[摘要]本文對水利工程試驗教學中計算機模擬技術的應用問題進行了初步探討，計算機模擬是一項技術，同時也是一種學習環境、教學模式、教學思想。計算機模擬教學應用的研究涉及了現代教育技術、教育心理、課程結構、教學內容的安排等多個領域。本文嘗試為水利學科試驗教學中真正實現發揮學生主體性作用提供一種思路。

[關鍵詞]計算機模擬 水利工程試驗教學 學習環境

一、引言

計算機模擬技術自出現以來，逐步滲透到工程、文化、醫學、娛樂等各個領域，它是“用高科技手段構造出來的一種人工環境”。它追求的是人機和諧，強調人在這一環境中進行自然的信息處理，因此自然得到了教育界的重視，尤其是對水利工程這門學科而言，將這一技術應用于試驗教學是有必要的。計算機模擬為教育教學開辟了新的思路，因為它大大擴展了學生的經驗范圍。模擬能讓學生去探索那些十分昂貴、十分危險、在時空上行不通或在現實中不可能達到的環境。將計算機模擬，尤其是虛擬現實引入課堂，可以讓學生參與那些以其他方式無法體驗的活動。計算機模擬還可以人工構造出因時間、環境、財力以及物理資源所限而無法出現的真實世界的模型，如水庫潰壩及潰壩后下游淹沒的場景等。水利工程學科教學中引入計算機模擬教學法，可以更直觀形象的表達出數學公式的物理含義，因此，借助于新的計算機模擬技術模擬河流洪水演進具有十分重要的意義。通過計算機建立數字模型，將空間地理分布及所具有的屬性進行數字化存儲，建立河流系統防洪信息數字管理模型，能夠快速、有效的對防洪信息進行管理，并可對不同頻率的洪水進行仿真模擬。以圖、表、或視頻的形式顯示出來，為水利工程學科試驗教學提供了很好的教學平臺。

二、計算機模擬水流系統基本原理

(一)河道水流水力學模擬原理

天然河道內水體的運動可以用圣維南方程來描述，它遵守水體的質量守恒和動量守恒。由質量守恒可以推導出連續性方程，是建立在水位變化率和契形或菱形渠道內水時變化的平衡關系上的[1]。由動量守恒可以推導出動力方程，是建立在慣性、擴散、重力和摩擦等相互作用的平衡關系上。其它如風或者說波動等的作風也可以考慮在內，但實際上因其作用甚微而不予考慮。

一般一維明渠非恒定流所采用的方程組為Q(流量)，h(水位)為變量的圣維南方程組[2]，其基本形式為：

其中：A、Q、h分別為過水面積、流量、斷面水位(潮位)，U代表斷面流速，Cs為謝才系數。

(二)洪水演進模擬技術

洪水演算即一定流量在不進行水位計算時沿著渠道行進時流量過程線形狀的變化。洪水演算一個重要的特征就是取水。在模型中這一對象可以作為一個流量邊界，或者可以放置于聯結或蓄滯洪區與洪水驗算節點之間。網型允許你為取水輸入一些規則來說明水體或水庫的運行。這些規則可以用一個定義在任意節點上的函數來描述取水或流量過程。將上下游之間的區域作為一個蓄水單元來揭示洪水演算的原理，因為相對于這個區域來說，入流過程線是知道的并且出流量是可以確定的。水流固有的連續性原理可以作為解決這一問題的基本方程，方程可用如下式子用示：

在一個時段內入流總量-同一時段內出流總量=蓄水量的變化量，用微分的形式可以表示如下[3]：

(3)

這里，dS/dt等于蓄水變化量相于時間的變化率，I是指入流量，O為出流量。為了便于計算通常以平均流量的函數來表示這個方程，也就是用式[4]：

(4)

式中，在時段Δt的始點和終點，并且它假設水文曲線在時間Δt內是直線變化的。值得一提的是選擇時間步長Δt時，必須要小心以便保證水文過程線的所有重要特征不受影響，特別是演算的時間周期必須要小于河道內洪水波的傳播時間。

三、計算機模擬模型設計

針對河網及明渠等的進行的水動力學模擬計算模型選擇InfoWorks RS來模擬。該模型提供了明渠、洪泛區、蓄滯洪區，以及水利工程等完整的水力計算模型，同時，還提供了基于事件和概念型兩種降雨徑流模型。提供了直觀的圖形用戶界面。通過InfoWorks RS，可以建立河網模型的網絡、事件、邏輯控制等河網模型所需要的各種要素模型界面如圖1，模擬功能結構如圖2。

四、模擬模型建立與模擬

InfoWorks RS所需基礎資料主要包括：幾何資料、恒定流資料、非恒定流資料，這些資料是InfoWorks RS進行洪水分析都必不可少的，其他資料僅對相應類型的分析才需要。

(1)幾何資料

包括建立河系的連接(圖示河系)、斷面數據、河段長度、能量損失系數(摩擦損失、收縮/擴散損失)、匯流點信息，以及水工建筑物資料(橋涵、溢洪道、堰)等。

(2)恒定流資料

包括：流態、邊界條件、峰流量信息。

①流態(緩流、混合流、急流)在用戶界面上指明，緩流曲線以臨界水深以上計算，急流曲線以臨界水深以下計算。如果流態從緩流過渡到急流，或從急流過渡到緩流，模型將按混合流模式計算。

②邊界條件是在河系終端(上游和下游)建立初始水面線所必需的，而初始水面線又是進行推算所必需的。對緩流而言，邊界條件僅用于河系下游端點；如推算急流，邊界條件僅用于河系上游端點；如推算混合流，邊界條件必須在河系所有終端設置。主要的邊界條件有：已知的水面高程、臨界水深、正常水深、率定曲線。

③流量信息用于斷面以便推算水面線，每一河段的流量數據從河系的上游往下游輸入。一旦在河段上游輸入了流量值，就認為該流量不變，直到另一流量值在該河段發生。河段內斷面的流速值可能發生變化，但是，在橋、涵或匯流點的中間，流速不變。

(3)非恒定流資料

包括：邊界條件(外部的和內部的)和初始條件。

①邊界條件必須在模擬河系的所有終端建立。河系上游端模擬所需的邊界條件有：流量曲線、水位曲線、流量～水位曲線。河系下游端所需的邊界條件有：率定曲線、正常水深(Manning方程)、水位曲線、流量曲線、流量～水位曲線。邊界條件也可在河系內部建立，用戶可以在內部斷面指明：后續入流曲線、均勻入流曲線、地下水過渡流量。

②初始條件(流量和水位)是河系節點進行模擬所必需的。初始條件有兩種不同的建立方式，常規的方式是：用戶在每一河段輸入流量資料，然后計算水面線高程。除此之外，還需定義指定蓄水面積上的初始水面線高程。

五、應用案例

(一)概況介紹

該案例是為同學們揭示一個水庫在遭遇超標準洪水時潰壩后對下游的淹沒范圍、淹沒時間及洪水水位，并參與制定防洪預案而設計的。案例結合某一水庫，該水庫庫容為6820萬m3，設計標準為百年一遇洪水。上游賈魯河干流長26.3km，河底坡降為1/300～1/400；水庫控制流域面積113km2，地處嵩山山前丘陵地帶，自然地勢由西南向東北傾斜，高程在海拔150～500m之間，地面坡度為1/300～1/400。水庫設計標準為百年一遇洪水，水庫校核標準為萬年一遇洪水(加20%安全保證值)。水庫設計壩頂高程為158.55m，現有高程158.60m。設計洪水位153.75m，校核洪水位158.60m。當水位超過158.60m時，庫區水面抬高，通過水庫自身調節能夠安全泄洪，但如果水位繼續抬高翻壩，有可能造成潰壩，對下游造成不可估量的災難。

(二)模型建立

輸入網絡數據、事件數據和邏輯數據后，加載內部和外部邊界，建立起的網絡如圖3：

(三)結果與分析

通過對校核標準下洪水下泄對下游的淹沒情況進行模擬，得出了各斷面最大流量時的各水力參數(如圖4)，各控制斷面流量與流速度隨時間的變化圖(如圖5)，各斷面水力要素隨時間的變化圖(如圖6)和下游水庫控制流域最大淹沒面積風險分析圖(如圖7)?？梢灾庇^的是同學們了解和學及模擬過程，參與制定防洪預案。

六、結語

運用現代科學技術帶給教育的不僅是手段與方法的變革，而且是包括教育觀念、教育模式在內的一場歷史性變革。

合理利用計算機虛擬技術能較好的實現實驗教學改革，有效地加強實驗教學手段的建設，解決教學場地和硬件資源的缺乏，擴展教學內容，激發學員學習興趣，提高學習效率和教學質量。鑒于計算機網絡技術發展的迅速，可結合計算機網絡技術資源的應用，更好地進行大學實驗教學改革。

1.項目基金：水利部“948”項目““實驗室改造先進技術和設備”(編號：CT200210)

[參考文獻]

[1]芮孝芳，陳界仁.河流水文學，河海大學出版社，2003

[2]David R.Maidment 主編，張建云 李紀生等譯，水文學手冊，科學出版社，2001

[3]鄭邦民，槐文信，齊鄂榮.洪水水力學[M].武漢：湖北科學技術出版社，2000.

[4]王船海等，實用河網水流計算，河海大學水文水資源系，2003

(作者單位：華北水利水電學院 鄭州)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机模拟技术在教学上的应用,计算机模拟技术在水利工程学科试验教学中的应用...的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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