一、問(wèn)題的提出

　　小流域壩系是黃土高原溝道治理的基本單元，是由骨干壩、淤地壩、小水庫等溝道工程組合形成的洪水防御體系和生產(chǎn)體系。壩系的形成、發(fā)展和運行是一個(gè)復雜的動(dòng)態(tài)系統過(guò)程，經(jīng)歷壩系的建設、形成直至達到相對穩定等階段，與流域的植被覆蓋度、土地利用、暴雨洪水、水土流失程度和人類(lèi)活動(dòng)密切相關(guān)，壩系的建設也受到政策和投資的控制，影響因素多，關(guān)系復雜且相互制約。目前人們對這一過(guò)程的了解還僅僅限于數字計算，對內部的演變規律和各種因素的影響程度不得而知，對壩系的形成與發(fā)展過(guò)程缺乏形象直觀(guān)的描述，不能適應現階段的生產(chǎn)與科研的要求。

　　計算機仿真模擬技術(shù)是一種高科技手段，它以計算機為工具，將人們根據自己的理解而建立的數學(xué)模型，借助于計算機求解的過(guò)程，預測未來(lái)運行結果。也可以通過(guò)調整模型的參數，比較結果而達到優(yōu)化設計的目的。小流域壩系形成發(fā)展過(guò)程的仿真模擬，就是將壩系工程中的骨干壩作為主要研究對象，建立起集信息采集、數據處理、動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬和優(yōu)化設計為一體的綜合系統，以計算機軟件系統為支撐，以專(zhuān)家系統為技術(shù)支持，對壩系工程的建設、淤積、效益等動(dòng)態(tài)演變過(guò)程進(jìn)行預測模擬，并采用三維直觀(guān)的方式通過(guò)計算機表現出來(lái)。在模擬運行的過(guò)程中，通過(guò)對主要參數指標的不斷調整與修正，獲得壩系工程的建設密度、布局、規模、效益等一系列規劃技術(shù)經(jīng)濟指標，達到優(yōu)化設計的目的。

　　二、系統設計構思

　　1.問(wèn)題定義

　　小流域壩系的形成發(fā)展過(guò)程，主要涉及工程建設、防洪安全和壩地生產(chǎn)等幾個(gè)關(guān)鍵控制因素，在運行中主要反映在兩個(gè)時(shí)間系列上：長(cháng)期運行模擬與次暴雨運行模擬。

　�。�1）小流域壩系長(cháng)期運行仿真模擬

　　壩系中的有些因素是無(wú)法控制或較難控制的，如流域的地形和地質(zhì)條件、流域植被覆蓋度、侵蝕強度等；有些是可以控制的，如壩系工程的布局、建設規模、結構和建設時(shí)序等。當壩系建設實(shí)施后，受洪水泥沙的作用，庫容將隨著(zhù)淤積而逐年減少，壩地面積逐年增加，當達到一定的條件后可投入生產(chǎn)發(fā)揮效益。而伴隨著(zhù)這一過(guò)程，壩系工程的防洪能力也將逐年降低。同時(shí)壩系工程的淤積過(guò)程還受到其在流域內所處的位置、樞紐結構以及流域坡面治理等因素的影響，壩系的長(cháng)期運行仿真即是模擬這一過(guò)程，并通過(guò)模擬過(guò)程中對可控制因素參數的調整，達到優(yōu)化設計的目的。

　�。�2）小流域壩系次暴雨洪水運行仿真模擬

　　黃土高原水文泥沙的主要特征是洪水歷時(shí)短、強度大、洪量小、含沙量大。洪水是造成壩系工程水毀破壞的主要原因。預測壩系工程在運行過(guò)程中某一時(shí)段的狀態(tài)，了解其抵御洪水的能力及一旦發(fā)生水毀可能造成的破壞以及范圍，建立防洪預警，對初期壩系建設方案的規劃或運行過(guò)程中壩系配套改建方案的設計，為壩系工程的加固與改建提供決策依據，具有十分重要的作用。

　　次暴雨洪水運行仿真是長(cháng)期運行仿真模擬序列中某一個(gè)時(shí)段的進(jìn)一步細化模擬。在長(cháng)期仿真的過(guò)程中，可實(shí)時(shí)選擇典型時(shí)段進(jìn)行次暴雨仿真，以消除一些不利因素，使規劃結果更加合理，同時(shí)可適當簡(jiǎn)化系統的復雜程度。

　　2.系統設計

　�。�1）模塊設計

　　仿真模擬系統主要包括以下幾個(gè)計算模塊：

　�、賶蜗倒こ滩季治恢米R別模塊。采用數學(xué)的方式將壩系工程之間存在的相互位置關(guān)系和水沙傳遞規律表現出來(lái)。

　�、诤樗�與泥沙計算模塊。建立小流域內不同頻率洪峰模數、洪量模數、洪水過(guò)程關(guān)系曲線(xiàn)和侵蝕量計算數學(xué)模塊。

　�、塾俜e過(guò)程推算模塊。根據各壩之間的水沙傳遞規律，建立各單壩淤積庫容、壩地面積逐年增加量計算數學(xué)模型。

　�、軌蜗捣篮槟芰τ嬎隳�塊。壩系工程的防洪能力隨著(zhù)時(shí)間的推移而逐年降低，是一個(gè)逐漸衰減的過(guò)程，與工程在壩系中的作用、所處位置以及自身的結構等密切相關(guān)。防洪能力計算應充分考慮以上各種因素，適度考慮坡面治理措施的改變對侵蝕模數和洪水的影響，分別建立沒(méi)有溢洪道和設置有溢洪道兩種壩系運行方式的數學(xué)模型，還應建立工程水毀對下游工程乃至整個(gè)壩系所造成危害程度與影響范圍計算模型。

　�。�2）系統設計

　　壩系運行動(dòng)態(tài)仿真模擬系統是一個(gè)集數據存儲、分析計算、仿真演示和優(yōu)化規劃為一體的綜合系統，通過(guò)專(zhuān)家系統將它們連接在一起。需要特別指出的是，小流域數字地圖將是系統工作的基礎平臺，擬采用“3S”技術(shù)獲取與處理。

　�、贁祿�存儲。采用數據庫的方式，將大量的壩系工程基礎數據（包括數值、圖形等）進(jìn)行存儲，以便于在計算與演示過(guò)程中的調用與交換。

　�、诜治鲇嬎�。分析計算是系統的核心部分，主要解決壩系有關(guān)工程位置識別、洪水泥沙計算、淤積過(guò)程推算和防洪能力計算等。

　�、鄯抡嫜菔�。仿真演示是系統的另一個(gè)重要內容，其功能主要是將分析計算的結果在計算機上采用三維模擬的方式表現出來(lái)，達到直觀(guān)、美觀(guān)、實(shí)用的效果。此部分內容也是系統研究與開(kāi)發(fā)的難點(diǎn)所在。

　�、軆�(yōu)化規劃。計算機的仿真模擬可以多次重復進(jìn)行，有關(guān)參數（如工程的數量、位置、規模、建設時(shí)序等）可以在模擬的過(guò)程中，通過(guò)專(zhuān)家系統對有關(guān)技術(shù)指標的分析研究，不斷地進(jìn)行調整，經(jīng)過(guò)多次反復比較，達到優(yōu)化的目的。

　　現階段采用計算機進(jìn)行數字模擬技術(shù)，多是一種簡(jiǎn)單的模仿。本文提出將“3S”技術(shù)應用作為系統的基礎，建立以治溝骨干工程為主體的壩系數字仿真模擬設計構思，對了解和掌握小流域壩系的運行規律，實(shí)現壩系數字化，具有十分重要的意義。但該設計方案在計算機上如何實(shí)現，應采用什么樣的仿真技術(shù)，還有許多技術(shù)尚待研究和攻關(guān)。