基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬與分析

□吳 娟

（綏化學(xué)院 黑龍江 綏化 152061）

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，城市化水平不斷提高，尤其是沿河區(qū)域乃至較為偏遠地區(qū)的水庫周圍也聚集著大量常住人口。周邊水資源與土地資源的價值不斷增加，水庫泄洪逐步成為影響這些區(qū)域下游居民生活工作的重要因素[1]。大藤峽作為廣西壯族自治區(qū)最長的峽谷，位于黔江下游，兩岸礁石眾多，谷底存在大量的暗礁。雖然從20 世紀90 年代以來，不斷對大藤峽水庫進行設(shè)備增設(shè)，建立了珠江流域的防洪控制樞紐，但湍急的水流與巨大的存水量仍給周圍居民的日常工作生活帶來巨大的隱患[2]。如何在降低下游淹沒危險系數(shù)的情況下對大藤峽水庫進行泄洪處理，減少人民生命財產(chǎn)損失，成為目前大藤峽水庫穩(wěn)定運轉(zhuǎn)亟須解決的問題。

由于大藤峽水庫泄洪涉及諸多問題，必須在強有力的統(tǒng)籌規(guī)劃下，協(xié)調(diào)各部門、各區(qū)域的溝通與協(xié)作機制，建立完善的泄洪預(yù)案，保證泄洪信息發(fā)布、水庫周邊巡查以及下游居民遷移等問題能夠順利進行。

基于GIS 的特點，對大藤峽水庫泄洪下游淹沒所造成的影響進行模擬數(shù)據(jù)收集、存儲、運算及分析，利用GIS 數(shù)據(jù)化模式在保證水庫平穩(wěn)泄洪的情況下，將水庫泄洪下游淹沒對下游居民造成的損失降到最低。

1 基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法設(shè)計

在GIS 技術(shù)應(yīng)用到大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法的設(shè)計過程中，利用GIS 技術(shù)獲取的該地區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)模擬過程中的數(shù)據(jù)來源，采用真實數(shù)據(jù)進行處理，以提升數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性與真實性。

1.1 大藤峽水庫信息數(shù)據(jù)庫建設(shè)

研究中使用水庫基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)建大藤峽水庫信息數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫利用每日降水量、水庫每日水位以及水庫觀測數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，圖形部分由大藤峽水庫的數(shù)字高程模型與水庫遙感影像組成。使用GIS 設(shè)備獲取水庫的數(shù)字圖像并作出相應(yīng)的分析，得到相關(guān)數(shù)據(jù)內(nèi)容。

水庫信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)建過程涵蓋了大量地理信息空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)，不同種類的數(shù)據(jù)需要設(shè)定相應(yīng)的管理方法。為了提升數(shù)據(jù)管理效果，在研究中使用ArcGIS 軟件中的Geodatebase 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)庫的藍本[3-4]。在該數(shù)據(jù)庫中，主要對水庫的流量數(shù)據(jù)進行整理，為后續(xù)數(shù)值模擬模型構(gòu)建提供便利條件。

水庫的流量數(shù)據(jù)主要包含計算獲取的流量數(shù)據(jù)以及實際觀測中得到的流量數(shù)據(jù)。計算部分的流量數(shù)據(jù)包含大藤峽水庫各個子流域的凈水量以及水庫流域出口的斷面流量；實際觀測得到的流量數(shù)據(jù)包含各個水電站實測水流數(shù)據(jù)。

上述數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)表的形式存入數(shù)據(jù)庫中，使用此數(shù)據(jù)庫為后續(xù)的模型構(gòu)建提供數(shù)據(jù)來源。在此部分數(shù)據(jù)的使用過程中應(yīng)注意數(shù)據(jù)形式的一致性，在使用數(shù)據(jù)前用歸一性算法對其進行處理。

1.2 大藤峽水庫泄洪能力數(shù)值模擬

通過文獻可知，大藤峽水庫正常蓄水位61.0 m，死水位47.6 m，校核洪水位63.9 m，總庫容34.3 億m3，正常調(diào)節(jié)庫容15 億m3。在研究中使用CAD 軟件構(gòu)建其數(shù)字地形資料，并形成相應(yīng)的三維河道地形圖[5]，選取合適的模擬計算區(qū)域，并使用流體動力學(xué)原理劃分其計算網(wǎng)格。

由于河道變化的復(fù)雜性，在研究中將計算網(wǎng)格設(shè)定為有限元形式，控制計算單元的大小、形狀與節(jié)點。計算網(wǎng)格將主要對水庫的邊界形態(tài)變化進行處理，提升整體計算時間。為了提升數(shù)值模擬的可信度，對計算過程中的邊界條件進行設(shè)定，根據(jù)大藤峽水庫的特點，將水庫出水口流量作為邊界條件。對其渦粘系數(shù)展開計算[6-7]，使用Smaborinsky 公式計算渦粘系數(shù)，具體公式如下。

式中：參數(shù)BS數(shù)值選取區(qū)間設(shè)定為0.25＜BS＜1.0，C、D表示水庫橫軸與縱軸方向的垂線平均流速，△表示計算網(wǎng)格劃分后的網(wǎng)格間距。

根據(jù)上述公式，構(gòu)建大藤峽水庫泄洪能力數(shù)值模擬中的數(shù)字高程模型。將歷史水庫泄洪峰值數(shù)據(jù)作為潰壩模擬數(shù)據(jù)，代入到高程模型中，計算相應(yīng)的洪水水位下的淹沒面積和淹沒洪水量。

在計算過程中，將計算得到的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，保證計算結(jié)果的坐標系統(tǒng)與表格方式一致。

通過公式可得到大藤峽水庫泄洪面積數(shù)值模擬結(jié)果，以此確定大藤峽水庫泄洪下游淹沒面積[8-9]。同時，將獲取到的GIS 實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果相結(jié)合，完成大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響分析過程。至此，基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法設(shè)計完成。

2 試驗分析

2.1 仿真試驗環(huán)境

為驗證基于GIS 的大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響模擬方法的有效性，構(gòu)建試驗驗證研究提出的方法與傳統(tǒng)方法的使用效果。

在本次試驗過程中，將數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分精度作為試驗對比指標，將傳統(tǒng)方法作為對比方法，以此驗證本次研究提出的方法。

在本次研究中，試驗平臺與相應(yīng)的軟件設(shè)定為以下內(nèi)容。

CPU：英特爾（Intel）i5-10600KF 6 核12 線程；

內(nèi)存：256 GB；

硬盤：1 TB；

數(shù)據(jù)庫：Geodatebase 數(shù)據(jù)庫；

數(shù)值模擬軟件：MATLAB；

三維繪圖：CAD。

在試驗過程中，使用研究提出的方法與傳統(tǒng)方法對某水庫的泄洪面積進行數(shù)值模擬，試驗期間共進行了5 次測試，對比每次測試中得到的試驗結(jié)果，完成研究提出的方法與傳統(tǒng)方法的使用效果對比驗證。

2.2 試驗結(jié)果分析

由表1 中的試驗結(jié)果可以看出，研究提出的方法，網(wǎng)格劃分精度較為穩(wěn)定，且網(wǎng)格的使用效果較好，使用此網(wǎng)格可對水庫中的多種數(shù)據(jù)進行分析。與本次研究提出的設(shè)計方法相比，傳統(tǒng)方法的網(wǎng)格劃分精度較差，不利于后續(xù)數(shù)據(jù)模擬的計算。

表1 數(shù)值模擬中網(wǎng)格劃分精度試驗結(jié)果 單位：%

通過上述分析可知，GIS 技術(shù)具有提升數(shù)據(jù)采集精度的優(yōu)點。由此可知，本次研究提出的方法對大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分精度較高，泄洪消能效果較好，數(shù)據(jù)質(zhì)量和使用效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

3 結(jié)束語

以大藤峽水庫作為水庫泄洪下游淹沒影響模擬與分析研究對象，利用GIS 數(shù)據(jù)對大藤峽水庫泄洪工程進行泄流能力、各區(qū)域水力特點以及泄洪造成的影響等問題進行模擬數(shù)據(jù)分析與試驗研究，利用摻氣設(shè)施，平穩(wěn)泄洪水流流速，并將水流落點集中于下游河流中心處，降低“水舌砸岸”現(xiàn)象的發(fā)生，提升泄洪消能效果。

由于是基于GIS 對大藤峽水庫泄洪下游淹沒影響進行模擬試驗與分析，該泄洪受到實際泄洪水流、周圍環(huán)境等客觀因素的影響，其實際泄洪因素與條件較試驗較為復(fù)雜，希望設(shè)計的模擬試驗與所得分析結(jié)論可以為實際水庫泄洪提供一定理論基礎(chǔ)，為降低未來水庫泄洪下游淹沒影響提供依據(jù)。