李一凡

摘要：Surfer軟件具有的強(qiáng)大插值功能和地形圖繪功能，具有較為廣泛的應(yīng)用。本文將該軟件引入于航道整治研究中，探討了Surfer軟件在繪制河床等值線、深泓線、計(jì)算航道沖淤變化圖以及疏浚量中的方法和步驟，最后以廣東賀江河段為例進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明，使用Surfer軟件輔助航道整治設(shè)計(jì)方法可行，能較為精確繪制航道的等值線圖和沖淤變化圖，并能提高工作效率。

關(guān)鍵詞：Surfer軟件;航道;演變分析;疏浚

中圖分類號(hào)：U617文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006—7973（2022）05-0072-03

1引言

Surfer軟件是美國(guó)Golden Software公司編制的一款用以繪制三維圖為主的軟件。具有強(qiáng)大插值功能和繪圖能力，可以基于XYZ三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)輕松制作基面圖、數(shù)據(jù)點(diǎn)位圖、分類數(shù)據(jù)圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢(shì)圖、矢量圖以及三維表面圖等，這在以地形的三維變化為基礎(chǔ)的河床演變分析中能提供較大的幫助[1-4]。傳統(tǒng)的河床演變分析是基于CAD地形圖人工讀取高程點(diǎn)，人工繪制等值線圖以及通過(guò)斷面數(shù)據(jù)計(jì)算河道的沖淤變化量[5-6]，該處理較為復(fù)雜，效率較低，甚至有時(shí)會(huì)帶入人為誤差。而Surfer軟件則可以通過(guò)輸入地形圖的三維坐標(biāo)快速生成更為直觀的平面圖以及3D表面圖，較為直觀和快捷反映河床的沖淤變化。同時(shí)，該軟件還可以通過(guò)對(duì)同一河道不同時(shí)間點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到較為全面精確的沖淤變化值，減少了因?yàn)楦舳稳嗝鎺?lái)的誤差。本文將Surfer軟件應(yīng)用于航道整治中，并結(jié)合工程實(shí)例詳細(xì)闡述Surfer軟件在航道整治中的應(yīng)用。

2Surfer軟件在航道整治中應(yīng)用的方法

2.1網(wǎng)格化數(shù)據(jù)

Surfer軟件內(nèi)置十二種常用的插值法，可以通過(guò)輸入的散點(diǎn)坐標(biāo)插值補(bǔ)充所需節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，以此形成一個(gè)整齊格式的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集合，過(guò)程如圖1。圖中不同特性的散點(diǎn)可以通過(guò)合適的插值法得到更加精確的網(wǎng)格數(shù)據(jù)，具體的選擇方法可參考文獻(xiàn)[2]。此外，從圖1還能看出相同面積時(shí)，插值的點(diǎn)越密，精度越高?？稍赟urfer軟件輸出網(wǎng)格文件時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.2基于網(wǎng)格文件繪制3D表面圖和等值線圖

步驟一：將XYZ三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式整理后形成三列，分別為X，Y和Z，保存[*.xls]格式作為數(shù)據(jù)源。

步驟二：打開(kāi)surfer軟件，使用“網(wǎng)格—數(shù)據(jù)”選項(xiàng)，選擇先前導(dǎo)出的[*.xls]文件，選擇合適的網(wǎng)格化方法，調(diào)整節(jié)點(diǎn)數(shù)（精度）到適當(dāng)程度后確認(rèn)等待程序輸出一個(gè)[*.grd]格式的網(wǎng)格文件（如圖2所示）。

步驟三：通過(guò)“繪圖—新建—3D表面圖”選擇剛剛輸出的[*.grd]文件，即可形成3D表面圖，可以通過(guò)3D表面圖對(duì)網(wǎng)格數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行簡(jiǎn)單校驗(yàn)。因?yàn)镾urfer默認(rèn)通過(guò)插值補(bǔ)充成一個(gè)矩形輪廓的網(wǎng)格數(shù)據(jù)集，相對(duì)于不規(guī)則輪廓的河道數(shù)據(jù)集肯定有不少多余，即需要白化將多余的部分去除。

步驟四：通過(guò)“繪圖—新建—等值線圖”導(dǎo)入白化后的[*.grd]網(wǎng)格文件。通過(guò)調(diào)整左邊狀態(tài)欄的“層次”中參數(shù)，最終形成等值線密度適中的等值線圖（如圖3 所示）。

2.3基于Surfer軟件繪制深泓線

Surfer輸出的等值線可以進(jìn)行顏色填充，將顏色深度按照高程大小分布，即可通過(guò)顏色分辨任何斷面的最深點(diǎn)，只要覆水，即是水深最大點(diǎn)。通過(guò)Surfer強(qiáng)大的互交功能，將等值線圖輸出成.dxf格式即可在CAD中打開(kāi)編輯，根據(jù)精度要求用曲線連接若干水深最大點(diǎn)即可快速繪制深泓線。

步驟一：點(diǎn)擊生成的等值線圖，調(diào)節(jié)左邊欄中的“層次”選項(xiàng)，勾選并選擇合適的填充色;

步驟二：通過(guò)“文件—導(dǎo)出”選擇導(dǎo)出為[*.dxf]格式;

步驟三：使用CAD軟件打開(kāi)導(dǎo)出的[*.dxf]文件，選擇樣條曲線，根據(jù)深泓線精度需要連接若干水深最大點(diǎn)形成深泓線。

2.4基于Surfer軟件統(tǒng)計(jì)河床沖淤變化

在Surfer軟件中，兩個(gè)在同一個(gè)XY平面坐標(biāo)下，且節(jié)點(diǎn)數(shù)（精度）相同的網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以通過(guò)內(nèi)置的數(shù)學(xué)公式A-B將Z坐標(biāo)相減，得到一個(gè)新的網(wǎng)格文件。通過(guò)這個(gè)特性，即可將同一河道2個(gè)時(shí)間點(diǎn)的網(wǎng)格數(shù)據(jù)相減，得到其較為精確的沖淤變化情況。

步驟一：通過(guò)“網(wǎng)格—數(shù)學(xué)”添加時(shí)間點(diǎn)1和時(shí)間點(diǎn)2的網(wǎng)格文件[*.grd]，選擇計(jì)算公式A-B，輸出[out.grd]。

步驟二：通過(guò)“網(wǎng)格—白化”將輸出的[out.grd]白化后，使用新等值線圖打開(kāi)，調(diào)整顏色等屬性得到客觀的沖淤面積圖，如圖5所示。

2.5疏浚量計(jì)算

在2.4節(jié)中已經(jīng)提到過(guò)Surfer的A-B功能。且Surfer還內(nèi)置以某個(gè)z值為基面分別統(tǒng)計(jì)基面上和基面下體積的功能。在航道疏浚量計(jì)算中，即可利用此兩項(xiàng)功能進(jìn)行精確計(jì)算。

步驟一：因?yàn)樵O(shè)計(jì)的航道斷面一般為一個(gè)規(guī)則的梯形，可以簡(jiǎn)單快速地構(gòu)建一個(gè)航道的網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件（航道3D表面圖如圖6，圖7），通過(guò)A-B功能將航道網(wǎng)格于河道網(wǎng)格相減，并以航道開(kāi)挖線作為邊界白化即可輸出一個(gè)沖淤變化網(wǎng)格，其中淤的部分即是需要疏浚的部分。

步驟二：利用Surfer的“網(wǎng)格-體積”功能，以z=0為基面統(tǒng)計(jì)輸出的網(wǎng)格，即會(huì)輸出基面上、下兩個(gè)體積值，基面以下部分體積即是疏浚量。

3工程實(shí)例分析

3.1河段概況

賀江源于湘桂交界處的黃沙嶺，流經(jīng)廣西省賀州，至江口鎮(zhèn)流入西江，全長(zhǎng)351公里。曾作為運(yùn)輸大動(dòng)脈，具有較大的航運(yùn)潛力。國(guó)家重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)的“兩橫一縱兩網(wǎng)（長(zhǎng)江干線、珠江干線、京杭大運(yùn)河、長(zhǎng)江三角洲航道網(wǎng)和珠江三角洲航道網(wǎng)）”讓賀江具備了進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的價(jià)值[5]。

賀江兼具山區(qū)河流和渠化河流的特點(diǎn)，匯流地面坡度大、時(shí)間短，水位、流量暴漲暴落，流速大、比降陡，各段流態(tài)，邊界條件比較復(fù)雜，需進(jìn)行必要的航道整治。

3.2Surfer軟件在航道整治中的應(yīng)用

本文以賀江都平大壩上游約1000m處的彎道為例進(jìn)行分析，圖8為2010年河段等值線圖，根據(jù)圖8可以很容易繪制深泓線變化圖（圖9）。同時(shí)，以1992 年和2010年兩年的數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過(guò)Surfer軟件配合CAD軟件輸出河床沖淤變化圖（圖10）。由圖9可知深泓線偏向凹岸，整體呈凸淤凹沖。同時(shí)下半部分凸岸有支流入口，擾動(dòng)水流，也加劇了右岸河床的淤積，該變化規(guī)律與彎道演變規(guī)律相符。

按照目前賀江航道的規(guī)劃，此次分析初步選定為300t級(jí)單向航道進(jìn)行疏浚計(jì)算，圖11為該河段設(shè)計(jì)的300t級(jí)單向航道平面布置。為分析該河段的疏浚量，構(gòu)建航道表面的網(wǎng)格文件，通過(guò)Surfer軟件將航道表面網(wǎng)格文件減去賀江2010年的網(wǎng)格文件，并以開(kāi)挖邊界白化，將得到的[out.grd]文件通過(guò)Surfer的“網(wǎng)絡(luò)一體積”以z=0為基面計(jì)算體積（圖12）。輸出結(jié)果如圖13，取[Cut] 部分，經(jīng)過(guò)體積換算后得疏浚量為61.25m3，都平大壩上游受蓄水影響，水深較深，達(dá)到7-9m，僅少許淺灘需要疏浚。

4結(jié)論

本文將Surfer軟件應(yīng)用于航道整治中，應(yīng)用結(jié)果表明：該軟件能較為準(zhǔn)確繪制航道的等值線圖和沖淤變化圖，并能結(jié)合CAD軟件繪制深泓線，能提高河床演變分析的效率。在航道疏浚量計(jì)算方面，采用Surfer的計(jì)算方法類似于全河段積分，使其理論上計(jì)算結(jié)果精度高于傳統(tǒng)算法，且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單快捷，人工誤差較小。Surfer軟件可應(yīng)用于航道整治設(shè)計(jì)研究中。

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