防洪设施管理洪水仿真模型研究

吴春水

(昌吉回族自治州呼图璧河流域管理处，新疆 昌吉 831200)

0 前 言

近年来，随着全球气候变化，极端暴雨、洪水事件频发，防洪防涝任务艰巨，如西北地区由于水旱灾害使水土失衡，由此诱发了一系列生态环境问题[1-2]。由于洪涝覆盖面积较大，长时间持续会对人类活动、社会经济和自然环境造成不同程度的伤害，故水安全不仅关系着流域内人民生命财产的安全，也关系着国家稳定的安全。然而，西北地区受地理环境、气候条件、社会经济和人类活动的影响，使防洪、水资源、水环境等问题交织在一起，矛盾日益突出，水安全风险加大,西北地区防洪任务的长期性、艰巨性与复杂性[3-4]。因此，对西北地区的洪水管理风险进行研究，对保障流域内经济社会的持续、快速、平稳发展有积极影响[5-7]。

随着社会经济和科学技术的发展，人们对防洪体系建设和管理的认识在不断深化和转变。建立高效适用的模型，开展洪水影响的模拟和洪灾风险的评估，对保护区域内人员生命财产安全和整体防洪体系的设施具有现实意义[8]。本文以西北地区的水利工程为基础，结合水力发电厂(HPP)对洪水进行研究，应用合理的分区防洪标准，通过有效的洪水风险管理手段，改进环境监测方法和洪水管理策略，减少洪灾损失，为防洪减灾提供支撑。

1 试验方法

近年来，为了减少地表洪水肆虐，建设水电站的任务变得复杂，一般而言，优先建设水库容量相对较小的水力系统，则对应的调节河流流量的功能随之减小。为了满足调节洪水的需求，建立一个洪水管理系统，用于宣泄规划库容不能容纳的洪水。该系统主要通过以下2个部分调节流域中洪水的排放：主要河流上水电站的水利枢纽、支流上可自动调节水库的水力系统，两者联合将洪水期间的损失降至最低。评估现代社会经济发展和能源环境之后，还可以建立一个计算机程序，对该地区防洪设施系统调节的河流流量进行自动计算。如遇到不同规模的洪水时，计算结果可为防洪设施提供水力系统的相关参数，并模拟各种工况下防洪设施水力系统的运行特性，如单个小型的防洪设施或具有水力发电站综合体的防洪设施。该程序可在已开发的3个数学模型：① 防洪设施管理洪水流量的数学模型；② 模拟HPP水利枢纽运行的数学模型；③ 分布在流域中防洪设施管理综合河流流量的数学模型；这3个模型的基础上，改进优化流域管理流量模型而得到。如图1所示，给出流域上防洪设施系统的示例方案，(曲线1为流域干流上发生百年一遇洪水流量曲线；曲线2为设计洪水位时，水利枢纽下游流量曲线；曲线3为考虑当前、未来的环境和经济条件，降低设计洪水位时水利枢纽管理下游流量曲线；曲线4为支流上发生百年一遇洪水流量水位；曲线5为主要河流上水库无法调节洪水时，支流防洪设施管理下游流量曲线；曲线6为在支流流量极端减少的情况下，水利枢纽管理下游流量曲线；Qmax为河流最大允许流量)。

对于开发的数学模型，用Matlab语言编写程序实现带有个人计算机的图形界面。该程序可对各种初始数据，手动输入或从文件中加载的进行计算，然后在屏幕上显示出计算结果，最后将计算结果(完全或选择性地)保存到本地文件夹中，以便应用于其他程序中，如地理信息系统(GIS)或图形格式(bmp、jpeg、tiff)中进一步处理。

在计算机程序中，可对各种建筑(如溢洪道)的防洪设施运行状况进行模拟。此外，还可以验证防洪设施的参数，如水库上游的最大允许水位、溢洪道的数量、尺寸等是否合理。计算机程序还可以在主要河流上水电站的水利枢纽运行模式较复杂时，与支流的防洪设施联合工作，同时调节洪水流量，为最大限度地减少土地泛滥面积，保护生态系统生物的多样性提供技术支持。地图上显示洪水区域时，可用地理信息系统评估洪水对环境和经济造成的损失，模拟防洪设施影响区的生态状况，评估自然系统的安全性、河流下游的水质等。此外，该系统有一部分与HPP水利枢纽管理流量的时间有关，包括水库蓄水期、洪水累积期、水库排水期。

实际工程中有许多参数是经常变化的，主要与水文参数(初始水位标志和最大允许水位、水流、用水用户的要求等)和运行参数(功率、骨料数量、平均年发电量、水轮机的运行特性、项目调度计划、溢洪道开启/关闭的运行频率限制等)有关。

本文以呼图壁河某干支流河段为例进行研究，表1为研究段河道基本参数。呼图壁河源于天山北坡，河流全长258 km，本文以呼图壁河在新疆呼图壁县境内河段图古里克河为研究对象进行研究分析。图古里克河上游分为东沟西沟两条支流(干支流具体分布如图2所示)，汇流后被红山水库拦蓄，水库上游集水面积 861 km2，多年平均径流量0.3245×108m3[1]。呼图壁河流域多年平均降水量为407 mm，近60 a最大年降水量为545 mm 发生在1988年，最小年降水量为216 mm发生在1977年。流域内降水量年际变化大，且分配不均匀，其中5到8月比重最大为全年降水量的61%。根据呼图壁县气象站资料，研究区月平均气温最低最高分别为-16.7、 25.6 ℃，最大平均风速 4.0 m/s，为典型的沙漠干旱气候。

表1 输入河道基本信息

综合而言，该程序中的计算结果可提供以下4个方面服务：

(1) 考虑现在和未来的社会经济和环境条件，调整设计洪水位(MWL)；

(2) 考虑与支流防洪设施联合工作，在调节洪水径流时，计算主要河流上水电站的运行模式；

(3) 在地图上显示洪水地区时，利用地理信息系统并评估洪水对环境和经济的影响；

(4) 模拟HPP复杂水电站群上下游水库的生态状况。

2 结果和讨论

利用开发的计算机软件程序，对我国西北地区河流流域防洪设施的运行模式进行模拟，该地区发生暴雨洪水，水位上升幅度较大。图3显示了利用防洪设施调节各组洪水排放的计算结果。图4显示了洪水累积期间，防洪设施上游水位的变化情况。

图5显示了在高水位年份中，HPP水利枢纽联合支流上最大的防洪设施对洪水进行调节，计算结果表明：进入主要河流上游水库的洪水量减少了约10%。图6所示为与百年一遇的洪水相比时，两者联合运行时下游水库需要调节的洪水减少了30%。

考虑到上游水库经济发展和生态状况，开发的模型需要优化水利枢纽设计洪水位(MWL)。如果由于该区域有经济发展的需求，要降低设计洪水位，那么就要进行计算，并选择适当的防洪设施参数。如图7所示，将设计洪水位降低1m，对比在支流上是否使用支流防洪设施得出：使用支流的防洪设施后，对应的水利枢纽上游水库淹没面积可减少13%。

基于开发的洪水管理数学模型，应用计算机程序中可获得相应结果，这使得在考虑环境和经济等多方面要求的情况下，将其用于自动计算成为可能。在不同工况中，计算机程序能确定各水力系统的参数，方便防洪设施在流域中联合工作。此外，优化改进数学模型和计算机程序，还可以与地理信息系统联合工作，可用来详细评估洪泛区和洪水带来的环境后果。

3 结 论

本文结合洪水对环境造成的恶劣影响，建立一个分布在流域中的防洪设施系统。在整个流域的防洪设施单独或联合运行期间，在已开发数学模型的基础上，提出一个新的计算程序，用于计算各种工况下水力系统的相关参数，并模拟该方案的运行特性，形成结论如下：

(1) HPP水利枢纽联合支流上最大的防洪设施对洪水进行调节，显示进入主要河流上游水库的洪水量减少了10%。

(2) 与百年一遇的洪水相比时，联合运行时下游水库需要调节的洪水减少了30%。

(3) 对比在支流上是否使用支流防洪设施，当使用支流的防洪设后，对应的水利枢纽上游水库淹没面积可减少13%。

以西北地区流域的水力工况为背景进行计算机模拟，得出程序的计算结果可与地理信息系统进一步结合使用，评估洪水对当地环境造成的损害，通过防洪设施系统来降低洪水风险也成为可能。通过防洪工程措施及非工程措施对洪水实行全方位的管理，以最大限度地减小洪灾损失，来实现防洪减灾的目的。此外定期开展洪水情景模拟，预判洪水淹没风险，可为减少社会经济损失和制定合理的避洪转移方案提供科学决策的依据。