一种水库冲刷淤积计算方法
阅读说明：本技术 一种水库冲刷淤积计算方法 (Reservoir scouring sedimentation calculation method ) 是由 汪诗奇 王莹 石晨辰 孙嘉骏 郜士彬 任威 徐儒林 刘祜昌 肖胜昌 李正品 陈科 于 2021-06-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种水库冲刷淤积计算方法,属于工程测量数据应用技术领域,具体是一种水库冲刷淤积计算方法。本发明的方法,采用多期实测水库地形数据成果创建规则格网DEM数据,然后对DEM格网单元进行三角剖分并利用不同类别的三角柱模型计算各体积单元的冲刷体积和淤积体积,再进行累加得到总体的冲刷体积和淤积体积,实现了水库冲刷淤积的准确计算。本发明的方法设计合理,具有自动化程度高、效率高、准确性好、成本低等特点。(The invention relates to a reservoir scouring sedimentation calculation method, belongs to the technical field of engineering measurement data application, and particularly relates to a reservoir scouring sedimentation calculation method. The method of the invention adopts multi-stage actual measurement reservoir terrain data achievement to establish regular grid DEM data, then triangulates DEM grid units, calculates the scouring volume and the sedimentation volume of each volume unit by using different types of triangular column models, and then accumulates to obtain the total scouring volume and the sedimentation volume, thereby realizing accurate calculation of reservoir scouring sedimentation. The method has the characteristics of reasonable design, high automation degree, high efficiency, good accuracy, low cost and the like.)
技术领域
本发明属于工程测量数据应用
技术领域
，具体是一种水库冲刷淤积计算方法。背景技术
在水库运行中，水库的冲刷淤积计算对于了解水库的运行状态具有重要作用，水库运维管理人员可依据该信息把握水库运行的总体情况，必要时可采取库区清淤工作以保证水库的运行安全。
目前对于水库冲刷淤积的计算方式有多种，主要包括规则网格镶嵌法、断面法、DTM法、三角柱法等。其中，三角柱法是较为精确的一种计算模型，但目前的三角柱计算方法中，只考虑了常规形式下的三角柱模型，没有顾及到非常规的情况，另外常用的基于不规则三角网的DEM构建方式不能保证两期DEM数据节点互相对应，给三角柱法的应用带来不便，因此存在一定不足。
发明内容
本发明的目的是解决目前水库冲刷淤积计算模型中存在的不足的问题，提出一种冲刷淤积计算方法。
本发明采用如下技术方案实现。
一种水库冲刷淤积计算方法，所述的水库冲刷淤积计算方法包括以下步骤：
步骤1，利用不同期的实测水库地形数据成果，创建至少两期规则格网形式的数字高程模型：DEM；
步骤2，将至少两期规则格网DEM的每个格网单元以一条对角线进行划分，得到冲刷淤积计算基本单元；所述的冲刷淤积计算基本单元即体积单元；
步骤3，对每个体积单元计算冲刷体积Vei和淤积体积Vsi。
本发明所述的水库冲刷淤积计算方法包括步骤4，将每个体积单元的冲刷体积和淤积体积累加，得到两期数据总共的冲刷体积Ve和淤积体积Vs。
本发明所述的步骤1具体为：(1)收集同一个水库的至少两期实测地形数据成果，检查数据的完整性和有效性；(2)设定规则格网的起止坐标及格网大小d；(3)利用多期实测地形数据，按照设定好的规则格网，分别创建多期规则格网DEM数据。
本发明所述的步骤2具体为：将两期规则格网DEM数据的各个格网单元按照对角线进行剖分，则每一个格网单元可以划分为两个体积单元，构建体积单元集合V。
本发明所述的步骤3具体为：(1)从体积单元集合V中任取一个体积单元Vi，(2)根据各个节点两期高程的大小判断该体积单元属于哪一个类别；(3)根据各类别的体积计算公式分别计算该体积单元中的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi；(4)重复上述过程，知道所有的体积单元遍历完毕，则得到了所有体积单元的冲刷体积和淤积体积。
本发明所述的步骤4具体为：将每个体积单元的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi进行累加，得到两期数据总共的冲刷体积Ve和淤积体积Vs。
本发明所述的步骤2中，冲刷淤积计算基本单元包含类别1：纯冲刷，具体为，体积单元中后一期节点的高程全部不大于前一期节点高程，则该体积单元内全部为冲刷；冲刷体积为三角柱体A1B1C1ABC的体积，设点A、B、C的平面坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，h1、h2、h3分别为AA1、BB1、CC1的高程差，则体积计算公式如下：
本发明所述的步骤2中，冲刷淤积计算基本单元包含类别2：纯淤积，具体为，体积单元中后一期节点的高程全部不小于前一期节点高程，则该体积单元内全部为淤积。淤积体积为三角柱体A1B1C1ABC的体积，设点A、B、C的平面坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，h1、h2、h3分别为AA1、BB1、CC1的高程差，则体积计算公式如下：
本发明所述的步骤2中，冲刷淤积计算基本单元包含类别3：半冲刷，具体为，体积单元中后一期节点有且只有一个点高程大于前一期对应节点高程，则该体积单元内部分为冲刷。冲刷部分为五面体EFAA1B1B，其体积等于四棱锥C1AA1B1B的体积减去四棱锥C1EFAB的体积，记四边形AA1B1B的面积为S1，C1到平面AA1B1B的距离为h1，四边形EFAB的面积为S2，C1到平面EFAB的距离为h2；淤积部分为三棱锥CC1EF，记三角形C1EF的面积为S3，C到平面C1EF的距离为h3，则体积计算公式如下：
本发明所述的步骤2中，冲刷淤积计算基本单元包含类别4：半淤积，具体为，体积单元中后一期节点有且只有一个点高程小于前一期对应节点高程，则该体积单元内部分为淤积。淤积部分为五面体EFAA1B1B，其体积等于四棱锥C1AA1B1B的体积减去四棱锥C1EFAB的体积，记四边形AA1B1B的面积为S1，C1到平面AA1B1B的距离为h1，四边形EFAB的面积为S2，C1到平面EFAB的距离为h2；冲刷部分为三棱锥CC1EF，记三角形C1EF的面积为S3，C到平面C1EF的距离为h3，则体积计算公式如下：
本发明设计合理，具有自动化程度高、效率高、准确性好、成本低等特点。具体体现为：
1、本发明利用实测地形数据创建规则格网DEM，能够较好的保持地形的完整性，能够比较真实的反应实际地形变化，根据两期DEM节点高程的大小关系运用不同类别的体积计算公式，较好的反应了地形的变化情况，能够得到更为精确的冲刷淤积计算结果。
2、本发明采用的冲刷淤积计算模型能够较好的反应出实际地形的变化情况，计算结果准确。
3、本发明自动化程度高，冲刷淤积计算无需人工干预，可以直接得到计算结果。
附图说明
图1是本发明的总体处理流程图。
图2是步骤1的处理流程图。
图3是步骤2的示意图。
图4是步骤3的处理流程图。
图5是不同类别体积计算单元的示意图。
图6是两期规则格网DEM(部分)示例图。
图7是两期规则格网DEM三角剖分示例图。
图8是体积单元内计算冲刷淤积体积(灰色为冲刷，黑色为淤积)示例图。
图9是体积累加得到总共的冲刷体积和淤积体积示例图。
具体实施方式
见图1，一种水库冲刷淤积计算方法，包括以下步骤：
步骤1，利用不同期的实测水库地形数据成果，创建两期规则格网形式的数字高程模型(以下简称DEM)；具体步骤为(如图2)：
(1)收集同一个水库的至少两期实测地形数据成果，检查数据的完整性和有效性；
(2)设定规则格网的起止坐标及格网大小d；
(3)利用多期实测地形数据，按照设定好的规则格网，分别创建多期规则格网DEM数据。
步骤2，将两期规则格网DEM的每个格网单元以一条对角线进行划分，得到冲刷淤积计算基本单元(以下简称体积单元，如图3)；具体处理过程为：
将两期规则格网DEM数据的各个格网单元按照对角线进行剖分，则每一个格网单元可以划分为两个体积单元，构建体积单元集合V。
步骤3，对每个体积单元计算冲刷体积Vei和淤积体积Vsi；具体过程为(如图4)：
(1)从体积单元集合V中任取一个体积单元Vi，
(2)根据各个节点两期高程的大小判断该体积单元属于哪一个类别；
(3)根据各类别的体积计算公式分别计算该体积单元中的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi；
(4)重复上述过程，知道所有的体积单元遍历完毕，则得到了所有体积单元的冲刷体积和淤积体积。
步骤4，将每个体积单元的冲刷体积和淤积体积累加，得到两期数据总共的冲刷体积Ve和淤积体积Vs。具体处理过程为：
将每个体积单元的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi进行累加，得到两期数据总共的冲刷体积Ve和淤积体积Vs。
本发明的具体过程中涉及到的体积计算基本单元类别及相应的体积计算公式如下：
类别1：纯冲刷(图5中类别1，A、B、C表示后一期节点，A1、B1、C1表示前一期节点)。体积单元中后一期节点的高程全部不大于前一期节点高程，则该体积单元内全部为冲刷。冲刷体积为三角柱体A1B1C1ABC的体积，设点A、B、C的平面坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，h1、h2、h3分别为AA1、BB1、CC1的高程差，则体积计算公式如下：
类别2：纯淤积(图5中类别2，A、B、C表示后一期节点，A1、B1、C1表示前一期节点)。体积单元中后一期节点的高程全部不小于前一期节点高程，则该体积单元内全部为淤积。淤积体积为三角柱体A1B1C1ABC的体积，设点A、B、C的平面坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)，h1、h2、h3分别为AA1、BB1、CC1的高程差，则体积计算公式如下：
类别3：半冲刷(图5中类别3，A、B、C表示后一期节点，A1、B1、C1表示前一期节点)。体积单元中后一期节点有且只有一个点高程大于前一期对应节点高程，则该体积单元内部分为冲刷。冲刷部分为五面体EFAA1B1B，其体积等于四棱锥C1AA1B1B的体积减去四棱锥C1EFAB的体积，记四边形AA1B1B的面积为S1，C1到平面AA1B1B的距离为h1，四边形EFAB的面积为S2，C1到平面EFAB的距离为h2；淤积部分为三棱锥CC1EF，记三角形C1EF的面积为S3，C到平面C1EF的距离为h3，则体积计算公式如下：
类别4：半淤积(图5中类别4，A、B、C表示后一期节点，A1、B1、C1表示前一期节点)。体积单元中后一期节点有且只有一个点高程小于前一期对应节点高程，则该体积单元内部分为淤积。淤积部分为五面体EFAA1B1B，其体积等于四棱锥C1AA1B1B的体积减去四棱锥C1EFAB的体积，记四边形AA1B1B的面积为S1，C1到平面AA1B1B的距离为h1，四边形EFAB的面积为S2，C1到平面EFAB的距离为h2；冲刷部分为三棱锥CC1EF，记三角形C1EF的面积为S3，C到平面C1EF的距离为h3，则体积计算公式如下：
如图6是由某水库的两期实测地形数据成果根据步骤1所创建的两期规则格网DEM数据(部分)，格网大小设置为1m。
如图7是对两期DEM数据的每个格网单元以一条对角线进行划分的示意图，得到了体积单元集合。
如图8是对各个体积单元内进行冲刷淤积计算的示意，通过步骤3可以得到每个体积单元内的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi。
如图9是各个体积单元的冲刷体积Vei和淤积体积Vsi进行累加得到的最终结果，得到了两期数据总共的冲刷体积Ve为5211539.963m3和淤积体积Vs为8538880.850m3，可以得出该水库在两次测量期间总体上呈淤积状态，总体淤积体积为3327340.888m3。