2008-05-26 10:52 【大 中 小】【打印】【我要糾錯(cuò)】
一、問(wèn)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(kù)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(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)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(guò)程,預(yù)測(cè)未來(lái)運(yùn)行結(jié)果。也可以通過(guò)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(guò)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(guò)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(zhuān)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(guò)程進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬,并采用三維直觀的方式通過(guò)計(jì)算機(jī)表現(xiàn)出來(lái)。在模擬運(yùn)行的過(guò)程中,通過(guò)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(wèn)題定義
小流域壩系的形成發(fā)展過(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行模擬與次暴雨運(yùn)行模擬。
。1)小流域壩系長(zhǎng)期運(yùn)行仿真模擬
壩系中的有些因素是無(wú)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(kù)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(guò)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(guò)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(zhǎng)期運(yùn)行仿真即是模擬這一過(guò)程,并通過(guò)模擬過(guò)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。
。2)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(guò)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(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)期仿真的過(guò)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(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
。1)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:
、賶蜗倒こ滩季治恢米R(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(lái)。
②洪水與泥沙計(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(guò)程關(guān)系曲線和侵蝕量計(jì)算數(shù)學(xué)模塊。
③淤積過(guò)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(kù)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(guò)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(méi)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(guò)專(zhuān)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。
①數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。采用數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)程中的調(diào)用與交換。
、诜治鲇(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(guò)程推算和防洪能力計(jì)算等。
③仿真演示。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(lái),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(kāi)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(guò)程中,通過(guò)專(zhuān)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(guò)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(jiǎn)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)。
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