梯級橡膠壩群汛期防洪調度優化方法

劉 陽

(新疆建通工程管理有限責任公司，烏魯木齊 830000)

0 引 言

洪水是一種由暴雨、急驟融雪、風暴潮等自然原因造成的河流、湖泊的水量急劇上升或水位急劇上升，是一種重大自然災害。我國是一個經常發生洪水的國家，洪水每年都會給當地居民帶來巨大的財產和生命損失。汛期是一年中由于季節性降雨、融冰、雪等原因造成的河流水位周期性地大幅上升，而流域內降雨或融冰融雪都會導致河流水位明顯上升[1]。為了降低洪水災害對人民生命、財產安全帶來的危害，有必要對區域內的水資源進行調度，該調度過程即為防洪調度。防洪調度就是利用防洪工程或水上建筑物等設施，對洪水進行實時的規劃，以實現最大的防洪效益。

橡膠壩是由高強度合成纖維織物作為承壓結構，經內外橡膠涂敷處理后制成膠布，再將其錨固于底板上成封閉狀的壩袋，以密封的方式將壩體填滿。橡膠壩是一種具有投資省、效益顯著的新型水利工程。橡膠壩頂部具有溢流功能，可按需調整壩高，發揮防洪、擋潮的作用。梯級橡膠壩群在汛期到來之前，使其合理垮塌，對整個工程及下游河道的安全具有十分重要的作用。而橡膠壩群的綜合調度優化研究，也可以從某種程度上，拓展到傳統的水利工程綜合調度問題。

為了發揮梯級橡膠壩群在汛期防洪工作中的最大價值，以梯級橡膠壩群為控制與調度目標，優化設計梯級橡膠壩群汛期防洪調度方法，以期能夠降低汛期洪水災害帶來的風險程度，從而達到良好的防洪效果。

1 汛期防洪調度方法優化設計

梯級橡膠壩群的防洪調度必要遵循一系列原則。第一，要避免與天然洪峰相疊。也就是說梯級橡膠壩群的塌壩調度應在洪水來臨前進行，崩壩下泄所產生的水流過程應盡量偏離天然洪峰的主要部位，以防止人為增加天然洪峰的洪峰[2]。第二，遵循“峰小量大”原則。就是在潰壩泄洪時，要盡可能地減少下游河道的沖刷，以減少泄洪時的水流過程，使水流變成一個陡峭的水流過程，從而達到一個平穩的流速。第三，限蓄原則。為保證水庫的安全，橡膠壩群中的各橡膠壩在汛期都會采用比平時更低的防洪標準，這樣可以減少洪水發生時的蓄水量，從而減少防洪的危險。在上述調度原則的約束下，結合梯級橡膠壩群及其周邊水域環境的特征，制定汛期防洪調度方案。

1.1 確定梯級橡膠壩群組合形式

橡膠壩主要由土建部分、壩袋及錨固件、充排水設施及控制系統等部分組成，梯級橡膠壩群的基本組合形式見圖1。

圖1 梯級橡膠壩群組合形式示意圖

梯級橡膠壩群在實際建設過程中，需要根據實際的水流運動進行調整，并確定梯級橡膠壩群的分布數據。采用圣維南方程組的形式，構建梯級橡膠壩群建設區域內的水流連續方程和水流運動方程，公式如下：

(1)

式中：S、Hsection分別為過水斷面面積、水位；W、ψ分別為斷面和側向入流的流量；L為水流里程；κcorrect、κChezy為動量修正系數和謝才系數；r為水力半徑；g為重力加速度，取值為常數[3]。

在式(1)表示的水域環境下，充分考慮壩袋內壓水頭、壩上游和下游水深的情況下，確定梯級橡膠壩群中單個橡膠壩的相對壩高。最終將單個橡膠壩按照梯級結構進行組裝，完成梯級橡膠壩群組合形式的分析，并確定各橡膠壩之間的位置關系。

1.2 估算梯級橡膠壩群汛期水量

梯級橡膠壩群汛期水量的估算結果是啟動防洪調度的重要條件，收集研究區域的歷史降水信息，確定該地區的汛期起始時間和持續時長，在該時段內假設區域降水分布滿足Copula函數，則區域內的實際降水量可以表示為：

(2)

式中：f(x,y)為聯合概率密度函數；λ(u,v)、ρX(x)、ρY(y)分別為Copula概率密度函數、X和Y方向上的邊緣概率密度函數；Sregion為降水區域面積；Δτ為連續降水時長[4]。

式(2)的計算結果Q即為單位時間內的總降水量，總降水量與該地區流域所有蓄水量的總和即為梯級橡膠壩群環境在汛期內的總水量，標記為Qall。在防洪調度過程中，判斷Qall與設置蓄水限值之間的大小關系。若Qall高于蓄水限值，則需立即啟動防洪調度程序，制定具體的防洪調度方案；否則，無需執行調度程序進入下一節點的判定循環。

1.3 計算單個橡膠壩汛期泄洪能力

根據大壩的過洪狀況，梯級橡膠壩的聯合塌壩模式可以分為兩種，即完全塌壩和半壩溢洪。完全塌壩泄洪就是在洪水到來前將橡膠壩塌平，可以最大限度地保護城市的安全，不會因為洪水的堆積而給城區帶來洪災。而且在制定具體塌壩方案時，只需要保證不超出下游的過水能力即可[5]。而半壩溢洪則是將堤壩高度降到最低，但未達到完全塌壩，即當橡膠壩在使用的時候，壩頂會有一個足夠的溢流深度，在洪水到來之后，考慮是否需要進一步的塌壩，這樣做的好處是可以極大地保存城市的水資源，避免了城市補水困難的被動局面。根據梯級橡膠壩的不同塌壩形式，按照水利計算方法確定單個橡膠壩汛期泄洪能力，具體的計算原理見圖2。

圖2 單個橡膠壩泄洪能力計算原理圖

單個橡膠壩泄洪能力的計算結果可以量化為：

(3)

式中：κshrink、κflood、κflow分別為側收縮、淹沒和流量系數；u0為堰頂水頭；β為過流斷面的寬度。

其中，部分變量的計算公式如下：

(4)

式中：hdam、hupper、hwithin、hlower、hb分別為橡膠壩的橡膠壩高度、上游水深、壩袋內壓水頭、下游水深和橡膠壩塌落壩高；υt為t時刻的水流速度；b為壩寬，Hweir為堰上水頭。

將式(4)的計算結果代入式(3)中，得出單個橡膠壩泄洪能力的計算結果[6]。然而在實際的防洪調度過程中，橡膠壩的泄洪能力會隨時間的變化逐漸減小，具體變化規律見圖3。

圖3 橡膠壩泄洪能力-時間關系曲線

在防洪方案的執行過程中，需要考慮橡膠壩泄洪能力的變化，保證橡膠壩的防洪效果能夠達到預期效果。

1.4 優化求解梯級橡膠壩群塌壩泄洪調度量

根據單一橡膠壩的塌壩泄流能力，將所有的橡膠壩聯合看作一個整體，并在同一時間內對整個橡膠壩的潰壩和泄洪過程進行了計算。對于梯級橡膠壩而言，在調度運行中，為了確保兩側的安全，避免發生洪水的重疊，通常采取逆序垮壩，也就是由下游橡膠壩逆序垮壩泄流的方法。在此期間，只有當橡膠壩的泄流達到下一個橡膠壩時，下游橡膠壩的泄洪流量才會被排除，即在上一個橡膠壩的泄流達到下一個橡膠壩之前，它就會徹底坍塌，并排出它的蓄水量。上級橡膠壩的泄洪會增加下游大壩的流量，但由于兩個橡膠大壩之間的間隔比較遠，因此上游大壩的水位到達下一個大壩也需要一定的時間，不能將上游大壩的流量和下游大壩的流量疊加起來[7]。采用水量均衡方法，計算相鄰兩級橡膠壩之間的崩壩和泄洪過程，下一級橡膠壩的蓄水能力變化與下一級壩的排水量之差相當。每隔一段時間，上一道橡膠壩就會進行塌壩泄流，依次逐級塌壩泄流，直到梯級橡膠壩群中所有的橡膠壩完全塌壩。

結合上述理論，根據梯級橡膠壩群汛期水量的估算結果，通過計算汛期水量與區域需水量總和的差值，即可確定需要調度的洪水量。在考慮橡膠壩群內梯級關系的情況下，求解需要塌壩的橡膠壩數量，計算公式如下：

(5)

式中：Cmax為區域需水量的最大值。

按照上述方式，確定汛期防洪調度中需要塌壩的橡膠壩數量。

1.5 實現梯級橡膠壩群汛期防洪優化調度

以梯級橡膠壩群汛期防洪調度時間最短為目標，梯級橡膠壩群的汛期防洪調度主要就是控制弧形閘門的開合狀態。在實際的調度過程中，選擇Ndam數量的橡膠壩作為控制對象，將其閘門調整至開啟狀態，促使該橡膠壩發生塌壩；否則，控制閘門始終處于閉合狀態。在防洪調度期間，為確保河段的安全，各級橡膠壩的水庫容量不得超過本級的最大限值，所有級別橡膠壩的最大水位不得高于本級的最高限值，各級橡膠壩的最大泄流量不得超過河道的泄洪能力，同時排空庫容的總時間不得小于限制總時間[8]。在庫容、水位、時間和流量4個方面的約束條件作用下，完成梯級橡膠壩群汛期防洪優化調度。

2 實測分析

以測試優化設計的梯級橡膠壩群汛期防洪調度方法為目的，以某建設梯級橡膠壩群的流域作為研究對象，采用對比實驗的方式設計實測分析實驗，選擇優化前的汛期防洪調度方法作為實驗的對比方法。通過調度方法的運行，測試該區域內汛期的防洪效果，從而體現出優化設計方法的性能優勢。

2.1 梯級橡膠壩群工程概況

此次實驗選擇黃河的某支流作為研究對象，該支流全長304 km，該支流可以分為上游、中游和下游3個部分，整個區域的總落差能達到324 m。梯級橡膠壩群建設在河流的中游位置上，梯級橡膠壩群的布置情況見圖4。

圖4 梯級橡膠壩群布置圖

研究流域中，布設的梯級橡膠壩設計蓄水水面長分別為1.25、2.11、2.46、3.65、2.11和2.46 m，橡膠壩段總長為556.0 m，壩袋高6.0 m。非連續相鄰橡膠壩間距為2.5 m，橡膠壩塌壩的泄水延續時間為2 500 s，橡膠壩塌落速度為3.25×104m/s，溢流斷面平均寬度和河道寬度分別為480.0和510.0 m，壩上蓄水庫容初始值控制為169 m3。

2.2 準備汛期洪水數據

研究地區的降雨主要集中在汛期，主要發生在6-8月份，主要雨季為7月中下旬至8月上旬。研究區內的洪水由暴雨形成，其水流特征與降雨性質、流域地貌特點密切相關，由于地表和河道的坡度較陡，洪峰較高。洪澇過程多為多峰，但也有少數是單峰的，每次洪水持續時間通常為3～7 d。統計當地歷史汛期的降水數據，得出汛期洪水數據的初始準備情況，見圖5。

圖5 汛期降水量曲線

受到全球氣候環境的影響，每年汛期的降水量會存在細微差別，但總體走勢基本相同。

2.3 描述實測實驗過程

設置橡膠壩的河道安全流量660 m3/s，下游安全水位為140 m。將準備的汛期降水數據直接代入梯級橡膠壩群汛期防洪調度方法中，判斷當前是否需要執行調度程序并執行調度方案，并確定調度方案的執行時間。在對應時間通過弧形閘門狀態的控制，驅動梯級橡膠壩群塌壩，實現汛期防洪調度任務。圖6為防洪調度方案的執行情況。

圖6 梯級橡膠壩群汛期防洪優化調度方案展示

按照上述方式，可以得出傳統梯級橡膠壩群汛期防洪調度方法的執行結果。

2.4 設置汛期防洪調度效果測試指標

為了實現對梯級橡膠壩群汛期防洪調度優化方法防洪調度性能的量化測試，設置水位超限量和水流量超限量兩個指標作為實驗的量化測試指標，上述指標的數值結果可以表示為：

(6)

式中：σactual、σ0分別為下游實際水位和安全水位；γactual、γ0分別為實際水流量及下游河道水流量的安全值。

最終計算得出超限量的值越小，說明對應梯級橡膠壩群汛期防洪調度方法的防洪調度效果越優。

2.5 實測結果分析

在整個汛期利用傳感器設備對研究區域內的水位數據和水流量數據進行統計，得出反映汛期防洪調度方法防洪調度性能的測試結果，見圖7。

圖7 梯級橡膠壩群汛期防洪調度性能對比結果

從圖7(a)中可以看出，在汛期防洪調度優化方法作用下，下游水位在第1.5天已出現下降趨勢，水位的最大值為137 m。而應用傳統的汛期防洪調度方法，下游水位在前3.5天均處于上升趨勢，水位最大值達到148 m。

圖7(b)中的數據結果顯示，兩種汛期防洪調度方法分別在第1.5天和第3.5天出現洪峰流量，洪峰流量值分別為652和714 m3/s。

將圖7中的數據代入式(6)中，計算得出傳統防洪調度方法的水位超限量和水流量超限量分別為8 m和54 m3/s，而防洪調度優化方法的水位和水流量超限量分別為-3 m和-8 m3/s。由此證明，優化設計的梯級橡膠壩群汛期防洪調度優化方法具有更好的防洪調度效果。

3 結 語

針對不同類型橡膠壩的不同特點，結合不同類型的橡膠壩，提出了一種基于梯級橡膠壩的聯合優化調度方案。通過梯級橡膠壩群坍塌，可以有效地調度洪水資源。通過實例計算，從實證分析結果中可以看出，采用最優的洪水調度方法，不僅可以確保防洪的安全性，而且可以為區域水資源的調度方案優選提供參考，其結果將有助于水庫的實時調度和綜合效益的提高。

然而此次實證分析選擇的研究區域缺乏一定的代表性，選擇的汛期降水數據也存在一定誤差，最終導致得出的結果存在局限性。針對這一問題，還需要在今后的研究工作中進一步補充，得出更多的實證分析數據，從而驗證梯級橡膠壩群汛期防洪調度優化方法的可行性。