阅读说明：本技术 一种施工期防洪度汛应急系统及其预警方法 (flood control and flood fighting emergency system in construction period and early warning method thereof ) 是由 望建成 范国福 赵乔 范正行 宋雄 叶绪纲 龚兰强 李悦 于 2019-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种施工期防洪度汛应急系统,该系统包括有：基本资料采集模块：用于采集防洪度汛计算所需的基本资料,包括暴雨洪水资料、设计洪水成果、工程特性、导流方案；调洪计算模块：用于根据基本资料计算上游水库的导流流量；洪水影响分析模块：用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量计算；小流域暴雨洪水预警模块：用于暴雨预警和洪水预警；决策支持和预警模块：用于预警信息的发布、查询。提高了对于围堰的度汛风险检测、预警和事故发生后损失量的估算的准确性,以及应对事故发生的应急决策。(The invention discloses a flood control and flood fighting emergency system in a construction period, which comprises: basic data acquisition module: the system is used for collecting basic data required by flood control and flood fighting calculation, and comprises rainstorm flood data, design flood results, engineering characteristics and a diversion scheme; flood regulation calculation module: the system is used for calculating the diversion flow of the upstream reservoir according to the basic data; flood influence analysis module: the system is used for real-time flow calculation, weir front water level calculation, backwater calculation, weir collapse calculation and electric quantity calculation; the small watershed rainstorm flood early warning module: the method is used for rainstorm early warning and flood early warning; a decision support and early warning module: the method is used for issuing and inquiring the early warning information. The accuracy of flood risk detection and early warning of the cofferdam and estimation of loss after an accident occurs is improved, and emergency decision of the accident occurrence is taken.)

一种施工期防洪度汛应急系统及其预警方法

技术领域

本发明涉及一种施工期防洪度汛应急系统及其预警方法，特别是一种受上游梯级水库影响的施工期防洪度汛应急系统及其预警方法。

背景技术

围堰是指在水电工程建设中，为建造永久性水电设施，修建的临时性围护结构。其作用是防止水和土进入建筑物的修建位置，以便在围堰内排水，开挖基坑，修筑建筑物。一般主要用于水工建筑中，除作为正式建筑物的一部分外，围堰一般在用完后拆除。

在桥梁基础施工中，当桥梁墩、台基础位于地表水位以下时，根据当地材料修筑成各种形式的土堰；在水较深且流速较大的河流可采用木板桩或钢板桩(单层或双层)围堰，目前多使用双层薄壁钢围堰。围堰的作用既可以防水、围水，又可以支撑基坑的坑壁。

水电工程施工度汛贯穿水电工程建设的全过程，施工期度汛系统的安全运行对工程的投资、管理，以及人员和设备的安全等有重大影响。梯级水电工程施工度汛水文条件直接受上游运行水库的控制，如何利用其防洪库容来减少下游在建工程施工期洪水流量，减少导流、度汛的风险，降低施工难度，节约工程量等问题就成为确保电站施工期安全所亟待解决和值得研究的重要内容。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种施工期防洪度汛应急系统及其预警方法。能够解决现有技术的不足，提高了对于围堰的度汛风险检测、预警和事故发生后损失量的估算的准确性，以及应对事故发生的应急决策。为施工企业和业主提供有效的、可靠的施工期防洪度汛信息，在工程施工期选择可靠的防洪度汛措施，避免洪水灾害损失，并为提前做好应急预案提供决策、支持信息；对梯级水电站施工度汛提出标准化、程式化、系统化的解决方案。

本发明的技术方案：一种施工期防洪度汛应急系统，该系统包括有：基本资料采集模块：用于采集防洪度汛计算所需的基本资料，包括暴雨洪水资料、设计洪水成果、工程特性、导流方案；调洪计算模块：用于根据基本资料计算上游水库的导流流量；洪水影响分析模块：用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量计算；小流域暴雨洪水预警模块：用于暴雨预警和洪水预警；决策支持和预警模块：用于预警信息的发布、查询。

一种施工期防洪度汛应急系统的预警方法，包括有以下步骤：

A.基本资料采集模块采集防洪度汛计算所需的基本资料，建立基本资料数据库；

B.调洪计算模块根据上游洪水水位流量数据和上游工程的基本特性计算出上游工程的下泄流量和水位；

C.小流域暴雨洪水预警模块对暴雨和洪水进行预测与预警，得到上游水库到围堰断面入流过程；

D.洪水影响分析模块用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量损失计算；

E.决策支持与预警模块用于对不同应急方案进行优选以及预警信息的发布、查询和计算事故发生后的损失；

其中步骤B计算得出的上游工程出流过程经河道演进计算得出围堰断面处的流量过程，叠加步骤C采集得到的区间入流过程即得到围堰处的实际流量过程，经围堰处的调洪计算得出堰前水位，比较计算堰前水位与预警水位，若计算得出的堰前水位大于预警水位阈值，则启动预警应急措施，分别通过回水计算、溃堰计算和电量损失计算，计算出各应急方案带来的损失。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤A中，基本资料数据库包括：上游水库工程泄流曲线、上游水库水位库容曲线z＝f(V)、起调水位z₀、流域特征参数、各断面要素、断面间距ΔL、围堰设计水位Z_{围堰.设计}、上游水库及上游水库至围堰区间洪水资料。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤A中，流域特征参数包括面积F、河长L和比降J。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤B中，通过调洪计算出上游水库工程的下泄流量q{q₁,q₂,…q_n}及水位z{z₁,z₂,…z_n}；

其中，q₁、q₂——时段初、时段末的出库流量；

Q₁、Q₂——时段初、时段末的入库流量；

V₁、V₂——时段初、时段末的水库库容；

Δt——时段，取Δt＝1小时；

Z——上游洪水水位；

q＝f(Z)——为上游洪水水位与泄量的关系。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤C中，通过试算法和小流域汇流公式计算洪峰流量，经洪水过程线概化后得出区间入流过程小流域洪峰Q；

其中，

式中：R_τ为相应于τ时段的最大净雨，单位mm；F流域面积，单位km²；τ流域汇流时间，单位h；L沿主河从出口断面至分水岭的最长距离，单位km；J为沿流程L的坡面和主河道的平均比降；m为汇流参数。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤D中，其中实时流量计算，经步骤B中得到的上游水库出流过程q{q₁,q₂,…q_n}，通过河道演进计算得出上游出流过程到达围堰断面处的流量过程q_{上游.围堰1}{q_{上游.围堰1}，q_{上游.围堰2}，…，q_{上游.围堰n}}，围堰处的实际流量过程q_围堰{q_{上游.围堰1}+q_区1，q_{上游.围堰2}+q_区2，…，q_{上游.围堰n}+q_区n}；根据堰前流量过程结合围堰导流设施下泄曲线调洪计算得出围堰处最高水位z_围堰；通过比较围堰处最高水位z_围堰和围堰设计水位Z_{围堰.设计}，若z_围堰≤Z_{围堰.设计}则继续关注下一时段，否则调用回水计算、溃堰计算、电量损失计算及调洪和河道演进计算不同方案下的直接经济损失和间接经济损失J；

其中回水计算通过试算法，从围堰处往上算到上游水库，计算公式采用伯努利方程；

其中溃堰计算采用溃堰经验公式计算，溃堰洪峰计算公式溃堰处最大洪峰流量计算公式Q_max＝Q_m+Q₀，溃堰下游断面处最大流量计算公式其中Q_LM为当溃堰最大流量演进至距堰L处时，在该处出现的最大流量，单位m³/s；L为下游工程区距堰的距离，单位m；v为河段洪水期的最大平均流速，一般山区河道，3.0～5.0m/s，半山区取2.0～3.0m/s，平原区取1.0～2.0m/s；k₂为经验系数，山区k₂＝1.1～1.5，半山区k₂＝1.0，平原区k₂＝0.8～0.9；vk₂山区河道取7.15，半山区取4.76，平原取3.13。

前述的施工期防洪度汛应急系统的预警方法，所述步骤E中，根据步骤D计算的不同方案组合的经济损失比选，得到经济损失最小的最优方案，同时将应急决策方案发布。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的的预案系统中通过设置有基本资料采集模块、调洪计算模块、洪水影响分析模块、小流域暴雨洪水预警模块以及决策支持和预警模块，通过基本资料采集模块采集防洪度汛计算所需的基本资料，建立基本资料数据库，调洪计算模块根据上游洪水水位流量数据和上游工程的基本特性计算出上游工程的下泄流量和水位，小流域暴雨洪水预警模块对暴雨和洪水进行预测与预警，得到上游水库到围堰断面入流过程，洪水影响分析模块用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量损失计算，决策支持与预警模块用于对不同应急方案进行优选以及预警信息的发布、查询和计算事故发生后的损失。通过以上各个模块的相互协同作用，提高了对于围堰的度汛风险检测、预警和事故发生后损失量的估算的准确性，以及应对事故发生的应急决策。为施工企业和业主提供有效的、可靠的施工期防洪度汛信息，在工程施工期选择可靠的防洪度汛措施，避免洪水灾害损失，并为提前做好应急预案提供决策、支持信息；对梯级水电站施工度汛提出标准化、程式化、系统化的解决方案。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明的实施例：一种施工期防洪度汛应急系统，该系统包括有：基本资料采集模块：用于采集防洪度汛计算所需的基本资料，包括暴雨洪水资料、设计洪水成果、工程特性、导流方案；调洪计算模块：用于根据基本资料计算上游水库的导流流量；洪水影响分析模块：用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量计算；小流域暴雨洪水预警模块：用于暴雨预警和洪水预警；决策支持和预警模块：用于预警信息的发布、查询。

一种施工期防洪度汛应急系统的预警方法，包括有以下步骤：

A.基本资料采集模块采集防洪度汛计算所需的基本资料，建立基本资料数据库；

B.调洪计算模块根据上游洪水水位流量数据和上游工程的基本特性计算出上游工程的下泄流量和水位；

C.小流域暴雨洪水预警模块对暴雨和洪水进行预测与预警，得到上游水库到围堰断面入流过程；

D.洪水影响分析模块用于实时流量计算、堰前水位计算、回水计算、溃堰计算及电量损失计算；

E.决策支持与预警模块用于对不同应急方案进行优选以及预警信息的发布、查询和计算事故发生后的损失；

其中步骤B计算得出的上游工程出流过程经河道演进计算得出围堰断面处的流量过程，叠加步骤C采集得到的区间入流过程即得到围堰处的实际流量过程，经围堰处的调洪计算得出堰前水位，比较计算堰前水位与预警水位，若计算得出的堰前水位大于预警水位阈值，则启动预警应急措施，分别通过回水计算、溃堰计算和电量损失计算，计算出各应急方案带来的损失。

步骤A中，基本资料数据库包括：上游水库工程泄流曲线、上游水库水位库容曲线z＝f(V)、起调水位z₀、流域特征参数、各断面要素、断面间距ΔL、围堰设计水位Z_{围堰.设计}、上游水库及上游水库至围堰区间洪水资料。流域特征参数包括面积F、河长L和比降J。

步骤B中，通过调洪计算出上游水库工程的下泄流量q{q₁,q₂,…q_n}及水位z{z₁,z₂,…z_n}；

其中，q₁、q₂——时段初、时段末的出库流量；

Q₁、Q₂——时段初、时段末的入库流量；

V₁、V₂——时段初、时段末的水库库容；

Δt——时段，取Δt＝1小时；

Z——上游洪水水位；

q＝f(Z)——为上游洪水水位与泄量的关系。

步骤C中，通过试算法和小流域汇流公式计算洪峰流量，经洪水过程线概化后得出区间入流过程小流域洪峰Q；

其中，

式中：R_τ为相应于τ时段的最大净雨，单位mm；F流域面积，单位km²；τ流域汇流时间，单位h；L沿主河从出口断面至分水岭的最长距离，单位km；J为沿流程L的坡面和主河道的平均比降；m为汇流参数。

步骤D中，其中实时流量计算，经步骤B中得到的上游水库出流过程q{q₁,q₂,…q_n}，通过河道演进计算得出上游出流过程到达围堰断面处的流量过程q_{上游.围堰1}{q_{上游.围堰1}，q_{上游.围堰2}，…，q_{上游.围堰n}}，围堰处的实际流量过程q_围堰{q_{上游.围堰1}+q_区1，q_{上游.围堰2}+q_区2，…，q_{上游.围堰n}+q_区n}；根据堰前流量过程结合围堰导流设施下泄曲线调洪计算得出围堰处最高水位z_围堰；通过比较围堰处最高水位z_围堰和围堰设计水位Z_{围堰.设计}，若z_围堰≤Z_{围堰.设计}则继续关注下一时段，否则调用回水计算、溃堰计算、电量损失计算及调洪和河道演进计算不同方案下的直接经济损失和间接经济损失J，从而启用应急预案。

由用户制定应急预案或者系统自己选择，其中应急方案包括：加高围堰、上游水库帮忙、拆除部分围堰和溃堰四种方案或四种方案的不同组合。其中：加高围堰方案，以0.5m为单位步长，单位步长产生的费用为m，系统计算加高n个单位步长后的回水淹没上游的高度h，上游平均单位淹没深度产生的费用m_淹。则加高n个单位步长后产生的费用总和J＝m*n+h*m_淹。

上游水库帮忙方案，通过控制上游水库的下泄流量达到控制围堰处水位的目的。拟定上游水库下泄(削峰)流量Q{Q1，Q2，…,Qn}，查上游水库水位流量关系曲线q＝f(Z)，得到上游水库洪水前控制水位H{H₁，H₂，…,H_n},调用小流域暴雨洪水计算模块和实时流量计算模块，得到堰前水位Y{Y₁，Y₂，…,Y_n}，调用回水计算模块，计算上游回水淹没损失M{M₁，M₂,…,M_n}.同时调用电量计算模块计算正常情况下调度时段的发电收益W和调度时段内的发电收益W'{W₁，W₂，…,W_n}。计算由于调度产生的收益亏损ΔW＝W-W'。计算上游水库帮忙产生的总费用W_Q{M₁+W₁，M₂+W₂，…,M_n+W_n}。

拆除围堰方案，通过拆除部分围堰或全部拆除降低堰前水位，计算围堰拆除、重建及工期延长等产生的费用W_拆。

溃堰方案，根据溃堰公式计算溃堰流量、溃堰水位和溃堰时间，计算工程区溃堰下游经济损失W_溃。

其中回水计算通过试算法，从围堰处往上算到上游水库，计算公式采用伯努利方程；

其中溃堰计算采用溃堰经验公式计算，溃堰洪峰计算公式溃堰处最大洪峰流量计算公式Q_max＝Q_m+Q₀，溃堰下游断面处最大流量计算公式其中Q_LM为当溃堰最大流量演进至距堰L处时，在该处出现的最大流量，单位m³/s；L为下游工程区距堰的距离，单位m；v为河段洪水期的最大平均流速，一般山区河道，3.0～5.0m/s，半山区取2.0～3.0m/s，平原区取1.0～2.0m/s；k₂为经验系数，山区k₂＝1.1～1.5，半山区k₂＝1.0，平原区k₂＝0.8～0.9；vk₂山区河道取7.15，半山区取4.76，平原取3.13。

步骤E中，根据步骤D计算的不同方案组合的经济损失比选，得到经济损失最小的最优方案，同时将应急决策方案发布。