基于C#的橋涵設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

馬新穎，祁朝相，賀 敏

(陜西省西安市長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院橋梁系)

基于C#的橋涵設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算程序的開(kāi)發(fā)應(yīng)用

馬新穎，祁朝相，賀 敏

(陜西省西安市長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院橋梁系)

根據(jù)實(shí)際中橋涵水文計(jì)算的需求，利用C#語(yǔ)言強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)以及可視化編程功能，開(kāi)發(fā)了橋涵設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算程序，分別給出了適線法(皮爾遜—Ⅲ型頻率曲線)、全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式和公路科研所推理公式三種計(jì)算設(shè)計(jì)洪水流量的方法，并繪制機(jī)率格紙。通過(guò)實(shí)際工程驗(yàn)證表明，該程序準(zhǔn)確、方便、快捷，相比于手工計(jì)算，可以大大提高計(jì)算效率。

橋涵水文;C#;洪水流量;計(jì)算程序

1 引言

目前確定橋涵設(shè)計(jì)洪水流量的方法有三種，分別是適線法(皮爾遜—Ⅲ型頻率曲線)、全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式和公路科研所推理公式。在用適線法進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、估計(jì)分布函數(shù)的參數(shù)，同時(shí)還需要進(jìn)行試算，計(jì)算量非常龐大。在用全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式或公路科研所推理公式與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，雖然不用進(jìn)行特別復(fù)雜的計(jì)算，但是需要重復(fù)多次的查表，計(jì)算過(guò)程也相當(dāng)繁瑣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，橋涵水文計(jì)算軟件應(yīng)運(yùn)而生。如許磊基于dephi平臺(tái)開(kāi)發(fā)的橋位水文計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能較齊全，但是其數(shù)據(jù)庫(kù)采用的是MicroSoft Access數(shù)據(jù)庫(kù)，它是一種小型數(shù)據(jù)庫(kù)，在對(duì)大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理時(shí)，性能會(huì)變差。王雙銀、趙培穎基于Excel和Vb開(kāi)發(fā)的頻率適線計(jì)算軟件，其界面不夠友好、功能不夠齊全。本文采用了C#編程語(yǔ)言與SQL server數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫了橋涵設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算程序，將繁雜的水文計(jì)算自動(dòng)化。與其他軟件相比，計(jì)算效率大大改進(jìn)，界面也得到了優(yōu)化并且可以對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的管理。最后經(jīng)過(guò)實(shí)例應(yīng)用，驗(yàn)證了程序計(jì)算結(jié)果的正確性與實(shí)用性。

2 基本原理

各地區(qū)、各河流上的橋梁或涵洞，其設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算采用不同的方法。在計(jì)算時(shí)，要盡可能地搜集橋位水文資料。對(duì)于同一座橋梁，采用的計(jì)算方法不同，其計(jì)算的洪水流量的值也不同。在經(jīng)過(guò)分析論證以后，在這些數(shù)據(jù)中選用一個(gè)合理的數(shù)值，作為該橋設(shè)計(jì)流量的確認(rèn)值。

皮爾遜—Ⅲ型頻率曲線適線法采用的是以頻率點(diǎn)的分布為準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行測(cè)算的方法，在頻率格紙上繪制一條皮爾遜—Ⅲ型理論頻率曲線，曲線的參數(shù)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)估計(jì)，采用的方法為矩法或其他方法。然后根據(jù)該曲線對(duì)經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的擬合情況來(lái)對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，繪制調(diào)整參數(shù)后的頻率曲線，直到得到滿意的擬合曲線為止。

全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式中，把全國(guó)劃分為100多個(gè)分區(qū)，并制定了3個(gè)表，分別為全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表、全國(guó)水文分區(qū)值表和全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表。

全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法:

Qp%:查表確定 C和n的值，然后計(jì)算平均流量CFn，再查表Cv和Cs/Cv值，求得Cs，最終求出Qp%(p為給定的任意頻率)。

Q1%，Q2%:查表確定K和n的值，計(jì)算Q2%=KFn，再查Q1%/Q2%表，最終得到Q1%值。

公路科研所制定的各種公式，大多應(yīng)用于流域面積為100 km2以下的小河溝。上世紀(jì)80年代初，原交通部公路科研所制定小流域暴雨徑流的推理公式以及簡(jiǎn)單的小流域暴雨徑流的經(jīng)驗(yàn)公式。

3 程序設(shè)計(jì)

在進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該本著界面簡(jiǎn)潔、使用方便、功能齊全的原則，能夠?qū)λ斎氲臄?shù)據(jù)進(jìn)行快速的計(jì)算并繪制相應(yīng)頻率曲線，還要把這些數(shù)據(jù)和結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便以后對(duì)數(shù)據(jù)的查閱。

3.1 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言的選擇和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

該程序主要以計(jì)算功能為主，繪圖功能為輔，采用Visual Studio 2010和Microsoft Sql Server 2008開(kāi)發(fā)。編程語(yǔ)言采用流行的C#語(yǔ)言。程序在計(jì)算時(shí)，必然會(huì)對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用數(shù)據(jù)庫(kù)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、修改、添加和刪除。為了便于對(duì)大量數(shù)據(jù)的管理，本程序在選用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)選擇的是sql server數(shù)據(jù)庫(kù)。在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，根據(jù)本程序的特點(diǎn)將數(shù)據(jù)分為兩種:靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

靜態(tài)數(shù)據(jù)是程序中用到而且保持不變的數(shù)據(jù)，主要是程序中計(jì)算所需要用到的各種規(guī)范表、數(shù)值表和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表。數(shù)據(jù)庫(kù)中靜態(tài)數(shù)據(jù)表主要有:全國(guó)水文分區(qū)流量計(jì)算參數(shù)表、分區(qū)Cv值表、全國(guó)水文分區(qū)Cs/Cv經(jīng)驗(yàn)關(guān)系表、暴雨遞減指數(shù)n分區(qū)表、損失參數(shù)系數(shù)、指數(shù)值表、土壤植被分類表、匯流時(shí)間系數(shù)、指數(shù)表

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是用戶輸入的橋梁基本信息數(shù)據(jù)和程序計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)，將橋涵的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)保存后，以后可以方便的查詢某座橋涵的基本信息以及計(jì)算結(jié)果。

3.2 程序的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)程序計(jì)算的特點(diǎn)，同時(shí)為了使程序能夠穩(wěn)定的進(jìn)行計(jì)算以及考慮到程序以后的擴(kuò)展，本程序采用三層架構(gòu)的模型。該層次架構(gòu)把程序分為數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層三層。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層的主要功能是訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)。業(yè)務(wù)邏輯層是程序架構(gòu)的核心部分，數(shù)據(jù)在表示層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層之間的交換都通過(guò)業(yè)務(wù)邏輯層，管理整個(gè)程序的計(jì)算以及數(shù)據(jù)走向。表示層也叫用戶界面層，用于顯示數(shù)據(jù)和接收用戶輸入的數(shù)據(jù)，為用戶提供交互式的操作界面。使用三層架構(gòu)的模式可以方便的對(duì)代碼進(jìn)行管理，便于以后升級(jí)換代。

4 程序應(yīng)用

通過(guò)對(duì)實(shí)橋工程的設(shè)計(jì)洪水量的人工計(jì)算和軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比，檢驗(yàn)程序。

基本資料(1):南方地區(qū)某二級(jí)公路，擬修建一座跨越河流的橋梁。選定粗糙系數(shù)為:河槽河灘mt按照歷史相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)看，調(diào)查歷史洪水位為63.8 m，洪水比降為0.3。橋址附近的某一水文站具有從1951年到1982年連續(xù)32年的年最大流量數(shù)據(jù)，其連續(xù)32年的年最大流量系列具體數(shù)據(jù)如表1所示;確定該河流2%、1%和0.33%的流量。

表1 32年最大流量

軟件計(jì)算設(shè)計(jì)洪水流量:

計(jì)算步驟:點(diǎn)擊“皮爾遜—Ⅲ型頻率曲線”按鈕→點(diǎn)擊“水文資料錄入”→點(diǎn)擊“導(dǎo)入”按鈕從excel表中把年最大流量系列表導(dǎo)入程序中→點(diǎn)擊“流量連續(xù)系列”并輸入設(shè)計(jì)頻率和洪水頻率→點(diǎn)擊“計(jì)算”按鈕，得出初步結(jié)果如下:

Cv=0.44，Cs=0.62，Qs=4 084 m3/s，Qp=4 572 m3/s

點(diǎn)擊“頻率曲線”按鈕→點(diǎn)擊“繪制經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)”和“理論曲線圖”，觀察理論曲線與經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)的擬合情況，為了擬合的更好，點(diǎn)擊“調(diào)整m值按鈕”，在提示框內(nèi)選定一個(gè)m值，Cs值根據(jù)Cs=mCv自動(dòng)調(diào)整，如果對(duì)Cv值也不滿意，可以同時(shí)調(diào)整Cv、m值，理論曲線立即重新調(diào)整，調(diào)整幾次，直到理論曲線和經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)擬合滿意。數(shù)據(jù)的錄入以及計(jì)算的最終結(jié)果如圖1所示;

圖1 程序計(jì)算結(jié)果

軟件計(jì)算結(jié)果與手算結(jié)果對(duì)比如表2所示:

表2 計(jì)算結(jié)果比較

基本資料(2):在東北小興安嶺地區(qū)，橋位上游流域面積為123，通過(guò)全國(guó)水文分區(qū)經(jīng)驗(yàn)公式確定該橋的和流量。

程序計(jì)算結(jié)果如圖2所示:

圖2 程序計(jì)算結(jié)果

程序計(jì)算結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果比較如表3所示:

表3 計(jì)算結(jié)果比較

基本資料(3):甘肅西部某丘陵地區(qū)，流域面積95 km2，設(shè)計(jì)洪水頻率為1%，通過(guò)公路科研所推理公式和經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)推算這條河流的設(shè)計(jì)流量Q1%。

程序計(jì)算結(jié)果與手算計(jì)算結(jié)果比較如表4:

表4 計(jì)算結(jié)果比較

5 結(jié)語(yǔ)

本文的橋涵設(shè)計(jì)洪水流量計(jì)算程序，利用了計(jì)算機(jī)編程技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，使得計(jì)算更為方便準(zhǔn)確，對(duì)數(shù)據(jù)的管理更為科學(xué)有效。其界面良好、操作簡(jiǎn)便，大大提高了計(jì)算速度，工作量也得到降低。通過(guò)程序計(jì)算結(jié)果與手工計(jì)算結(jié)果對(duì)比，說(shuō)明了本程序的實(shí)用性，完全能夠滿足工作實(shí)際中的需要。本程序只采用了皮爾遜—Ⅲ型頻率曲線，并沒(méi)有包括其他一些類型的曲線，無(wú)法應(yīng)用于一些特殊的工程。因此，本程序需要對(duì)頻率曲線庫(kù)進(jìn)一步擴(kuò)充。

［1］ 許磊.橋位水文計(jì)算及輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)［D］.長(zhǎng)安大學(xué)，2007.

［2］ 王雙銀，向友珍，朱曉群，等.基于EXCEL的水文頻率計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)［J］.西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，(4):113－116.

［3］ 趙培穎，金冶，張忠孝.Visual Basic在繪制PⅢ頻率曲線中的應(yīng)用［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2008，(2):55－57.

［4］ 高冬光，王亞玲.橋涵水文［M］.北京:人民交通出版社，2011.

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1008－3383(2015)10－0076－02

2015－02－12