流域擬建水壩減洪災害的水動力模型

蔡浩龍

(清遠市清新區清西防汛工程管理所，廣東 清遠 511500)

0 引 言

洪水是由極端天氣事件引起的自然災害之一。洪水事件通常無法避免，因此人們必須通過減少洪水事件的影響來降低災害[1]。因此，超前意識和防范如結構性和非結構性方法，對于防洪和減少損失至關重要。其中，結構方法側重于工程，主要涉及重新設計現有基礎設施，或對洪水事件實施一些新的物理屏障，以減少洪水災害的影響[2]。與結構方法相比，管理方法用于應對洪水災害。衛星技術、空間數據分析和建模的快速發展為研究人員開發更精確的洪水風險模型提供了條件，在洪水風險模型中，洪水可以得到適當和明智的管理[3]。水動力模型與遙感和地理信息系統(GIS)相結合，成為及時繪制不同洪水情景和相關風險的主要工具[4]。計算數值模型還可以提供洪水范圍、水深和洪水波到達時間等信息，并預測洪水傳播[5]。通過水動力學建模，可以制定洪水緩解規劃，以備將來應對洪水事件[6]。

本文旨在通過水動力學建模方法，評估上游地區擬建大壩的實施情況，以減少洪水危害。洪水規模的增加將給受災地區造成更嚴重的后果，停電限制通訊，救援工作難度也將增大。為此，通過耦合一維和二維模型，模擬2014年有無擬建大壩的洪水事件，評估擬建大壩在減少研究區洪水災害方面的有效性至關重要。

1 材料與方法

研究區位于云南省東北部，年均氣溫為21℃～31℃，其降水只有降雨，不存在降雪。年最大降雨量可達1 750 mm，大部分降雨發生在1-11月份的季風季節。金沙江是該地區的主要水資源，其兩條支流在下游交匯處匯合，變成一條更寬、流量更大的河流，在沿海平原上蜿蜒流淌。該地區人口的主要活動是農業。研究區域為云南省東北部的一個小流域，擬建大壩位于保護區上游，兩條主要支流匯合的下游處。在本研究中，下游地區觀測到的洪水主要集中在兩條河流交匯后的地區。

洪水建模所需的信息包括DTM、土地利用數據、水文數據、橫斷面和河網。該模型包括5個主要階段：①數據收集；②下墊面數據預處理；③模型圖式化；④洪水模擬；⑤生成洪水災害圖。

1.1 數據描述

本研究中使用的DTM數據是激光雷達和SRTM數據源。激光雷達數據的空間分辨率為3 m，而SRTM的空間分辨率為30 m。將現有的DTM與農業部的DTM相結合，生成一個新的空間分辨率，用于評估農業部現有的DTM值。同時，水文數據包括從水文局獲得的流量和水位數據。對于一維模型的計算，也有目的地需要橫截面和河網。河網來自水文局，也可通過ArcGIS處理生成。

1.2 試驗方法

1.2.1 在DTM上修建擬建大壩

擬建的水壩是通過提高DTM的數字高程形成的。大壩位于保護區上游約40 km處，擬建的大壩設計有3個出口作為溢洪道。大壩的壩頂高程分別為73和85 m，溢洪道高程分別為63和78 m。此外，在大壩東北約2 km處擬建的副壩也將其的高程提高至85 m。副壩的作用是防止洪水向下游溢出。

1.2.2 曼寧系數設置

在本研究中，曼寧的n值是通過轉換地圖中的每個土地利用類別來獲得的。根據研究區域的周圍情況調整數值，見表1。

表1 曼寧系數轉換查找表

1.3 模型圖形化

1.3.1 橫斷面圖和河網圖

河網和橫斷面是模擬模型所必需的。河網作為參考，在模型方案中對河段進行數字化。本研究中使用的橫截面數據為2014年的最新調查數據，但所提供的橫截面圖并未涵蓋整個研究區域。因此，研究區域其余部分的橫截面是從激光雷達數據源的DTM中提取的。

1.3.2 定義邊界條件

邊界條件已在模型設置中正確描述。邊界條件是一個連接節點，其作用是定義模型區域與其周圍環境之間的流量關系。流入邊界條件由一系列流量Q定義，而水位系列用于流出邊界條件。圖1顯示了模型設置的入口邊界條件的流量過程線。

圖1 入口邊界條件的流量輸入數據

2 結 果

2.1 洪水模擬

洪水模擬的重點確定研究區在擬建大壩前后的流量，表明修建大壩的必要性。該模擬使用SOBEK流體動力學模型的軟件。SOBEK是一個強大的洪水預報模型，具有集成的一維和二維模型。一維模型涉及與河網沿線選定位置處的橫截面相對應的每個計算點，而二維模型使用有限的不同方法計算漫灘，以網格單元表示。

2.1.1 擬建大壩的模擬

擬建大壩的模擬是大壩在DTM的基礎上開始的。圖2(a)顯示了擬建1號河流大壩的DTM；圖2(b)顯示了擬建2號河流大壩和副壩的DTM。模擬還將測量擬建大壩開發后的流量。未修建擬建大壩的流量數據均為1號河流與2號河流的控制水文站的流量數據。軟件模擬修建大壩后的流量由軟件模擬出來。

圖2 兩條支流的DTM圖

2.1.2 洪水災害圖的生成

該流域的洪水災害圖是通過采用人群洪水災害等級方程，來確定對人群造成危險的洪水深度、洪水速度和碎片系數的組合而生成的。方程式如下：

HR=d×(v+0.5)+DF

(1)

其中：HR為洪水的危險等級；d為洪水深度，m；v為洪水速度，m/s；DF為泥石流系數。

根據不同洪水深度、流速和主要土地利用的泥石流因子指標見表2，造成危險的泥石流因子值分別為0、0.5和1。由于1號流域的特點是丘陵地帶，危險系數被設定為1。因此，泥石流因子導致危險的可能性較高，其危險分為4類，分別為低、中、重大和極端，見表3。

表2 根據土地類型、不同深度和速度的泥石流因子指標

表3 洪水災害類別

2.2 擬建大壩前后洪水影響對比

2.2.1 未擬建大壩的洪水模擬結果

在未擬建大壩的研究區洪水模擬中，考慮兩個輸出參數，即最大流速和最大水深，生成最大流速和水深圖，見圖3。結果顯示，研究區自1號河流和2號河流匯流于下游擬建大壩處，在原始的觀測基礎上，未擬建2014年洪水的最大流速為34 m/s，最大水深為19 m。擬建大壩位置到匯流點之間的洪水面積約為30 km2。

圖3 研究區未擬建大壩的洪水最大流速和最大水深

2.2.2 擬建大壩的模擬結果

擬建大壩的洪水模擬表明，研究區將不會發生洪水。根據擬建大壩后的模擬測量，大壩建成后的流量不足以觸發下游地區的洪水。圖4為擬建大壩前后的流量過程線。可以看出，大壩擬建之后的洪峰流量從2 956 m3/s降至142 m3/s，減少量約為95%。

2.2.3 洪水災害圖

洪水災害圖是使用獲得的最大流速和最大水深的結果生成的。圖5(a)為2014年未擬建大壩的研究區洪水災害圖；圖5(b)為擬建大壩后的研究區洪水災害圖。洪水面積根據不同洪水事件的危害指標進行測量，見表4。從災害圖上看，大部分被洪水淹沒的地區被劃為極端地區。

圖4 大壩擬建前后的流量過程線

圖5 2014年研究區洪水災害圖

表4 根據2014年洪水災害區域的事件指標

3 結 論

本文通過集成水動力建模，來評估結構方法(如大壩)的實施，以減緩洪水造成的危害。研究區擬建大壩的水動力模型結果表明，擬建大壩后，洪水的洪峰被極大削減，比未擬建大壩減少約95%；擬建大壩之前，下游的洪水災害基本上為重大和極端的災害等級；擬建大壩之后，下游沒有發生洪水災害。鑒于洪水模擬僅通過提高DTM地面模型的高程進行了簡化，因此應該從更多方面考慮這一結果。可以說，擬建大壩有利于并有能力減少研究區的洪水災害。研究表明，擬建大壩應采用適當的計劃和關于大壩運行方式的詳細規范進行建模，尤其是在防洪和水力發電方面。