梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流洪水演進(jìn)調(diào)度研究進(jìn)展

王孝三，胡建永

(華北水利水電大學(xué) 電力學(xué)院,河南 鄭州 450045；2.浙江水利水電學(xué)院 水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

洪水災(zāi)害是當(dāng)前人類面臨的最主要自然災(zāi)害之一，每年洪水災(zāi)害都對(duì)全球造成了巨大損失。我國(guó)是世界上洪水災(zāi)害頻繁發(fā)生且影響范圍較廣的國(guó)家之一，據(jù)應(yīng)急管理部、國(guó)家減災(zāi)委發(fā)布的2018年全國(guó)自然災(zāi)害基本情況，洪澇災(zāi)害共造成全國(guó)3 526.2萬(wàn)人次受災(zāi)，直接經(jīng)濟(jì)損失1 060.5億元。另外，中國(guó)大部分河流經(jīng)過(guò)幾十年的開(kāi)發(fā)，均形成了梯級(jí)開(kāi)發(fā)的格局。就河流梯級(jí)水庫(kù)群防洪調(diào)度而言，一般以河流上游水庫(kù)下泄流量是下游水庫(kù)入庫(kù)流量的組成部分作為上下游之間的水力聯(lián)系，上下游各水庫(kù)形成梯級(jí)關(guān)系，并在梯級(jí)水庫(kù)群中發(fā)揮各自作用。利用梯級(jí)水庫(kù)之間的水力聯(lián)系進(jìn)行洪水調(diào)度，是梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流防洪的重要手段。洪水演進(jìn)分析是洪水調(diào)度的重要基礎(chǔ)，通過(guò)開(kāi)展洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水演進(jìn)過(guò)程的實(shí)時(shí)模擬，獲得洪水流速、流量、淹沒(méi)面積、水深等信息，可為制定洪水調(diào)度方案提供精確的數(shù)據(jù)支撐，指導(dǎo)水電站開(kāi)展實(shí)時(shí)防洪優(yōu)化調(diào)度。本文針對(duì)了洪水演進(jìn)分析中的模擬計(jì)算方法、數(shù)字高程模型、糙率的確定等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了綜述。

1 洪水演進(jìn)模擬計(jì)算方法

梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流的洪水演進(jìn)屬明渠非恒定流運(yùn)動(dòng)范疇，其計(jì)算理論可以追溯到19世紀(jì)。1871年，SAINT-VENANT通過(guò)水槽試驗(yàn)建立了明渠非恒定流偏微分方程組，奠定了洪水演進(jìn)計(jì)算的理論基礎(chǔ)[1-3]。此后，許多學(xué)者基于該方程組開(kāi)展了大量的研究，并根據(jù)最新研究成果提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。如著名的馬斯京根法利用水量平衡方程以及槽蓄方程簡(jiǎn)化了圣維南方程，該方程組為對(duì)流擴(kuò)散方程且具有二階精度差分格式，由整河段演算發(fā)展到了分河段連續(xù)演算[4]。此外，KOLHERMAX在研究不穩(wěn)定流及單位洪水計(jì)算后提出特征河長(zhǎng)法，該方法可以用于處理不穩(wěn)定流的水位—流量關(guān)系[5]。過(guò)去幾十年，我國(guó)在洪水演進(jìn)理論方面的研究也卓有成效。趙人俊[6]在1979年分析了馬斯京根法積分解導(dǎo)致負(fù)效應(yīng)的原因，指出了積分解與差分解的優(yōu)缺點(diǎn)，并推薦使用差分解解決實(shí)際問(wèn)題。之后，錢學(xué)偉和羅伯昆[7]使用連續(xù)驗(yàn)算解析法對(duì)瞬時(shí)單位線和流量—時(shí)間曲線進(jìn)行了推導(dǎo)，并討論了遲滯瞬時(shí)單位線和馬斯京根法瞬時(shí)單位線的內(nèi)在聯(lián)系。

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，對(duì)洪水演進(jìn)的數(shù)值模擬技術(shù)的研究也取得了一系列成果，并研發(fā)出了相應(yīng)的計(jì)算軟件，如美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的HEC-RAS系列軟件[8]，丹麥水利研究所的MIKE系列軟件[9]，荷蘭Delft大學(xué)的Delft3D軟件等[10]。JANG等利用HEC-RAS建立了洪水演進(jìn)的一維數(shù)值模型，并結(jié)合徑流模型、潰壩模型模擬了潰堤洪水河道和泛洪區(qū)的演進(jìn)過(guò)程，成功預(yù)測(cè)了大壩的潰決時(shí)間[11]。TIMBADIYA等[12]以Tapi河為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用HEC-RAS建立水動(dòng)力模型，并選取三個(gè)典型洪水年洪峰流量過(guò)程進(jìn)行了洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，模擬預(yù)測(cè)的洪峰特征值與實(shí)測(cè)結(jié)果十分接近。賀娟等[13]利用ArcGIS中的拓展模塊HEC[13]GeoRAS作為前處理軟件，建立了潰壩洪水模型并導(dǎo)入到HEC[13]RAS中進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬，成功計(jì)算出研究區(qū)域洪水淹沒(méi)范圍和流速分布。張黎明等[14]基于MIKE11軟件平臺(tái)建立了厄瓜多爾Guayas流域的河網(wǎng)洪水一維數(shù)值模型，通過(guò)使用堰閘過(guò)流公式代替圣維南方程、合理概化河網(wǎng)、優(yōu)化河道斷面布置等措施，有效地避免了求解過(guò)程中因數(shù)值震蕩導(dǎo)致不收斂的問(wèn)題。姚斯洋構(gòu)建了基于干、支流不同水位組合方案下洪水淹沒(méi)情景的MikeFlood耦合水動(dòng)力模型，該模型通過(guò)對(duì)MIKE11一維模型和MIKE21二維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合，充分發(fā)揮了MIKE11和MIKE21各自的優(yōu)點(diǎn)，提高了模擬精度[15]。LIUQIANG等[16]通過(guò)計(jì)算河道流量，并將其作為蓄滯洪區(qū)的邊界條件建立了一、二維耦合模型，同時(shí)提出了一種連接河道與蓄滯洪區(qū)一、二維耦合水動(dòng)力模型的方法。SERGIY利用一、二維耦合模型實(shí)現(xiàn)了德國(guó)Elbe河中段河道潰堤洪水演進(jìn)計(jì)算，并對(duì)河道下游居民區(qū)和農(nóng)作物的洪災(zāi)損失做出評(píng)估[17]。

此外，不少學(xué)者還將基于GIS的三維可視化技術(shù)應(yīng)用到洪水演進(jìn)的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)的實(shí)時(shí)化、動(dòng)態(tài)化和三維化[18]。董文鋒等[19]利用OpenGL和GIS技術(shù)，建立了流域地形三維仿真系統(tǒng)，用三維網(wǎng)格逼近的方法生成真實(shí)的三維地形，實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒(méi)、推進(jìn)的動(dòng)態(tài)模擬仿真可視化。冶運(yùn)濤等[20]提出了基于斷面的河道邊界搜索算法，開(kāi)發(fā)了三維場(chǎng)景中手動(dòng)和自動(dòng)漫游方式、實(shí)時(shí)信息查詢以及淹沒(méi)過(guò)程分析模塊，研制的系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查詢河道內(nèi)任意點(diǎn)水位和河底高程、不同流量級(jí)下淹沒(méi)范圍的動(dòng)態(tài)顯示等信息。

2 數(shù)字高程模型(DEM)

數(shù)字高程模型(DEM)以一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)際地形特征的空間分布模型，是數(shù)字地形模型(DTM)的一個(gè)分支。在洪水演進(jìn)計(jì)算中,DEM數(shù)據(jù)是地形建模的基礎(chǔ)，其精度對(duì)洪水演進(jìn)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有直接影響。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)用要求不同，DEM表達(dá)方式也有所不同，主要有等高線模型、不規(guī)則網(wǎng)格模型和規(guī)則三角網(wǎng)模型等三種方式。丁志雄等在遙感與GIS的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析了由DEM生成的三角形格網(wǎng)模型和任意多邊形格網(wǎng)模型對(duì)洪水淹沒(méi)進(jìn)行演進(jìn)計(jì)算結(jié)果的差異，結(jié)果表明，DEM生成的三角形格網(wǎng)模型適用于精度要求不高的分析，而多邊形格網(wǎng)模型則適用于較高要求的分析[21]。目前，隨著測(cè)量領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，利用無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等先進(jìn)的測(cè)量手段獲取災(zāi)害研究所需影像資料等數(shù)據(jù)的途徑逐步得到實(shí)際應(yīng)用。在洪水研究領(lǐng)域，可以充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)分辨率高、不受地形影響、機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)，快速獲取研究區(qū)域地形、植被類型、高精度DEM數(shù)據(jù)等資料。劉昌軍等在無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件UAVPhotoPro,對(duì)航片進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接和點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，建立三維測(cè)量地形[22]。魏永強(qiáng)等提出了基于無(wú)人機(jī)航測(cè)技術(shù)的洪水演進(jìn)三維可視化仿真研究，利用無(wú)人機(jī)航空攝影測(cè)量技術(shù)，獲取洪水易發(fā)地區(qū)的影像資料，通過(guò)軟件對(duì)影像資料加以分析，制作精細(xì)的三維模型，建立了三維洪水過(guò)程實(shí)時(shí)推演系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了洪水演進(jìn)的三維可視化[23]。

3 糙率率定方法

在開(kāi)展河道洪水演進(jìn)數(shù)值模擬時(shí)，糙率的率定對(duì)模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度也具有重要影響[24]。糙率是反映水流阻力影響的一個(gè)綜合性無(wú)量綱參數(shù)。從水力學(xué)的角度出發(fā)，河道糙率指的是河床、岸壁的粗糙程度對(duì)于水流產(chǎn)生的阻力大小，存在一個(gè)恒定的阻力系數(shù)，即糙率，通常用n表示[25]。糙率的大小受諸多因素的影響。糙率會(huì)因河床的粗糙程度、水深、河道斷面形狀、水流流態(tài)等的不同而不同，并呈現(xiàn)出空間上的差異性和隨水位、流量變化的動(dòng)態(tài)性，因此很難定量描述糙率的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。目前，關(guān)于河道糙率的率定方法主要有傳統(tǒng)的查表法、糙率曲線法、糙率公式法和糙率反演法等，這些方法都屬于半經(jīng)驗(yàn)性方法，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)測(cè)資料存在很大偏差。近些年來(lái)，很多學(xué)者在糙率理論嚴(yán)謹(jǐn)性和計(jì)算通用性方面進(jìn)行研究探索，董文軍等根據(jù)參數(shù)辨識(shí)對(duì)糙率的計(jì)算方法進(jìn)行推導(dǎo)，建立了糙率計(jì)算模型，得出一種具有普遍適用性的糙率計(jì)算方法[26]。吳喬楓等在研究河道糙率時(shí)，著重探究了水生植被分布和河道斷面淹沒(méi)特點(diǎn)對(duì)糙率的影響通過(guò)建立水動(dòng)力模型，對(duì)比分析了水位流量實(shí)測(cè)值與不同糙率下的模擬值，結(jié)果表明在同一斷面水位與糙率成反比關(guān)系，并得出糙率與水位關(guān)系曲線[27]。吳廣昊等在河道糙率反演中引入模擬退火算法，以計(jì)算值與實(shí)測(cè)值差值最小為優(yōu)化目標(biāo)，克服了傳統(tǒng)優(yōu)化算法依賴初始糙率選取、易限于局部最優(yōu)從而導(dǎo)致解不唯一的缺點(diǎn)，并開(kāi)展了黃河干流某段實(shí)際算例研究，驗(yàn)證了該算法不依賴初始值的選取和良好的全局優(yōu)化性能[28]。

4 洪水調(diào)度理論方法

梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流聯(lián)合防洪調(diào)度是根據(jù)上下游水庫(kù)群之間具有水力聯(lián)系、水文聯(lián)系、水利聯(lián)系的水庫(kù)以及相關(guān)工程設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)調(diào)度，共同承擔(dān)河流防洪任務(wù)，從而達(dá)到聯(lián)合運(yùn)用的最佳效果[29-31]。洪水演進(jìn)數(shù)值模擬是制定防洪優(yōu)化調(diào)度方案的重要基礎(chǔ)，為其提供科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。許增培等在一維洪水演進(jìn)計(jì)算的基礎(chǔ)上，以防洪提防處實(shí)際過(guò)流能力為限制條件，提出分別采用正、逆兩向分析水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方法，并指出逆向分析方法更具有可靠性、可操作性[32]。賀同坤等針對(duì)泄洪時(shí)上游水庫(kù)對(duì)下游水庫(kù)的影響，以庫(kù)群系統(tǒng)安全為目標(biāo)，結(jié)合MIKE11模型模擬洪水演進(jìn)過(guò)程。通過(guò)對(duì)比極端洪水情況下洪水最高水面線和壩頂高程，以此評(píng)估大壩防洪能力[33]。馬嬌嬌通過(guò)MIKE系列軟件建立一、二維耦合水動(dòng)力模型，研究了行洪區(qū)閘門在不同洪水情況下的啟閉規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了防洪調(diào)度方案[34]。此外，梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流聯(lián)合防洪調(diào)度是一個(gè)高維、動(dòng)態(tài)、非線性的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，其研究方法主要有傳統(tǒng)的線性與非線性規(guī)劃法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等，隨著智能算法的逐步發(fā)展，用于解決梯級(jí)防洪調(diào)度的優(yōu)化算法也越來(lái)越豐富[35]。如張宇航等進(jìn)行了基于改進(jìn)粒子群算法的梯級(jí)水電站長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度研究，以梯級(jí)電站年發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)，在建立模型中使用外點(diǎn)懲罰函數(shù)的方法將有約束的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為無(wú)約束的問(wèn)題，研究結(jié)果表明，梯級(jí)電站增加發(fā)電量的同時(shí)，發(fā)電效率也有所提高[36]。申建建等介紹了一種基于模擬退火的粒子群算法，建立了以發(fā)電量最大為目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以普定水電站為例，證明了該算法的優(yōu)越性[37]。和吉等以最大削峰為目標(biāo)，基于差分進(jìn)化(DE)算法建立多約束條件的水庫(kù)防洪優(yōu)化調(diào)度模型。同時(shí)，對(duì)比分析了粒子群算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法等常規(guī)優(yōu)化算法與該算法之間的差異，算例結(jié)果表明差分進(jìn)化算法在防洪優(yōu)化調(diào)度方面優(yōu)于粒子群算法和動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[38]。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流洪水調(diào)度相關(guān)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了綜述，綜述了洪水演進(jìn)計(jì)算研究進(jìn)展和影響洪水演進(jìn)計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵因素：(1)國(guó)內(nèi)外基于河道洪水和潰壩洪水演進(jìn)的一、二維及其耦合模型的數(shù)值模擬分析理論和方法已十分成熟，而對(duì)于三維數(shù)值模擬應(yīng)用研究則較少。在進(jìn)行洪水演進(jìn)數(shù)值模擬時(shí)，地形建模大都采用全球定位系統(tǒng)(GPS)和遙感(RS)技術(shù)來(lái)獲取相關(guān)地形資料，圖像分辨率不高導(dǎo)致模型精度較差，從而影響到數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果。因此，這種數(shù)據(jù)獲取方式不適用于洪澇災(zāi)害歷時(shí)短、計(jì)算精度要求高的模型。利用雷達(dá)、三維激光、無(wú)人機(jī)傾斜攝影、無(wú)人船水下地形測(cè)量等先進(jìn)測(cè)量技術(shù)獲取高精度三維地形數(shù)據(jù)是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。(2)現(xiàn)有的水電站梯級(jí)防洪優(yōu)化調(diào)度方法主要基于時(shí)段加權(quán)方法確定最小下泄洪峰流量和最短成災(zāi)歷時(shí)，不能實(shí)時(shí)響應(yīng)水情的動(dòng)態(tài)變化，難以指導(dǎo)水電站群開(kāi)展實(shí)時(shí)防洪優(yōu)化調(diào)度，不利于發(fā)揮梯級(jí)水電站群削峰錯(cuò)峰的工程效果。同時(shí)，防洪優(yōu)化調(diào)度效果還受洪水演進(jìn)模擬精度的限制，基于高精度洪水演進(jìn)數(shù)值模擬開(kāi)展梯級(jí)開(kāi)發(fā)河流洪水精細(xì)化實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度值得進(jìn)一步深入研究。