基于 DEM和“土地平整法”的水库面积-库容曲线计算系统设计与开发

2010-07-23 11:19许辉熙薛万蓉何政伟张东辉

四川建筑 2010年3期

许辉熙,薛万蓉,何政伟,张东辉

(1.四川建筑职业技术学院交通与市政工程系测量工程研究所,四川德阳 618000;2.成都理工大学数字国土与生态科学研究所,四川成都 610059)

修建水库是水电站建设的重要内容。库区地形开阔,河道纵坡缓,水库蓄水量就大,工程效益也较大;反之,若库区地形狭窄,河道纵坡陡,坝虽高,但其蓄水量不一定大。用以反映水库地形特征的曲线称为水库特性曲线,分为水库水位-面积关系曲线和水库水位-库容关系曲线(简称水库面积-库容曲线,下同),它们是水库的重要技术指标,是水库规划设计的重要依据[1]。

水库面积-库容曲线计算,关键在于水库库容计算。常用水库库容计算方法有两种[2]:一种是图上量测;一种是实地量测。在图上量算的方法中又有“等高线法”[3]、“格网法”、“横断面法”[4]和“解析法”[5]。 “等高线法”、“格网法”和“横断面法”计算库容工作量大,耗时多,精度较低;“解析法”计算的精度比前三种方法要高,但算法复杂,不易实现。实地量测的方法是在库区实地,采用测量横断面图的方法进行库容的量测计算,这种方法的精度要高些,但是实际可操作性不强。GIS技术的普及应用,为水利水电工作者解脱繁重的量算工作、提高工作精度和效率提供了技术支持。

本文基于数字高程模型(DEM),提出基于“土地平整法”计算水库面积-库容曲线的思想,并通过.NET平台 C#语言编写软件,以期在水电开发决策的预可研阶段实现水库面积-库容曲线的快速计算,提高决策效率和水平,有利于各项参数比选,真正做到水电站规划的优化设计。

图1 “土地平整法”计算水库面积和库容的基本原理

1 基本原理

“土地平整法”计算水库面积-库容曲线的基本原理:将计算水库面积和库容视为一项土地平整工程,水库面积就是工程设计标高所在平面面积,水库库容计算就是工程土方的填方量,如图 1所示。

“土地平整法”计算水库面积和库容的简要过程:将“土地平整区”(库区)微分成许多相同的正方形单元,且认为每个单元表面是水平的,即高程是均一的,而邻近单元有差异。这样,单个栅格单元填方体积实际就是地面与“土地平整设计标高线”(即水库设计水位线)之间构成的立方体体积 V=Δh×s,s是微分单元面积,Δh是该单元实际地面高程与“设计标高”(即设计水位线)之间的差值。将整个“土地平整区”(即库区)所有微分单元体积求和就是“土地平整工程量”(即库容);而所有单元面积之和就是水库水面面积。式(1)是水库面积和库容计算公式。

式中:a为地面采样微分单元边长;h0为某一设计水位高程;hi为该设计高程以下淹没的某一单元的高程;n为淹没单元个数;V为该设计高程的水库库容;S为该设计高程下的水库面积。

根据式(1)可以计算任意设计水位高程 h0对应的水库水面 S和水库容积 V,进而可以绘制水位-面积曲线和水位-库容曲线。

但是,和土地平整工程不同之处是,水库库容计算“只填不挖”,即只算“填方体积”,不算“挖方体积”,包括库区中的孤岛也不能“开挖”。

2 软件系统架构与设计

2.1 系统框架设计

系统框架结构设计见图2。本系统工作流程为:

(1)对 DEM数据进行预处理操作,生成系统易于导入的数据集。

(2)导入符合要求的数据集,生成一维数组,将硬盘数据导入到计算机的内存储器中,以便于算法实现。

(3)进行计算前的准备工作,设置相关参数,满足不同数据下对系统计算的不同需求,这些设置包括:设置高程信息、DEM分辨率和高程计算步长等。

(4)把事先导入的数据,通过读取上述设置信息,代入数学模型中,分别得出水库面积和水库库容计算结果。

(5)利用图形控件,根据计算结果,生成水库水位-面积和水库水位-库容曲线,将所有的原始数据、中间设置数据和计算结果(包括文本和图形)都能够以一定的方式导出到硬盘中,供研究分析使用。

2.2 系统详细设计

本系统以 DEM(ASCII码)数据为计算起点,以生成水库水位-面积和水库水位-库容曲线为最终目标,整体功能具有严密的流程,数据具有明显时序性。鉴于此,本系统的设计采用的是流程式架构,即根据数据运算的先后顺序来划分系统模块。系统的功能总体上分为5个。

(1)数据导入模块:读取经过预处理的数据文件,并导入到数组中;

(2)数据准备模块:进行计算前相关参数的设置等准备工作;

(3)数据计算模块:根据数学算法,计算水库面积和水库容积;

(4)生成图形模块:绘制相关曲线;

(5)导出数据模块:将中间数据以及结果数据进行导出。

3 水库面积-库容曲线计算系统的实现

3.1 关键技术

本系统开发工具选择.NET平台的 C#语言。C#是.NET平台的主流语言,是一种先进的、面向对象的语言。通过 C#可以使程序开发人员快速地建立大范围的基于 Microsoft网络平台的应用,并且提供大量的开发工具和服务,帮助开发人员开发基于计算和通信的各种应用。C#也可以为 C/C++开发人员提供快速的开发手段而不需要牺牲任何 C/C++语言的特点和优点。从继承角度来看,C#在更高层次上重新实现了 C/C++,熟悉C/C++开发的人员可以很快地转变为 C#开发人员。作为一种全新的语言,C#具有许多新特性,其中主要有自动内存管理、统一类型系统、版本控制及对网络编程新标准的支持等。

图2 水库面积-库容曲线计算系统框架设计

3.1.1 自动内存管理

.Net运行时(Run Time)提供了一个无用单元收集器,负责 C#程序中的内存管理。当检测到过程需要清理时,即调用无用单元收集器,由其检测哪些对象不可以从代码中访问,并将其删除。

3.1.2 统一类型系统

所有类型都是从 System Object类型派生而来,并且它们都可被当作对象处理。

3.1.3 版本兼容

版本兼容问题起因于多个应用程序都安装了相同DLL名字的不同版本。.Net平台通过使用装配件 (装配件是自我描述的安装单元)对应用程序提供版本支持,使C#可以更好地支持版本控制。

3.1.4 支持网络编程新标准

C#的内置特性使任何组件可以轻松转化为 XML网络服务,被任何操作系统上运行的任何程序调用。

3.2 数据结构设计

本系统采用的是多级数据控制结构,可以在保护重点数据的前提下,利用缓存技术,优化文件数据的运算和存储方式。数据读取的方式是后台处理办法,一定程度上加速了读取的速度。表1是系统核心数据的定义。

4 玛尔挡水电站水库面积-库容曲线计算实例分析

4.1 研究区概况

黄河玛尔挡水电站为西北勘测设计研究院《黄河上游干流多松至尔多河段水电规划》推荐 3级开发方案中的第 2个梯级电站。坝址位于青海省玛沁县拉军镇上游约 5 km的黄河干流上,左岸为果洛州玛沁县,右岸为海南州同德县,距上游规划的宁木特水电站(正常蓄水位 3 410m)约 75 km,距下游规划的尔多水电站(正常蓄水位 3 070m)约 33 km。西宁～果洛州省道(S101)通过下坝址右坝肩,距西宁市公路里程约 363 km。工程规模为Ⅰ等大(1)型工程,主要建筑物为1级,次要建筑物为 3级,是一座以发电为主的大型水电枢纽工程。工程目前处于预可研阶段。

坝址区地处青藏高原腹地,为典型高原深切峡谷地貌。河谷弯曲,总体西流,深切 200～250m,河道狭窄,水流湍急,多有跌坎,岸坡陡峭,部分直立,基岩裸露较好,河床覆盖浅,冲沟支流发育,多常年有水,两岸高平台为黄河高阶地侵蚀堆积成因,受局部剥蚀,呈不连续分布。场内勘察工作环境和条件如气候(多雨雪、大风)、交通、供水供电、水上作业等,极为困难。

4.2 水库面积-库容曲线的软件计算过程

以玛尔挡水电站研究区格网DEM计算初拟正常蓄水位3 270m时的水库面积-库容曲线为例,说明软件的使用过程。

(1)DEM数据准备。采用研究区 1∶10000等高线数据,在 ArcGIS的 WorkStation工作环境中,利用 Topogridtool命令生成 2m分辨率格网DEM,根据水电站水库设计的下坝址位置和初拟正常蓄水位 3 270m,通过掩膜(mask)处理得到正常蓄水位线以下的 DEM,利用 ArcGIS的“Raster to ASCII”命令将其导出为 ASCII码(文本文件),删除文本文件中记录原数据行列号等信息的头文件,得到可直接用于本系统计算水库面积和库容的数值文件。

(2)启动系统(图 3),读入 DEM文本文件(图 4)。

(3)输入设计水位线、DEM栅格单元大小和高程计算步长(图 5)。

(4)计算不同水位时的水库面积(图 6)。

(5)计算不同水位时的水库库容(图 7)。

(6)自动生成水库水位-面积关系曲线(图 8)。

(7)自动生成水库水位-库容关系曲线(图 9)。

(8)文本、图片等成果输出(图 10)。