基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬與分析

□吳 娟

（綏化學院 黑龍江 綏化 152061）

隨著我國經濟發展，城市化水平不斷提高，尤其是沿河區域乃至較為偏遠地區的水庫周圍也聚集著大量常住人口。周邊水資源與土地資源的價值不斷增加，水庫泄洪逐步成為影響這些區域下游居民生活工作的重要因素[1]。大藤峽作為廣西壯族自治區最長的峽谷，位于黔江下游，兩岸礁石眾多，谷底存在大量的暗礁。雖然從20 世紀90 年代以來，不斷對大藤峽水庫進行設備增設，建立了珠江流域的防洪控制樞紐，但湍急的水流與巨大的存水量仍給周圍居民的日常工作生活帶來巨大的隱患[2]。如何在降低下游淹沒危險系數的情況下對大藤峽水庫進行泄洪處理，減少人民生命財產損失，成為目前大藤峽水庫穩定運轉亟須解決的問題。

由于大藤峽水庫泄洪涉及諸多問題，必須在強有力的統籌規劃下，協調各部門、各區域的溝通與協作機制，建立完善的泄洪預案，保證泄洪信息發布、水庫周邊巡查以及下游居民遷移等問題能夠順利進行。

基于GIS 的特點，對大藤峽水庫泄洪下游淹沒所造成的影響進行模擬數據收集、存儲、運算及分析，利用GIS 數據化模式在保證水庫平穩泄洪的情況下，將水庫泄洪下游淹沒對下游居民造成的損失降到最低。

1 基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法設計

在GIS 技術應用到大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法的設計過程中，利用GIS 技術獲取的該地區地質數據作為數據模擬過程中的數據來源，采用真實數據進行處理，以提升數值模擬結果的可靠性與真實性。

1.1 大藤峽水庫信息數據庫建設

研究中使用水庫基礎數據構建大藤峽水庫信息數據庫，數據庫利用每日降水量、水庫每日水位以及水庫觀測數據作為數據基礎，圖形部分由大藤峽水庫的數字高程模型與水庫遙感影像組成。使用GIS 設備獲取水庫的數字圖像并作出相應的分析，得到相關數據內容。

水庫信息數據庫構建過程涵蓋了大量地理信息空間數據與屬性數據，不同種類的數據需要設定相應的管理方法。為了提升數據管理效果，在研究中使用ArcGIS 軟件中的Geodatebase 數據庫作為數據庫的藍本[3-4]。在該數據庫中，主要對水庫的流量數據進行整理，為后續數值模擬模型構建提供便利條件。

水庫的流量數據主要包含計算獲取的流量數據以及實際觀測中得到的流量數據。計算部分的流量數據包含大藤峽水庫各個子流域的凈水量以及水庫流域出口的斷面流量；實際觀測得到的流量數據包含各個水電站實測水流數據。

上述數據利用數據表的形式存入數據庫中，使用此數據庫為后續的模型構建提供數據來源。在此部分數據的使用過程中應注意數據形式的一致性，在使用數據前用歸一性算法對其進行處理。

1.2 大藤峽水庫泄洪能力數值模擬

通過文獻可知，大藤峽水庫正常蓄水位61.0 m，死水位47.6 m，校核洪水位63.9 m，總庫容34.3 億m3，正常調節庫容15 億m3。在研究中使用CAD 軟件構建其數字地形資料，并形成相應的三維河道地形圖[5]，選取合適的模擬計算區域，并使用流體動力學原理劃分其計算網格。

由于河道變化的復雜性，在研究中將計算網格設定為有限元形式，控制計算單元的大小、形狀與節點。計算網格將主要對水庫的邊界形態變化進行處理，提升整體計算時間。為了提升數值模擬的可信度，對計算過程中的邊界條件進行設定，根據大藤峽水庫的特點，將水庫出水口流量作為邊界條件。對其渦粘系數展開計算[6-7]，使用Smaborinsky 公式計算渦粘系數，具體公式如下。

式中：參數BS數值選取區間設定為0.25＜BS＜1.0，C、D表示水庫橫軸與縱軸方向的垂線平均流速，△表示計算網格劃分后的網格間距。

根據上述公式，構建大藤峽水庫泄洪能力數值模擬中的數字高程模型。將歷史水庫泄洪峰值數據作為潰壩模擬數據，代入到高程模型中，計算相應的洪水水位下的淹沒面積和淹沒洪水量。

在計算過程中，將計算得到的矢量數據轉化為柵格數據，保證計算結果的坐標系統與表格方式一致。

通過公式可得到大藤峽水庫泄洪面積數值模擬結果，以此確定大藤峽水庫泄洪下游淹沒面積[8-9]。同時，將獲取到的GIS 實測數據與計算結果相結合，完成大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響分析過程。至此，基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法設計完成。

2 試驗分析

2.1 仿真試驗環境

為驗證基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法的有效性，構建試驗驗證研究提出的方法與傳統方法的使用效果。

在本次試驗過程中，將數值模擬網格劃分精度作為試驗對比指標，將傳統方法作為對比方法，以此驗證本次研究提出的方法。

在本次研究中，試驗平臺與相應的軟件設定為以下內容。

CPU：英特爾（Intel）i5-10600KF 6 核12 線程；

內存：256 GB；

硬盤：1 TB；

數據庫：Geodatebase 數據庫；

數值模擬軟件：MATLAB；

三維繪圖：CAD。

在試驗過程中，使用研究提出的方法與傳統方法對某水庫的泄洪面積進行數值模擬，試驗期間共進行了5 次測試，對比每次測試中得到的試驗結果，完成研究提出的方法與傳統方法的使用效果對比驗證。

2.2 試驗結果分析

由表1 中的試驗結果可以看出，研究提出的方法，網格劃分精度較為穩定，且網格的使用效果較好，使用此網格可對水庫中的多種數據進行分析。與本次研究提出的設計方法相比，傳統方法的網格劃分精度較差，不利于后續數據模擬的計算。

表1 數值模擬中網格劃分精度試驗結果 單位：%

通過上述分析可知，GIS 技術具有提升數據采集精度的優點。由此可知，本次研究提出的方法對大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響數值模擬網格劃分精度較高，泄洪消能效果較好，數據質量和使用效果明顯優于傳統方法。

3 結束語

以大藤峽水庫作為水庫泄洪下游淹沒影響模擬與分析研究對象，利用GIS 數據對大藤峽水庫泄洪工程進行泄流能力、各區域水力特點以及泄洪造成的影響等問題進行模擬數據分析與試驗研究，利用摻氣設施，平穩泄洪水流流速，并將水流落點集中于下游河流中心處，降低“水舌砸岸”現象的發生，提升泄洪消能效果。

由于是基于GIS 對大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響進行模擬試驗與分析，該泄洪受到實際泄洪水流、周圍環境等客觀因素的影響，其實際泄洪因素與條件較試驗較為復雜，希望設計的模擬試驗與所得分析結論可以為實際水庫泄洪提供一定理論基礎，為降低未來水庫泄洪下游淹沒影響提供依據。