基于AutoCAD前處理淮河淮南段二維有限元網(wǎng)格生成技術(shù)

路思恒　鄧超　王志勇　汪熔　俞志敏

摘 要：建立模型，可以深入的了解水體的各種水文參數(shù)流速、水深、水體污染物的分布、水流的紊亂度和水表面的變化等，從而科學(xué)的評價、預(yù)測和管理水資源。該文所研究的淮河干流是從鳳臺大橋到田家庵階段，主要是通AutoCAD軟件把研究河流的地理圖形坐標(biāo)圖導(dǎo)入SMS軟件中，兩個軟件相結(jié)合進行淮河干流的模擬，生成精確的二維網(wǎng)格、河道的高程圖和高程斷面圖。其中生成三角形單元網(wǎng)格為48 563，四邊形單元網(wǎng)格為72 355個，高程圖河低高程最大值為20.0m，最小值為-4.0m，在高程斷面圖中可以看出河流兩岸到河底高程的變化趨勢。根據(jù)這些圖形，為研究淮河的水體流速、水深的計算、河流動態(tài)演示和污染物的擴散等各種后續(xù)參數(shù)提供有利的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SMS；AutoCAD；淮河干流；網(wǎng)格

中圖分類號 TB115 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2016）21-0094-04

1 SMS軟件和AutoCAD簡介

SMS軟件是United States Army Corps of Engineers Hydraulics Laboratory（美國陸軍工程兵水利工程實驗室）和Brigham Young University（揚·伯明翰大學(xué)）等合作開發(fā)的地表水系統(tǒng)模擬軟件。AutoCAD主要是工程繪圖軟件。本文主要是利用兩種軟件結(jié)合，在SMS軟件中生成散點圖，為后期模型的建立做準(zhǔn)備。

2 研究河段的概述

研究河段主要是淮河的干流，從鳳臺大橋到田家庵的河段，長度共37km。其中鳳臺大橋到平圩大橋的河段長度為26km，該河段地形復(fù)雜，有多個支流和匯流，并且支流和匯流錯綜交雜。從平圩大橋到田家庵?jǐn)嗝娴暮佣伍L度為11km，該段河流匯流較少的，河道地形圖較為平穩(wěn)[1]。此間河流斷面干流的寬度最寬處約為450m，支流斷面的寬度約為250m[2]，如圖1所示。

3 基于SMS模擬型的建立

3.1 河段平面圖形地理坐標(biāo)的導(dǎo)入 （1）在AutoCAD中打開淮河鳳臺大橋-田家庵干流地形圖，此時得到淮河鳳臺大橋—田家庵干流圖層處于都打開狀況地形圖（圖2）。（2）在“圖2”的基礎(chǔ)上關(guān)閉部分圖層，只保留高程點和河道信息兩個圖層，并將圖形保存為“塊的模式”，同時格式轉(zhuǎn)化為SMS可識別的“新塊.dxf”格式，得到淮河鳳臺大橋-田家庵河道干流的基本輪廓圖（圖3）。

3.2 河段平面圖形散點模擬型的生成 SMS可以導(dǎo)入多種格式文件，如：tif、jpg、dxf等[3]。對于AutoCAD文件也就是.dxf文件，在SMS中是通過背景顯示或者轉(zhuǎn)換特征目標(biāo)的矢量數(shù)據(jù)，通過離散數(shù)據(jù)組導(dǎo)入SMS中進而生成散點圖。主要有：塊文件導(dǎo)入、離散數(shù)據(jù)、離散數(shù)據(jù)檢查、散點生成。對于塊文件導(dǎo)入，選擇File|Delete All來清除SMS中所有的數(shù)據(jù)，在File|Open中，導(dǎo)入塊文件，在SMS-Map模塊下，打開“新塊文件”，此時河道的地理坐標(biāo)導(dǎo)入SMS界面。例如鳳臺大橋地理坐標(biāo)為：x是474 700.0，y是3 620 490.0；平圩大橋地理坐標(biāo)為：x是493 317.0，y是3 616 831.0。離散數(shù)據(jù)時，把CAD Data轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散數(shù)據(jù)，首先要將CAD Data轉(zhuǎn)變?yōu)镸ap Data，具體操作為：在“Project Explorer”中右鍵單擊“CAD Data”同時從下拉菜單中選擇Convert→CAD→Map，此時將會創(chuàng)建一個新的圖層“CAD”。選擇這個圖層使Map Module處于活動狀態(tài)，右鍵選擇“CAD”圖層并從菜單中選中Convert→CAD→2Dscatter。當(dāng)對離散數(shù)據(jù)檢查時，在Map→Scatter對話框，使所有選項保持不變。SMS創(chuàng)建離散數(shù)據(jù)組時進行了復(fù)制點檢查。最后散點生成，為了更好的查看離散點，講窗口縮小至離散數(shù)據(jù)組頂端西端，關(guān)閉“CAD”圖像圖層，生成散點圖（圖4）。

3.3 平面圖形有限網(wǎng)格的生成

3.3.1 有限網(wǎng)格的概述 有限元法（Finite Element Method）產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代[4]，主要是一種數(shù)值解析法，其中常見的的方法有直接分析法、變量分析法和加權(quán)余量分析法[11]。有限元法的基本思路是把研究的整體結(jié)構(gòu)進行離散化，通過具體的有限單元和節(jié)點來完成現(xiàn)實中的分析問題[12]。因此，在實際解決問題中，就要對有限網(wǎng)格進行劃分，由于網(wǎng)格劃分靈活多變、網(wǎng)格上節(jié)點連接密切和網(wǎng)格連接相對穩(wěn)定，所以用來處理一些復(fù)雜的不規(guī)則幾何問題，其中最常見的就是模擬河道的網(wǎng)格計算問題。

3.3.2 網(wǎng)格的單元類型 網(wǎng)格的單元類型主要有兩種，分別是三角形和四邊形[5]。三角形單元網(wǎng)格穩(wěn)定性好，精度高，通常用于分流、匯流和河心洲處，但網(wǎng)格排列通常不規(guī)則，對于相同節(jié)點數(shù)的網(wǎng)格，三角形單元較多計算量大，求解的精度要求高，處理程序復(fù)雜。對于四邊形網(wǎng)格來說，其結(jié)構(gòu)相對簡單、網(wǎng)格區(qū)域拉伸性能較好，網(wǎng)格單元排列的規(guī)律性較強，并切依據(jù)網(wǎng)格單元建立的模型求解比較簡單，通常用于河道平坦的大面積網(wǎng)格的構(gòu)造。

3.3.3 網(wǎng)格的作用 在SMS軟件中，各種模型的建立和水體各種參數(shù)的計算，都要通過網(wǎng)格作為載體來完成來完成。在涉及模型的計算方面各種方程的建立，相當(dāng)于把解析法中的整體連續(xù)函數(shù)進行分解，使其離散化，變成小的區(qū)域。這樣的方程建立需要網(wǎng)格上的結(jié)點數(shù)據(jù)，建立結(jié)點方程式，從而利用相應(yīng)模型求解出結(jié)果。由于網(wǎng)格上每一個結(jié)點都代表河流上實際坐標(biāo)，這樣網(wǎng)格單元類型和構(gòu)建的精確度，影響求解方程的類型和解的難易程度[6]。對于水流、水深、水表面值和污染物的擴散速度的計算問題，都要根據(jù)網(wǎng)格的構(gòu)建來建立模型，來得出結(jié)果，根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)的分析完成對水環(huán)境的科學(xué)管理。所以網(wǎng)格對模型的構(gòu)建十分重要。

3.3.4 網(wǎng)格的構(gòu)建滿足的條件 （1）根據(jù)研究河流地形走勢，使不同河段的網(wǎng)格構(gòu)造疏密有致；（2）根據(jù)模型的特點，研究者要對構(gòu)建的模型進行初步估算，確保河流的流線要平行；（3）由于河段的復(fù)雜性導(dǎo)致不同部分網(wǎng)格的類型不同，要使三角形和四邊形兩種網(wǎng)格交替應(yīng)用。

3.3.5 網(wǎng)格的構(gòu)建滿足的條件 （1）根據(jù)研究河流地形走勢，使不同河段的網(wǎng)格構(gòu)造疏密有致；（2）根據(jù)模型的特點，研究者要對構(gòu)建的模型進行初步估算，確保河流的流線要平行；（3）由于河段的復(fù)雜性導(dǎo)致不同部分網(wǎng)格的類型不同，要使三角形和四邊形兩種網(wǎng)格交替應(yīng)用。

3.3.6 網(wǎng)格的構(gòu)建方法 網(wǎng)格構(gòu)建主要有3種常見的方法，對于小范圍和復(fù)雜的網(wǎng)格的構(gòu)建，采用手動添加網(wǎng)格單元；通常大規(guī)模、結(jié)構(gòu)比較簡單的網(wǎng)格，采用節(jié)點線構(gòu)建網(wǎng)格單元；對于網(wǎng)格地形圖已知的網(wǎng)格構(gòu)造，通常采用map模型[7]。

3.3.7 研究河流網(wǎng)格的生成 由于河道地形的復(fù)雜性，在構(gòu)建網(wǎng)格前，先把散點圖分為6個區(qū)域。由于三角形具有網(wǎng)格剛度大、應(yīng)力集中的特點，所以在河道分叉、匯流和河心洲處，通常用三角形網(wǎng)格；四邊形具有穩(wěn)定性好、精確度高的特點，所以在平坦的河道通常用四邊形網(wǎng)格[8]。區(qū)域1、3、5分別為河道分叉、匯流和河心洲，則用三角形網(wǎng)格構(gòu)建；區(qū)域2、4、6河道較為平緩，顧用四邊形網(wǎng)格構(gòu)建，散點圖劃分如圖5所示。

在“圖5”的基礎(chǔ)上生成河道網(wǎng)格圖。對于整個區(qū)域網(wǎng)格構(gòu)建，選用map模型，其中河道分叉處、匯流處與河心洲網(wǎng)格單元類型采用三角形網(wǎng)格，河道較平坦區(qū)域網(wǎng)格類型采用四邊形網(wǎng)格。

構(gòu)建網(wǎng)格主要四個步驟：連接邊界弧、節(jié)點重新分配、選擇網(wǎng)格類型、網(wǎng)格生成。

3.3.8 網(wǎng)格精度的檢查與修正 由于網(wǎng)格精度的要求，需要對網(wǎng)格進行檢查。（1）三角形網(wǎng)格單元的各個內(nèi)角在10°≤α≤150°，四邊形網(wǎng)格單元內(nèi)角在30°≤α≤150°；（2）相互連接地形單元最大坡度小于10%；（3）相鄰有限單元的連接面積之比在0.5～2；（4）網(wǎng)格圖形有限元必須光滑、平整滿足彎曲弧度。對不符合要求的有限網(wǎng)格調(diào)整，調(diào)整節(jié)點、輸入高程、修勻網(wǎng)格單元邊界。當(dāng)調(diào)整節(jié)點時，在SMS中打開“圖6”，對整個區(qū)域進行修正。選擇Nodes/Locked界面，設(shè)置節(jié)點移動。

3.4 河段河底高程信息圖

3.4.1 設(shè)定高程圖單位 為獲得高程圖信息，在網(wǎng)格構(gòu)造后設(shè)定的單位類型。首先在界面中選擇dit/current coordination；然后在unit中選擇m（米）調(diào)整單位，為下一步得到河底高程信息做準(zhǔn)備。

3.4.2 河段河底高程圖的生成 由于生成網(wǎng)格“圖8”包含高程的地理數(shù)據(jù)信息，故可對生成的網(wǎng)格進行地理坐標(biāo)處理，主要包括：顏色填充的方法、顏色填充的個數(shù)和高程圖的生成。顏色填充方法時，將“圖8”導(dǎo)入SMS界面中，同時將劃分區(qū)域斜線刪除，在模塊下的 Contour Option dialog（線條選擇欄目）顯示的Contour Method（線條方法）中選擇Color Fill（顏色填充）；選擇Color Ramp（顏色層次），設(shè)置Palette method to Hue Ramp（顏色層次填充的方法），圖中顏色填充方式選擇由藍(lán)色逐漸變?yōu)榧t色；顏色填充個數(shù)，在Contour Option dialog功能下，選擇7條顏色填充方式；高程圖生成，選中模式，點擊2D Mesh tab（二維網(wǎng)格標(biāo)簽）。確保線條顏色在圖中能顯示出來；選擇OK。得到高程數(shù)據(jù)信息圖（圖10）。從圖中顯示信息得到所選河流斷面河低高程最大值為20.0m，最小值為-4.0m，同時根據(jù)顏色由藍(lán)色到紅色的逐漸變化情況，可以清晰地觀察到河底高程的變化。

3.4.3 特殊斷面高程圖觀測斷面與高程斷面曲線圖的生成 由于河道河底高程圖顏色的變化不能清晰地觀測出高程值的變化，所以為了更好地觀察河道河底高程兩岸到河底的變化，在平圩大橋附近的匯流處的河心洲處與田家庵處設(shè)置觀測斷面并繪制出高程沿斷面曲線圖，這樣就可以直觀的看出兩岸到河底高程值的變化趨勢。其步驟包括繪制高程斷面、生成高程變化曲線圖。

在高程斷面變化曲線圖中，可以清晰地觀察出，在設(shè)置斷面上，從河流左岸到右岸高程值隨距離變化而變化的變化趨勢。

從“圖11”和“圖12”中可以看出，在田家庵設(shè)置斷面上，從河流左岸到右岸高程值從18m下降到8m有上升到17m，這顯示兩邊高中間低的下凹圖形，這與河道河底的走勢吻合。

而在“圖13”的河心洲設(shè)置斷面上，“圖14”的河底高程值變化趨勢出現(xiàn)反?，F(xiàn)象，在設(shè)置斷面上從河流左岸到右岸，高程值先下降在上升，接著平穩(wěn)，又出現(xiàn)下降和再上升的現(xiàn)象，這是因為設(shè)置斷面設(shè)在河心洲階段，這也與河道中間是空地兩邊是分河流相吻合。

4 結(jié)論

通過AutoCAD軟件與地表水模擬系統(tǒng)（SMS）軟件的結(jié)合，繪制出淮河干流鳳臺大橋-田家庵的復(fù)雜河道的有限二維網(wǎng)格圖、河道河底的高程信息圖和高程斷面圖，為后面建立地表水的模型做了前期的準(zhǔn)備工作。主要是通過建立塊的模式和文件格式的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了AutoCAD與地表水模擬系統(tǒng)（SMS）的完美銜接，并使AutoCAD軟件的功能在地表水模擬系統(tǒng)應(yīng)用的前期階段得到充分肯定，成功的將實際地形圖導(dǎo)入SMS中，為下一步生成精確的二維網(wǎng)格圖形和河道河底高程信息圖和河道河底斷面變化折線圖奠定了基礎(chǔ)。其構(gòu)建有限二維網(wǎng)格模型精確度較高、適用性較好，從而為河流水流速度、水深、污染物的擴散和水表面值等各種后續(xù)參數(shù)的研究提供了精確的模型。

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（責(zé)編：張宏民）