基于AutoCAD前处理淮河淮南段二维有限元网格生成技术

路思恒　邓超　王志勇　汪熔　俞志敏

摘 要：建立模型，可以深入的了解水体的各种水文参数流速、水深、水体污染物的分布、水流的紊乱度和水表面的变化等，从而科学的评价、预测和管理水资源。该文所研究的淮河干流是从凤台大桥到田家庵阶段，主要是通AutoCAD软件把研究河流的地理图形坐标图导入SMS软件中，两个软件相结合进行淮河干流的模拟，生成精确的二维网格、河道的高程图和高程断面图。其中生成三角形单元网格为48 563，四边形单元网格为72 355个，高程图河低高程最大值为20.0m，最小值为-4.0m，在高程断面图中可以看出河流两岸到河底高程的变化趋势。根据这些图形，为研究淮河的水体流速、水深的计算、河流动态演示和污染物的扩散等各种后续参数提供有利的依据。

关键词：SMS；AutoCAD；淮河干流；网格

中图分类号 TB115 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2016）21-0094-04

1 SMS软件和AutoCAD简介

SMS软件是United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory（美国陆军工程兵水利工程实验室）和Brigham Young University（扬·伯明翰大学）等合作开发的地表水系统模拟软件。AutoCAD主要是工程绘图软件。本文主要是利用两种软件结合，在SMS软件中生成散点图，为后期模型的建立做准备。

2 研究河段的概述

研究河段主要是淮河的干流，从凤台大桥到田家庵的河段，长度共37km。其中凤台大桥到平圩大桥的河段长度为26km，该河段地形复杂，有多个支流和汇流，并且支流和汇流错综交杂。从平圩大桥到田家庵断面的河段长度为11km，该段河流汇流较少的，河道地形图较为平稳[1]。此间河流断面干流的宽度最宽处约为450m，支流断面的宽度约为250m[2]，如图1所示。

3 基于SMS模拟型的建立

3.1 河段平面图形地理坐标的导入 （1）在AutoCAD中打开淮河凤台大桥-田家庵干流地形图，此时得到淮河凤台大桥—田家庵干流图层处于都打开状况地形图（图2）。（2）在“图2”的基础上关闭部分图层，只保留高程点和河道信息两个图层，并将图形保存为“块的模式”，同时格式转化为SMS可识别的“新块.dxf”格式，得到淮河凤台大桥-田家庵河道干流的基本轮廓图（图3）。

3.2 河段平面图形散点模拟型的生成 SMS可以导入多种格式文件，如：tif、jpg、dxf等[3]。对于AutoCAD文件也就是.dxf文件，在SMS中是通过背景显示或者转换特征目标的矢量数据，通过离散数据组导入SMS中进而生成散点图。主要有：块文件导入、离散数据、离散数据检查、散点生成。对于块文件导入，选择File|Delete All来清除SMS中所有的数据，在File|Open中，导入块文件，在SMS-Map模块下，打开“新块文件”，此时河道的地理坐标导入SMS界面。例如凤台大桥地理坐标为：x是474 700.0，y是3 620 490.0；平圩大桥地理坐标为：x是493 317.0，y是3 616 831.0。离散数据时，把CAD Data转变为离散数据，首先要将CAD Data转变为Map Data，具体操作为：在“Project Explorer”中右键单击“CAD Data”同时从下拉菜单中选择Convert→CAD→Map，此时将会创建一个新的图层“CAD”。选择这个图层使Map Module处于活动状态，右键选择“CAD”图层并从菜单中选中Convert→CAD→2Dscatter。当对离散数据检查时，在Map→Scatter对话框，使所有选项保持不变。SMS创建离散数据组时进行了复制点检查。最后散点生成，为了更好的查看离散点，讲窗口缩小至离散数据组顶端西端，关闭“CAD”图像图层，生成散点图（图4）。

3.3 平面图形有限网格的生成

3.3.1 有限网格的概述 有限元法（Finite Element Method）产生于20世纪50年代[4]，主要是一种数值解析法，其中常见的的方法有直接分析法、变量分析法和加权余量分析法[11]。有限元法的基本思路是把研究的整体结构进行离散化，通过具体的有限单元和节点来完成现实中的分析问题[12]。因此，在实际解决问题中，就要对有限网格进行划分，由于网格划分灵活多变、网格上节点连接密切和网格连接相对稳定，所以用来处理一些复杂的不规则几何问题，其中最常见的就是模拟河道的网格计算问题。

3.3.2 网格的单元类型 网格的单元类型主要有两种，分别是三角形和四边形[5]。三角形单元网格稳定性好，精度高，通常用于分流、汇流和河心洲处，但网格排列通常不规则，对于相同节点数的网格，三角形单元较多计算量大，求解的精度要求高，处理程序复杂。对于四边形网格来说，其结构相对简单、网格区域拉伸性能较好，网格单元排列的规律性较强，并切依据网格单元建立的模型求解比较简单，通常用于河道平坦的大面积网格的构造。

3.3.3 网格的作用 在SMS软件中，各种模型的建立和水体各种参数的计算，都要通过网格作为载体来完成来完成。在涉及模型的计算方面各种方程的建立，相当于把解析法中的整体连续函数进行分解，使其离散化，变成小的区域。这样的方程建立需要网格上的结点数据，建立结点方程式，从而利用相应模型求解出结果。由于网格上每一个结点都代表河流上实际坐标，这样网格单元类型和构建的精确度，影响求解方程的类型和解的难易程度[6]。对于水流、水深、水表面值和污染物的扩散速度的计算问题，都要根据网格的构建来建立模型，来得出结果，根据结果数据的分析完成对水环境的科学管理。所以网格对模型的构建十分重要。

3.3.4 网格的构建满足的条件 （1）根据研究河流地形走势，使不同河段的网格构造疏密有致；（2）根据模型的特点，研究者要对构建的模型进行初步估算，确保河流的流线要平行；（3）由于河段的复杂性导致不同部分网格的类型不同，要使三角形和四边形两种网格交替应用。

3.3.5 网格的构建满足的条件 （1）根据研究河流地形走势，使不同河段的网格构造疏密有致；（2）根据模型的特点，研究者要对构建的模型进行初步估算，确保河流的流线要平行；（3）由于河段的复杂性导致不同部分网格的类型不同，要使三角形和四边形两种网格交替应用。

3.3.6 网格的构建方法 网格构建主要有3种常见的方法，对于小范围和复杂的网格的构建，采用手动添加网格单元；通常大规模、结构比较简单的网格，采用节点线构建网格单元；对于网格地形图已知的网格构造，通常采用map模型[7]。

3.3.7 研究河流网格的生成 由于河道地形的复杂性，在构建网格前，先把散点图分为6个区域。由于三角形具有网格刚度大、应力集中的特点，所以在河道分叉、汇流和河心洲处，通常用三角形网格；四边形具有稳定性好、精确度高的特点，所以在平坦的河道通常用四边形网格[8]。区域1、3、5分别为河道分叉、汇流和河心洲，则用三角形网格构建；区域2、4、6河道较为平缓，顾用四边形网格构建，散点图划分如图5所示。

在“图5”的基础上生成河道网格图。对于整个区域网格构建，选用map模型，其中河道分叉处、汇流处与河心洲网格单元类型采用三角形网格，河道较平坦区域网格类型采用四边形网格。

构建网格主要四个步骤：连接边界弧、节点重新分配、选择网格类型、网格生成。

3.3.8 网格精度的检查与修正 由于网格精度的要求，需要对网格进行检查。（1）三角形网格单元的各个内角在10°≤α≤150°，四边形网格单元内角在30°≤α≤150°；（2）相互连接地形单元最大坡度小于10%；（3）相邻有限单元的连接面积之比在0.5～2；（4）网格图形有限元必须光滑、平整满足弯曲弧度。对不符合要求的有限网格调整，调整节点、输入高程、修匀网格单元边界。当调整节点时，在SMS中打开“图6”，对整个区域进行修正。选择Nodes/Locked界面，设置节点移动。

3.4 河段河底高程信息图

3.4.1 设定高程图单位 为获得高程图信息，在网格构造后设定的单位类型。首先在界面中选择dit/current coordination；然后在unit中选择m（米）调整单位，为下一步得到河底高程信息做准备。

3.4.2 河段河底高程图的生成 由于生成网格“图8”包含高程的地理数据信息，故可对生成的网格进行地理坐标处理，主要包括：颜色填充的方法、颜色填充的个数和高程图的生成。颜色填充方法时，将“图8”导入SMS界面中，同时将划分区域斜线删除，在模块下的 Contour Option dialog（线条选择栏目）显示的Contour Method（线条方法）中选择Color Fill（颜色填充）；选择Color Ramp（颜色层次），设置Palette method to Hue Ramp（颜色层次填充的方法），图中颜色填充方式选择由蓝色逐渐变为红色；颜色填充个数，在Contour Option dialog功能下，选择7条颜色填充方式；高程图生成，选中模式，点击2D Mesh tab（二维网格标签）。确保线条颜色在图中能显示出来；选择OK。得到高程数据信息图（图10）。从图中显示信息得到所选河流断面河低高程最大值为20.0m，最小值为-4.0m，同时根据颜色由蓝色到红色的逐渐变化情况，可以清晰地观察到河底高程的变化。

3.4.3 特殊断面高程图观测断面与高程断面曲线图的生成 由于河道河底高程图颜色的变化不能清晰地观测出高程值的变化，所以为了更好地观察河道河底高程两岸到河底的变化，在平圩大桥附近的汇流处的河心洲处与田家庵处设置观测断面并绘制出高程沿断面曲线图，这样就可以直观的看出两岸到河底高程值的变化趋势。其步骤包括绘制高程断面、生成高程变化曲线图。

在高程断面变化曲线图中，可以清晰地观察出，在设置断面上，从河流左岸到右岸高程值随距离变化而变化的变化趋势。

从“图11”和“图12”中可以看出，在田家庵设置断面上，从河流左岸到右岸高程值从18m下降到8m有上升到17m，这显示两边高中间低的下凹图形，这与河道河底的走势吻合。

而在“图13”的河心洲设置断面上，“图14”的河底高程值变化趋势出现反常现象，在设置断面上从河流左岸到右岸，高程值先下降在上升，接着平稳，又出现下降和再上升的现象，这是因为设置断面设在河心洲阶段，这也与河道中间是空地两边是分河流相吻合。

4 结论

通过AutoCAD软件与地表水模拟系统（SMS）软件的结合，绘制出淮河干流凤台大桥-田家庵的复杂河道的有限二维网格图、河道河底的高程信息图和高程断面图，为后面建立地表水的模型做了前期的准备工作。主要是通过建立块的模式和文件格式的转换，实现了AutoCAD与地表水模拟系统（SMS）的完美衔接，并使AutoCAD软件的功能在地表水模拟系统应用的前期阶段得到充分肯定，成功的将实际地形图导入SMS中，为下一步生成精确的二维网格图形和河道河底高程信息图和河道河底断面变化折线图奠定了基础。其构建有限二维网格模型精确度较高、适用性较好，从而为河流水流速度、水深、污染物的扩散和水表面值等各种后续参数的研究提供了精确的模型。

参考文献

[1]盈尚轩，王军.RMA2模型在凤台大桥至闸口段淮河流场模拟中的应用[J].水利科技与经济报，2009，414-416.

[2]马莉.淮河南段水质的数据模拟分析[D].合肥：合肥工业大学，2007.

[3]罗进洲.基于SMS及RS的闽江福建州段水污染控制研究[D].福州：福州大学，2003.

[4]李义天，赵明登，曹志芳.多重网格法在二维非恒定水沙模型中的应用[M].北京：中国水利书店出版社，2001（6）：23-27.

[5]郑邦民，赵昕.计算水力学[M].武汉：武汉大学出版社，2001：257-330.

[6]韩亮.二维潮流波浪数学模型及工程应[D].天津：天津大学，2010.

[7]叶淑君，戴水汉.地下水流二维、准三维及三维模型结果比较[J].水文地质工程报，2003（5）：23-27.

[8]王雅洁.汉江下游武汉段流场及水质模拟[D].武汉：武汉大学，2007.

（责编：张宏民）