小流域壩系數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)初探

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一、問題的提出

　　小流域壩系是黃土高原溝道治理的基本單元，是由骨干壩、淤地壩、小水庫等溝道工程組合形成的洪水防御體系和生產(chǎn)體系。壩系的形成、發(fā)展和運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)過程，經(jīng)歷壩系的建設(shè)、形成直至達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定等階段，與流域的植被覆蓋度、土地利用、暴雨洪水、水土流失程度和人類活動(dòng)密切相關(guān)，壩系的建設(shè)也受到政策和投資的控制，影響因素多，關(guān)系復(fù)雜且相互制約。目前人們對(duì)這一過程的了解還僅僅限于數(shù)字計(jì)算，對(duì)內(nèi)部的演變規(guī)律和各種因素的影響程度不得而知，對(duì)壩系的形成與發(fā)展過程缺乏形象直觀的描述，不能適應(yīng)現(xiàn)階段的生產(chǎn)與科研的要求。

　　計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)是一種高科技手段，它以計(jì)算機(jī)為工具，將人們根據(jù)自己的理解而建立的數(shù)學(xué)模型，借助于計(jì)算機(jī)求解的過程，預(yù)測(cè)未來運(yùn)行結(jié)果。也可以通過調(diào)整模型的參數(shù)，比較結(jié)果而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。小流域壩系形成發(fā)展過程的仿真模擬，就是將壩系工程中的骨干壩作為主要研究對(duì)象，建立起集信息采集、數(shù)據(jù)處理、動(dòng)態(tài)過程模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)為一體的綜合系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)為支撐，以專家系統(tǒng)為技術(shù)支持，對(duì)壩系工程的建設(shè)、淤積、效益等動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，并采用三維直觀的方式通過計(jì)算機(jī)表現(xiàn)出來。在模擬運(yùn)行的過程中，通過對(duì)主要參數(shù)指標(biāo)的不斷調(diào)整與修正，獲得壩系工程的建設(shè)密度、布局、規(guī)模、效益等一系列規(guī)劃技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

　　二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)思

　　1.問題定義

　　小流域壩系的形成發(fā)展過程，主要涉及工程建設(shè)、防洪安全和壩地生產(chǎn)等幾個(gè)關(guān)鍵控制因素，在運(yùn)行中主要反映在兩個(gè)時(shí)間系列上：長期運(yùn)行模擬與次暴雨運(yùn)行模擬。

　?。?）小流域壩系長期運(yùn)行仿真模擬

　　壩系中的有些因素是無法控制或較難控制的，如流域的地形和地質(zhì)條件、流域植被覆蓋度、侵蝕強(qiáng)度等；有些是可以控制的，如壩系工程的布局、建設(shè)規(guī)模、結(jié)構(gòu)和建設(shè)時(shí)序等。當(dāng)壩系建設(shè)實(shí)施后，受洪水泥沙的作用，庫容將隨著淤積而逐年減少，壩地面積逐年增加，當(dāng)達(dá)到一定的條件后可投入生產(chǎn)發(fā)揮效益。而伴隨著這一過程，壩系工程的防洪能力也將逐年降低。同時(shí)壩系工程的淤積過程還受到其在流域內(nèi)所處的位置、樞紐結(jié)構(gòu)以及流域坡面治理等因素的影響，壩系的長期運(yùn)行仿真即是模擬這一過程，并通過模擬過程中對(duì)可控制因素參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。

　?。?）小流域壩系次暴雨洪水運(yùn)行仿真模擬

　　黃土高原水文泥沙的主要特征是洪水歷時(shí)短、強(qiáng)度大、洪量小、含沙量大。洪水是造成壩系工程水毀破壞的主要原因。預(yù)測(cè)壩系工程在運(yùn)行過程中某一時(shí)段的狀態(tài)，了解其抵御洪水的能力及一旦發(fā)生水毀可能造成的破壞以及范圍，建立防洪預(yù)警，對(duì)初期壩系建設(shè)方案的規(guī)劃或運(yùn)行過程中壩系配套改建方案的設(shè)計(jì)，為壩系工程的加固與改建提供決策依據(jù)，具有十分重要的作用。

　　次暴雨洪水運(yùn)行仿真是長期運(yùn)行仿真模擬序列中某一個(gè)時(shí)段的進(jìn)一步細(xì)化模擬。在長期仿真的過程中，可實(shí)時(shí)選擇典型時(shí)段進(jìn)行次暴雨仿真，以消除一些不利因素，使規(guī)劃結(jié)果更加合理，同時(shí)可適當(dāng)簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　?。?）模塊設(shè)計(jì)

　　仿真模擬系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)計(jì)算模塊：

　　①壩系工程布局位置識(shí)別模塊。采用數(shù)學(xué)的方式將壩系工程之間存在的相互位置關(guān)系和水沙傳遞規(guī)律表現(xiàn)出來。

　?、诤樗c泥沙計(jì)算模塊。建立小流域內(nèi)不同頻率洪峰模數(shù)、洪量模數(shù)、洪水過程關(guān)系曲線和侵蝕量計(jì)算數(shù)學(xué)模塊。

　?、塾俜e過程推算模塊。根據(jù)各壩之間的水沙傳遞規(guī)律，建立各單壩淤積庫容、壩地面積逐年增加量計(jì)算數(shù)學(xué)模型。

　?、軌蜗捣篮槟芰τ?jì)算模塊。壩系工程的防洪能力隨著時(shí)間的推移而逐年降低，是一個(gè)逐漸衰減的過程，與工程在壩系中的作用、所處位置以及自身的結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。防洪能力計(jì)算應(yīng)充分考慮以上各種因素，適度考慮坡面治理措施的改變對(duì)侵蝕模數(shù)和洪水的影響，分別建立沒有溢洪道和設(shè)置有溢洪道兩種壩系運(yùn)行方式的數(shù)學(xué)模型，還應(yīng)建立工程水毀對(duì)下游工程乃至整個(gè)壩系所造成危害程度與影響范圍計(jì)算模型。

　　（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　壩系運(yùn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬系統(tǒng)是一個(gè)集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析計(jì)算、仿真演示和優(yōu)化規(guī)劃為一體的綜合系統(tǒng)，通過專家系統(tǒng)將它們連接在一起。需要特別指出的是，小流域數(shù)字地圖將是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)平臺(tái)，擬采用“3S”技術(shù)獲取與處理。

　?、贁?shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用數(shù)據(jù)庫的方式，將大量的壩系工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（包括數(shù)值、圖形等）進(jìn)行存儲(chǔ)，以便于在計(jì)算與演示過程中的調(diào)用與交換。

　　②分析計(jì)算。分析計(jì)算是系統(tǒng)的核心部分，主要解決壩系有關(guān)工程位置識(shí)別、洪水泥沙計(jì)算、淤積過程推算和防洪能力計(jì)算等。

　?、鄯抡嫜菔?。仿真演示是系統(tǒng)的另一個(gè)重要內(nèi)容，其功能主要是將分析計(jì)算的結(jié)果在計(jì)算機(jī)上采用三維模擬的方式表現(xiàn)出來，達(dá)到直觀、美觀、實(shí)用的效果。此部分內(nèi)容也是系統(tǒng)研究與開發(fā)的難點(diǎn)所在。

　?、軆?yōu)化規(guī)劃。計(jì)算機(jī)的仿真模擬可以多次重復(fù)進(jìn)行，有關(guān)參數(shù)（如工程的數(shù)量、位置、規(guī)模、建設(shè)時(shí)序等）可以在模擬的過程中，通過專家系統(tǒng)對(duì)有關(guān)技術(shù)指標(biāo)的分析研究，不斷地進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過多次反復(fù)比較，達(dá)到優(yōu)化的目的。

　　現(xiàn)階段采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字模擬技術(shù)，多是一種簡單的模仿。本文提出將“3S”技術(shù)應(yīng)用作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)，建立以治溝骨干工程為主體的壩系數(shù)字仿真模擬設(shè)計(jì)構(gòu)思，對(duì)了解和掌握小流域壩系的運(yùn)行規(guī)律，實(shí)現(xiàn)壩系數(shù)字化，具有十分重要的意義。但該設(shè)計(jì)方案在計(jì)算機(jī)上如何實(shí)現(xiàn)，應(yīng)采用什么樣的仿真技術(shù)，還有許多技術(shù)尚待研究和攻關(guān)。