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[摘要]本文对水利工程试验教学中计算机模拟技术的应用问题进行了初步探讨，计算机模拟是一项技术，同时也是一种学习环境、教学模式、教学思想。计算机模拟教学应用的研究涉及了现代教育技术、教育心理、课程结构、教学内容的安排等多个领域。本文尝试为水利学科试验教学中真正实现发挥学生主体性作用提供一种思路。
[关键词]计算机模拟 水利工程试验教学 学习环境
一、引言
计算机模拟技术自出现以来，逐步渗透到工程、文化、医学、娱乐等各个领域，它是“用高科技手段构造出来的一种人工环境”。它追求的是人机和谐，强调人在这一环境中进行自然的信息处理，因此自然得到了教育界的重视，尤其是对水利工程这门学科而言，将这一技术应用于试验教学是有必要的。计算机模拟为教育教学开辟了新的思路，因为它大大扩展了学生的经验范围。模拟能让学生去探索那些十分昂贵、十分危险、在时空上行不通或在现实中不可能达到的环境。将计算机模拟，尤其是虚拟现实引入课堂，可以让学生参与那些以其他方式无法体验的活动。计算机模拟还可以人工构造出因时间、环境、财力以及物理资源所限而无法出现的真实世界的模型，如水库溃坝及溃坝后下游淹没的场景等。水利工程学科教学中引入计算机模拟教学法，可以更直观形象的表达出数学公式的物理含义，因此，借助于新的计算机模拟技术模拟河流洪水演进具有十分重要的意义。通过计算机建立数字模型，将空间地理分布及所具有的属性进行数字化存储，建立河流系统防洪信息数字管理模型，能够快速、有效的对防洪信息进行管理，并可对不同频率的洪水进行仿真模拟。以图、表、或视频的形式显示出来，为水利工程学科试验教学提供了很好的教学平台。
二、计算机模拟水流系统基本原理
（一）河道水流水力学模拟原理
天然河道内水体的运动可以用圣维南方程来描述，它遵守水体的质量守恒和动量守恒。由质量守恒可以推导出连续性方程，是建立在水位变化率和契形或菱形渠道内水时变化的平衡关系上的[1]。由动量守恒可以推导出动力方程，是建立在惯性、扩散、重力和摩擦等相互作用的平衡关系上。其它如风或者说波动等的作风也可以考虑在内，但实际上因其作用甚微而不予考虑。
一般一维明渠非恒定流所采用的方程组为Q（流量），h（水位）为变量的圣维南方程组[2]，其基本形式为：
其中：A、Q、h分别为过水面积、流量、断面水位（潮位），U代表断面流速，Cs为谢才系数。
（二）洪水演进模拟技术
洪水演算即一定流量在不进行水位计算时沿着渠道行进时流量过程线形状的变化。洪水演算一个重要的特征就是取水。在模型中这一对象可以作为一个流量边界，或者可以放置于联结或蓄滞洪区与洪水验算节点之间。网型允许你为取水输入一些规则来说明水体或水库的运行。这些规则可以用一个定义在任意节点上的函数来描述取水或流量过程。将上下游之间的区域作为一个蓄水单元来揭示洪水演算的原理，因为相对于这个区域来说，入流过程线是知道的并且出流量是可以确定的。水流固有的连续性原理可以作为解决这一问题的基本方程，方程可用如下式子用示：
在一个时段内入流总量-同一时段内出流总量=蓄水量的变化量，用微分的形式可以表示如下[3]：
（3）
这里，dS/dt等于蓄水变化量相于时间的变化率，I是指入流量，O为出流量。为了便于计算通常以平均流量的函数来表示这个方程，也就是用式[4]：
（4）
式中，在时段Δt的始点和终点，并且它假设水文曲线在时间Δt内是直线变化的。值得一提的是选择时间步长Δt时，必须要小心以便保证水文过程线的所有重要特征不受影响，特别是演算的时间周期必须要小于河道内洪水波的传播时间。
三、计算机模拟模型设计
针对河网及明渠等的进行的水动力学模拟计算模型选择InfoWorks RS来模拟。该模型提供了明渠、洪泛区、蓄滞洪区，以及水利工程等完整的水力计算模型，同时，还提供了基于事件和概念型两种降雨径流模型。提供了直观的图形用户界面。通过InfoWorks RS，可以建立河网模型的网络、事件、逻辑控制等河网模型所需要的各种要素模型界面如图1，模拟功能结构如图2。
四、模拟模型建立与模拟
InfoWorks RS所需基础资料主要包括：几何资料、恒定流资料、非恒定流资料，这些资料是InfoWorks RS进行洪水分析都必不可少的，其他资料仅对相应类型的分析才需要。
（1）几何资料
包括建立河系的连接（图示河系）、断面数据、河段长度、能量损失系数（摩擦损失、收缩/扩散损失）、汇流点信息，以及水工建筑物资料（桥涵、溢洪道、堰）等。
（2）恒定流资料
包括：流态、边界条件、峰流量信息。
①流态（缓流、混合流、急流）在用户界面上指明，缓流曲线以临界水深以上计算，急流曲线以临界水深以下计算。如果流态从缓流过渡到急流，或从急流过渡到缓流，模型将按混合流模式计算。
②边界条件是在河系终端（上游和下游）建立初始水面线所必需的，而初始水面线又是进行推算所必需的。对缓流而言，边界条件仅用于河系下游端点；如推算急流，边界条件仅用于河系上游端点；如推算混合流，边界条件必须在河系所有终端设置。主要的边界条件有：已知的水面高程、临界水深、正常水深、率定曲线。
③流量信息用于断面以便推算水面线，每一河段的流量数据从河系的上游往下游输入。一旦在河段上游输入了流量值，就认为该流量不变，直到另一流量值在该河段发生。河段内断面的流速值可能发生变化，但是，在桥、涵或汇流点的中间，流速不变。
（3）非恒定流资料
包括：边界条件（外部的和内部的）和初始条件。
①边界条件必须在模拟河系的所有终端建立。河系上游端模拟所需的边界条件有：流量曲线、水位曲线、流量～水位曲线。河系下游端所需的边界条件有：率定曲线、正常水深（Manning方程）、水位曲线、流量曲线、流量～水位曲线。边界条件也可在河系内部建立，用户可以在内部断面指明：后续入流曲线、均匀入流曲线、地下水过渡流量。 ②初始条件（流量和水位）是河系节点进行模拟所必需的。初始条件有两种不同的建立方式，常规的方式是：用户在每一河段输入流量资料，然后计算水面线高程。除此之外，还需定义指定蓄水面积上的初始水面线高程。
五、应用案例
（一）概况介绍
该案例是为同学们揭示一个水库在遭遇超标准洪水时溃坝后对下游的淹没范围、淹没时间及洪水水位，并参与制定防洪预案而设计的。案例结合某一水库，该水库库容为6820万m3，设计标准为百年一遇洪水。上游贾鲁河干流长26.3km，河底坡降为1/300～1/400；水库控制流域面积113km2，地处嵩山山前丘陵地带，自然地势由西南向东北倾斜，高程在海拔150～500m之间，地面坡度为1/300～1/400。水库设计标准为百年一遇洪水，水库校核标准为万年一遇洪水（加20%安全保证值）。水库设计坝顶高程为158.55m，现有高程158.60m。设计洪水位153.75m，校核洪水位158.60m。当水位超过158.60m时，库区水面抬高，通过水库自身调节能够安全泄洪，但如果水位继续抬高翻坝，有可能造成溃坝，对下游造成不可估量的灾难。
（二）模型建立
输入网络数据、事件数据和逻辑数据后，加载内部和外部边界，建立起的网络如图3：
（三）结果与分析
通过对校核标准下洪水下泄对下游的淹没情况进行模拟，得出了各断面最大流量时的各水力参数（如图4），各控制断面流量与流速度随时间的变化图（如图5），各断面水力要素随时间的变化图（如图6）和下游水库控制流域最大淹没面积风险分析图（如图7）。可以直观的是同学们了解和学及模拟过程，参与制定防洪预案。
六、结语
运用现代科学技术带给教育的不仅是手段与方法的变革，而且是包括教育观念、教育模式在内的一场历史性变革。
合理利用计算机虚拟技术能较好的实现实验教学改革，有效地加强实验教学手段的建设，解决教学场地和硬件资源的缺乏，扩展教学内容，激发学员学习兴趣，提高学习效率和教学质量。鉴于计算机网络技术发展的迅速，可结合计算机网络技术资源的应用，更好地进行大学实验教学改革。
1.项目基金：水利部“948”项目““实验室改造先进技术和设备”（编号：CT200210）
[参考文献]
[1]芮孝芳，陈界仁.河流水文学，河海大学出版社，2003
[2]David R.Maidment 主编，张建云 李纪生等译，水文学手册，科学出版社，2001
[3]郑邦民，槐文信，齐鄂荣.洪水水力学[M].武汉：湖北科学技术出版社，2000.
[4]王船海等，实用河网水流计算，河海大学水文水资源系，2003
（作者单位：华北水利水电学院 郑州）
[关键词]计算机模拟 水利工程试验教学 学习环境
一、引言
计算机模拟技术自出现以来，逐步渗透到工程、文化、医学、娱乐等各个领域，它是“用高科技手段构造出来的一种人工环境”。它追求的是人机和谐，强调人在这一环境中进行自然的信息处理，因此自然得到了教育界的重视，尤其是对水利工程这门学科而言，将这一技术应用于试验教学是有必要的。计算机模拟为教育教学开辟了新的思路，因为它大大扩展了学生的经验范围。模拟能让学生去探索那些十分昂贵、十分危险、在时空上行不通或在现实中不可能达到的环境。将计算机模拟，尤其是虚拟现实引入课堂，可以让学生参与那些以其他方式无法体验的活动。计算机模拟还可以人工构造出因时间、环境、财力以及物理资源所限而无法出现的真实世界的模型，如水库溃坝及溃坝后下游淹没的场景等。水利工程学科教学中引入计算机模拟教学法，可以更直观形象的表达出数学公式的物理含义，因此，借助于新的计算机模拟技术模拟河流洪水演进具有十分重要的意义。通过计算机建立数字模型，将空间地理分布及所具有的属性进行数字化存储，建立河流系统防洪信息数字管理模型，能够快速、有效的对防洪信息进行管理，并可对不同频率的洪水进行仿真模拟。以图、表、或视频的形式显示出来，为水利工程学科试验教学提供了很好的教学平台。
二、计算机模拟水流系统基本原理
（一）河道水流水力学模拟原理
天然河道内水体的运动可以用圣维南方程来描述，它遵守水体的质量守恒和动量守恒。由质量守恒可以推导出连续性方程，是建立在水位变化率和契形或菱形渠道内水时变化的平衡关系上的[1]。由动量守恒可以推导出动力方程，是建立在惯性、扩散、重力和摩擦等相互作用的平衡关系上。其它如风或者说波动等的作风也可以考虑在内，但实际上因其作用甚微而不予考虑。
一般一维明渠非恒定流所采用的方程组为Q（流量），h（水位）为变量的圣维南方程组[2]，其基本形式为：
其中：A、Q、h分别为过水面积、流量、断面水位（潮位），U代表断面流速，Cs为谢才系数。
（二）洪水演进模拟技术
洪水演算即一定流量在不进行水位计算时沿着渠道行进时流量过程线形状的变化。洪水演算一个重要的特征就是取水。在模型中这一对象可以作为一个流量边界，或者可以放置于联结或蓄滞洪区与洪水验算节点之间。网型允许你为取水输入一些规则来说明水体或水库的运行。这些规则可以用一个定义在任意节点上的函数来描述取水或流量过程。将上下游之间的区域作为一个蓄水单元来揭示洪水演算的原理，因为相对于这个区域来说，入流过程线是知道的并且出流量是可以确定的。水流固有的连续性原理可以作为解决这一问题的基本方程，方程可用如下式子用示：
在一个时段内入流总量-同一时段内出流总量=蓄水量的变化量，用微分的形式可以表示如下[3]：
（3）
这里，dS/dt等于蓄水变化量相于时间的变化率，I是指入流量，O为出流量。为了便于计算通常以平均流量的函数来表示这个方程，也就是用式[4]：
（4）
式中，在时段Δt的始点和终点，并且它假设水文曲线在时间Δt内是直线变化的。值得一提的是选择时间步长Δt时，必须要小心以便保证水文过程线的所有重要特征不受影响，特别是演算的时间周期必须要小于河道内洪水波的传播时间。
三、计算机模拟模型设计
针对河网及明渠等的进行的水动力学模拟计算模型选择InfoWorks RS来模拟。该模型提供了明渠、洪泛区、蓄滞洪区，以及水利工程等完整的水力计算模型，同时，还提供了基于事件和概念型两种降雨径流模型。提供了直观的图形用户界面。通过InfoWorks RS，可以建立河网模型的网络、事件、逻辑控制等河网模型所需要的各种要素模型界面如图1，模拟功能结构如图2。
四、模拟模型建立与模拟
InfoWorks RS所需基础资料主要包括：几何资料、恒定流资料、非恒定流资料，这些资料是InfoWorks RS进行洪水分析都必不可少的，其他资料仅对相应类型的分析才需要。
（1）几何资料
包括建立河系的连接（图示河系）、断面数据、河段长度、能量损失系数（摩擦损失、收缩/扩散损失）、汇流点信息，以及水工建筑物资料（桥涵、溢洪道、堰）等。
（2）恒定流资料
包括：流态、边界条件、峰流量信息。
①流态（缓流、混合流、急流）在用户界面上指明，缓流曲线以临界水深以上计算，急流曲线以临界水深以下计算。如果流态从缓流过渡到急流，或从急流过渡到缓流，模型将按混合流模式计算。
②边界条件是在河系终端（上游和下游）建立初始水面线所必需的，而初始水面线又是进行推算所必需的。对缓流而言，边界条件仅用于河系下游端点；如推算急流，边界条件仅用于河系上游端点；如推算混合流，边界条件必须在河系所有终端设置。主要的边界条件有：已知的水面高程、临界水深、正常水深、率定曲线。
③流量信息用于断面以便推算水面线，每一河段的流量数据从河系的上游往下游输入。一旦在河段上游输入了流量值，就认为该流量不变，直到另一流量值在该河段发生。河段内断面的流速值可能发生变化，但是，在桥、涵或汇流点的中间，流速不变。
（3）非恒定流资料
包括：边界条件（外部的和内部的）和初始条件。
①边界条件必须在模拟河系的所有终端建立。河系上游端模拟所需的边界条件有：流量曲线、水位曲线、流量～水位曲线。河系下游端所需的边界条件有：率定曲线、正常水深（Manning方程）、水位曲线、流量曲线、流量～水位曲线。边界条件也可在河系内部建立，用户可以在内部断面指明：后续入流曲线、均匀入流曲线、地下水过渡流量。 ②初始条件（流量和水位）是河系节点进行模拟所必需的。初始条件有两种不同的建立方式，常规的方式是：用户在每一河段输入流量资料，然后计算水面线高程。除此之外，还需定义指定蓄水面积上的初始水面线高程。
五、应用案例
（一）概况介绍
该案例是为同学们揭示一个水库在遭遇超标准洪水时溃坝后对下游的淹没范围、淹没时间及洪水水位，并参与制定防洪预案而设计的。案例结合某一水库，该水库库容为6820万m3，设计标准为百年一遇洪水。上游贾鲁河干流长26.3km，河底坡降为1/300～1/400；水库控制流域面积113km2，地处嵩山山前丘陵地带，自然地势由西南向东北倾斜，高程在海拔150～500m之间，地面坡度为1/300～1/400。水库设计标准为百年一遇洪水，水库校核标准为万年一遇洪水（加20%安全保证值）。水库设计坝顶高程为158.55m，现有高程158.60m。设计洪水位153.75m，校核洪水位158.60m。当水位超过158.60m时，库区水面抬高，通过水库自身调节能够安全泄洪，但如果水位继续抬高翻坝，有可能造成溃坝，对下游造成不可估量的灾难。
（二）模型建立
输入网络数据、事件数据和逻辑数据后，加载内部和外部边界，建立起的网络如图3：
（三）结果与分析
通过对校核标准下洪水下泄对下游的淹没情况进行模拟，得出了各断面最大流量时的各水力参数（如图4），各控制断面流量与流速度随时间的变化图（如图5），各断面水力要素随时间的变化图（如图6）和下游水库控制流域最大淹没面积风险分析图（如图7）。可以直观的是同学们了解和学及模拟过程，参与制定防洪预案。
六、结语
运用现代科学技术带给教育的不仅是手段与方法的变革，而且是包括教育观念、教育模式在内的一场历史性变革。
合理利用计算机虚拟技术能较好的实现实验教学改革，有效地加强实验教学手段的建设，解决教学场地和硬件资源的缺乏，扩展教学内容，激发学员学习兴趣，提高学习效率和教学质量。鉴于计算机网络技术发展的迅速，可结合计算机网络技术资源的应用，更好地进行大学实验教学改革。
1.项目基金：水利部“948”项目““实验室改造先进技术和设备”（编号：CT200210）
[参考文献]
[1]芮孝芳，陈界仁.河流水文学，河海大学出版社，2003
[2]David R.Maidment 主编，张建云 李纪生等译，水文学手册，科学出版社，2001
[3]郑邦民，槐文信，齐鄂荣.洪水水力学[M].武汉：湖北科学技术出版社，2000.
[4]王船海等，实用河网水流计算，河海大学水文水资源系，2003
（作者单位：华北水利水电学院 郑州）