小流域壩系數(shù)字仿真模擬系統(tǒng)設(shè)計技術(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)展和運行是一個復雜的動態(tài)系統(tǒng)過程，經(jīng)歷壩系的建設(shè)、形成直至達到相對穩(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)系復雜且相互制約。目前人們對這一過程的了解還僅僅限于數(shù)字計算，對內(nèi)部的演變規(guī)律和各種因素的影響程度不得而知，對壩系的形成與發(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。

　　計算機仿真模擬技術(shù)是一種高科技手段，它以計算機為工具，將人們根據(jù)自己的理解而建立的數(shù)學模型，借助于計算機求解的過程，預測未來運行結(jié)果。也可以通過調(diào)整模型的參數(shù)，比較結(jié)果而達到優(yōu)化設(shè)計的目的。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象，建立起集信息采集、數(shù)據(jù)處理、動態(tài)過程模擬和優(yōu)化設(shè)計為一體的綜合系統(tǒng)，以計算機軟件系統(tǒng)為支撐，以專家系統(tǒng)為技術(shù)支持，對壩系工程的建設(shè)、淤積、效益等動態(tài)演變過程進行預測模擬，并采用三維直觀的方式通過計算機表現(xiàn)出來。在模擬運行的過程中，通過對主要參數(shù)指標的不斷調(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)濟指標，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

　　二、系統(tǒng)設(shè)計構(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)等幾個關(guān)鍵控制因素，在運行中主要反映在兩個時間系列上：長期運行模擬與次暴雨運行模擬。

　?。?）小流域壩系長期運行仿真模擬

　　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)時序等。當壩系建設(shè)實施后，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，當達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，壩系的長期運行仿真即是模擬這一過程，并通過模擬過程中對可控制因素參數(shù)的調(diào)整，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。

　?。?）小流域壩系次暴雨洪水運行仿真模擬

　　黃土高原水文泥沙的主要特征是洪水歷時短、強度大、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。預測壩系工程在運行過程中某一時段的狀態(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，建立防洪預警，對初期壩系建設(shè)方案的規(guī)劃或運行過程中壩系配套改建方案的設(shè)計，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。

　　次暴雨洪水運行仿真是長期運行仿真模擬序列中某一個時段的進一步細化模擬。在長期仿真的過程中，可實時選擇典型時段進行次暴雨仿真，以消除一些不利因素，使規(guī)劃結(jié)果更加合理，同時可適當簡化系統(tǒng)的復雜程度。

　　2.系統(tǒng)設(shè)計

　?。?）模塊設(shè)計

　　仿真模擬系統(tǒng)主要包括以下幾個計算模塊：

　　①壩系工程布局位置識別模塊。采用數(shù)學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。

　　②洪水與泥沙計算模塊。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)系曲線和侵蝕量計算數(shù)學模塊。

　?、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算數(shù)學模型。

　　④壩系防洪能力計算模塊。壩系工程的防洪能力隨著時間的推移而逐年降低，是一個逐漸衰減的過程，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行方式的數(shù)學模型，還應(yīng)建立工程水毀對下游工程乃至整個壩系所造成危害程度與影響范圍計算模型。

　?。?）系統(tǒng)設(shè)計

　　壩系運行動態(tài)仿真模擬系統(tǒng)是一個集數(shù)據(jù)存儲、分析計算、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，擬采用“3S”技術(shù)獲取與處理。

　　①數(shù)據(jù)存儲。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）進行存儲，以便于在計算與演示過程中的調(diào)用與交換。

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

　?、鄯抡嫜菔尽７抡嫜菔臼窍到y(tǒng)的另一個重要內(nèi)容，其功能主要是將分析計算的結(jié)果在計算機上采用三維模擬的方式表現(xiàn)出來，達到直觀、美觀、實用的效果。此部分內(nèi)容也是系統(tǒng)研究與開發(fā)的難點所在。

　　④優(yōu)化規(guī)劃。計算機的仿真模擬可以多次重復進行，有關(guān)參數(shù)（如工程的數(shù)量、位置、規(guī)模、建設(shè)時序等）可以在模擬的過程中，通過專家系統(tǒng)對有關(guān)技術(shù)指標的分析研究，不斷地進行調(diào)整，經(jīng)過多次反復比較，達到優(yōu)化的目的。

　　現(xiàn)階段采用計算機進行數(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)計構(gòu)思，對了解和掌握小流域壩系的運行規(guī)律，實現(xiàn)壩系數(shù)字化，具有十分重要的意義。但該設(shè)計方案在計算機上如何實現(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)。