摘要：為快速分析水電站汛期不同水位控制下的臨時(shí)淹沒影響，評估可能產(chǎn)生的淹沒損失情況，以滿足水電站汛期水位動態(tài)控制的需要，提出了一種考慮回水壅高的臨時(shí)淹沒范圍快速確定方法。

該方法基于Python語言進(jìn)行ArcGIS平臺的線性插值工具二次開發(fā)，從而獲得了回水的DEM，之后再與庫區(qū)DEM進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算，即可獲得水電站汛期不同抬高運(yùn)行水位下的庫區(qū)淹沒范圍。將該方法在紅水河巖灘水電站進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：所提方法可在8 s內(nèi)輸出臨時(shí)淹沒范圍，與經(jīng)典水動力學(xué)模型HEC-RAS進(jìn)行了對比分析，所建模型的總體精度為0.92，能大幅提高水庫不同水位控制下臨時(shí)淹沒影響的分析效率。

關(guān) 鍵 詞：回水壅高； 水庫臨時(shí)淹沒范圍； 淹沒影響； 巖灘水電站

中圖法分類號： TV697

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.009

0 引 言

水庫是調(diào)節(jié)洪水的重要水利工程，對洪水調(diào)節(jié)作用十分明顯，不同水庫調(diào)度方案對河道淹沒損失影響不同［1］。近年來，隨著中國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，各地對水資源需求增大趨勢逐步顯現(xiàn)［2］，為進(jìn)一步挖掘已建壩蓄水潛力，對已建水庫實(shí)施提能增效受到廣泛關(guān)注。與大壩加高或水庫清淤等工程措施相比，調(diào)整正常蓄水位和汛限水位等措施，因成本低、見效快而成為首選方案［3］。對啟用正常蓄水位以上（應(yīng)計(jì)入回水壅高）防洪庫容造成的臨時(shí)淹沒損失進(jìn)行評估，是論證正常蓄水位調(diào)整必要性的重要環(huán)節(jié)，而評估臨時(shí)淹沒損失首要解決的是確定臨時(shí)淹沒范圍。

現(xiàn)有技術(shù)中，確定淹沒范圍的方法主要有水力學(xué)模型及地理信息系統(tǒng)分析方法等［4-8］。李雨竹等［9］基于 HEC-RAS 構(gòu)建二維非恒定流水動力模型并考慮涉水工程及其壅堵的情況，精細(xì)化模擬洪水淹沒過程；楊愛玲等［10］結(jié)合數(shù)字高程模型和三維GIS，設(shè)計(jì)結(jié)合上下水位的八鄰域種子算法，實(shí)現(xiàn)洪水淹沒分析；韓松等［11］利用 MIKE FLOOD軟件側(cè)向耦合一、二維模型，模擬不同洪水重現(xiàn)期洪水從河道漫溢至岸邊的演進(jìn)過程，得到洪水的淹沒范圍等信息。以上分析方法均有其優(yōu)勢和局限性，考慮的因素及適用場景各不相同，如基于水動力學(xué)模型的經(jīng)典淹沒算法在時(shí)效性方面存在不足，制約防洪“四預(yù)”功能實(shí)現(xiàn)和數(shù)字孿生流域建設(shè)；地理信息系統(tǒng)分析方法一般難以保證淹沒分析過程的逐時(shí)連續(xù)性及合理性［12］。

為此，本文以紅水河巖灘水電站為例，利用回水成果、實(shí)測地形圖等數(shù)據(jù)，考慮回水壅高，針對水庫汛期水位動態(tài)控制提出一種基于Python語言和ArcGIS工具的臨時(shí)淹沒范圍快速確定方法，并驗(yàn)證了所提方法的可行性，以期為水庫臨時(shí)淹沒處理方案、抗洪搶險(xiǎn)預(yù)案、安全轉(zhuǎn)移預(yù)案的制定提供參考。

1 研究方法

以往在計(jì)算水庫淹沒損失時(shí)都是假設(shè)水面是一個(gè)靜止的平面來處理［13］。但實(shí)際上由于水位壅高，水位值并非在一個(gè)高程，庫區(qū)上游的水位會高于壩址附近的水位，水面其實(shí)是一個(gè)曲面。本文考慮回水壅高來確定臨時(shí)淹沒范圍，關(guān)鍵步驟包括線性內(nèi)插回水高程和構(gòu)建臨時(shí)淹沒計(jì)算模型。

1.1 線性內(nèi)插回水高程

ArcGIS在10.0版本后提供了一個(gè)站點(diǎn)包ArcPy，這個(gè)站點(diǎn)包把ArcGIS里的所有功能封裝成一個(gè)個(gè)類庫，只要在Python的編輯器中導(dǎo)入ArcPy站點(diǎn)包，就可以調(diào)用里面的類庫，從而實(shí)現(xiàn)需要的功能［14］。本文基于ArcGIS 平臺的 ArcPy站點(diǎn)包，利用ArcPy模塊提供的關(guān)鍵方法進(jìn)行線性插值工具的二次開發(fā)。線性插值工具根據(jù)輸入?yún)?shù)設(shè)定的不同，可重復(fù)使用在各類水庫優(yōu)化調(diào)度過程中，用于線性加密帶回水高程的斷面，作為后續(xù)回水DEM生成的輸入值。具體開發(fā)流程如下。

（1） 調(diào)用segmentAlongLine函數(shù)，根據(jù)回水計(jì)算成果中的里程值（即距壩址距離）對河流中心線進(jìn)行分割，并以LineID區(qū)分，壩址默認(rèn)為該河流中心線的起點(diǎn)。

（2） 調(diào)用Split_analysis函數(shù)，對步驟（1）得到的線段再按LineID的不同進(jìn)行批量等間距分割，用于生成加密的斷面，分割的間距值可結(jié)合水庫的實(shí)際情況確定。

（3） 取步驟（2）得到的各線段起點(diǎn)作為原點(diǎn)，調(diào)用BearingDistanceToLine_management函數(shù)，在垂直于該線段的方向上繪制一定寬度的斷面線，寬度值可以根據(jù)河流的實(shí)際情況來確定。

（4） 為步驟（3）生成的所有斷面線增加elevation字段，根據(jù)步驟（1）中各線段起點(diǎn)斷面Rt-1和終點(diǎn)斷面Rt所對應(yīng)的回水高程以及里程值，分段換算出步驟（2）加密后各斷面對應(yīng)的回水高程，并保存在elevation字段中。計(jì)算公式如下：

E= Et-Et-1Dt-Dt-1·S（1）

式中：E為加密斷面的回水高程，m； Et、Et-1分別為回水計(jì)算成果中斷面Rt和Rt-1下的已知回水高程，m；Dt、Dt-1分別為回水計(jì)算成果中斷面Rt和Rt-1下的已知里程值，m；S為步驟（2）中的分割間距值，m。

（5） 在ArcGIS中導(dǎo)入Python腳本文件，并設(shè)置輸入和輸出參數(shù)的屬性，即可完成回水值線性插值工具的創(chuàng)建。其中工具的輸入?yún)?shù)包括河流中心線（.shp格式）、里程值（.xls格式）、等間距分割值（單位：m）、斷面寬度（單位：m），輸出結(jié)果為.shp格式的線文件。

1.2 構(gòu)建臨時(shí)淹沒計(jì)算模型

ModelBuilder是ArcGIS提供的構(gòu)造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具，將空間數(shù)據(jù)及其分析與處理通過流程化結(jié)合在一起，具有可視性、快捷性、開放性等特點(diǎn)［15］。數(shù)字高程模型（ digital elevation model，DEM） 是地表形態(tài)的數(shù)字化表達(dá)，在洪水淹沒模擬中起著重要作用［16-19］。本文通過ArcGIS ModelBuilder可視化建模工具，將柵格計(jì)算器、重分類和柵格轉(zhuǎn)面等地理處理工具按照一定的空間分析工作流進(jìn)行組合，形成一個(gè)流程化的DEM計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)水電站汛期動態(tài)調(diào)度下臨時(shí)淹沒區(qū)范圍的快速確定。主要操作步驟如下。

（1）加載回水DEM柵格影像，默認(rèn)水位變化值即水庫抬升高度為0，該變化值支持動態(tài)輸入，兩者進(jìn)行柵格相加運(yùn)算（Plus）。公式為

E回i，j=E初i，j+Lh（2）

式中：E回i，j為柵格加運(yùn)算后網(wǎng)格Gi，j的回水高程；E初i，j為回水DEM中網(wǎng)格Gi，j的回水高程；Lh為動態(tài)輸入值，即水庫抬升高度。

（2） 將步驟（1）得到的柵格影像與庫區(qū)DEM柵格影像進(jìn)行相減運(yùn)算（Minus）。公式為

Ei，j=E庫i，j-E回i，j（3）

式中：Ei，j為柵格減運(yùn)算后網(wǎng)格Gi，j的值；E庫i，j為庫區(qū)DEM中網(wǎng)格Gi，j的高程值；E回i，j為步驟（1）運(yùn)算后網(wǎng)格Gi，j的回水高程。

（3） 利用柵格計(jì)算器（Raster Calculator）的SetNull函數(shù)，Ei，j>0的網(wǎng)格Gi，j的像元設(shè)置為NoData。柵格值Ei，j>0意味著網(wǎng)格Gi，j的高程值大于回水高程，為非淹沒區(qū)，將非淹沒區(qū)的值設(shè)置為NoData，將直接在柵格影像中去除，柵格值Ei，j≤0意味著網(wǎng)格Gi，j的高程值小于回水高程，為淹沒區(qū)。

（4） 最后依次順序加入重分類（Reclassify）、柵格轉(zhuǎn)面（Raster to Polygon）、融合（Dissolve）工具，將模型中的數(shù)據(jù)和工具進(jìn)行順序連接后，默認(rèn)前一個(gè)工具的輸出即為后一個(gè)工具的輸入，.shp格式的淹沒范圍為最終的輸出值。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 巖灘水電站概況

巖灘水電站位于紅水河中游，廣西壯族自治區(qū)大化瑤族自治縣境內(nèi)，是廣西電網(wǎng)的主要調(diào)峰電源，距上游龍灘水電站166 km，距下游大化水電站約83 km，控制集水面積106 500 km2，占紅水河流域集水面積的81.4%，在流域發(fā)電、供水、航運(yùn)等方面發(fā)揮著重要的作用（圖1）。

巖灘水電站設(shè)計(jì)正常蓄水位223.00 m，汛期限制水位219.00 m。2004年巖灘水電站首次實(shí)施汛期限制水位動態(tài)控制方案（219.00～222.50 m），提高了水庫調(diào)度水平，增加了電站調(diào)度效益。根據(jù)水庫防洪調(diào)度運(yùn)用的實(shí)際需要啟用正常蓄水位以上庫容，充分發(fā)揮水庫防洪減災(zāi)作用，是水利工程補(bǔ)短板的強(qiáng)有力舉措［20］。結(jié)合巖灘水電站汛期水位動態(tài)控制成果，查清實(shí)施巖灘水電站汛期水位動態(tài)控制后可能存在的淹沒風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，具有良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2.2 臨時(shí)淹沒范圍分析

2004年以來巖灘水電站成功實(shí)施了汛期限制水位動態(tài)控制方案（219.00～222.50 m）。在此基礎(chǔ)上，為滿足后續(xù)巖灘水電站水庫優(yōu)化調(diào)度的需要，對汛期限制水位進(jìn)行調(diào)整，選取20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下壩址附近223.00 m水位值作為模型的基礎(chǔ)，通過輸入在該水位值下的抬升高度獲取相應(yīng)的臨時(shí)淹沒范圍，以評估水庫超蓄可能存在的臨時(shí)淹沒損失情況。

根據(jù)巖灘水電站回水計(jì)算成果，20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下壩址附近位于223.00 m水位值，其上游水位值已達(dá)到251.60 m，可知巖灘水庫的回水壅高為28.60 m。為準(zhǔn)確確定臨時(shí)淹沒區(qū)的范圍，本文主要考慮干流回水壅高，由于支流回水變化并不明顯，影響范圍較小，直接從等高線中提取等于223.00 m水位值的等高線，作為絕對的平面來處理，具體的實(shí)現(xiàn)流程如下。

（1） 選取巖灘水電站紅水河干流20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下（223.00 m）的回水成果，基于回水線性插值工具，對斷面以200 m等間距進(jìn)行線性加密，斷面寬度主要以保證覆蓋河流左右岸為原則，統(tǒng)一設(shè)置為2 000 m，具體數(shù)值可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

（2） 利用步驟（1）得到的線性內(nèi)插成果，通過ArcGIS自帶的構(gòu)建TIN工具生成干流回水面DEM，轉(zhuǎn)換為柵格后，根據(jù)干流流域范圍進(jìn)行裁剪。

（3） 利用2010年巖灘庫區(qū)1∶2 000實(shí)測地形圖，通過ArcGIS自帶的構(gòu)建TIN工具生成整ZYRwjOfwaI/buNuN6qKCvg==個(gè)庫區(qū)的DEM，轉(zhuǎn)換為柵格后，根據(jù)水庫范圍進(jìn)行裁剪。

（4） 將步驟（2）和步驟（3）生成的柵格數(shù)據(jù)作為臨時(shí)淹沒計(jì)算模型的固定輸入條件，水位變化輸入值默認(rèn)為0，最終得到在20 a一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)下（223.0 m）庫區(qū)的臨時(shí)淹沒范圍。

巖灘庫區(qū)正常蓄水位20 a一遇回水位方案（223.00 m）是該模型的計(jì)算基礎(chǔ)，分別輸入巖灘水電站汛期水位動態(tài)控制下相應(yīng)的水位抬升高度，即可輸出在223.00 m水位下抬高水位所對應(yīng)的臨時(shí)淹沒范圍。

2.3 結(jié)果分析與討論

以巖灘水電站紅水河干流作為研究區(qū)，構(gòu)建了基于Python語言和ArcGIS工具的淹沒范圍計(jì)算模型，采用HEC-RAS模擬結(jié)果對模型的輸出結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，評估模型的精度、時(shí)效性和適用性。

2.3.1 結(jié)果分析

采用混淆矩陣（表1）中的總體精度（P0）對結(jié)果進(jìn)行評估［21-22］，HEC-RAS模擬結(jié)果作為對比參照，總體精度P0的計(jì)算公式如下：

P0=a+da+b+c+d（5）

a、b、c、d的含義見表1。

分別提取上游周因屯至六排段（回水高程239.54～244.00 m）、中游拉雨屯至拉人屯段（回水高程233.10～235.09 m）、下游灘皮至平勇段（回水高程225.00～226.00 m）3處的結(jié)果進(jìn)行分析（圖2），模擬的總體精度P0為0.92。本文模型模擬淹沒范圍與HEC-RAS模擬結(jié)果較為吻合，在主要河道兩者淹沒范圍幾乎重合。

2.3.2 時(shí)效性分析

回水高程線性插值工具由Python語言編寫，斷面回水高程線性加密階段耗時(shí)20 s左右，淹沒范圍的輸出平均耗時(shí)8 s（電腦配置為 Intel（R） Core（TM） i7-8565U CPU，8GB內(nèi)存）。對于同一流域，加密回水成果僅需計(jì)算一次保存即可，用于生產(chǎn)回水DEM。因此，模型可在8 s內(nèi)輸出相應(yīng)水位的臨時(shí)淹沒范圍，能夠支撐動態(tài)快速的臨時(shí)淹沒分析。

2.3.3 適用性分析

回水DEM和庫區(qū)DEM一旦確定，輸入抬升水位高度，模型可在8 s內(nèi)完成臨時(shí)淹沒范圍的輸出，其計(jì)算耗時(shí)與流域規(guī)模關(guān)系不大，可以支撐流域臨時(shí)淹沒范圍的快速確定。此外，模型建模過程快捷高效，僅需要DEM即可完成建模，輸入數(shù)據(jù)為水位抬升高度，對建模資料的要求遠(yuǎn)小于水動力學(xué)模型。在極低的建模資料要求下模型完成淹沒范圍模擬，可以為制定臨時(shí)淹沒處理方案、抗洪搶險(xiǎn)預(yù)案、安全轉(zhuǎn)移預(yù)案提供參考?？傮w而言，模型具有計(jì)算速度快、操作靈活便捷、依賴資料少、復(fù)用性高等特點(diǎn)，適用于水庫調(diào)度下臨時(shí)淹沒范圍的劃定。同時(shí)，在地形起伏平緩的平原區(qū)，一般回水壅高值不大，因此模型更適用于山丘區(qū)水電站優(yōu)化調(diào)度分析。

3 結(jié) 語

本文主要考慮回水壅高，提出了一種基于ArcGIS和Python語言快速確定水庫臨時(shí)淹沒范圍的新方法，并將該方法應(yīng)用于巖灘水電站臨時(shí)淹沒范圍確定中。將該方法計(jì)算的3處回水?dāng)嗝嫦碌呐R時(shí)淹沒范圍，與HEC-RAS模擬結(jié)果進(jìn)行對比，本文所提方法平均總體精度P0達(dá)到0.92。且該方法運(yùn)算速度快、操作便捷、依賴資料少、可復(fù)用性高，能實(shí)現(xiàn)水庫調(diào)度過程中不同水位下臨時(shí)淹沒范圍的快速確定。憑借其較低的時(shí)間和數(shù)據(jù)成本，可作為傳統(tǒng)水動力模型的有益補(bǔ)充，可在實(shí)際水庫優(yōu)化調(diào)度過程中進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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（編輯：郭甜甜）

Rapid determination of temporary inundation extent of reservoir with backwater height included

DENG Lisi

（China Water Resources Pearl River Planning Surveying & Designing Co.，Ltd.，Guangzhou 510611，China）

Abstract：

In order to quickly analyze the temporary inundation under the different controlled water levels of hydropower plants in flood seasons，assess the possible inundation loss，and to meet the needs of dynamic water level control in flood season of hydropower stations，a method for rapid determination of temporary inundation range considering backwater elevation was proposed.This method was based on Python for the secondary development of linear interpolation tool on ArcGIS platform.By obtaining the backwater DEM and performing corresponding calculations with the reservoir area DEM，the inundation range of the reservoir area under different controlled water levels during the flood season can be obtained.The model was applied and verified in Yantan Hydropower Station of Hongshui River.The results showed that the proposed method can output the temporary inundation range within 8 s.Compared with classical hydrodynamic model HEC-RAS，the overall accuracy of the proposed model was 0.92，which can greatly improve the analysis efficiency of the temporary inundation effect under the different control water levels of reservoirs.

Key words：

backwater height； temporary inundation extent of reservoir； inundation effect； Yantan Hydropower Station