計入回水壅高的水庫臨時淹沒范圍快速確定方法

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

該方法基于Python語言進行ArcGIS平臺的線性插值工具二次開發，從而獲得了回水的DEM，之后再與庫區DEM進行相應計算，即可獲得水電站汛期不同抬高運行水位下的庫區淹沒范圍。將該方法在紅水河巖灘水電站進行了應用驗證。驗證結果表明：所提方法可在8 s內輸出臨時淹沒范圍，與經典水動力學模型HEC-RAS進行了對比分析，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淹沒影響的分析效率。

關 鍵 詞：回水壅高； 水庫臨時淹沒范圍； 淹沒影響； 巖灘水電站

中圖法分類號： TV697

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.09.009

0 引 言

水庫是調節洪水的重要水利工程，對洪水調節作用十分明顯，不同水庫調度方案對河道淹沒損失影響不同［1］。近年來，隨著中國社會經濟快速發展，各地對水資源需求增大趨勢逐步顯現［2］，為進一步挖掘已建壩蓄水潛力，對已建水庫實施提能增效受到廣泛關注。與大壩加高或水庫清淤等工程措施相比，調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（應計入回水壅高）防洪庫容造成的臨時淹沒損失進行評估，是論證正常蓄水位調整必要性的重要環節，而評估臨時淹沒損失首要解決的是確定臨時淹沒范圍。

現有技術中，確定淹沒范圍的方法主要有水力學模型及地理信息系統分析方法等［4-8］。李雨竹等［9］基于 HEC-RAS 構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，精細化模擬洪水淹沒過程；楊愛玲等［10］結合數字高程模型和三維GIS，設計結合上下水位的八鄰域種子算法，實現洪水淹沒分析；韓松等［11］利用 MIKE FLOOD軟件側向耦合一、二維模型，模擬不同洪水重現期洪水從河道漫溢至岸邊的演進過程，得到洪水的淹沒范圍等信息。以上分析方法均有其優勢和局限性，考慮的因素及適用場景各不相同，如基于水動力學模型的經典淹沒算法在時效性方面存在不足，制約防洪“四預”功能實現和數字孿生流域建設；地理信息系統分析方法一般難以保證淹沒分析過程的逐時連續性及合理性［12］。

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

1 研究方法

以往在計算水庫淹沒損失時都是假設水面是一個靜止的平面來處理［13］。但實際上由于水位壅高，水位值并非在一個高程，庫區上游的水位會高于壩址附近的水位，水面其實是一個曲面。本文考慮回水壅高來確定臨時淹沒范圍，關鍵步驟包括線性內插回水高程和構建臨時淹沒計算模型。

1.1 線性內插回水高程

ArcGIS在10.0版本后提供了一個站點包ArcPy，這個站點包把ArcGIS里的所有功能封裝成一個個類庫，只要在Python的編輯器中導入ArcPy站點包，就可以調用里面的類庫，從而實現需要的功能［14］。本文基于ArcGIS 平臺的 ArcPy站點包，利用ArcPy模塊提供的關鍵方法進行線性插值工具的二次開發。線性插值工具根據輸入參數設定的不同，可重復使用在各類水庫優化調度過程中，用于線性加密帶回水高程的斷面，作為后續回水DEM生成的輸入值。具體開發流程如下。

（1） 調用segmentAlongLine函數，根據回水計算成果中的里程值（即距壩址距離）對河流中心線進行分割，并以LineID區分，壩址默認為該河流中心線的起點。

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

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

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

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中導入Python腳本文件，并設置輸入和輸出參數的屬性，即可完成回水值線性插值工具的創建。其中工具的輸入參數包括河流中心線（.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），輸出結果為.shp格式的線文件。

1.2 構建臨時淹沒計算模型

ModelBuilder是ArcGIS提供的構造地理處理工作流和腳本的圖形化建模工具，將空間數據及其分析與處理通過流程化結合在一起，具有可視性、快捷性、開放性等特點［15］。數字高程模型（ digital elevation model，DEM） 是地表形態的數字化表達，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，將柵格計算器、重分類和柵格轉面等地理處理工具按照一定的空間分析工作流進行組合，形成一個流程化的DEM計算模型，從而實現水電站汛期動態調度下臨時淹沒區范圍的快速確定。主要操作步驟如下。

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

E回i，j=E初i，j+Lh（2）

式中：E回i，j為柵格加運算后網格Gi，j的回水高程；E初i，j為回水DEM中網格Gi，j的回水高程；Lh為動態輸入值，即水庫抬升高度。

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

Ei，j=E庫i，j-E回i，j（3）

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

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

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

2 實例應用

2.1 巖灘水電站概況

巖灘水電站位于紅水河中游，廣西壯族自治區大化瑤族自治縣境內，是廣西電網的主要調峰電源，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%，在流域發電、供水、航運等方面發揮著重要的作用（圖1）。

巖灘水電站設計正常蓄水位223.00 m，汛期限制水位219.00 m。2004年巖灘水電站首次實施汛期限制水位動態控制方案（219.00～222.50 m），提高了水庫調度水平，增加了電站調度效益。根據水庫防洪調度運用的實際需要啟用正常蓄水位以上庫容，充分發揮水庫防洪減災作用，是水利工程補短板的強有力舉措［20］。結合巖灘水電站汛期水位動態控制成果，查清實施巖灘水電站汛期水位動態控制后可能存在的淹沒風險區，具有良好的社會效益和經濟效益。

2.2 臨時淹沒范圍分析

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

根據巖灘水電站回水計算成果，20 a一遇防洪標準下壩址附近位于223.00 m水位值，其上游水位值已達到251.60 m，可知巖灘水庫的回水壅高為28.60 m。為準確確定臨時淹沒區的范圍，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，具體的實現流程如下。

（1） 選取巖灘水電站紅水河干流20 a一遇防洪標準下（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，統一設置為2 000 m，具體數值可根據實際情況進行調整。

（2） 利用步驟（1）得到的線性內插成果，通過ArcGIS自帶的構建TIN工具生成干流回水面DEM，轉換為柵格后，根據干流流域范圍進行裁剪。

（3） 利用2010年巖灘庫區1∶2 000實測地形圖，通過ArcGIS自帶的構建TIN工具生成整ZYRwjOfwaI/buNuN6qKCvg==個庫區的DEM，轉換為柵格后，根據水庫范圍進行裁剪。

（4） 將步驟（2）和步驟（3）生成的柵格數據作為臨時淹沒計算模型的固定輸入條件，水位變化輸入值默認為0，最終得到在20 a一遇防洪標準下（223.0 m）庫區的臨時淹沒范圍。

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

2.3 結果分析與討論

以巖灘水電站紅水河干流作為研究區，構建了基于Python語言和ArcGIS工具的淹沒范圍計算模型，采用HEC-RAS模擬結果對模型的輸出結果進行驗證，評估模型的精度、時效性和適用性。

2.3.1 結果分析

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

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處的結果進行分析（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模擬結果較為吻合，在主要河道兩者淹沒范圍幾乎重合。

2.3.2 時效性分析

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20 s左右，淹沒范圍的輸出平均耗時8 s（電腦配置為 Intel（R） Core（TM） i7-8565U CPU，8GB內存）。對于同一流域，加密回水成果僅需計算一次保存即可，用于生產回水DEM。因此，模型可在8 s內輸出相應水位的臨時淹沒范圍，能夠支撐動態快速的臨時淹沒分析。

2.3.3 適用性分析

回水DEM和庫區DEM一旦確定，輸入抬升水位高度，模型可在8 s內完成臨時淹沒范圍的輸出，其計算耗時與流域規模關系不大，可以支撐流域臨時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，輸入數據為水位抬升高度，對建模資料的要求遠小于水動力學模型。在極低的建模資料要求下模型完成淹沒范圍模擬，可以為制定臨時淹沒處理方案、抗洪搶險預案、安全轉移預案提供參考?？傮w而言，模型具有計算速度快、操作靈活便捷、依賴資料少、復用性高等特點，適用于水庫調度下臨時淹沒范圍的劃定。同時，在地形起伏平緩的平原區，一般回水壅高值不大，因此模型更適用于山丘區水電站優化調度分析。

3 結 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淹沒范圍的新方法，并將該方法應用于巖灘水電站臨時淹沒范圍確定中。將該方法計算的3處回水斷面下的臨時淹沒范圍，與HEC-RAS模擬結果進行對比，本文所提方法平均總體精度P0達到0.92。且該方法運算速度快、操作便捷、依賴資料少、可復用性高，能實現水庫調度過程中不同水位下臨時淹沒范圍的快速確定。憑借其較低的時間和數據成本，可作為傳統水動力模型的有益補充，可在實際水庫優化調度過程中進行推廣應用。

參考文獻：

［1］ 王莉.不同調度方案下清河水庫壩下河道淹沒損失分析［J］.水利規劃與設計，2021（12）：73-77.

［2］ 張建云，賀瑞敏，齊晶，等.關于中國北方水資源問題的再認識［J］.水科學進展，2013，24（3）：303-310.

［3］ 張士辰，李凱，落全富，等.已建壩正常蓄水位調整論證方法研究［J］.人民長江，2023，54（7）：225-233.

［4］ 葛小平，許有鵬，張琪，等.GIS支持下的洪水淹沒范圍模擬［J］.水科學進展，2002，13（4）：456-460.

［5］ 劉小生，黃秋鋒，趙愛國.適用于Hadoop云平臺的洪水淹沒分析并行算法［J］.人民長江，2019，50（7）：46-53.

［6］ 王曉磊，韓會玲，李洪晶.寧晉泊和大陸澤蓄滯洪區洪水淹沒歷時及洪水風險分析［J］.水電能源科學，2013，31（8）：59-62.

［7］ 王海菁，汪國斌，李德龍，等.基于克里金空間插值法的宜黃縣城超標洪水淹沒及轉移分析［J］.水利規劃與設計，2022（6）：28-31.

［8］ 郝振智，桑國慶，王海軍，等.水文-水動力模型分析山丘區洪水風險［J］.濟南大學學報（自然科學版），2023，37（5）：527-534，544.

［9］ 李雨竹，程磊，程旭，等.基于HEC-RAS模型的城集鎮洪災淹沒分析研究［J］.武漢大學學報（工學版），2023，56（12）：1536-1545.

［10］楊愛玲，宋帥全，王洪昌，等.基于數字高程模型的洪水淹沒分析算法研究與應用［J］.測繪與空間地理信息，2023，46（增1）：44-47.

［11］韓松，張威，王豪，等.燕子河流域洪水演進數值模擬［J］.濟南大學學報（自然科學版），2024，38（1）：68-77.

［12］闕家駿，談娟娟.基于DEM 的水庫下游洪水淹沒演進過程研究［J］.水電能源科學，2024，42（3）：212-215.

［13］洪亮，何宗宜，李世祥，等.一種基于3D GIS的計算水庫淹沒區范圍的算法研究［J］.長江科學院院報，2009，26（9）：85-87.

［14］張宇冉，楊秋蓮，馮媛媛，等.基于ArcGIS Python的Shapefile批量合并方法實現與工具設計［J］.測繪與空間地理信息，2021，44（2）：77-78，82.

［15］湯國安，楊昕.ArcGIS地理信息系統空間分析試驗教程［M］.2版.北京：科學出版社，2012：514-529.

［16］SAKSENA S.Investigating the role of DEM resolution and accuracy on flood inundation mapping［C］∥World Environmental and Water Resources Congress 2015：Floods，Droughts，and Ecosystems.Austin，Texas，USA：American Society of Civil Engineers，2015：2236-2243.

［17］VAZE J，TENG J，SPENCER G.Impact of DEM accuracy and resolution on topographic indices［J］.Environmental Modelling & Software，2010，25（10）：1086-1098.

［18］ARBAB N N，HARTMAN J M，QUISPE J，et al.Implications of different DEMs on watershed runoffs estimations［J］.Journal of Water Resource and Protection，2019，11（4）：448-467.

［19］JUNG Y，MERWADE V.Uncertainty quantification in flood inundation mapping using generalized likelihood uncertainty estimate and sensitivity analysis［J］.Journal of Hydrologic Engineering，2012，17（4）：507-520.

［20］陳垚森，吳佳敏.新階段水庫超蓄臨時淹沒實踐問題及成因分析［J］.水利規劃與設計，2023（11）：136-138.

［21］王述強，呂凱，劉祥林，等.基于HAND的流域洪水淹沒快速分析技術［J］.水文，2024，44（2）：136-138.

［22］YU D，LANE S N.Urban fluvial flood modelling using a two-dimensional diffusion-wave treatment，part 2：development of a sub-grid-scale treatment［J］.Hydrological Processes，2006，20（7）：1567-1583.

（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