流域拟建水坝减洪灾害的水动力模型

蔡浩龙

(清远市清新区清西防汛工程管理所，广东 清远 511500)

0 引 言

洪水是由极端天气事件引起的自然灾害之一。洪水事件通常无法避免，因此人们必须通过减少洪水事件的影响来降低灾害[1]。因此，超前意识和防范如结构性和非结构性方法，对于防洪和减少损失至关重要。其中，结构方法侧重于工程，主要涉及重新设计现有基础设施，或对洪水事件实施一些新的物理屏障，以减少洪水灾害的影响[2]。与结构方法相比，管理方法用于应对洪水灾害。卫星技术、空间数据分析和建模的快速发展为研究人员开发更精确的洪水风险模型提供了条件，在洪水风险模型中，洪水可以得到适当和明智的管理[3]。水动力模型与遥感和地理信息系统(GIS)相结合，成为及时绘制不同洪水情景和相关风险的主要工具[4]。计算数值模型还可以提供洪水范围、水深和洪水波到达时间等信息，并预测洪水传播[5]。通过水动力学建模，可以制定洪水缓解规划，以备将来应对洪水事件[6]。

本文旨在通过水动力学建模方法，评估上游地区拟建大坝的实施情况，以减少洪水危害。洪水规模的增加将给受灾地区造成更严重的后果，停电限制通讯，救援工作难度也将增大。为此，通过耦合一维和二维模型，模拟2014年有无拟建大坝的洪水事件，评估拟建大坝在减少研究区洪水灾害方面的有效性至关重要。

1 材料与方法

研究区位于云南省东北部，年均气温为21℃～31℃，其降水只有降雨，不存在降雪。年最大降雨量可达1 750 mm，大部分降雨发生在1-11月份的季风季节。金沙江是该地区的主要水资源，其两条支流在下游交汇处汇合，变成一条更宽、流量更大的河流，在沿海平原上蜿蜒流淌。该地区人口的主要活动是农业。研究区域为云南省东北部的一个小流域，拟建大坝位于保护区上游，两条主要支流汇合的下游处。在本研究中，下游地区观测到的洪水主要集中在两条河流交汇后的地区。

洪水建模所需的信息包括DTM、土地利用数据、水文数据、横断面和河网。该模型包括5个主要阶段：①数据收集；②下垫面数据预处理；③模型图式化；④洪水模拟；⑤生成洪水灾害图。

1.1 数据描述

本研究中使用的DTM数据是激光雷达和SRTM数据源。激光雷达数据的空间分辨率为3 m，而SRTM的空间分辨率为30 m。将现有的DTM与农业部的DTM相结合，生成一个新的空间分辨率，用于评估农业部现有的DTM值。同时，水文数据包括从水文局获得的流量和水位数据。对于一维模型的计算，也有目的地需要横截面和河网。河网来自水文局，也可通过ArcGIS处理生成。

1.2 试验方法

1.2.1 在DTM上修建拟建大坝

拟建的水坝是通过提高DTM的数字高程形成的。大坝位于保护区上游约40 km处，拟建的大坝设计有3个出口作为溢洪道。大坝的坝顶高程分别为73和85 m，溢洪道高程分别为63和78 m。此外，在大坝东北约2 km处拟建的副坝也将其的高程提高至85 m。副坝的作用是防止洪水向下游溢出。

1.2.2 曼宁系数设置

在本研究中，曼宁的n值是通过转换地图中的每个土地利用类别来获得的。根据研究区域的周围情况调整数值，见表1。

表1 曼宁系数转换查找表

1.3 模型图形化

1.3.1 横断面图和河网图

河网和横断面是模拟模型所必需的。河网作为参考，在模型方案中对河段进行数字化。本研究中使用的横截面数据为2014年的最新调查数据，但所提供的横截面图并未涵盖整个研究区域。因此，研究区域其余部分的横截面是从激光雷达数据源的DTM中提取的。

1.3.2 定义边界条件

边界条件已在模型设置中正确描述。边界条件是一个连接节点，其作用是定义模型区域与其周围环境之间的流量关系。流入边界条件由一系列流量Q定义，而水位系列用于流出边界条件。图1显示了模型设置的入口边界条件的流量过程线。

图1 入口边界条件的流量输入数据

2 结 果

2.1 洪水模拟

洪水模拟的重点确定研究区在拟建大坝前后的流量，表明修建大坝的必要性。该模拟使用SOBEK流体动力学模型的软件。SOBEK是一个强大的洪水预报模型，具有集成的一维和二维模型。一维模型涉及与河网沿线选定位置处的横截面相对应的每个计算点，而二维模型使用有限的不同方法计算漫滩，以网格单元表示。

2.1.1 拟建大坝的模拟

拟建大坝的模拟是大坝在DTM的基础上开始的。图2(a)显示了拟建1号河流大坝的DTM；图2(b)显示了拟建2号河流大坝和副坝的DTM。模拟还将测量拟建大坝开发后的流量。未修建拟建大坝的流量数据均为1号河流与2号河流的控制水文站的流量数据。软件模拟修建大坝后的流量由软件模拟出来。

图2 两条支流的DTM图

2.1.2 洪水灾害图的生成

该流域的洪水灾害图是通过采用人群洪水灾害等级方程，来确定对人群造成危险的洪水深度、洪水速度和碎片系数的组合而生成的。方程式如下：

HR=d×(v+0.5)+DF

(1)

其中：HR为洪水的危险等级；d为洪水深度，m；v为洪水速度，m/s；DF为泥石流系数。

根据不同洪水深度、流速和主要土地利用的泥石流因子指标见表2，造成危险的泥石流因子值分别为0、0.5和1。由于1号流域的特点是丘陵地带，危险系数被设定为1。因此，泥石流因子导致危险的可能性较高，其危险分为4类，分别为低、中、重大和极端，见表3。

表2 根据土地类型、不同深度和速度的泥石流因子指标

表3 洪水灾害类别

2.2 拟建大坝前后洪水影响对比

2.2.1 未拟建大坝的洪水模拟结果

在未拟建大坝的研究区洪水模拟中，考虑两个输出参数，即最大流速和最大水深，生成最大流速和水深图，见图3。结果显示，研究区自1号河流和2号河流汇流于下游拟建大坝处，在原始的观测基础上，未拟建2014年洪水的最大流速为34 m/s，最大水深为19 m。拟建大坝位置到汇流点之间的洪水面积约为30 km2。

图3 研究区未拟建大坝的洪水最大流速和最大水深

2.2.2 拟建大坝的模拟结果

拟建大坝的洪水模拟表明，研究区将不会发生洪水。根据拟建大坝后的模拟测量，大坝建成后的流量不足以触发下游地区的洪水。图4为拟建大坝前后的流量过程线。可以看出，大坝拟建之后的洪峰流量从2 956 m3/s降至142 m3/s，减少量约为95%。

2.2.3 洪水灾害图

洪水灾害图是使用获得的最大流速和最大水深的结果生成的。图5(a)为2014年未拟建大坝的研究区洪水灾害图；图5(b)为拟建大坝后的研究区洪水灾害图。洪水面积根据不同洪水事件的危害指标进行测量，见表4。从灾害图上看，大部分被洪水淹没的地区被划为极端地区。

图4 大坝拟建前后的流量过程线

图5 2014年研究区洪水灾害图

表4 根据2014年洪水灾害区域的事件指标

3 结 论

本文通过集成水动力建模，来评估结构方法(如大坝)的实施，以减缓洪水造成的危害。研究区拟建大坝的水动力模型结果表明，拟建大坝后，洪水的洪峰被极大削减，比未拟建大坝减少约95%；拟建大坝之前，下游的洪水灾害基本上为重大和极端的灾害等级；拟建大坝之后，下游没有发生洪水灾害。鉴于洪水模拟仅通过提高DTM地面模型的高程进行了简化，因此应该从更多方面考虑这一结果。可以说，拟建大坝有利于并有能力减少研究区的洪水灾害。研究表明，拟建大坝应采用适当的计划和关于大坝运行方式的详细规范进行建模，尤其是在防洪和水力发电方面。