SMS在河道冲淤分析中的应用

郁玉锁

SMS在河道冲淤分析中的应用

郁玉锁

一、引言

目前根据实测资料分析河道冲淤的途径主要有两种：一种是根据河道水下实测地形切割断面，按几何法（简称地形断面法）直接计算河道泥沙的冲淤体积，即由某一水位高程下的上、下断面过水面积计算断面间相应水位下的河道槽蓄量，对各计算断面间的河道槽蓄量累加，并由此计算全河段相应水位下的河道槽蓄量；另一种方法是河道输沙平衡分析法（简称输沙量法)，根据河段进出口水文测站的实际输沙量估算河道泥沙的冲淤量，即输入和输出某一河段的沙量之差，应等于该河段内河床淤积和冲刷的沙量。上述两种方法在空间分析上存在一定的局限性，不能直观反映河道冲淤的具体部位。

SMS（Surface-water ModelingSystem）是由美国陆军工程兵水利工程实验室和扬·伯明翰大学等合作开发的一款较为成熟的水环境模拟软件。SMS具有强大的前后处理和计算功能。在前处理方面，能自动生成四边形网格和三角网格，并可直接进行单元格质量的调整；在后处理方面，具有强大的分析功能，如三维河道地形的展示，流场动画的制作等等。本文主要采用SMS中的前后处理模块进行河道冲淤的计算。

二、河段概况

本次分析采用的地形资料以2005年安徽省水利水电勘测设计院实测的地形图和2008年安徽省交通勘测设计院实测的地形图为基础，选取淮河中游凤台大桥至平圩大桥段，进行河床演变分析。本段河道形态见图1。

凤台大桥至平圩大桥河段全长约26km，本段河型复杂，是淮河中游段河道形态最复杂的河段之一。河段主槽断面复杂，深泓变化大。本段整治工程集中，已实施的整治工程为黑龙潭疏浚；正在实施和将要实施的有上、下六坊堤废弃及其河道疏浚等。本段行洪区众多，涉及淮干行洪的行洪区有灯草窝生产圩、上六坊堤行洪区、下六坊堤行洪区。本河段上游有峡山口控制，下游有荆山口控制，两个山口均是两山对峙，一水中穿。几千年来，淮河一直穿行于这两个峡山之间，从未决出峡山，因此本河段河势一直相对稳定。

三、基于SMS河道数字地形的建立

1.不规则三角网（TIN）的建立

不规则三角网（TIN，TriangulatedIrreg-ularNetwork）是一种表示数字高程模型的方法，利用现有地形图上的离散点数据将研究区域划分为相连的三角面网格，即对于平面上n个离散点，其平面坐标为（xi，yi），i=1，2，…，n。将其中相近的三点构成最佳三角形，使每个离散点都成为三角形的顶点。三角面的形状和大小取决于河道地形测点的位置和密度。TIN的数据存储方式比格网复杂，它不仅要存储每个点的高程，还要存储其平面坐标、节点连接的拓扑关系等。

TIN建立后，区域中任意点落在三角面的顶上、边上和三角形内。如果点不在顶点上，该点的高程通常利用线性插值的方法得到（在边上的用边的两个顶点的高程，在三角形内则用三个顶点的高程）。

2.网格的布置及插值

为了统一2005年、2008年两测次的河道地形的计算范围，在TIN的基础上布置网格，然后在内插出网格节点的高程值。研究河段的网格布置如图2所示。

为较好地反映河道地形的变化，采用二次四边形单位划分河道主槽区域，采用二次三角形单元划分河道滩地区域，共布置网格约1.4万个，覆盖两岸河堤之间的河道地形。网格节点高程插值的方法很多，如距离加权法、多项式内插法、样条函数内插法、多面函数法等等。大量的实验证明，由于实际地形的非平稳性，不同的内插方法对河道地形的精度并无显著影响，主要取决于原始采样点的密度和分布。本次网格节点高程采用线性内插法。

四、基于SMS河道冲淤分析的应用

建立河道地形数字高程模型后，利用SMS软件对河道地形表面进行分析，如断面套绘、河道冲淤分布分析等。

1.断面套绘

河道横断面的变化是河道冲淤最直观的表现，不同年份实测断面的对比分析可以反映该河段的横向和纵向变形。但由于2005年和2008年两测次断面位置不固定，利用原始数据进行断面套绘较困难。而利用SMS可对建立的河道地形数字高程模型切割一条或多条横断面，从而弥补河道断面测量位置不固定带来的问题。

河道断面1套、2套绘图见图3、图4。从图中可以看出，采用这种插值方式也会造成一定的误差，这种方法从2008年插值得出的数据精度较低，主要是散点的密度以及分布造成的。总体数据精度较高，可以满足断面套绘的需要，具有一定的推广价值。对于数值差别较大的区域，可以通过对该区域网格进行适当加密来消除奇异点。

2.冲淤分布分析

通过对不同测次的河道网格点高程进行相减，得出两个测次之间各网格处河道冲淤厚度，再建立网格点的高程Z为河道冲淤厚度的河道地形模型，就可以形象直观地表现出河道冲淤在研究区域内的分布。Z大于零表示河道淤积，反之，表示河道冲刷。

由图3、图4可以得出，本河段总体冲淤趋势是刷槽淤滩。灯草窝左汊呈缓慢淤积的趋势；超河段主槽呈冲刷趋势，局部有冲刷深坑。

上述冲淤图不仅能定性分析河道的冲淤部位和冲淤强度，还可以将冲淤厚度大于某一数值的区域标示出来，并计算其所占面积比例等等。将冲淤厚度分为几等级，计算出每个区域的面积、体积，可更清晰地表现河道的冲淤分布格局，有利于认识泥沙在河道内的冲淤变化规律。

五、结论

本文介绍了两种常规河道冲淤分析方法，输沙量差法和断面法。上述两种方法存在不能直观反映河道冲淤具体部位，空间分析能力差等缺陷。

以凤台大桥至平圩大桥河段为例，详细介绍了利用SMS软件建立河道数字高程地形的具体实现方法，并得出了本段河道的演变情况。

基于SMS对河道数字地形进行分析，通过切割河道表面生成的断面数据，可以进行断面套绘的分析，从而弥补河道断面测量位置不固定带来的问题。通过对2005年、2008年两个测次的河道地形模型的对比分析，得到河床冲淤变化图，可以直观地分析河道的冲淤部位和冲淤强度在研究区域内的分布。上述研究表明，基于SMS进行河道冲淤分析是一种行之有效的方法，值得推广

安徽省淮河河道管理局233000）

（专栏编辑：徐 攀）