梯级开发河流洪水演进调度研究进展

王孝三，胡建永

(华北水利水电大学 电力学院,河南 郑州 450045；2.浙江水利水电学院 水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 310018)

洪水灾害是当前人类面临的最主要自然灾害之一，每年洪水灾害都对全球造成了巨大损失。我国是世界上洪水灾害频繁发生且影响范围较广的国家之一，据应急管理部、国家减灾委发布的2018年全国自然灾害基本情况，洪涝灾害共造成全国3 526.2万人次受灾，直接经济损失1 060.5亿元。另外，中国大部分河流经过几十年的开发，均形成了梯级开发的格局。就河流梯级水库群防洪调度而言，一般以河流上游水库下泄流量是下游水库入库流量的组成部分作为上下游之间的水力联系，上下游各水库形成梯级关系，并在梯级水库群中发挥各自作用。利用梯级水库之间的水力联系进行洪水调度，是梯级开发河流防洪的重要手段。洪水演进分析是洪水调度的重要基础，通过开展洪水演进数值模拟，可实现对洪水演进过程的实时模拟，获得洪水流速、流量、淹没面积、水深等信息，可为制定洪水调度方案提供精确的数据支撑，指导水电站开展实时防洪优化调度。本文针对了洪水演进分析中的模拟计算方法、数字高程模型、糙率的确定等关键技术问题进行了综述。

1 洪水演进模拟计算方法

梯级开发河流的洪水演进属明渠非恒定流运动范畴，其计算理论可以追溯到19世纪。1871年，SAINT-VENANT通过水槽试验建立了明渠非恒定流偏微分方程组，奠定了洪水演进计算的理论基础[1-3]。此后，许多学者基于该方程组开展了大量的研究，并根据最新研究成果提出了相应的改进方法。如著名的马斯京根法利用水量平衡方程以及槽蓄方程简化了圣维南方程，该方程组为对流扩散方程且具有二阶精度差分格式，由整河段演算发展到了分河段连续演算[4]。此外，KOLHERMAX在研究不稳定流及单位洪水计算后提出特征河长法，该方法可以用于处理不稳定流的水位—流量关系[5]。过去几十年，我国在洪水演进理论方面的研究也卓有成效。赵人俊[6]在1979年分析了马斯京根法积分解导致负效应的原因，指出了积分解与差分解的优缺点，并推荐使用差分解解决实际问题。之后，钱学伟和罗伯昆[7]使用连续验算解析法对瞬时单位线和流量—时间曲线进行了推导，并讨论了迟滞瞬时单位线和马斯京根法瞬时单位线的内在联系。

随着计算机数值模拟技术的发展，对洪水演进的数值模拟技术的研究也取得了一系列成果，并研发出了相应的计算软件，如美国陆军工程兵团的HEC-RAS系列软件[8]，丹麦水利研究所的MIKE系列软件[9]，荷兰Delft大学的Delft3D软件等[10]。JANG等利用HEC-RAS建立了洪水演进的一维数值模型，并结合径流模型、溃坝模型模拟了溃堤洪水河道和泛洪区的演进过程，成功预测了大坝的溃决时间[11]。TIMBADIYA等[12]以Tapi河为研究对象，结合实测数据，利用HEC-RAS建立水动力模型，并选取三个典型洪水年洪峰流量过程进行了洪水演进数值模拟，模拟预测的洪峰特征值与实测结果十分接近。贺娟等[13]利用ArcGIS中的拓展模块HEC[13]GeoRAS作为前处理软件，建立了溃坝洪水模型并导入到HEC[13]RAS中进行洪水演进数值模拟，成功计算出研究区域洪水淹没范围和流速分布。张黎明等[14]基于MIKE11软件平台建立了厄瓜多尔Guayas流域的河网洪水一维数值模型，通过使用堰闸过流公式代替圣维南方程、合理概化河网、优化河道断面布置等措施，有效地避免了求解过程中因数值震荡导致不收敛的问题。姚斯洋构建了基于干、支流不同水位组合方案下洪水淹没情景的MikeFlood耦合水动力模型，该模型通过对MIKE11一维模型和MIKE21二维模型进行动态耦合，充分发挥了MIKE11和MIKE21各自的优点，提高了模拟精度[15]。LIUQIANG等[16]通过计算河道流量，并将其作为蓄滞洪区的边界条件建立了一、二维耦合模型，同时提出了一种连接河道与蓄滞洪区一、二维耦合水动力模型的方法。SERGIY利用一、二维耦合模型实现了德国Elbe河中段河道溃堤洪水演进计算，并对河道下游居民区和农作物的洪灾损失做出评估[17]。

此外，不少学者还将基于GIS的三维可视化技术应用到洪水演进的过程中，实现了洪水演进的实时化、动态化和三维化[18]。董文锋等[19]利用OpenGL和GIS技术，建立了流域地形三维仿真系统，用三维网格逼近的方法生成真实的三维地形，实现了洪水淹没、推进的动态模拟仿真可视化。冶运涛等[20]提出了基于断面的河道边界搜索算法，开发了三维场景中手动和自动漫游方式、实时信息查询以及淹没过程分析模块，研制的系统可实时查询河道内任意点水位和河底高程、不同流量级下淹没范围的动态显示等信息。

2 数字高程模型(DEM)

数字高程模型(DEM)以一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实际地形特征的空间分布模型，是数字地形模型(DTM)的一个分支。在洪水演进计算中,DEM数据是地形建模的基础，其精度对洪水演进计算结果的准确性有直接影响。在实际应用过程中，应用要求不同，DEM表达方式也有所不同，主要有等高线模型、不规则网格模型和规则三角网模型等三种方式。丁志雄等在遥感与GIS的基础上，对比分析了由DEM生成的三角形格网模型和任意多边形格网模型对洪水淹没进行演进计算结果的差异，结果表明，DEM生成的三角形格网模型适用于精度要求不高的分析，而多边形格网模型则适用于较高要求的分析[21]。目前，随着测量领域的技术发展，利用无人机、无人船等先进的测量手段获取灾害研究所需影像资料等数据的途径逐步得到实际应用。在洪水研究领域，可以充分发挥无人机分辨率高、不受地形影响、机动灵活的优势，快速获取研究区域地形、植被类型、高精度DEM数据等资料。刘昌军等在无人机航空摄影测量技术的基础上，开发了无人机数据处理软件UAVPhotoPro,对航片进行数据拼接和点云数据处理，建立三维测量地形[22]。魏永强等提出了基于无人机航测技术的洪水演进三维可视化仿真研究，利用无人机航空摄影测量技术，获取洪水易发地区的影像资料，通过软件对影像资料加以分析，制作精细的三维模型，建立了三维洪水过程实时推演系统，实现了洪水演进的三维可视化[23]。

3 糙率率定方法

在开展河道洪水演进数值模拟时，糙率的率定对模拟结果的准确度也具有重要影响[24]。糙率是反映水流阻力影响的一个综合性无量纲参数。从水力学的角度出发，河道糙率指的是河床、岸壁的粗糙程度对于水流产生的阻力大小，存在一个恒定的阻力系数，即糙率，通常用n表示[25]。糙率的大小受诸多因素的影响。糙率会因河床的粗糙程度、水深、河道断面形状、水流流态等的不同而不同，并呈现出空间上的差异性和随水位、流量变化的动态性，因此很难定量描述糙率的动态变化规律。目前，关于河道糙率的率定方法主要有传统的查表法、糙率曲线法、糙率公式法和糙率反演法等，这些方法都属于半经验性方法，计算结果往往与实测资料存在很大偏差。近些年来，很多学者在糙率理论严谨性和计算通用性方面进行研究探索，董文军等根据参数辨识对糙率的计算方法进行推导，建立了糙率计算模型，得出一种具有普遍适用性的糙率计算方法[26]。吴乔枫等在研究河道糙率时，着重探究了水生植被分布和河道断面淹没特点对糙率的影响通过建立水动力模型，对比分析了水位流量实测值与不同糙率下的模拟值，结果表明在同一断面水位与糙率成反比关系，并得出糙率与水位关系曲线[27]。吴广昊等在河道糙率反演中引入模拟退火算法，以计算值与实测值差值最小为优化目标，克服了传统优化算法依赖初始糙率选取、易限于局部最优从而导致解不唯一的缺点，并开展了黄河干流某段实际算例研究，验证了该算法不依赖初始值的选取和良好的全局优化性能[28]。

4 洪水调度理论方法

梯级开发河流联合防洪调度是根据上下游水库群之间具有水力联系、水文联系、水利联系的水库以及相关工程设施进行统一协调调度，共同承担河流防洪任务，从而达到联合运用的最佳效果[29-31]。洪水演进数值模拟是制定防洪优化调度方案的重要基础，为其提供科学依据和数据支撑。许增培等在一维洪水演进计算的基础上，以防洪提防处实际过流能力为限制条件，提出分别采用正、逆两向分析水库群联合调度方法，并指出逆向分析方法更具有可靠性、可操作性[32]。贺同坤等针对泄洪时上游水库对下游水库的影响，以库群系统安全为目标，结合MIKE11模型模拟洪水演进过程。通过对比极端洪水情况下洪水最高水面线和坝顶高程，以此评估大坝防洪能力[33]。马娇娇通过MIKE系列软件建立一、二维耦合水动力模型，研究了行洪区闸门在不同洪水情况下的启闭规律，在此基础上提出了防洪调度方案[34]。此外，梯级开发河流联合防洪调度是一个高维、动态、非线性的多目标优化问题，其研究方法主要有传统的线性与非线性规划法、动态规划法等，随着智能算法的逐步发展，用于解决梯级防洪调度的优化算法也越来越丰富[35]。如张宇航等进行了基于改进粒子群算法的梯级水电站长期优化调度研究，以梯级电站年发电量最大为目标函数，在建立模型中使用外点惩罚函数的方法将有约束的问题转化为无约束的问题，研究结果表明，梯级电站增加发电量的同时，发电效率也有所提高[36]。申建建等介绍了一种基于模拟退火的粒子群算法，建立了以发电量最大为目标函数的优化调度数学模型，以普定水电站为例，证明了该算法的优越性[37]。和吉等以最大削峰为目标，基于差分进化(DE)算法建立多约束条件的水库防洪优化调度模型。同时，对比分析了粒子群算法、动态规划法等常规优化算法与该算法之间的差异，算例结果表明差分进化算法在防洪优化调度方面优于粒子群算法和动态规划法[38]。

5 结 语

本文针对梯级开发河流洪水调度相关关键问题进行了综述，综述了洪水演进计算研究进展和影响洪水演进计算结果的关键因素：(1)国内外基于河道洪水和溃坝洪水演进的一、二维及其耦合模型的数值模拟分析理论和方法已十分成熟，而对于三维数值模拟应用研究则较少。在进行洪水演进数值模拟时，地形建模大都采用全球定位系统(GPS)和遥感(RS)技术来获取相关地形资料，图像分辨率不高导致模型精度较差，从而影响到数值模拟的计算结果。因此，这种数据获取方式不适用于洪涝灾害历时短、计算精度要求高的模型。利用雷达、三维激光、无人机倾斜摄影、无人船水下地形测量等先进测量技术获取高精度三维地形数据是未来的发展趋势。(2)现有的水电站梯级防洪优化调度方法主要基于时段加权方法确定最小下泄洪峰流量和最短成灾历时，不能实时响应水情的动态变化，难以指导水电站群开展实时防洪优化调度，不利于发挥梯级水电站群削峰错峰的工程效果。同时，防洪优化调度效果还受洪水演进模拟精度的限制，基于高精度洪水演进数值模拟开展梯级开发河流洪水精细化实时优化调度值得进一步深入研究。