计入回水壅高的水库临时淹没范围快速确定方法

摘要：为快速分析水电站汛期不同水位控制下的临时淹没影响，评估可能产生的淹没损失情况，以满足水电站汛期水位动态控制的需要，提出了一种考虑回水壅高的临时淹没范围快速确定方法。

该方法基于Python语言进行ArcGIS平台的线性插值工具二次开发，从而获得了回水的DEM，之后再与库区DEM进行相应计算，即可获得水电站汛期不同抬高运行水位下的库区淹没范围。将该方法在红水河岩滩水电站进行了应用验证。验证结果表明：所提方法可在8 s内输出临时淹没范围，与经典水动力学模型HEC-RAS进行了对比分析，所建模型的总体精度为0.92，能大幅提高水库不同水位控制下临时淹没影响的分析效率。

关 键 词：回水壅高； 水库临时淹没范围； 淹没影响； 岩滩水电站

中图法分类号： TV697

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.009

0 引 言

水库是调节洪水的重要水利工程，对洪水调节作用十分明显，不同水库调度方案对河道淹没损失影响不同［1］。近年来，随着中国社会经济快速发展，各地对水资源需求增大趋势逐步显现［2］，为进一步挖掘已建坝蓄水潜力，对已建水库实施提能增效受到广泛关注。与大坝加高或水库清淤等工程措施相比，调整正常蓄水位和汛限水位等措施，因成本低、见效快而成为首选方案［3］。对启用正常蓄水位以上（应计入回水壅高）防洪库容造成的临时淹没损失进行评估，是论证正常蓄水位调整必要性的重要环节，而评估临时淹没损失首要解决的是确定临时淹没范围。

现有技术中，确定淹没范围的方法主要有水力学模型及地理信息系统分析方法等［4-8］。李雨竹等［9］基于 HEC-RAS 构建二维非恒定流水动力模型并考虑涉水工程及其壅堵的情况，精细化模拟洪水淹没过程；杨爱玲等［10］结合数字高程模型和三维GIS，设计结合上下水位的八邻域种子算法，实现洪水淹没分析；韩松等［11］利用 MIKE FLOOD软件侧向耦合一、二维模型，模拟不同洪水重现期洪水从河道漫溢至岸边的演进过程，得到洪水的淹没范围等信息。以上分析方法均有其优势和局限性，考虑的因素及适用场景各不相同，如基于水动力学模型的经典淹没算法在时效性方面存在不足，制约防洪“四预”功能实现和数字孪生流域建设；地理信息系统分析方法一般难以保证淹没分析过程的逐时连续性及合理性［12］。

为此，本文以红水河岩滩水电站为例，利用回水成果、实测地形图等数据，考虑回水壅高，针对水库汛期水位动态控制提出一种基于Python语言和ArcGIS工具的临时淹没范围快速确定方法，并验证了所提方法的可行性，以期为水库临时淹没处理方案、抗洪抢险预案、安全转移预案的制定提供参考。

1 研究方法

以往在计算水库淹没损失时都是假设水面是一个静止的平面来处理［13］。但实际上由于水位壅高，水位值并非在一个高程，库区上游的水位会高于坝址附近的水位，水面其实是一个曲面。本文考虑回水壅高来确定临时淹没范围，关键步骤包括线性内插回水高程和构建临时淹没计算模型。

1.1 线性内插回水高程

ArcGIS在10.0版本后提供了一个站点包ArcPy，这个站点包把ArcGIS里的所有功能封装成一个个类库，只要在Python的编辑器中导入ArcPy站点包，就可以调用里面的类库，从而实现需要的功能［14］。本文基于ArcGIS 平台的 ArcPy站点包，利用ArcPy模块提供的关键方法进行线性插值工具的二次开发。线性插值工具根据输入参数设定的不同，可重复使用在各类水库优化调度过程中，用于线性加密带回水高程的断面，作为后续回水DEM生成的输入值。具体开发流程如下。

（1） 调用segmentAlongLine函数，根据回水计算成果中的里程值（即距坝址距离）对河流中心线进行分割，并以LineID区分，坝址默认为该河流中心线的起点。

（2） 调用Split_analysis函数，对步骤（1）得到的线段再按LineID的不同进行批量等间距分割，用于生成加密的断面，分割的间距值可结合水库的实际情况确定。

（3） 取步骤（2）得到的各线段起点作为原点，调用BearingDistanceToLine_management函数，在垂直于该线段的方向上绘制一定宽度的断面线，宽度值可以根据河流的实际情况来确定。

（4） 为步骤（3）生成的所有断面线增加elevation字段，根据步骤（1）中各线段起点断面Rt-1和终点断面Rt所对应的回水高程以及里程值，分段换算出步骤（2）加密后各断面对应的回水高程，并保存在elevation字段中。计算公式如下：

E= Et-Et-1Dt-Dt-1·S（1）

式中：E为加密断面的回水高程，m； Et、Et-1分别为回水计算成果中断面Rt和Rt-1下的已知回水高程，m；Dt、Dt-1分别为回水计算成果中断面Rt和Rt-1下的已知里程值，m；S为步骤（2）中的分割间距值，m。

（5） 在ArcGIS中导入Python脚本文件，并设置输入和输出参数的属性，即可完成回水值线性插值工具的创建。其中工具的输入参数包括河流中心线（.shp格式）、里程值（.xls格式）、等间距分割值（单位：m）、断面宽度（单位：m），输出结果为.shp格式的线文件。

1.2 构建临时淹没计算模型

ModelBuilder是ArcGIS提供的构造地理处理工作流和脚本的图形化建模工具，将空间数据及其分析与处理通过流程化结合在一起，具有可视性、快捷性、开放性等特点［15］。数字高程模型（ digital elevation model，DEM） 是地表形态的数字化表达，在洪水淹没模拟中起着重要作用［16-19］。本文通过ArcGIS ModelBuilder可视化建模工具，将栅格计算器、重分类和栅格转面等地理处理工具按照一定的空间分析工作流进行组合，形成一个流程化的DEM计算模型，从而实现水电站汛期动态调度下临时淹没区范围的快速确定。主要操作步骤如下。

（1）加载回水DEM栅格影像，默认水位变化值即水库抬升高度为0，该变化值支持动态输入，两者进行栅格相加运算（Plus）。公式为

E回i，j=E初i，j+Lh（2）

式中：E回i，j为栅格加运算后网格Gi，j的回水高程；E初i，j为回水DEM中网格Gi，j的回水高程；Lh为动态输入值，即水库抬升高度。

（2） 将步骤（1）得到的栅格影像与库区DEM栅格影像进行相减运算（Minus）。公式为

Ei，j=E库i，j-E回i，j（3）

式中：Ei，j为栅格减运算后网格Gi，j的值；E库i，j为库区DEM中网格Gi，j的高程值；E回i，j为步骤（1）运算后网格Gi，j的回水高程。

（3） 利用栅格计算器（Raster Calculator）的SetNull函数，Ei，j>0的网格Gi，j的像元设置为NoData。栅格值Ei，j>0意味着网格Gi，j的高程值大于回水高程，为非淹没区，将非淹没区的值设置为NoData，将直接在栅格影像中去除，栅格值Ei，j≤0意味着网格Gi，j的高程值小于回水高程，为淹没区。

（4） 最后依次顺序加入重分类（Reclassify）、栅格转面（Raster to Polygon）、融合（Dissolve）工具，将模型中的数据和工具进行顺序连接后，默认前一个工具的输出即为后一个工具的输入，.shp格式的淹没范围为最终的输出值。

2 实例应用

2.1 岩滩水电站概况

岩滩水电站位于红水河中游，广西壮族自治区大化瑶族自治县境内，是广西电网的主要调峰电源，距上游龙滩水电站166 km，距下游大化水电站约83 km，控制集水面积106 500 km2，占红水河流域集水面积的81.4%，在流域发电、供水、航运等方面发挥着重要的作用（图1）。

岩滩水电站设计正常蓄水位223.00 m，汛期限制水位219.00 m。2004年岩滩水电站首次实施汛期限制水位动态控制方案（219.00～222.50 m），提高了水库调度水平，增加了电站调度效益。根据水库防洪调度运用的实际需要启用正常蓄水位以上库容，充分发挥水库防洪减灾作用，是水利工程补短板的强有力举措［20］。结合岩滩水电站汛期水位动态控制成果，查清实施岩滩水电站汛期水位动态控制后可能存在的淹没风险区，具有良好的社会效益和经济效益。

2.2 临时淹没范围分析

2004年以来岩滩水电站成功实施了汛期限制水位动态控制方案（219.00～222.50 m）。在此基础上，为满足后续岩滩水电站水库优化调度的需要，对汛期限制水位进行调整，选取20 a一遇防洪标准下坝址附近223.00 m水位值作为模型的基础，通过输入在该水位值下的抬升高度获取相应的临时淹没范围，以评估水库超蓄可能存在的临时淹没损失情况。

根据岩滩水电站回水计算成果，20 a一遇防洪标准下坝址附近位于223.00 m水位值，其上游水位值已达到251.60 m，可知岩滩水库的回水壅高为28.60 m。为准确确定临时淹没区的范围，本文主要考虑干流回水壅高，由于支流回水变化并不明显，影响范围较小，直接从等高线中提取等于223.00 m水位值的等高线，作为绝对的平面来处理，具体的实现流程如下。

（1） 选取岩滩水电站红水河干流20 a一遇防洪标准下（223.00 m）的回水成果，基于回水线性插值工具，对断面以200 m等间距进行线性加密，断面宽度主要以保证覆盖河流左右岸为原则，统一设置为2 000 m，具体数值可根据实际情况进行调整。

（2） 利用步骤（1）得到的线性内插成果，通过ArcGIS自带的构建TIN工具生成干流回水面DEM，转换为栅格后，根据干流流域范围进行裁剪。

（3） 利用2010年岩滩库区1∶2 000实测地形图，通过ArcGIS自带的构建TIN工具生成整ZYRwjOfwaI/buNuN6qKCvg==个库区的DEM，转换为栅格后，根据水库范围进行裁剪。

（4） 将步骤（2）和步骤（3）生成的栅格数据作为临时淹没计算模型的固定输入条件，水位变化输入值默认为0，最终得到在20 a一遇防洪标准下（223.0 m）库区的临时淹没范围。

岩滩库区正常蓄水位20 a一遇回水位方案（223.00 m）是该模型的计算基础，分别输入岩滩水电站汛期水位动态控制下相应的水位抬升高度，即可输出在223.00 m水位下抬高水位所对应的临时淹没范围。

2.3 结果分析与讨论

以岩滩水电站红水河干流作为研究区，构建了基于Python语言和ArcGIS工具的淹没范围计算模型，采用HEC-RAS模拟结果对模型的输出结果进行验证，评估模型的精度、时效性和适用性。

2.3.1 结果分析

采用混淆矩阵（表1）中的总体精度（P0）对结果进行评估［21-22］，HEC-RAS模拟结果作为对比参照，总体精度P0的计算公式如下：

P0=a+da+b+c+d（5）

a、b、c、d的含义见表1。

分别提取上游周因屯至六排段（回水高程239.54～244.00 m）、中游拉雨屯至拉人屯段（回水高程233.10～235.09 m）、下游滩皮至平勇段（回水高程225.00～226.00 m）3处的结果进行分析（图2），模拟的总体精度P0为0.92。本文模型模拟淹没范围与HEC-RAS模拟结果较为吻合，在主要河道两者淹没范围几乎重合。

2.3.2 时效性分析

回水高程线性插值工具由Python语言编写，断面回水高程线性加密阶段耗时20 s左右，淹没范围的输出平均耗时8 s（电脑配置为 Intel（R） Core（TM） i7-8565U CPU，8GB内存）。对于同一流域，加密回水成果仅需计算一次保存即可，用于生产回水DEM。因此，模型可在8 s内输出相应水位的临时淹没范围，能够支撑动态快速的临时淹没分析。

2.3.3 适用性分析

回水DEM和库区DEM一旦确定，输入抬升水位高度，模型可在8 s内完成临时淹没范围的输出，其计算耗时与流域规模关系不大，可以支撑流域临时淹没范围的快速确定。此外，模型建模过程快捷高效，仅需要DEM即可完成建模，输入数据为水位抬升高度，对建模资料的要求远小于水动力学模型。在极低的建模资料要求下模型完成淹没范围模拟，可以为制定临时淹没处理方案、抗洪抢险预案、安全转移预案提供参考。总体而言，模型具有计算速度快、操作灵活便捷、依赖资料少、复用性高等特点，适用于水库调度下临时淹没范围的划定。同时，在地形起伏平缓的平原区，一般回水壅高值不大，因此模型更适用于山丘区水电站优化调度分析。

3 结 语

本文主要考虑回水壅高，提出了一种基于ArcGIS和Python语言快速确定水库临时淹没范围的新方法，并将该方法应用于岩滩水电站临时淹没范围确定中。将该方法计算的3处回水断面下的临时淹没范围，与HEC-RAS模拟结果进行对比，本文所提方法平均总体精度P0达到0.92。且该方法运算速度快、操作便捷、依赖资料少、可复用性高，能实现水库调度过程中不同水位下临时淹没范围的快速确定。凭借其较低的时间和数据成本，可作为传统水动力模型的有益补充，可在实际水库优化调度过程中进行推广应用。

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（编辑：郭甜甜）

Rapid determination of temporary inundation extent of reservoir with backwater height included

DENG Lisi

（China Water Resources Pearl River Planning Surveying & Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510611，China）

Abstract：

In order to quickly analyze the temporary inundation under the different controlled water levels of hydropower plants in flood seasons，assess the possible inundation loss，and to meet the needs of dynamic water level control in flood season of hydropower stations，a method for rapid determination of temporary inundation range considering backwater elevation was proposed.This method was based on Python for the secondary development of linear interpolation tool on ArcGIS platform.By obtaining the backwater DEM and performing corresponding calculations with the reservoir area DEM，the inundation range of the reservoir area under different controlled water levels during the flood season can be obtained.The model was applied and verified in Yantan Hydropower Station of Hongshui River.The results showed that the proposed method can output the temporary inundation range within 8 s.Compared with classical hydrodynamic model HEC-RAS，the overall accuracy of the proposed model was 0.92，which can greatly improve the analysis efficiency of the temporary inundation effect under the different control water levels of reservoirs.

Key words：

backwater height； temporary inundation extent of reservoir； inundation effect； Yantan Hydropower Station