Google-Earth 在中小水電防洪設(shè)計中的運用

張 濤 張海燕

(國電阿克蘇河流域水電開發(fā)有限公司，新疆阿克蘇 843000)

0 引言

隨著全國水電開發(fā)工作的持續(xù)推進，水電站工程如雨后春筍般陸續(xù)開工建設(shè)。中小水電工程有投資小、風(fēng)險低、效益穩(wěn)、運營成本比較低等特點。正是由于中小水電工程建設(shè)規(guī)模小，防洪工程設(shè)計呈現(xiàn)出設(shè)計不合理、調(diào)查不足、防洪體系不完善等問題。為了對洪水進行調(diào)控和降低洪水帶來的損害，水利水電工程一般通過工程措施和非工程措施兩種具體方法來實現(xiàn)這個目的，其分類如圖1所示。工程措施是基于具體工程手段而達到消除洪水和防止洪水給人類帶來的損害，而非工程措施則是調(diào)整人類活動以緩解洪水帶來的災(zāi)害。

工程措施一般是指為了防御和控制洪水而修建各種擋、蓄、泄洪的建筑物或功能區(qū)。通過工程措施來降低洪水帶來的災(zāi)害，一般都比較昂貴，且往往以改變已有的環(huán)境為代價，它可能會帶來暫時的安全。但一旦超過堤防設(shè)計的洪水出現(xiàn)，引起工程防洪措施的失事，將會給下游周邊群眾的人身安全造成極大的威脅。非工程措施可以分為兩大類，一類是通過對洪泛區(qū)管理、汛前準備和應(yīng)急計劃、洪水預(yù)報和警報、避洪、土地利用規(guī)劃、土壤生物工程等措施改變對洪水的適應(yīng)能力或抗損失能力;另一類是改變損失的分擔(dān)形式，包括救災(zāi)、防汛搶險和洪水保險(見圖1)。

圖1 防洪減災(zāi)措施的分類

Google-Earth(以下簡稱GE)是一款完全免費的全球衛(wèi)星地圖集成軟件，通過它用戶可以方便的瀏覽追蹤點的衛(wèi)星影像資料，并且還可以快捷地將這些衛(wèi)星圖像資料和具體的地圖資料對比、交互、參考。實際上，GE給用戶提供了一個溝通和交流的動態(tài)平臺［1］。這款軟件有良好的交互式操作界面、強大的圖形處理功能、方便易學(xué)的操作方法，可隨時隨地對追蹤點插入標簽，并對該處進行注解，亦可將追蹤點儲存為單獨的文件，供所有使用者交流各自的成果。同時，GE還提供了編程接口可以進行二次開發(fā)，而成熟的數(shù)據(jù)流技術(shù)保證了只傳遞給用戶指定的區(qū)域數(shù)據(jù)。而且GE所有的地圖基本上都是三年以內(nèi)的，甚至是幾個月之內(nèi)的最新衛(wèi)星圖片，保證了查詢數(shù)據(jù)的時效性［2］。利用GE的這些優(yōu)點并將其運用到水利防洪工程的非工程防洪減災(zāi)措施設(shè)計中，能有效地節(jié)省資源配置、提高工程建設(shè)綜合防汛減災(zāi)能力、保證工期，可以獲得較大的收益。

1 工程概況

已建成的吐木秀克水電站工程是一座引水式發(fā)電站，位于天山南麓，塔里木盆地庫車山前凹陷區(qū)西端，北緯41°29'～41°33'、東經(jīng)79°44'～79°54'之間，工程坐落在新疆阿克蘇市溫宿縣庫瑪拉克河?xùn)|岸總干渠上，是庫瑪拉克河河段水電規(guī)劃“一庫四級”中的第四級，地面高程1 360 m～1 250 m。引水渠長20．91 km，壓力前池正常運行水位1 334．707 m，裝機容量48 MW，工程等別為Ⅳ等，小(1)型電站。

2 洪水、地質(zhì)特性

庫瑪拉克河洪水主要由冰川、永久性積雪和季節(jié)性融雪水形成，洪水類型主要分為兩類:融雪型洪水和冰川阻塞湖潰決型洪水。引水工程區(qū)的洪水類型主要為暴雨型洪水。洪水過程起漲迅猛，峰型尖瘦，整個洪水過程少則持續(xù)幾十分鐘，多則持續(xù)數(shù)小時，時刻對引水渠安全運行構(gòu)成潛在隱患。

吐木秀克水電站工程的最大特點是引水渠道長達21 km，水渠在天山南脈托木爾峰西南麓附近山腳下沖積扇上東岸總干渠北岸由西向東蜿蜒前進，威脅本引水渠安全運行的主要洪水為引水渠北岸發(fā)育的山洪溝洪水。根據(jù)出山口以上的流域分水嶺，整個輸水線路上發(fā)源于中高山有9個大沖溝，這些大沖溝出山口后散流成與渠線交匯的168條洪溝。吐木秀克水電站的建設(shè)期2年，3月～11月為主要施工期，除1月～4月外，均可能出現(xiàn)洪水。在施工時段防洪建筑物未形成，施工過程中又不可避免的破壞了原防洪系統(tǒng)。在這樣的情況下，安全地防洪度汛就顯得尤為重要。

3 GE在渠道防洪中的運用

采用合適工程措施進行防洪減災(zāi)，無疑可以縮短工程建設(shè)周期，快速提高重點部位防洪保證率。但是目前設(shè)計單位采用的水文資料和地形圖等年代都較為久遠，多為二十世紀七八十年代的資料，甚至還有殘缺。并且新疆地處地震強活動帶，河流、沖溝的走勢隨時代和地殼運動的變遷變化很大。所以采用常規(guī)的方法進行防洪減災(zāi)分析，不但耗費大量的人力和物力資源，而且精確度不高。

GE擁有全面、詳細的影像資料，能夠及時地更新地理信息數(shù)據(jù)，作為一種新興的地理信息軟件，它有直觀的三維衛(wèi)星圖像和廣泛的兼容性，這些都為其在水利水電工程中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，它的出現(xiàn)和在工程中的應(yīng)用彌補了常規(guī)分析方法的缺陷［3］。這里從工程安全建設(shè)管理的角度出發(fā)，運用了一種新的效率更高的洪水分析方法:GE地理信息系統(tǒng)分析法。利用GE提供的衛(wèi)星照片大范圍大尺寸地觀察各水系關(guān)系可以直觀的分出分水嶺，大致判斷來水方向及范圍，并判斷出需要重要防護的部位，如果與設(shè)計院實地勘測的資料相結(jié)合，更是能高效地判斷出洪水發(fā)生的具體位置、相對洪量及歷年洪水發(fā)展趨勢等。為防洪工程的建設(shè)及設(shè)計提供了更為直觀、精確的依據(jù)。

現(xiàn)以吐木秀克工程中的衛(wèi)星圖片為例，對本工程一個重點部位的防洪布置運用GE地理信息系統(tǒng)分析法進行分析。

圖2是洪水沖溝的分布圖，圖中箭頭所指的均為洪水匯集下泄洪溝，分別命名為1號溝，2號溝，3號溝，4號溝，5號溝，各洪溝的洪水自然匯流后流入原有的防洪體系，避免了下游建筑物和人民生命財產(chǎn)的損失。原防洪體系中，1號～5號洪溝最終匯集到下游泄水通道。但是新修建的水電站引水渠道切斷了1號～5號洪溝，破壞了原有的導(dǎo)流系統(tǒng)。根據(jù)測量，渠道經(jīng)過沖溝時均為填方段，這樣就造成洪水不能按原有通道下泄。所以這里必須建立新的防洪體系。

為了保證1號～5號洪溝的洪水能夠及時下泄，不對吐木秀克水電站工程的正常運行造成威脅，修建本工程引水渠的同時，修建了新的防洪系統(tǒng)，如圖3所示。綜合利用導(dǎo)、擋、排三種方法。導(dǎo)，即修建導(dǎo)洪渠，根據(jù)洪溝的具體分布情況，將1號～4號洪溝的洪水按工程的總體防洪需求導(dǎo)入到5號洪溝中去，這樣從山區(qū)下來的洪水在離引水渠道比較遠的位置就被導(dǎo)流走，增強了渠道的安全;擋，即在渠道左側(cè)設(shè)置防洪堤，擋住發(fā)生超設(shè)計洪水時導(dǎo)洪渠未能及時導(dǎo)出而流向引水渠道區(qū)間的洪水，減少洪水對引水渠道的沖擊;排，即修建排洪建筑物，將洪水排泄到下游，工程沿線設(shè)置了39處排洪建筑物用來排泄汛期的洪水，同時人為的對5號沖溝進行了局部的拓寬、加深處理，保證洪水能夠及時的下泄。這樣多層次、全方位的防洪建筑物構(gòu)造，正常情況下就能完全控制住洪水。如果只用常規(guī)的方法將花費大量的人力物力和時間進行設(shè)計布置，但運用GE地理信息系統(tǒng)分析法就可很快得出準確的結(jié)論，節(jié)約了資源。另一方面，在制定防洪度汛方案具體措施時，運用GE地理信息系統(tǒng)分析法能選擇更合理快捷的搶險路線，制定相對合理的應(yīng)急方案［4］。同時，還能滿足防洪的要求，保證工程的安全，從而達到設(shè)計、投資的最優(yōu)。吐木秀克水電站工程于2009年建成并投產(chǎn)運行，經(jīng)過3年時間的驗證，按照GE衛(wèi)星地圖位置布置的防洪建筑物取得了良好的效果。其中導(dǎo)、擋、排洪建筑物位置準確，洪水控制有效，對引水渠運行安全保障有力。

圖2 洪水沖溝的分布圖

4 結(jié)語

本文介紹防洪減災(zāi)措施的常見類型和GE衛(wèi)星地圖集成軟件在吐木秀克水電站渠道防洪工程中的運用，強調(diào)了其運用的直觀性和準確性［5］。事實說明，GE在中小水利工程防洪建設(shè)中的運用，可以縮短工程建設(shè)的周期，提高工程建設(shè)的效率。GE是一款功能強大的全球衛(wèi)星地圖集成軟件，在對設(shè)計方案建立虛擬模型并進行演示、審查和三維信息管理系統(tǒng)方面，有待于進一步的認識和開發(fā)。可以預(yù)見，它的廣泛使用將使傳統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)從二維模式跨進到三維模式。

［1] 倪子強．Google Earth在電力通信光纜管理中的應(yīng)用［J］．電力系統(tǒng)通信，2008(2):10．

［2] Wang Da Guang，Chen Feng．A Preliminary Flow Algorithm of Network Flow Programming in Economic Dispatching of Cascade Hydropower Station［J］．IEEE，1998(30):581-585．

［3] 邢文忠．Google Earth衛(wèi)星地圖軟件在電力線路地理信息管理中的應(yīng)用［J］．技術(shù)改進與創(chuàng)新，2009(16):32-33

［4] 劉群義，鐘嘉奇，劉 北．Google earth在水利工程管理中的應(yīng)用［J］．黑龍江水利科技，2006，34(2):19-21．

［5] 許貴生，董巧紅．Google earth在水利工程信息管理中的應(yīng)用［J］．吉林水利，2004(36):91-92．