小流域坝系数字仿真模拟系统设计技术初探

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一、问题的提出

　　小流域坝系是黄土高原沟道治理的基本单元，是由骨干坝、淤地坝、小水库等沟道工程组合形成的洪水防御体系和生产体系。坝系的形成、发展和运行是一个复杂的动态系统过程，经历坝系的建设、形成直至达到相对稳定等阶段，与流域的植被覆盖度、土地利用、暴雨洪水、水土流失程度和人类活动密切相关，坝系的建设也受到政策和投资的控制，影响因素多，关系复杂且相互制约。目前人们对这一过程的了解还仅仅限于数字计算，对内部的演变规律和各种因素的影响程度不得而知，对坝系的形成与发展过程缺乏形象直观的描述，不能适应现阶段的生产与科研的要求。

　　计算机仿真模拟技术是一种高科技手段，它以计算机为工具，将人们根据自己的理解而建立的数学模型，借助于计算机求解的过程，预测未来运行结果。也可以通过调整模型的参数，比较结果而达到优化设计的目的。小流域坝系形成发展过程的仿真模拟，就是将坝系工程中的骨干坝作为主要研究对象，建立起集信息采集、数据处理、动态过程模拟和优化设计为一体的综合系统，以计算机软件系统为支撑，以专家系统为技术支持，对坝系工程的建设、淤积、效益等动态演变过程进行预测模拟，并采用三维直观的方式通过计算机表现出来。在模拟运行的过程中，通过对主要参数指标的不断调整与修正，获得坝系工程的建设密度、布局、规模、效益等一系列规划技术经济指标，达到优化设计的目的。

　　二、系统设计构思

　　1.问题定义

　　小流域坝系的形成发展过程，主要涉及工程建设、防洪安全和坝地生产等几个关键控制因素，在运行中主要反映在两个时间系列上：长期运行模拟与次暴雨运行模拟。

　　（1）小流域坝系长期运行仿真模拟

　　坝系中的有些因素是无法控制或较难控制的，如流域的地形和地质条件、流域植被覆盖度、侵蚀强度等；有些是可以控制的，如坝系工程的布局、建设规模、结构和建设时序等。当坝系建设实施后，受洪水泥沙的作用，库容将随着淤积而逐年减少，坝地面积逐年增加，当达到一定的条件后可投入生产发挥效益。而伴随着这一过程，坝系工程的防洪能力也将逐年降低。同时坝系工程的淤积过程还受到其在流域内所处的位置、枢纽结构以及流域坡面治理等因素的影响，坝系的长期运行仿真即是模拟这一过程，并通过模拟过程中对可控制因素参数的调整，达到优化设计的目的。

　　（2）小流域坝系次暴雨洪水运行仿真模拟

　　黄土高原水文泥沙的主要特征是洪水历时短、强度大、洪量小、含沙量大。洪水是造成坝系工程水毁破坏的主要原因。预测坝系工程在运行过程中某一时段的状态，了解其抵御洪水的能力及一旦发生水毁可能造成的破坏以及范围，建立防洪预警，对初期坝系建设方案的规划或运行过程中坝系配套改建方案的设计，为坝系工程的加固与改建提供决策依据，具有十分重要的作用。

　　次暴雨洪水运行仿真是长期运行仿真模拟序列中某一个时段的进一步细化模拟。在长期仿真的过程中，可实时选择典型时段进行次暴雨仿真，以消除一些不利因素，使规划结果更加合理，同时可适当简化系统的复杂程度。

　　2.系统设计

　　（1）模块设计

　　仿真模拟系统主要包括以下几个计算模块：

　　①坝系工程布局位置识别模块。采用数学的方式将坝系工程之间存在的相互位置关系和水沙传递规律表现出来。

　　②洪水与泥沙计算模块。建立小流域内不同频率洪峰模数、洪量模数、洪水过程关系曲线和侵蚀量计算数学模块。

　　③淤积过程推算模块。根据各坝之间的水沙传递规律，建立各单坝淤积库容、坝地面积逐年增加量计算数学模型。

　　④坝系防洪能力计算模块。坝系工程的防洪能力随着时间的推移而逐年降低，是一个逐渐衰减的过程，与工程在坝系中的作用、所处位置以及自身的结构等密切相关。防洪能力计算应充分考虑以上各种因素，适度考虑坡面治理措施的改变对侵蚀模数和洪水的影响，分别建立没有溢洪道和设置有溢洪道两种坝系运行方式的数学模型，还应建立工程水毁对下游工程乃至整个坝系所造成危害程度与影响范围计算模型。

　　（2）系统设计

　　坝系运行动态仿真模拟系统是一个集数据存储、分析计算、仿真演示和优化规划为一体的综合系统，通过专家系统将它们连接在一起。需要特别指出的是，小流域数字地图将是系统工作的基础平台，拟采用“3S”技术获取与处理。

　　①数据存储。采用数据库的方式，将大量的坝系工程基础数据（包括数值、图形等）进行存储，以便于在计算与演示过程中的调用与交换。

　　②分析计算。分析计算是系统的核心部分，主要解决坝系有关工程位置识别、洪水泥沙计算、淤积过程推算和防洪能力计算等。

　　③仿真演示。仿真演示是系统的另一个重要内容，其功能主要是将分析计算的结果在计算机上采用三维模拟的方式表现出来，达到直观、美观、实用的效果。此部分内容也是系统研究与开发的难点所在。

　　④优化规划。计算机的仿真模拟可以多次重复进行，有关参数（如工程的数量、位置、规模、建设时序等）可以在模拟的过程中，通过专家系统对有关技术指标的分析研究，不断地进行调整，经过多次反复比较，达到优化的目的。

　　现阶段采用计算机进行数字模拟技术，多是一种简单的模仿。本文提出将“3S”技术应用作为系统的基础，建立以治沟骨干工程为主体的坝系数字仿真模拟设计构思，对了解和掌握小流域坝系的运行规律，实现坝系数字化，具有十分重要的意义。但该设计方案在计算机上如何实现，应采用什么样的仿真技术，还有许多技术尚待研究和攻关。