梯级橡胶坝群汛期防洪调度优化方法

刘 阳

(新疆建通工程管理有限责任公司，乌鲁木齐 830000)

0 引 言

洪水是一种由暴雨、急骤融雪、风暴潮等自然原因造成的河流、湖泊的水量急剧上升或水位急剧上升，是一种重大自然灾害。我国是一个经常发生洪水的国家，洪水每年都会给当地居民带来巨大的财产和生命损失。汛期是一年中由于季节性降雨、融冰、雪等原因造成的河流水位周期性地大幅上升，而流域内降雨或融冰融雪都会导致河流水位明显上升[1]。为了降低洪水灾害对人民生命、财产安全带来的危害，有必要对区域内的水资源进行调度，该调度过程即为防洪调度。防洪调度就是利用防洪工程或水上建筑物等设施，对洪水进行实时的规划，以实现最大的防洪效益。

橡胶坝是由高强度合成纤维织物作为承压结构，经内外橡胶涂敷处理后制成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，以密封的方式将坝体填满。橡胶坝是一种具有投资省、效益显著的新型水利工程。橡胶坝顶部具有溢流功能，可按需调整坝高，发挥防洪、挡潮的作用。梯级橡胶坝群在汛期到来之前，使其合理垮塌，对整个工程及下游河道的安全具有十分重要的作用。而橡胶坝群的综合调度优化研究，也可以从某种程度上，拓展到传统的水利工程综合调度问题。

为了发挥梯级橡胶坝群在汛期防洪工作中的最大价值，以梯级橡胶坝群为控制与调度目标，优化设计梯级橡胶坝群汛期防洪调度方法，以期能够降低汛期洪水灾害带来的风险程度，从而达到良好的防洪效果。

1 汛期防洪调度方法优化设计

梯级橡胶坝群的防洪调度必要遵循一系列原则。第一，要避免与天然洪峰相叠。也就是说梯级橡胶坝群的塌坝调度应在洪水来临前进行，崩坝下泄所产生的水流过程应尽量偏离天然洪峰的主要部位，以防止人为增加天然洪峰的洪峰[2]。第二，遵循“峰小量大”原则。就是在溃坝泄洪时，要尽可能地减少下游河道的冲刷，以减少泄洪时的水流过程，使水流变成一个陡峭的水流过程，从而达到一个平稳的流速。第三，限蓄原则。为保证水库的安全，橡胶坝群中的各橡胶坝在汛期都会采用比平时更低的防洪标准，这样可以减少洪水发生时的蓄水量，从而减少防洪的危险。在上述调度原则的约束下，结合梯级橡胶坝群及其周边水域环境的特征，制定汛期防洪调度方案。

1.1 确定梯级橡胶坝群组合形式

橡胶坝主要由土建部分、坝袋及锚固件、充排水设施及控制系统等部分组成，梯级橡胶坝群的基本组合形式见图1。

图1 梯级橡胶坝群组合形式示意图

梯级橡胶坝群在实际建设过程中，需要根据实际的水流运动进行调整，并确定梯级橡胶坝群的分布数据。采用圣维南方程组的形式，构建梯级橡胶坝群建设区域内的水流连续方程和水流运动方程，公式如下：

(1)

式中：S、Hsection分别为过水断面面积、水位；W、ψ分别为断面和侧向入流的流量；L为水流里程；κcorrect、κChezy为动量修正系数和谢才系数；r为水力半径；g为重力加速度，取值为常数[3]。

在式(1)表示的水域环境下，充分考虑坝袋内压水头、坝上游和下游水深的情况下，确定梯级橡胶坝群中单个橡胶坝的相对坝高。最终将单个橡胶坝按照梯级结构进行组装，完成梯级橡胶坝群组合形式的分析，并确定各橡胶坝之间的位置关系。

1.2 估算梯级橡胶坝群汛期水量

梯级橡胶坝群汛期水量的估算结果是启动防洪调度的重要条件，收集研究区域的历史降水信息，确定该地区的汛期起始时间和持续时长，在该时段内假设区域降水分布满足Copula函数，则区域内的实际降水量可以表示为：

(2)

式中：f(x,y)为联合概率密度函数；λ(u,v)、ρX(x)、ρY(y)分别为Copula概率密度函数、X和Y方向上的边缘概率密度函数；Sregion为降水区域面积；Δτ为连续降水时长[4]。

式(2)的计算结果Q即为单位时间内的总降水量，总降水量与该地区流域所有蓄水量的总和即为梯级橡胶坝群环境在汛期内的总水量，标记为Qall。在防洪调度过程中，判断Qall与设置蓄水限值之间的大小关系。若Qall高于蓄水限值，则需立即启动防洪调度程序，制定具体的防洪调度方案；否则，无需执行调度程序进入下一节点的判定循环。

1.3 计算单个橡胶坝汛期泄洪能力

根据大坝的过洪状况，梯级橡胶坝的联合塌坝模式可以分为两种，即完全塌坝和半坝溢洪。完全塌坝泄洪就是在洪水到来前将橡胶坝塌平，可以最大限度地保护城市的安全，不会因为洪水的堆积而给城区带来洪灾。而且在制定具体塌坝方案时，只需要保证不超出下游的过水能力即可[5]。而半坝溢洪则是将堤坝高度降到最低，但未达到完全塌坝，即当橡胶坝在使用的时候，坝顶会有一个足够的溢流深度，在洪水到来之后，考虑是否需要进一步的塌坝，这样做的好处是可以极大地保存城市的水资源，避免了城市补水困难的被动局面。根据梯级橡胶坝的不同塌坝形式，按照水利计算方法确定单个橡胶坝汛期泄洪能力，具体的计算原理见图2。

图2 单个橡胶坝泄洪能力计算原理图

单个橡胶坝泄洪能力的计算结果可以量化为：

(3)

式中：κshrink、κflood、κflow分别为侧收缩、淹没和流量系数；u0为堰顶水头；β为过流断面的宽度。

其中，部分变量的计算公式如下：

(4)

式中：hdam、hupper、hwithin、hlower、hb分别为橡胶坝的橡胶坝高度、上游水深、坝袋内压水头、下游水深和橡胶坝塌落坝高；υt为t时刻的水流速度；b为坝宽，Hweir为堰上水头。

将式(4)的计算结果代入式(3)中，得出单个橡胶坝泄洪能力的计算结果[6]。然而在实际的防洪调度过程中，橡胶坝的泄洪能力会随时间的变化逐渐减小，具体变化规律见图3。

图3 橡胶坝泄洪能力-时间关系曲线

在防洪方案的执行过程中，需要考虑橡胶坝泄洪能力的变化，保证橡胶坝的防洪效果能够达到预期效果。

1.4 优化求解梯级橡胶坝群塌坝泄洪调度量

根据单一橡胶坝的塌坝泄流能力，将所有的橡胶坝联合看作一个整体，并在同一时间内对整个橡胶坝的溃坝和泄洪过程进行了计算。对于梯级橡胶坝而言，在调度运行中，为了确保两侧的安全，避免发生洪水的重叠，通常采取逆序垮坝，也就是由下游橡胶坝逆序垮坝泄流的方法。在此期间，只有当橡胶坝的泄流达到下一个橡胶坝时，下游橡胶坝的泄洪流量才会被排除，即在上一个橡胶坝的泄流达到下一个橡胶坝之前，它就会彻底坍塌，并排出它的蓄水量。上级橡胶坝的泄洪会增加下游大坝的流量，但由于两个橡胶大坝之间的间隔比较远，因此上游大坝的水位到达下一个大坝也需要一定的时间，不能将上游大坝的流量和下游大坝的流量叠加起来[7]。采用水量均衡方法，计算相邻两级橡胶坝之间的崩坝和泄洪过程，下一级橡胶坝的蓄水能力变化与下一级坝的排水量之差相当。每隔一段时间，上一道橡胶坝就会进行塌坝泄流，依次逐级塌坝泄流，直到梯级橡胶坝群中所有的橡胶坝完全塌坝。

结合上述理论，根据梯级橡胶坝群汛期水量的估算结果，通过计算汛期水量与区域需水量总和的差值，即可确定需要调度的洪水量。在考虑橡胶坝群内梯级关系的情况下，求解需要塌坝的橡胶坝数量，计算公式如下：

(5)

式中：Cmax为区域需水量的最大值。

按照上述方式，确定汛期防洪调度中需要塌坝的橡胶坝数量。

1.5 实现梯级橡胶坝群汛期防洪优化调度

以梯级橡胶坝群汛期防洪调度时间最短为目标，梯级橡胶坝群的汛期防洪调度主要就是控制弧形闸门的开合状态。在实际的调度过程中，选择Ndam数量的橡胶坝作为控制对象，将其闸门调整至开启状态，促使该橡胶坝发生塌坝；否则，控制闸门始终处于闭合状态。在防洪调度期间，为确保河段的安全，各级橡胶坝的水库容量不得超过本级的最大限值，所有级别橡胶坝的最大水位不得高于本级的最高限值，各级橡胶坝的最大泄流量不得超过河道的泄洪能力，同时排空库容的总时间不得小于限制总时间[8]。在库容、水位、时间和流量4个方面的约束条件作用下，完成梯级橡胶坝群汛期防洪优化调度。

2 实测分析

以测试优化设计的梯级橡胶坝群汛期防洪调度方法为目的，以某建设梯级橡胶坝群的流域作为研究对象，采用对比实验的方式设计实测分析实验，选择优化前的汛期防洪调度方法作为实验的对比方法。通过调度方法的运行，测试该区域内汛期的防洪效果，从而体现出优化设计方法的性能优势。

2.1 梯级橡胶坝群工程概况

此次实验选择黄河的某支流作为研究对象，该支流全长304 km，该支流可以分为上游、中游和下游3个部分，整个区域的总落差能达到324 m。梯级橡胶坝群建设在河流的中游位置上，梯级橡胶坝群的布置情况见图4。

图4 梯级橡胶坝群布置图

研究流域中，布设的梯级橡胶坝设计蓄水水面长分别为1.25、2.11、2.46、3.65、2.11和2.46 m，橡胶坝段总长为556.0 m，坝袋高6.0 m。非连续相邻橡胶坝间距为2.5 m，橡胶坝塌坝的泄水延续时间为2 500 s，橡胶坝塌落速度为3.25×104m/s，溢流断面平均宽度和河道宽度分别为480.0和510.0 m，坝上蓄水库容初始值控制为169 m3。

2.2 准备汛期洪水数据

研究地区的降雨主要集中在汛期，主要发生在6-8月份，主要雨季为7月中下旬至8月上旬。研究区内的洪水由暴雨形成，其水流特征与降雨性质、流域地貌特点密切相关，由于地表和河道的坡度较陡，洪峰较高。洪涝过程多为多峰，但也有少数是单峰的，每次洪水持续时间通常为3～7 d。统计当地历史汛期的降水数据，得出汛期洪水数据的初始准备情况，见图5。

图5 汛期降水量曲线

受到全球气候环境的影响，每年汛期的降水量会存在细微差别，但总体走势基本相同。

2.3 描述实测实验过程

设置橡胶坝的河道安全流量660 m3/s，下游安全水位为140 m。将准备的汛期降水数据直接代入梯级橡胶坝群汛期防洪调度方法中，判断当前是否需要执行调度程序并执行调度方案，并确定调度方案的执行时间。在对应时间通过弧形闸门状态的控制，驱动梯级橡胶坝群塌坝，实现汛期防洪调度任务。图6为防洪调度方案的执行情况。

图6 梯级橡胶坝群汛期防洪优化调度方案展示

按照上述方式，可以得出传统梯级橡胶坝群汛期防洪调度方法的执行结果。

2.4 设置汛期防洪调度效果测试指标

为了实现对梯级橡胶坝群汛期防洪调度优化方法防洪调度性能的量化测试，设置水位超限量和水流量超限量两个指标作为实验的量化测试指标，上述指标的数值结果可以表示为：

(6)

式中：σactual、σ0分别为下游实际水位和安全水位；γactual、γ0分别为实际水流量及下游河道水流量的安全值。

最终计算得出超限量的值越小，说明对应梯级橡胶坝群汛期防洪调度方法的防洪调度效果越优。

2.5 实测结果分析

在整个汛期利用传感器设备对研究区域内的水位数据和水流量数据进行统计，得出反映汛期防洪调度方法防洪调度性能的测试结果，见图7。

图7 梯级橡胶坝群汛期防洪调度性能对比结果

从图7(a)中可以看出，在汛期防洪调度优化方法作用下，下游水位在第1.5天已出现下降趋势，水位的最大值为137 m。而应用传统的汛期防洪调度方法，下游水位在前3.5天均处于上升趋势，水位最大值达到148 m。

图7(b)中的数据结果显示，两种汛期防洪调度方法分别在第1.5天和第3.5天出现洪峰流量，洪峰流量值分别为652和714 m3/s。

将图7中的数据代入式(6)中，计算得出传统防洪调度方法的水位超限量和水流量超限量分别为8 m和54 m3/s，而防洪调度优化方法的水位和水流量超限量分别为-3 m和-8 m3/s。由此证明，优化设计的梯级橡胶坝群汛期防洪调度优化方法具有更好的防洪调度效果。

3 结 语

针对不同类型橡胶坝的不同特点，结合不同类型的橡胶坝，提出了一种基于梯级橡胶坝的联合优化调度方案。通过梯级橡胶坝群坍塌，可以有效地调度洪水资源。通过实例计算，从实证分析结果中可以看出，采用最优的洪水调度方法，不仅可以确保防洪的安全性，而且可以为区域水资源的调度方案优选提供参考，其结果将有助于水库的实时调度和综合效益的提高。

然而此次实证分析选择的研究区域缺乏一定的代表性，选择的汛期降水数据也存在一定误差，最终导致得出的结果存在局限性。针对这一问题，还需要在今后的研究工作中进一步补充，得出更多的实证分析数据，从而验证梯级橡胶坝群汛期防洪调度优化方法的可行性。