防洪設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，隨著全球氣候變化，極端暴雨、洪水事件頻發，防洪防澇任務艱巨，如西北地區由于水旱災害使水土失衡，由此誘發了一系列生態環境問題[1-2]。由于洪澇覆蓋面積較大，長時間持續會對人類活動、社會經濟和自然環境造成不同程度的傷害，故水安全不僅關系著流域內人民生命財產的安全，也關系著國家穩定的安全。然而，西北地區受地理環境、氣候條件、社會經濟和人類活動的影響，使防洪、水資源、水環境等問題交織在一起，矛盾日益突出，水安全風險加大,西北地區防洪任務的長期性、艱巨性與復雜性[3-4]。因此，對西北地區的洪水管理風險進行研究，對保障流域內經濟社會的持續、快速、平穩發展有積極影響[5-7]。

隨著社會經濟和科學技術的發展，人們對防洪體系建設和管理的認識在不斷深化和轉變。建立高效適用的模型，開展洪水影響的模擬和洪災風險的評估，對保護區域內人員生命財產安全和整體防洪體系的設施具有現實意義[8]。本文以西北地區的水利工程為基礎，結合水力發電廠(HPP)對洪水進行研究，應用合理的分區防洪標準，通過有效的洪水風險管理手段，改進環境監測方法和洪水管理策略，減少洪災損失，為防洪減災提供支撐。

1 試驗方法

近年來，為了減少地表洪水肆虐，建設水電站的任務變得復雜，一般而言，優先建設水庫容量相對較小的水力系統，則對應的調節河流流量的功能隨之減小。為了滿足調節洪水的需求，建立一個洪水管理系統，用于宣泄規劃庫容不能容納的洪水。該系統主要通過以下2個部分調節流域中洪水的排放：主要河流上水電站的水利樞紐、支流上可自動調節水庫的水力系統，兩者聯合將洪水期間的損失降至最低。評估現代社會經濟發展和能源環境之后，還可以建立一個計算機程序，對該地區防洪設施系統調節的河流流量進行自動計算。如遇到不同規模的洪水時，計算結果可為防洪設施提供水力系統的相關參數，并模擬各種工況下防洪設施水力系統的運行特性，如單個小型的防洪設施或具有水力發電站綜合體的防洪設施。該程序可在已開發的3個數學模型：① 防洪設施管理洪水流量的數學模型；② 模擬HPP水利樞紐運行的數學模型；③ 分布在流域中防洪設施管理綜合河流流量的數學模型；這3個模型的基礎上，改進優化流域管理流量模型而得到。如圖1所示，給出流域上防洪設施系統的示例方案，(曲線1為流域干流上發生百年一遇洪水流量曲線；曲線2為設計洪水位時，水利樞紐下游流量曲線；曲線3為考慮當前、未來的環境和經濟條件，降低設計洪水位時水利樞紐管理下游流量曲線；曲線4為支流上發生百年一遇洪水流量水位；曲線5為主要河流上水庫無法調節洪水時，支流防洪設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)。

對于開發的數學模型，用Matlab語言編寫程序實現帶有個人計算機的圖形界面。該程序可對各種初始數據，手動輸入或從文件中加載的進行計算，然后在屏幕上顯示出計算結果，最后將計算結果(完全或選擇性地)保存到本地文件夾中，以便應用于其他程序中，如地理信息系統(GIS)或圖形格式(bmp、jpeg、tiff)中進一步處理。

在計算機程序中，可對各種建筑(如溢洪道)的防洪設施運行狀況進行模擬。此外，還可以驗證防洪設施的參數，如水庫上游的最大允許水位、溢洪道的數量、尺寸等是否合理。計算機程序還可以在主要河流上水電站的水利樞紐運行模式較復雜時，與支流的防洪設施聯合工作，同時調節洪水流量，為最大限度地減少土地泛濫面積，保護生態系統生物的多樣性提供技術支持。地圖上顯示洪水區域時，可用地理信息系統評估洪水對環境和經濟造成的損失，模擬防洪設施影響區的生態狀況，評估自然系統的安全性、河流下游的水質等。此外，該系統有一部分與HPP水利樞紐管理流量的時間有關，包括水庫蓄水期、洪水累積期、水庫排水期。

實際工程中有許多參數是經常變化的，主要與水文參數(初始水位標志和最大允許水位、水流、用水用戶的要求等)和運行參數(功率、骨料數量、平均年發電量、水輪機的運行特性、項目調度計劃、溢洪道開啟/關閉的運行頻率限制等)有關。

本文以呼圖壁河某干支流河段為例進行研究，表1為研究段河道基本參數。呼圖壁河源于天山北坡，河流全長258 km，本文以呼圖壁河在新疆呼圖壁縣境內河段圖古里克河為研究對象進行研究分析。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)，匯流后被紅山水庫攔蓄，水庫上游集水面積 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 發生在1988年，最小年降水量為216 mm發生在1977年。流域內降水量年際變化大，且分配不均勻，其中5到8月比重最大為全年降水量的61%。根據呼圖壁縣氣象站資料，研究區月平均氣溫最低最高分別為-16.7、 25.6 ℃，最大平均風速 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，該程序中的計算結果可提供以下4個方面服務：

(1) 考慮現在和未來的社會經濟和環境條件，調整設計洪水位(MWL)；

(2) 考慮與支流防洪設施聯合工作，在調節洪水徑流時，計算主要河流上水電站的運行模式；

(3) 在地圖上顯示洪水地區時，利用地理信息系統并評估洪水對環境和經濟的影響；

(4) 模擬HPP復雜水電站群上下游水庫的生態狀況。

2 結果和討論

利用開發的計算機軟件程序，對我國西北地區河流流域防洪設施的運行模式進行模擬，該地區發生暴雨洪水，水位上升幅度較大。圖3顯示了利用防洪設施調節各組洪水排放的計算結果。圖4顯示了洪水累積期間，防洪設施上游水位的變化情況。

圖5顯示了在高水位年份中，HPP水利樞紐聯合支流上最大的防洪設施對洪水進行調節，計算結果表明：進入主要河流上游水庫的洪水量減少了約10%。圖6所示為與百年一遇的洪水相比時，兩者聯合運行時下游水庫需要調節的洪水減少了30%。

考慮到上游水庫經濟發展和生態狀況，開發的模型需要優化水利樞紐設計洪水位(MWL)。如果由于該區域有經濟發展的需求，要降低設計洪水位，那么就要進行計算，并選擇適當的防洪設施參數。如圖7所示，將設計洪水位降低1m，對比在支流上是否使用支流防洪設施得出：使用支流的防洪設施后，對應的水利樞紐上游水庫淹沒面積可減少13%。

基于開發的洪水管理數學模型，應用計算機程序中可獲得相應結果，這使得在考慮環境和經濟等多方面要求的情況下，將其用于自動計算成為可能。在不同工況中，計算機程序能確定各水力系統的參數，方便防洪設施在流域中聯合工作。此外，優化改進數學模型和計算機程序，還可以與地理信息系統聯合工作，可用來詳細評估洪泛區和洪水帶來的環境后果。

3 結 論

本文結合洪水對環境造成的惡劣影響，建立一個分布在流域中的防洪設施系統。在整個流域的防洪設施單獨或聯合運行期間，在已開發數學模型的基礎上，提出一個新的計算程序，用于計算各種工況下水力系統的相關參數，并模擬該方案的運行特性，形成結論如下：

(1) HPP水利樞紐聯合支流上最大的防洪設施對洪水進行調節，顯示進入主要河流上游水庫的洪水量減少了10%。

(2) 與百年一遇的洪水相比時，聯合運行時下游水庫需要調節的洪水減少了30%。

(3) 對比在支流上是否使用支流防洪設施，當使用支流的防洪設后，對應的水利樞紐上游水庫淹沒面積可減少13%。

以西北地區流域的水力工況為背景進行計算機模擬，得出程序的計算結果可與地理信息系統進一步結合使用，評估洪水對當地環境造成的損害，通過防洪設施系統來降低洪水風險也成為可能。通過防洪工程措施及非工程措施對洪水實行全方位的管理，以最大限度地減小洪災損失，來實現防洪減災的目的。此外定期開展洪水情景模擬，預判洪水淹沒風險，可為減少社會經濟損失和制定合理的避洪轉移方案提供科學決策的依據。