Surfer軟件在航道整治中的應用研究

李一凡

摘要：Surfer軟件具有的強大插值功能和地形圖繪功能，具有較為廣泛的應用。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行了分析。分析結果表明，使用Surfer軟件輔助航道整治設計方法可行，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。

關鍵詞：Surfer軟件;航道;演變分析;疏浚

中圖分類號：U617文獻標識碼：A文章編號：1006—7973（2022）05-0072-03

1引言

Surfer軟件是美國Golden Software公司編制的一款用以繪制三維圖為主的軟件。具有強大插值功能和繪圖能力，可以基于XYZ三維坐標數據輕松制作基面圖、數據點位圖、分類數據圖、等值線圖、線框圖、地形地貌圖、趨勢圖、矢量圖以及三維表面圖等，這在以地形的三維變化為基礎的河床演變分析中能提供較大的幫助[1-4]。傳統的河床演變分析是基于CAD地形圖人工讀取高程點，人工繪制等值線圖以及通過斷面數據計算河道的沖淤變化量[5-6]，該處理較為復雜，效率較低，甚至有時會帶入人為誤差。而Surfer軟件則可以通過輸入地形圖的三維坐標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，該軟件還可以通過對同一河道不同時間點的三維數據進行處理，得到較為全面精確的沖淤變化值，減少了因為隔段取斷面帶來的誤差。本文將Surfer軟件應用于航道整治中，并結合工程實例詳細闡述Surfer軟件在航道整治中的應用。

2Surfer軟件在航道整治中應用的方法

2.1網格化數據

Surfer軟件內置十二種常用的插值法，可以通過輸入的散點坐標插值補充所需節點的坐標，以此形成一個整齊格式的網格數據集合，過程如圖1。圖中不同特性的散點可以通過合適的插值法得到更加精確的網格數據，具體的選擇方法可參考文獻[2]。此外，從圖1還能看出相同面積時，插值的點越密，精度越高?？稍赟urfer軟件輸出網格文件時調整節點數。

2.2基于網格文件繪制3D表面圖和等值線圖

步驟一：將XYZ三維坐標數據進行格式整理后形成三列，分別為X，Y和Z，保存[*.xls]格式作為數據源。

步驟二：打開surfer軟件，使用“網格—數據”選項，選擇先前導出的[*.xls]文件，選擇合適的網格化方法，調整節點數（精度）到適當程度后確認等待程序輸出一個[*.grd]格式的網格文件（如圖2所示）。

步驟三：通過“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3D表面圖對網格數據的正確性進行簡單校驗。因為Surfer默認通過插值補充成一個矩形輪廓的網格數據集，相對于不規則輪廓的河道數據集肯定有不少多余，即需要白化將多余的部分去除。

步驟四：通過“繪圖—新建—等值線圖”導入白化后的[*.grd]網格文件。通過調整左邊狀態欄的“層次”中參數，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行顏色填充，將顏色深度按照高程大小分布，即可通過顏色分辨任何斷面的最深點，只要覆水，即是水深最大點。通過Surfer強大的互交功能，將等值線圖輸出成.dxf格式即可在CAD中打開編輯，根據精度要求用曲線連接若干水深最大點即可快速繪制深泓線。

步驟一：點擊生成的等值線圖，調節左邊欄中的“層次”選項，勾選并選擇合適的填充色;

步驟二：通過“文件—導出”選擇導出為[*.dxf]格式;

步驟三：使用CAD軟件打開導出的[*.dxf]文件，選擇樣條曲線，根據深泓線精度需要連接若干水深最大點形成深泓線。

2.4基于Surfer軟件統計河床沖淤變化

在Surfer軟件中，兩個在同一個XY平面坐標下，且節點數（精度）相同的網格數據可以通過內置的數學公式A-B將Z坐標相減，得到一個新的網格文件。通過這個特性，即可將同一河道2個時間點的網格數據相減，得到其較為精確的沖淤變化情況。

步驟一：通過“網格—數學”添加時間點1和時間點2的網格文件[*.grd]，選擇計算公式A-B，輸出[out.grd]。

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

2.5疏浚量計算

在2.4節中已經提到過Surfer的A-B功能。且Surfer還內置以某個z值為基面分別統計基面上和基面下體積的功能。在航道疏浚量計算中，即可利用此兩項功能進行精確計算。

步驟一：因為設計的航道斷面一般為一個規則的梯形，可以簡單快速地構建一個航道的網格數據文件（航道3D表面圖如圖6，圖7），通過A-B功能將航道網格于河道網格相減，并以航道開挖線作為邊界白化即可輸出一個沖淤變化網格，其中淤的部分即是需要疏浚的部分。

步驟二：利用Surfer的“網格-體積”功能，以z=0為基面統計輸出的網格，即會輸出基面上、下兩個體積值，基面以下部分體積即是疏浚量。

3工程實例分析

3.1河段概況

賀江源于湘桂交界處的黃沙嶺，流經廣西省賀州，至江口鎮流入西江，全長351公里。曾作為運輸大動脈，具有較大的航運潛力。國家重點規劃建設的“兩橫一縱兩網（長江干線、珠江干線、京杭大運河、長江三角洲航道網和珠江三角洲航道網）”讓賀江具備了進一步開發的價值[5]。

賀江兼具山區河流和渠化河流的特點，匯流地面坡度大、時間短，水位、流量暴漲暴落，流速大、比降陡，各段流態，邊界條件比較復雜，需進行必要的航道整治。

3.2Surfer軟件在航道整治中的應用

本文以賀江都平大壩上游約1000m處的彎道為例進行分析，圖8為2010年河段等值線圖，根據圖8可以很容易繪制深泓線變化圖（圖9）。同時，以1992 年和2010年兩年的數據為數據源，通過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。同時下半部分凸岸有支流入口，擾動水流，也加劇了右岸河床的淤積，該變化規律與彎道演變規律相符。

按照目前賀江航道的規劃，此次分析初步選定為300t級單向航道進行疏浚計算，圖11為該河段設計的300t級單向航道平面布置。為分析該河段的疏浚量，構建航道表面的網格文件，通過Surfer軟件將航道表面網格文件減去賀江2010年的網格文件，并以開挖邊界白化，將得到的[out.grd]文件通過Surfer的“網絡一體積”以z=0為基面計算體積（圖12）。輸出結果如圖13，取[Cut] 部分，經過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，達到7-9m，僅少許淺灘需要疏浚。

4結論

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

參考文獻：

[1]吳敬文，周豐年，趙輝.基于格網節點的土方量計算方法研究[J].測繪通報，2006，（11）：43-55.

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[3]陳歡歡，李星，丁文秀.Surfer8.0等值線繪制中的十二種插值方法[J].工程地球物理學報，2001（4）：60-61.

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