坝系的溃坝洪水分析系统的制作方法

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种坝系的溃坝洪水分析系统及方法。

背景技术：

地形复杂的较大流域内，沿着河道分布着用于挡水的水坝。前述的多个水坝组合形成的整体被称为坝系。

在流域内降水量较小的情况下，各个水坝的调蓄能力能应对区间流域汇流和上游水库的泄流，不会出现溃坝问题。

在流域内出现短时强降水、水坝的调蓄能力不能应对区间流域的汇流和上游水库的泄流时，水坝可能出现溃坝风险。因为溃坝产生的溃决洪水具有洪峰流量非常巨大、洪水历时较短的特性，所以溃坝产生的溃决洪水短时间内泄流至下游水库，造成下游水库的水量超库容、下游水坝溃坝；由此造成的整个坝系内水坝的连续溃坝，可能引起重大险情。以1975年8月我国河南省中部因一场特大暴雨造成的水坝连溃为例，短时间的强降水造成板桥和石漫滩两座大型水库、田岗和竹沟两座中型水库、以及58坝小型水库相继漫溢溃坝，并导致惨绝人寰的特大洪灾；此次特大洪灾造成2.6万人死亡、1100万人受灾，淹没耕地在1700万亩左右。因此，对整个坝系内水坝的连续溃坝引起的溃决洪水的进行分析及预测具有重要的现实意义。

但是，现有的溃决洪水分析系统大都仅能针对因为单个水库超库容造成的溃决过程的洪水过程线、溃口发展过程做分析，为溃决洪水分析和预警提供参考；也有一些研究者开发了能够对一条河流上串联的几座梯级水库进行连溃分析的程序。但还没有一种方法，能够解决包含大量水坝的复杂坝系中，某座水坝一旦发生溃决，是否会造成下游水坝的连续溃决进行预测，及连续溃决水坝的溃决时间、溃决洪水的洪峰流量进行分析及预测的问题。

技术实现要素：

本申请提供一种坝系的溃决洪水分析系统，以解决现有方法，不能对大型复杂坝系进行溃决洪水分析和预警的难题。

本申请提供一种坝系的溃决洪水分析系统，包括：坝系的拓扑分析模块、数据收集模块、单个水坝的分析模块、洪水演进分析模块和预测模块；

所述坝系的拓扑分析模块用于根据坝系的拓扑结构和分级规则确定坝系中水坝的分级；

所述数据收集模块用于收集坝系中水坝的信息，包括：坝体的建筑参数数据、水坝直接控制流域范围、降雨量以及水坝的库容曲线；

所述单个水坝的分析模块，用于根据入库流量、出库流量、水坝的库容，建立水坝的水位模型，所述水位模型用于实时监测水坝水位的变化；根据水坝的水位模型及坝体的建筑参数数据确定水坝的溃漫状态模型，所述溃漫状态模型用于根据所述水位模型输出的实时水位，确定水坝的溃漫状态；

所述洪水演进分析模块，用于分析洪水从低分级水坝流向高分级水坝的过程，根据低分级水坝的出流量计算其下游高分级水坝的入流量；

所述预测模块，用于根据所述洪水演进分析模块以及单个水坝的分析模块的输出，预测洪水在演进过程中，若水坝发生溃决，预测是否会造成下游水坝的溃决以及预测下游溃决水坝的溃决时间、溃决洪水的洪峰流量。

可选的，所述坝系的拓扑分析模块用于根据坝系的拓扑结构和分级规则确定坝系中水坝的分级，是指，将坝系中的水坝根据空间分布关系形成拓扑结构后，将拓扑结构中的水坝按照坝系的分级规则进行分级。

可选的，所述坝系的分级规则，具体为：获取与当前水坝直接连接的上游水坝的分级；若当前水坝上游再无水坝，则当前水坝分级为1；若与当前水坝直接连接的上游水坝的最大分级为n，则当前水坝的分级为n+1。

可选的，按照该分级规则，依次先对低等级的水坝进行分析、再对高等级的水坝进行分析，以保证对坝系中任意一座水坝分析时，其上游所有水坝的下泄水量均是已知的。

可选的，所述坝系的分级规则还包括：

将河网分解为若干河段来进行分级描述，源头的河网作为1级坝区间流域的一部分，其余河段的起点、终点均为水坝，河段的编号和分级等同于其起点水坝的分级；

可选的，还包括：当坝系中的拓扑结构或水坝数量发生变化时，坝系的拓扑分析模块根据坝系的分级规则重新对坝系拓扑结构中的水坝进行分级。

可选的，所述数据收集模块，用于获取坝系中水坝坝体的建筑参数数据，具体的建筑参数包括：坝高、坝轴线长、坝料的抗冲性能参数、泄水建筑物性能参数。

可选的，所述水坝的库容曲线，是指水坝的水位与库容的关系曲线。

可选的，水坝的库容的变化通过相同时段水坝的入库流量与出库流量的差值获得。

可选的，所述入库流量，包括水坝控制区间流域范围内的产汇流和上游水坝的泄流产生的流量。

可选的，所述水坝流域范围内的产汇流，是指，水坝直接控制流域范围内降雨扣除损失后产生的净雨流入水库的流量。

可选的，所述水坝的水位模型，通过如下方式获得：

一段时间内水坝的库容变化等于所述入库流量之和减去出库流量之和；其中，水位变化根据库容变化从所述的库容曲线查询得到。

可选的，所述根据水坝的水位模型及坝体的建筑参数确定水坝的溃漫状态模型，包括：若水坝的水位超过坝顶高度时，出现漫坝；根据坝体的建筑参数及漫溢流速，在水坝出现漫坝时，确定水坝是保持持续漫坝或是发生溃坝。

可选的，所述根据坝体的建筑参数及漫溢流速，在水坝出现漫坝时，确定水坝是保持持续漫坝或是出现溃坝，具体包括，

在水坝出现漫坝时，若水坝的建筑参数及漫溢流速，未超出水坝对漫溢洪水的承受能力，则水坝保持持续漫坝；在水坝出现漫坝时，若水坝的建筑参数及漫溢流速，超出水坝对漫溢洪水的承受能力，则发生溃坝，产生溃决洪水。

可选的，所述预测模块，具体用于按照分级从低到高的顺序，依次对逐个水坝和河段进行分析，根据每座水坝的水位变化过程，预测其是否会在某一时刻发生漫溢或溃决，如果发生，则给出漫溢或溃决的时刻，并进行溃坝计算。

可选的，所述预测模块，还用于在坝系中如有水坝溃决，则将溃决洪水过程纳入下游水库的入流，从而实现对整个坝系的连溃分析。

可选的，所述坝系中，若某一水坝发生溃决，则获取该水坝发生溃决的时刻。

可选的，所述预测模块，还用于若预测发生某一水坝的溃决，则进一步获取该水坝的溃坝洪水的流量变化过程、库水位变化和溃口尺寸变化过程，根据溃坝洪水的流量变化过程确定溃坝洪峰流量和洪峰出现的时刻。

此外，本申请还提供一种坝系溃决洪水的分析方法，适用于所述坝系溃决洪水分析系统，所述坝系溃决洪水分析系统，包括：数据收集模块、坝系的拓扑分析模块、单个水坝的分析模块、洪水演进分析模块、预测模块，其特征在于，包括：

根据坝系的拓扑结构和分级规则确定坝系中每座水坝的分级；

根据数据收集模块收集的坝系中水坝的信息，获取水坝的库容曲线模型参数、坝体几何参数、常态下泄流的计算参数、溃坝计算参数、每座水坝控制的区间流域面积及区间流域面积的产流计算参数等；

根据水坝的入库流量、出库流量、库容，建立水坝的水位模型，根据水坝的水位模型及坝体的建筑参数确定水坝的溃漫状态模型；所述溃漫状态模型用于根据所述水位模型输出的实时水位，确定水坝的溃漫状态；

如水库没有溃漫，根据预先设置的常态泄流量计算模型，进行常态下的出流计算；如果水库漫坝，根据预先设置的漫坝\溃坝计算模型，进行漫顶或溃口的出流计算；

根据预先建立的洪水演进模型，预测上游水坝泄水引起下游水坝的入库流量，坝系中任意一座水坝的入库流量，等于其控制的区间流域面积的产流量，叠加上其所有其上游直接相连的坝的下泄流量引起的本座水坝的入库流量。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：本发明能够针对坝系的溃决洪水进行分析，根据坝系的拓扑结构和分级规则确定坝系中每座水坝的分级；根据分级顺序，依次先对低等级的水坝进行分析，再对高等级的水坝进行分析，获取低等级水坝的出流过程，作为计算高等级水坝入库流量的依据；根据预先建立的溃漫状态模型，确定水坝的溃漫状态；在水坝发生未发生漫溢或溃决时，进行常态的泄流计算；发生漫溢或溃决时，根据预先建立的漫顶或溃坝分析模型，获取漫顶及溃口洪水流量过程、库水位变化过程及溃口扩展过程等。

上述分析系统，可以对坝系中任意一座水坝是否发生漫顶或溃决进行判断，并可获取任一座水坝(无论是否漫溢或溃决)的库水位、出流量变化过程，对溃决的水坝可给出开始溃坝时刻、溃坝洪峰流量和洪峰出现时刻等应急响应所必须的参数。

附图说明

图1是本申请提供的坝系的溃决洪水分析系统的组成示意图；

图2是本申请提供的黄土高原上某个淤地坝坝系示意图；

图3是本申请提供的算例坝系中水坝的分布和编号图；

图4是本申请提供的算例计算得到的水坝溃决过程图；

图5是本申请提供的算例中计算得到的典型水坝的出库流量过程图；

图6是本申请提供的坝系的溃决洪水分析流程图；

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参看图1，图1为本申请提供的一种坝系的溃决洪水分析系统的组成示意图。

所述坝系的溃决洪水分析系统，包括：坝系的拓扑分析模块、数据收集模块、单个水坝的分析模块、洪水演进分析模块、坝系分析预测模块。

所述坝系的拓扑分析模块用于根据坝系的拓扑结构和分级规则确定坝系中每座水坝的分级，将坝系中的水坝根据空间分布关系形成拓扑结构后，将拓扑结构中的水坝按照坝系的分级规则进行分级。其中，所述坝系的分级规则，在一个具体的例子中具体为：获取与当前水坝直接连接的上游水坝的分级；若当前水坝上游再无水坝，则当前水坝分级为1；若与当前水坝直接连接的上游水坝的最大分级为n，则当前水坝的分级为n+1。

河网中建有大量水坝时，这些坝构成的整体被称为坝系。图2给出了黄土高原上某个淤地坝坝系，其中包含211座坝。本申请就提出了一种对复杂坝系拓扑关系进行分级描述和分析的方法。将坝系中的水坝根据空间分布关系形成拓扑结构后，将拓扑结构中的水坝按照坝系的分级规则进行分级。坝系的分级规则为：如果一座水坝上游再无水坝，则其分级为1；如果一个水坝上游与其直接相连的水坝中，分级最大为1，则该水坝的分级为2；如果一个水坝上游与其直接相连的水坝中，分级最大为2，则该水坝的分级为3，以此类推。如果一个水坝上游与其直接相连接的水坝中，分级最大为n，则该水坝的分级为n+1。录入坝系的拓扑时，对每一座水坝，给出其上游与其“直接相连”的水坝的数量和编号。程序自动对坝系拓扑进行分析。当坝系中的拓扑结构或水坝数量发生变化时，坝系的拓扑分析模块根据坝系的分级规则重新对坝系拓扑结构中的水坝进行分级。

为了便于进行溃坝洪水在河道中的演进计算，对河网进行如下分解：将源头的河网视为1级水坝所控制区间流域的一部分；将非源头的河网分解为若干河段，每个河段的起点(靠近源头的一端)、终点(靠近下游的一端)均为坝。河段的编号与其起点的水坝编号相同，分级也与其起点的水坝分级相同。

本申请中两座坝“直接相连”是指“上游水坝中的水不需经过其他水坝即可流入到下游水坝”。

在本申请中，坝系中水坝的分级是为了便于对坝系进行分析，对高等级坝进行分析时需要引用低等级坝的计算结果，分级与大坝本身的工程规模无关。

所述数据收集模块用于收集坝系中每座水坝坝体的建筑参数数据、降雨过程、水坝的库容曲线、降雨前的库水位、水坝控制的流域面积及产流计算参数等。其中所述的建筑参数包括：坝高、坝轴线长、坝料的抗冲性能参数、泄水建筑物性能参数。

所述水坝的库容曲线，是指水坝的水位与库容的关系曲线。水坝的库容的变化通过相同时段水坝的入库流量与出库流量的差值获得。

所述入库流量，包括水坝控制区间流域范围内的产汇流和上游水坝的泄流产生的流量。

水坝根据建筑材料的不同，分为很多不同类型的水坝，其中数量占绝对多数的为土石坝和混凝土坝两大类。土石坝又称当地材料坝，因就地取材，施工成本较低，而得到广泛采用。据统计，我国约有7.8万座大坝，大中型水库的拦河坝90％以上是土石坝，小型水库更绝大多数采用了土石坝。一般认为，土石坝发生库水漫顶时，由于库水对坝体的冲刷可引起溃坝，而混凝土坝不会仅因为库水漫顶而溃决。

我国设计规范规定，大型土石坝必须设置有足够泄洪能力的溢洪道，以保证遭遇洪水时，库水能够及时下泄，严格避免库水漫顶的情况发生。但我国水坝数量十分众多，实际情况非常复杂。一些早期修建的水坝，尤其是上世纪五六十年代修建的水坝，由于设计时水文资料不足以及设计施工过程不规范等原因，存在库容不足、泄洪能力不足等问题。一些农村集体自建水塘的水坝，往往没有溢洪道。我们山西、陕西等地黄土高原地区的淤地坝，往往在一个小流域内包含上百座土石坝，形成复杂的坝系，由于历史和经济原因，其中绝大多数没有溢洪道。

水库泄水建筑物(如溢洪道)的设计流量往往是依据天然河道的洪水序列确定的。流域坝系中，一座水坝溃决，库水在短时间内倾泻而出，往往形成巨大的洪水，其洪峰流量往往比天然河道的流量大几个数量级，远远超出下游水库的泄洪能力，如果下游水库的剩余库容不足以容纳上游水库的库水，则会引起连溃。

本申请中，所述单个水坝的分析模块，包括区间流域产汇流分析、入库流量计算、常态下水库的出库流量计算、溃坝分析、库容水位变化分析、溃漫状态判别等功能。

在水文学中，将河流、湖泊、地下水等水体中的水流称为径流，降雨形成径流的过程称为产汇流，其中包含产流和汇流两个子过程。产流指降雨扣除蒸发等损失，形成净雨的过程，称为产流，净雨就是形成径流的那部分降雨量；汇流指降雨经过坡面流入河网、再经河网汇集到流域出口断面的过程。水流自然的流向是从高处流向低处，因此，一条河流周围由分水岭所包围的范围称为流域，流域内的降雨所产生的地表或地下径流都将汇入这条河流。

本申请中，水坝的区间流域范围，指该座水坝控制的流域范围扣除其上游所有坝控制的流域范围。

在本申请中，水坝的入库流量就是指当前时段内，当前水坝区间流域范围内的产汇流和上游水坝的泄流产生的流量之和。若水坝的上游再无水坝，也就是按照分级规则定义的1级坝，那么它的入库流量就是当前水坝流域范围内的产汇流，若水坝为2级或2级以上的坝，那么他的入库流量还包括上游水坝的泄流产生的流量。

所述水坝流域范围内的产汇流，是指，水坝直接控制流域范围内降雨扣除损失后产生的净雨流入水库的流量。产汇流分析是一个复杂的水文学问题，本系统提供了一种最简单的产汇流模型，即区间流域范围内的产、汇流量均等于净雨量与区间流域面积的乘积，适用于面积较小的流域(比如流域面积小于100km²)。本申请不限制采用何种方式、何种模型来进行产汇流分析。

当水坝的库容曲线就是指水坝的水位与水坝容积变化的关系曲线，水坝的库容的变化通过相同时段水坝的入库流量与出库流量的差值获得,根据库容曲线，可以进一步求得水位的变化。

用于根据入库流量、出库流量、水坝的库容，建立水坝的水位模型，所述水位模型用于实时监测水坝水位的变化；根据水坝的水位模型及坝体的建筑参数确定水坝的溃漫状态模型，所述溃漫状态模型用于根据所述水位模型输出的实时水位，根据实时水位与坝顶高程的关系，确定水坝的溃漫状态。所述根据水坝的水位模型及坝体的建筑参数确定水坝的溃漫状态模型，包括：若水坝的水位超过坝顶高度时，出现漫坝；根据坝体的建筑参数及漫溢流速，在水坝出现漫坝时，确定水坝是保持持续漫坝或是发生溃坝。所述根据坝体的建筑参数及漫溢流速，在水坝出现漫坝时，确定水坝是保持持续漫坝或是出现溃坝，具体包括，在水坝出现漫坝时，若水坝的建筑参数及漫溢流速，未超出水坝对漫溢洪水的承受能力，则水坝保持持续漫坝；在水坝出现漫坝时，若水坝的建筑参数及漫溢流速，超出水坝对漫溢洪水的承受能力，则发生溃坝，产生溃决洪水。

水库在正常运行时，也会因发电、灌溉、防洪调度等需要向下游泄水，此时调用常态下的出流计算子程序进行模拟。水库在遭遇暴雨洪水条件下，可能发生漫顶或溃坝，此时调用漫坝/溃坝计算程序进行模拟。

本系统将漫坝/溃坝计算作为一个子程序处理，其原因是：1)对于水库工程，漫顶和溃坝都属于不允许发生的重大事故，调用“漫坝/溃坝”程序将返回一个值，表明本座水库进入了“非常状态”；2)土石坝的漫顶到溃坝往往有一个自然过渡的过程；3)混凝土坝的漫顶泄流可以与土石坝的漫顶泄流采用同样的函数型式，只需将材料设为不可冲蚀即可。

本系统内置的溃坝分析模型是土石坝的漫顶溃决分析模型，在土石坝的状态被判为漫顶后，则启用该模型计算。该模型基于宽顶堰流理论，可以对漫顶到溃坝的全过程进行模拟，计算出溃口扩展过程、溃坝流量过程和库水位变化过程。

土石坝漫顶是引起溃坝的主要原因之一，但不是唯一原因。渗透破坏、地震等原因也可引起的溃坝。本申请的重点在于，提出一种方法，便于对复杂坝系的连溃问题进行分析。单坝的溃坝分析在本系统中作为一个被调用模块，本发明不限制采用何种模型、何种方式去实现单坝的溃坝分析。

洪水的流向总是从上游流向下游，从低分级的水坝流向高分级的水坝。由于洪水在河道中的传播时有一定的能量损失，因此，洪峰沿河道传播一定距离、到达下游水库后，洪峰流量会有所减小，洪水过程线会有所改变。所述洪水演进分析模块，指推算上游某一水坝出流的洪水传播到下游水库时形成的入流洪水的过程。

公开文献中有关洪水演进分析的研究很多，其实质都是推求圣维南方程组的数值解，计算较为复杂。溃坝产生的溃决洪水与天然状态下的洪水有显著不同，通常表现为洪峰流量非常大，洪水历时很短(天然洪水历时几天到几十天，溃坝洪水往往历时几十分钟到几个小时)。如1975年8月板桥水库溃坝时的洪峰流量为7.8万m³/s,而一场暴雨洪水过程中的汝河天然河道的最大流量仅为1.3万m³/s。由于溃坝产生洪水具有洪峰大、历时短的特点，洪水沿河道演进的过程中，洪水过程线的形态基本不变、洪峰流量的消减程度很小。图3给出了云南牛栏江某梯级水库的溃坝洪水演进计算结果，两梯级水库之间的河段长度为85.9km。洪水沿河道传播了85.9km后，洪水过程线形态基本不变，洪峰流量仅衰减了0.51％。鉴于此，本程序提出采用简化的“距离-洪峰损失率-传播时间”模型来进行洪水演进计算。采用这一简化模型可显著提高计算效率，对溃坝问题，其精度是完全满足要求的。

所述预测模块，即根据拓扑分级模块确定的坝系分级、以及信息获取模块获取的有关计算参数，依次调用单坝的分析模块和洪水演进分析模块进行计算。具体调用顺序如下：

对于1级坝，调用单坝的分析模块进行计算，获取1级坝的出流过程；

根据1级坝的出流过程，及1级坝到其下游2级坝之间连接的河道参数，调用洪水演进分析模块，计算1级坝出流引起其下游的2级坝的入流；

对于2级坝，调用单坝的分析模块进行计算，获取2级坝的出流过程；

根据2级坝的出流过程，及2级坝到其下游3级坝之间连接的河道参数，调用洪水演进分析模块，计算2级坝出流引起其下游的3级坝的入流；

对于3级坝，调用单坝的分析模块进行计算，获取3级坝的出流过程；

……

以此类推，直到计算出坝系中等级最高的坝的出流过程为止。

以下，结合一个小型算例，介绍应用本系统的溃决洪水分析过程。

截取图2所示坝系的一小部分，形成一个小型坝系，其中有44座水坝，如图4所示。假设全流域发生暴雨，降雨强度为100mm/h，降雨3h内，14座水坝相继漫顶溃决。图5给出了3座典型溃决水坝的出流过程：其中32#水坝的分级为1，其溃坝洪水仅来自于本身的水库的库水，出流过程呈单峰型；33#水坝位于32#水坝下游，先于32#水坝溃决，其出流过程呈多峰型，两次比较大的洪峰一次来自于33#坝自身的溃决，一次来自于32#坝溃决洪峰的传递；44#坝分级为8，位于整个流域的最下游，其溃坝出流过程呈典型的多峰型。

本申请实施例的系统可以对坝系中任意一座水坝是否发生漫顶或溃决进行判断，并可获取任一座水坝(无论是否漫溢或溃决)的库水位、出流量变化过程，对溃决的水坝可给出开始溃坝时刻、溃坝洪峰流量和洪峰出现时刻等应急响应所必须的参数。

本申请同时提供一种坝系的溃决洪水分析方法，如图6所示，图6为本申请提供的坝系的溃决洪水分析方法示意图。

s101为信息获取模块。读入坝系的拓扑信息和每座坝的参数信息。坝系的拓扑信息可采用表格形式输入，有两种输入方式，一种是对每座坝，给定其上游与其直接相连的坝的数量和编号；另一种是对每座坝，给定其下游与其直接相连的坝的编号。每座坝的参数信息包括坝体的几何参数、库容曲线参数、区间流域产汇流计算参数、坝体材料的抗冲性能参数、当前库水位等。可采用数据表格直接录入，也可通过其他信息系统软件中获取。

s102单元的拓扑分析。根据输入的坝系拓扑信息，对坝系的空间拓扑进行分析，确定每一座坝的分级。

s103对单座坝进行分析。对每一座坝的入流、出流、水位、库容等进行时域积分分析，即把整个分析时间域分解为若干个小时段，在每个时段内依次进行：1)根据区间流域降雨量计算产汇流量；2)叠加上游水库来水计算本水库入库流量；3)根据时段起始库水位计算出库流量，如未曾判断水库漫顶/溃坝则计算常态出流量，已判断水库漫顶/溃坝则计算漫顶或溃口出流量；4)根据入库-出库水量差计算库容变化量；5)根据库容变化计算水位变化；6)根据水位和坝顶高程的关系判断是否发生漫顶/溃坝；7)对判断为漫顶/溃坝的大坝计算溃口尺寸的变化量。

步骤s104,根据预先建立的洪水演进模型，计算底等级水坝的出流，演进到下游高等级坝后形成的入流过程。

根据坝的分级从低到高的顺序，依次循环调用步骤s103和s104，直到计算出整个坝系最高等级的坝或河段的出流过程为止。

步骤s105,输出每座坝的出库流量过程、洪峰流量、洪峰出现时刻、溃口尺寸等计算结果。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。