防洪設(shè)施管理洪水仿真模型研究

吳春水

(昌吉回族自治州呼圖璧河流域管理處，新疆 昌吉 831200)

0 前 言

近年來(lái)，隨著全球氣候變化，極端暴雨、洪水事件頻發(fā)，防洪防澇任務(wù)艱巨，如西北地區(qū)由于水旱災(zāi)害使水土失衡，由此誘發(fā)了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[1-2]。由于洪澇覆蓋面積較大，長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)會(huì)對(duì)人類活動(dòng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和自然環(huán)境造成不同程度的傷害，故水安全不僅關(guān)系著流域內(nèi)人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，也關(guān)系著國(guó)家穩(wěn)定的安全。然而，西北地區(qū)受地理環(huán)境、氣候條件、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)的影響，使防洪、水資源、水環(huán)境等問(wèn)題交織在一起，矛盾日益突出，水安全風(fēng)險(xiǎn)加大,西北地區(qū)防洪任務(wù)的長(zhǎng)期性、艱巨性與復(fù)雜性[3-4]。因此，對(duì)西北地區(qū)的洪水管理風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，對(duì)保障流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)、快速、平穩(wěn)發(fā)展有積極影響[5-7]。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)防洪體系建設(shè)和管理的認(rèn)識(shí)在不斷深化和轉(zhuǎn)變。建立高效適用的模型，開(kāi)展洪水影響的模擬和洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估，對(duì)保護(hù)區(qū)域內(nèi)人員生命財(cái)產(chǎn)安全和整體防洪體系的設(shè)施具有現(xiàn)實(shí)意義[8]。本文以西北地區(qū)的水利工程為基礎(chǔ)，結(jié)合水力發(fā)電廠(HPP)對(duì)洪水進(jìn)行研究，應(yīng)用合理的分區(qū)防洪標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)有效的洪水風(fēng)險(xiǎn)管理手段，改進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法和洪水管理策略，減少洪災(zāi)損失，為防洪減災(zāi)提供支撐。

1 試驗(yàn)方法

近年來(lái)，為了減少地表洪水肆虐，建設(shè)水電站的任務(wù)變得復(fù)雜，一般而言，優(yōu)先建設(shè)水庫(kù)容量相對(duì)較小的水力系統(tǒng)，則對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)河流流量的功能隨之減小。為了滿足調(diào)節(jié)洪水的需求，建立一個(gè)洪水管理系統(tǒng)，用于宣泄規(guī)劃庫(kù)容不能容納的洪水。該系統(tǒng)主要通過(guò)以下2個(gè)部分調(diào)節(jié)流域中洪水的排放：主要河流上水電站的水利樞紐、支流上可自動(dòng)調(diào)節(jié)水庫(kù)的水力系統(tǒng)，兩者聯(lián)合將洪水期間的損失降至最低。評(píng)估現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源環(huán)境之后，還可以建立一個(gè)計(jì)算機(jī)程序，對(duì)該地區(qū)防洪設(shè)施系統(tǒng)調(diào)節(jié)的河流流量進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。如遇到不同規(guī)模的洪水時(shí)，計(jì)算結(jié)果可為防洪設(shè)施提供水力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并模擬各種工況下防洪設(shè)施水力系統(tǒng)的運(yùn)行特性，如單個(gè)小型的防洪設(shè)施或具有水力發(fā)電站綜合體的防洪設(shè)施。該程序可在已開(kāi)發(fā)的3個(gè)數(shù)學(xué)模型：① 防洪設(shè)施管理洪水流量的數(shù)學(xué)模型；② 模擬HPP水利樞紐運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型；③ 分布在流域中防洪設(shè)施管理綜合河流流量的數(shù)學(xué)模型；這3個(gè)模型的基礎(chǔ)上，改進(jìn)優(yōu)化流域管理流量模型而得到。如圖1所示，給出流域上防洪設(shè)施系統(tǒng)的示例方案，(曲線1為流域干流上發(fā)生百年一遇洪水流量曲線；曲線2為設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，水利樞紐下游流量曲線；曲線3為考慮當(dāng)前、未來(lái)的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件，降低設(shè)計(jì)洪水位時(shí)水利樞紐管理下游流量曲線；曲線4為支流上發(fā)生百年一遇洪水流量水位；曲線5為主要河流上水庫(kù)無(wú)法調(diào)節(jié)洪水時(shí)，支流防洪設(shè)施管理下游流量曲線；曲線6為在支流流量極端減少的情況下，水利樞紐管理下游流量曲線；Qmax為河流最大允許流量)。

對(duì)于開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型，用Matlab語(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)帶有個(gè)人計(jì)算機(jī)的圖形界面。該程序可對(duì)各種初始數(shù)據(jù)，手動(dòng)輸入或從文件中加載的進(jìn)行計(jì)算，然后在屏幕上顯示出計(jì)算結(jié)果，最后將計(jì)算結(jié)果(完全或選擇性地)保存到本地文件夾中，以便應(yīng)用于其他程序中，如地理信息系統(tǒng)(GIS)或圖形格式(bmp、jpeg、tiff)中進(jìn)一步處理。

在計(jì)算機(jī)程序中，可對(duì)各種建筑(如溢洪道)的防洪設(shè)施運(yùn)行狀況進(jìn)行模擬。此外，還可以驗(yàn)證防洪設(shè)施的參數(shù)，如水庫(kù)上游的最大允許水位、溢洪道的數(shù)量、尺寸等是否合理。計(jì)算機(jī)程序還可以在主要河流上水電站的水利樞紐運(yùn)行模式較復(fù)雜時(shí)，與支流的防洪設(shè)施聯(lián)合工作，同時(shí)調(diào)節(jié)洪水流量，為最大限度地減少土地泛濫面積，保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)生物的多樣性提供技術(shù)支持。地圖上顯示洪水區(qū)域時(shí)，可用地理信息系統(tǒng)評(píng)估洪水對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)造成的損失，模擬防洪設(shè)施影響區(qū)的生態(tài)狀況，評(píng)估自然系統(tǒng)的安全性、河流下游的水質(zhì)等。此外，該系統(tǒng)有一部分與HPP水利樞紐管理流量的時(shí)間有關(guān)，包括水庫(kù)蓄水期、洪水累積期、水庫(kù)排水期。

實(shí)際工程中有許多參數(shù)是經(jīng)常變化的，主要與水文參數(shù)(初始水位標(biāo)志和最大允許水位、水流、用水用戶的要求等)和運(yùn)行參數(shù)(功率、骨料數(shù)量、平均年發(fā)電量、水輪機(jī)的運(yùn)行特性、項(xiàng)目調(diào)度計(jì)劃、溢洪道開(kāi)啟/關(guān)閉的運(yùn)行頻率限制等)有關(guān)。

本文以呼圖壁河某干支流河段為例進(jìn)行研究，表1為研究段河道基本參數(shù)。呼圖壁河源于天山北坡，河流全長(zhǎng)258 km，本文以呼圖壁河在新疆呼圖壁縣境內(nèi)河段圖古里克河為研究對(duì)象進(jìn)行研究分析。圖古里克河上游分為東溝西溝兩條支流(干支流具體分布如圖2所示)，匯流后被紅山水庫(kù)攔蓄，水庫(kù)上游集水面積 861 km2，多年平均徑流量0.3245×108m3[1]。呼圖壁河流域多年平均降水量為407 mm，近60 a最大年降水量為545 mm 發(fā)生在1988年，最小年降水量為216 mm發(fā)生在1977年。流域內(nèi)降水量年際變化大，且分配不均勻，其中5到8月比重最大為全年降水量的61%。根據(jù)呼圖壁縣氣象站資料，研究區(qū)月平均氣溫最低最高分別為-16.7、 25.6 ℃，最大平均風(fēng)速 4.0 m/s，為典型的沙漠干旱氣候。

表1 輸入河道基本信息

綜合而言，該程序中的計(jì)算結(jié)果可提供以下4個(gè)方面服務(wù)：

(1) 考慮現(xiàn)在和未來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境條件，調(diào)整設(shè)計(jì)洪水位(MWL)；

(2) 考慮與支流防洪設(shè)施聯(lián)合工作，在調(diào)節(jié)洪水徑流時(shí)，計(jì)算主要河流上水電站的運(yùn)行模式；

(3) 在地圖上顯示洪水地區(qū)時(shí)，利用地理信息系統(tǒng)并評(píng)估洪水對(duì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的影響；

(4) 模擬HPP復(fù)雜水電站群上下游水庫(kù)的生態(tài)狀況。

2 結(jié)果和討論

利用開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)軟件程序，對(duì)我國(guó)西北地區(qū)河流流域防洪設(shè)施的運(yùn)行模式進(jìn)行模擬，該地區(qū)發(fā)生暴雨洪水，水位上升幅度較大。圖3顯示了利用防洪設(shè)施調(diào)節(jié)各組洪水排放的計(jì)算結(jié)果。圖4顯示了洪水累積期間，防洪設(shè)施上游水位的變化情況。

圖5顯示了在高水位年份中，HPP水利樞紐聯(lián)合支流上最大的防洪設(shè)施對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)，計(jì)算結(jié)果表明：進(jìn)入主要河流上游水庫(kù)的洪水量減少了約10%。圖6所示為與百年一遇的洪水相比時(shí)，兩者聯(lián)合運(yùn)行時(shí)下游水庫(kù)需要調(diào)節(jié)的洪水減少了30%。

考慮到上游水庫(kù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)狀況，開(kāi)發(fā)的模型需要優(yōu)化水利樞紐設(shè)計(jì)洪水位(MWL)。如果由于該區(qū)域有經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，要降低設(shè)計(jì)洪水位，那么就要進(jìn)行計(jì)算，并選擇適當(dāng)?shù)姆篮樵O(shè)施參數(shù)。如圖7所示，將設(shè)計(jì)洪水位降低1m，對(duì)比在支流上是否使用支流防洪設(shè)施得出：使用支流的防洪設(shè)施后，對(duì)應(yīng)的水利樞紐上游水庫(kù)淹沒(méi)面積可減少13%。

基于開(kāi)發(fā)的洪水管理數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用計(jì)算機(jī)程序中可獲得相應(yīng)結(jié)果，這使得在考慮環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等多方面要求的情況下，將其用于自動(dòng)計(jì)算成為可能。在不同工況中，計(jì)算機(jī)程序能確定各水力系統(tǒng)的參數(shù)，方便防洪設(shè)施在流域中聯(lián)合工作。此外，優(yōu)化改進(jìn)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)程序，還可以與地理信息系統(tǒng)聯(lián)合工作，可用來(lái)詳細(xì)評(píng)估洪泛區(qū)和洪水帶來(lái)的環(huán)境后果。

3 結(jié) 論

本文結(jié)合洪水對(duì)環(huán)境造成的惡劣影響，建立一個(gè)分布在流域中的防洪設(shè)施系統(tǒng)。在整個(gè)流域的防洪設(shè)施單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)行期間，在已開(kāi)發(fā)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出一個(gè)新的計(jì)算程序，用于計(jì)算各種工況下水力系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，并模擬該方案的運(yùn)行特性，形成結(jié)論如下：

(1) HPP水利樞紐聯(lián)合支流上最大的防洪設(shè)施對(duì)洪水進(jìn)行調(diào)節(jié)，顯示進(jìn)入主要河流上游水庫(kù)的洪水量減少了10%。

(2) 與百年一遇的洪水相比時(shí)，聯(lián)合運(yùn)行時(shí)下游水庫(kù)需要調(diào)節(jié)的洪水減少了30%。

(3) 對(duì)比在支流上是否使用支流防洪設(shè)施，當(dāng)使用支流的防洪設(shè)后，對(duì)應(yīng)的水利樞紐上游水庫(kù)淹沒(méi)面積可減少13%。

以西北地區(qū)流域的水力工況為背景進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，得出程序的計(jì)算結(jié)果可與地理信息系統(tǒng)進(jìn)一步結(jié)合使用，評(píng)估洪水對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境造成的損害，通過(guò)防洪設(shè)施系統(tǒng)來(lái)降低洪水風(fēng)險(xiǎn)也成為可能。通過(guò)防洪工程措施及非工程措施對(duì)洪水實(shí)行全方位的管理，以最大限度地減小洪災(zāi)損失，來(lái)實(shí)現(xiàn)防洪減災(zāi)的目的。此外定期開(kāi)展洪水情景模擬，預(yù)判洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)，可為減少社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失和制定合理的避洪轉(zhuǎn)移方案提供科學(xué)決策的依據(jù)。