河道整治工程中缺石量的计算模型及其在计算机系统的实现

赵 冬，余雨萍

（中原工学院 软件学院，郑州450007）

为了控导水势、保堤护滩，确保防洪安全，许多河流沿岸都需要修建险工及控导工程.随着时间的推移，河道工程在抗御水流冲击和洪水冲刷过程中，工程根石不断发生流失变化.因此，掌握根石分布状况，准确计算缺石量，适时对根石不足的主要坝岸补充根石非常重要.

以往的根石探测都是用人工方式进行的，对于采集到的数据，还需进行大量复杂的运算，才能得出河流的缺石量数据.由于原始数据都产生于县级单位，省、市级河务管理单位还需从所辖各市、县级单位提交的统计数据中汇总出缺石量数据，用以制定出年度拨款计划.

为提高探测数据管理的准确性及时效性，物探部门引进了先进的根石探测仪器，可提高根石探测的精确度.但仪器探测到的数据量非常大，人工处理显然不能满足要求.河流根石探测管理系统对实地采集到的探测数据进行批量导入和处理，生成断面剖面图及断面缺石面积图表，经过计算得出任一坝垛的缺石量，由此实现根石探测数据的数字化管理，可为预报险情提供参考依据，使防洪部门做到早预报、早加固，避免险情的发生［1］.

1 系统业务

河流探测部门在每年汛前、汛中、汛后三个重要时期对河道工程特别是靠河坝垛的根石进行探测.本系统的主要业务是根据探测数据计算每个坝垛的缺石量.在整条河流经的各县区都有很多工程，每个工程修筑了很多坝垛，用来加固河堤.每个坝垛由几个断面组成，根石探测是以断面为单位的，主要探测水下根石的深度，并根据探测数据计算出水下坡度以及缺石量等数据，从而判断该坝垛是否需要加固.系统还提供对探测数据的查询、统计等相关功能.

系统的数据处理模块将探测到的原始波形数据转换成TXT文档，系统的探测数据导入模块将TXT文档导入到系统中，并以此为源数据，进行后期的查询、统计及断面图绘制等操作.同时，对坝垛附近地区的自然、生态环境、工程、坝垛、根石探测断面、图片、多媒体、成果报告文档、探测数据（包括坝顶高程、根石台高程、水面高程、测点根石深度、探测时间、探测单位等）以及基础数据进行管理.

2 缺石量计算模型

断面是为了探测河流根石情况而人工确定的，每个坝垛根据其形状及水流的方向有多个断面，其示意图如图1所示.进行探测时，一天探测多个坝垛，每个坝垛探测多个断面.

图1 断面示意图

缺石量是用户最关心的数据，也是河流根石探测工作的最终目的.所谓缺石量，即河流坝垛缺少根石的体积总数.缺石量最基层的计算单位是坝垛.图1中的“迎水断面”、“上跨断面”、“前头断面”等即为标准的断面名称.选择m个测量部位，分别得到m个横剖面，设为A0，A1，…，Am.测量时，假设在横剖面Ai（i＝0，1，…，m）上取n个测量点，以河底水平线为横坐标，过测量起始点并垂直于河底水平线的直线为纵坐标，建立坐标系，则n个测量点的横坐标分别是x0，x1，…，xn，对应的测量高度分别是y0，y1，…，yn.

连接（x0，y0），（x1，y1），…，（xn，yn）等点中相临的两点，就构成了防洪坝横剖面的实际边界曲线的近似折线，折线与连接（x0，y0）点和（xn，yn）点的斜线所围成的平面图形称为缺石面，其面积就是近似的缺石部分的面积.各缺石面相互平行.计算出Ai面的缺石图形的面积后，连接Ai和Ai＋1（i＝0，1，…，m－1）面上相应的测量点，就构成了一个棱台.由棱台体积的计算公式计算出缺石量.因此，缺石量的计算主要在于计算Ai面的缺石图形的面积.

以x0，x1，…，xn作为区间［x0，xn］的分点，运用分段积分方法，可以计算出横剖面Ai的缺石面积.设p／q＝a，则可得到横剖面Ai的缺石面积：

坝垛的缺石量是由本次探测的每个断面的缺石面积和坝垛的护围长度计算出来的.如果用V表示某坝垛的缺石量，用Sn表示第n个断面的缺石面积，用L表示该坝垛的护围长度，则缺石量的计算公式如下［2］：

3 系统设计思路

3.1 系统功能设计

根据系统的业务需求，系统功能设计如图2所示.

图2 系统功能结构图

（1）数据维护功能.用户单位需要管理的数据分为基础数据和探测数据两大类.基础数据指的是河务管理中的行政机构及工程管理层次中各级单位的有关数据；探测数据是每年河流汛前、汛期及讯后探测到的相关数据.

（2）综合查询功能.用户要求能对上述各种数据进行方便、快速的查询，包括查询工程信息、查询坝垛信息、查询缺石量等；要求能根据部门、工程名称、坝垛名称等对缺石量进行组合条件查询.查询过程中隐含着缺石量计算过程.

（3）统计分析功能.系统可生成各级单位的根石探测断面统计表、根石探测成果表、断面统计表、根石探测汇总表等报表，根据原始探测数据绘制出断面图.所有的统计报表及生成的断面图都能导出、打印.

（4）文件管理功能.系统除了共享探测数据以外，还可以共享各级单位的不同类型的文件.对不同权限的用户，分别提供文件上传、查询等功能.

（5）系统管理功能.系统管理功能包括用户管理、权限分配、密码修改、数据备份等功能.

3.2 系统模型

本项目采用面向对象分析与设计的建模方法，使用UML作为建模语言，从几个角度对系统建立模型.

3.2.1 用例模型

采用用例模型描述系统的需求，首先要识别出系统的参与者，然后对参与者的主要用例进行描述.本项目的参与者主要有4种，分别为数据管理人员、行政管理人员、系统管理员和普通人员.图3所示是主要的参与者——数据管理人员用例图.

图3 数据管理人员用例图

3.2.2 领域模型

在建立好用例模型后，下一步是从用例描述中抽象出领域模型，找出分析类，然后按照一定的原则进行系统设计，找出相应的边界类和控制类.图4所示是系统分析类以及其关联关系.

图4 领域模型

3.2.3 设计模型

系统的参与者通过边界类与系统打交道.参与者向边界类发起访问，边界类把参与者的申请提交给控制类，控制类最终访问实体类.在设计模型时，可能一个用例对应一个边界类，也可能一个参与者对应一个边界类.图5所示是系统设计模型之一——导入探测数据顺序图.其中，DetectDataInManager等类是控制类，frmMain是边界类，而projectInfo等类是实体类［3—4］.

图5 导入探测数据顺序图

4 系统实现

本系统所用的程序开发语言是C＃2.0，程序开发平台是Visual Studio 2005.后台数据库是Microsoft SQL Server 2005，它是使用基于SQL Server2005数据库的三层架构模式开发的.图6所示是所绘制的一个断面图.

图6 断面效果图

从图6中可以看出，对应于垂直直角边和水平直角边的长度的比值有3个标准，是1∶1.0、1∶1.3和1∶1.5，分别表示严重缺石、少量缺石和不缺石等情况.因此，对于每个经过探测的断面，都可以按上述3个标准计算出相应的缺石面积，进而利用某个坝垛各断面的缺石面积对该坝垛进行积分运算，得出3个相应的缺石量.

5 结 语

本文描述了河道整治工程中根石缺石量的计算模型，给出了基于UML的系统分析设计模型，以及最终的实现效果描述.系统可导入河流每年汛前、汛期及汛后探测到的根石数据，并能对其进行统计分析，计算得出每个坝垛的缺石量，并绘制出断面图，从而可汇总得出省、市、县局等各级行政单位所辖流域总的缺石量数据，并生成规范格式的报表，为河流管理部门制定财政采购计划及对下级工程部门拨款等工作提供准确、科学的依据.

［1］李永强.黄河下游游荡性河段河道整治工程环境影响评价［J］.中国水利，2007（5）：37－39.

［2］姜小俊，胡建炯，史永忠.海底基岩高程测量中浅地层剖面仪数据处理方法研究［J］.测绘科学，2008（5）：169－172.

［3］赵德新，刘瑾.设计模式思想及其应用［J］.天津理工大学学报，2007（5）：58－62.

［4］李明树，杨秋松，翟健.软件过程建模方法研究［J］.软件学报，2009（3）：524－528.