)出河道沖淤在研究區(qū)域內的分布。Z大于零表示河道淤積，反之，表示河道沖刷。

由圖3、圖4可以得出，本河段總體沖淤趨勢是刷槽淤灘。燈草窩左汊呈緩慢淤積的趨勢；超河段主槽呈沖刷趨勢，局部有沖刷深坑。

上述沖淤圖不僅能定性分析河道的沖淤部位和沖淤強度，還可以將沖淤厚度大于某一數(shù)值的區(qū)域標示出來，并計算其所占面積比例等等。將沖淤厚度分為幾等級，計算出每個區(qū)域的面積、體積，可更清晰地表現(xiàn)河道的沖淤分布格局，有利于認識泥沙在河道內的沖淤變化規(guī)律。

五、結論

本文介紹了兩種常規(guī)河道沖淤分析方法，輸沙量差法和斷面法。上述兩種方法存在不能直觀反映河道沖淤具體部位，空間分析能力差等缺陷。

以鳳臺大橋至平圩大橋河段為例，詳細介紹了利用SMS軟件建立河道數(shù)字高程地形的具體實現(xiàn)方法，并得出了本段河道的演變情況。

基于SMS對河道數(shù)字地形進行分析，通過切割河道表面生成的斷面數(shù)據(jù)，可以進行斷面套繪的分析，從而彌補河道斷面測量位置不固定帶來的問題。通過對2005年、2008年兩個測次的河道地形模型的對比分析，得到河床沖淤變化圖，可以直觀地分析河道的沖淤部位和沖淤強度在研究區(qū)域內的分布。上述研究表明，基于SMS進行河道沖淤分析是一種行之有效的方法，值得推廣

安徽省淮河河道管理局233000）

（專欄編輯：徐 攀）