研究河道槽蓄量计算系统的设计与实现
研究河道槽蓄量计算系统的设计与实现
河道槽蓄量是指在某计算高程时，河道中水体的体积。河道槽蓄量计算是水文专业进行河道演
变分析、流域开发、防洪调度及河道治理的一项重要工作.通过河道槽蓄量计算，可进一步得到
河道冲淤量、河段平均冲淤厚度、槽蓄量高程曲线图、槽蓄量沿程分布图、冲淤量高程曲线
图、冲淤量沿程分布图等。
常用的河道槽蓄量计算方法，主要有断面地形法和数字高程模型法。断面法是通过固定断面地
形观测数据，利用数学上的梯形或截锥体积计算公式直接计算槽蓄量； 数字高程模型法是利用
河道地形 DEM 进行分析，通过计算 DEM 每个三角形区域上的槽蓄量，然后求和，得到整个
选定区域河道的槽蓄量。
现实世界中的河道水面往往是带有比降（ 落差）的，传统的槽蓄量计算方法，存在计算精度低
或只能计算水面不带比降河道槽蓄量的缺点。对传统的数字高程模型法进行改进，利用叠置分
析的方法，即模拟出带有比降的水面 DEM, 通过与河道地形 DEM 进行叠置分析，计算河道槽
蓄量。此方法可以弥补传统方法的不足。
在河道槽蓄量计算方法研究上，学者多是注重理论方面的研究，详见参考文献[2 -8].本文对传
统的算法进行分析和改进，主要研究河道槽蓄量计算系统的设计与实现，更多地关注实际应
用。
1 传统方法
河道槽蓄量计算的传统方法有断面地形法和数字高程模型法，下文分别介绍这几种方法的原理
及优缺点。
1. 1 断面地形法
（1 ） 基本原理。断面地形法是人为地将测量河道划分为若干河道横断面（ 如图 1 ）,这些断
面的位置确定后，基本上是不变的，故称为固定断面。确定固定断面便于将不同测次测量的断
面地形进行套汇以发现断面的形变，进一步分析断面处河道的冲淤情况以及断面平均冲淤厚度
等信息。【图 1】
断面地形法河道槽蓄量计算是根据河道水下实测地形切割断面，按几何法直接计算河道泥沙的
槽蓄量。
根据某水面线下沿程断面面积（ Ai、Aj ） 、断面间距（ Lij ） 计算两断面间槽蓄量 ΔVi,各断
面间槽蓄量之和即为河段槽蓄量 V .梯形公式为：【1】
（2 ） 优缺点。断面地形法的优点在于只需要测量河道各固定断面，测量的成果不需要大量人
工处理 , 因此无论是外业还是内业，工作量都比较少； 断面地形法面积和体积计算有精确的数
学公式，算法比较简单，发展相对成熟，易于编程实现.该方法最大的缺点在于槽蓄量计算结果
的精度受到河道断面切割密度的制约,即用有限的河道断面拟合现实中的河道，同一河段断面个
数越多，拟合结果越接近真实的河道地形，但断面个数的增加必然增加断面测量的工作量。
1. 2 数字高程模型法
（1 ） 基本原理。根据所需计算河道的数字高程模型，累积计算构成 TIN 的每个三角形小区域
上的槽蓄量，即为河道的总槽蓄量. 图2 为三角形区域上的槽蓄量计算示意图。【图 2】
图2 中，设三角形的 3 个顶点为 A、B、C , 顶点三维坐标为（ xa,ya,za ） 、（ xb,yb,zb ） 、（
xc,yc,zc ）, 且za≥ zb≥ zc,可通过排序得到如下假设。
设计算高程面为 z , 图2 中△ABC 的边AB、BC、CA 对应的边长分别为 c、a、b ,CA 边上的高
为hb, 三角形区域上的槽蓄量为 vol , 三角形面积为 SΔ, 接触表面积为 area,则槽蓄量计算方法如
下：【3】
如果数字高程为 TIN （ 不规则三角网） 模型，则直接采用上面的计算公式计算各三角形区域
的槽蓄量，然后累加即为河道槽蓄量。如果数字高程模型为规则格网，在把每个格网分作两个
三角形后也可采用上面的计算公式计算槽蓄量.
（2 ） 优缺点。①能够充分利用河道地形挖掘数据的深层信息，可以弥补断面地形法对复杂河
道地区计算精度低的缺点，同时该法可以计算绝对槽蓄量，弥补水沙平衡法不能计算绝对槽蓄
量的缺陷；②计算结果能够可视化，易于形成直观认识，这也是水文与地理信息系统（
GIS ） 相结合，水文学上的一个新发展亮点; ③对于计算结果，能够分析其细节，例如在某水
位时，河道哪些区域被水淹没，哪些区域为洲滩，各区域的水深情况等，通过分析，可以获取
更多的信息.
数字高程模型法的缺点是，数据的预处理比较复杂，传统的河道地形图多为 CAD 数据格式，
要转换为TIN 或GRID,其步骤和过程比较麻烦。
2 改进的数字高程模型法
由数字高程模型法原理可以看出，在计算每个三角形上槽蓄量时，假定三角形上方的 Z 值即水
位是一个确定的数，但实际中，当水面带有比降时，Z 值是变化的，这种情况下，就不能单纯
地利用体积计算公式计算槽蓄量了，需要进行栅格的叠置分析，进而计算河道槽蓄量.
（1 ） 带有比降河道槽蓄量计算的基本思想。首先是模拟出带有比降的水面，将其转换为
GRID 数据，可以称之为水面 DEM, 将其与河道地形 DEM 进行叠置分析。具体为求河道 DEM
与水面 DEM 的差值，得到叠置结果 DEM. 对结果 DEM 的格网值进行分析，当DEM 某格网值
为负时，说明对应位置处水面高程大于河道高程，格网值即为水深值；反之，格网值为河道地
形高出于水面的值，此处为洲滩或河岸。求出结果 DEM 中格网值为负值的每个格网上的槽蓄
量（ 格网面积与水深值的乘积） ,然后求和，即为整个所求河段区域的槽蓄量。
（2 ） 带有比降的水面模拟。要模拟带有比降的水面，已知数据为河道上一系列固定断面的水
位值，上断面水位值大于下断面水位值。本算法需要知道水边线，但是沿着河道的各处水位值
很难确定，通常用河道边界来代替。利用上下断面水面高程值，采用线性插值求出河道边界线
（边界线为折线，由一系列点连接构成） 上每个点的高程值。然后利用这一系列的高程点及
河道边界线，生成水面地形 DEM.
（3 ） 通过叠置分析计算河道槽蓄量。将水面 DEM 与河道地形 DEM 进行叠置分析，即求河
道DEM 与水面 DEM 的差值，得到叠置结果 DEM （ 如图 3 ）.
计算叠置分析结果 DEM 中格网值为负值的每个格网上的槽蓄量（ 格网面积与水深值的乘积）
,然后求和，即为整个所求河段区域的槽蓄量。
3 功能设计及实现
3. 1 断面地形法的功能及实现
摘要：
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研究河道槽蓄量计算系统的设计与实现河道槽蓄量是指在某计算高程时，河道中水体的体积。河道槽蓄量计算是水文专业进行河道演变分析、流域开发、防洪调度及河道治理的一项重要工作.通过河道槽蓄量计算，可进一步得到河道冲淤量、河段平均冲淤厚度、槽蓄量高程曲线图、槽蓄量沿程分布图、冲淤量高程曲线图、冲淤量沿程分布图等。常用的河道槽蓄量计算方法，主要有断面地形法和数字高程模型法。断面法是通过固定断面地形观测数据，利用数学上的梯形或截锥体积计算公式直接计算槽蓄量；数字高程模型法是利用河道地形DEM进行分析，通过计算DEM每个三角形区域上的槽蓄量，然后求和，得到整个选定区域河道的槽蓄量。现实世界中的河道水面往往是带...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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