季节性河道渗漏对洪水演进影响效应研究

摘要

洪水灾害是我国甚至全球发生次数最频繁、影响程度最严重的自然灾害之一。探究洪水演进数学模型是防治洪涝灾害保障系统理论的关键构成与重要的分析手段。当前对于洪水演进模型的相关研究中，将河流渗漏损失影响纳入模型中的研究不多。鉴于中国北方干旱或半干旱地域的河流大部分均为季节性的河流，汛前期河床常常出现干枯断流现象，行洪期沿程河床洪流呈现暴涨暴落特征，且渗漏损失量比较大，汛期河道渗漏直接影响了行洪流量与行洪过程。因此，季节性河道渗漏规律、渗漏损失量的计算及其对洪水运动过程影响探究成为关键。研究成果对于干旱或半干旱区域河流洪水预报、防洪抗灾以及水资源综合利用将具有重要的科学意义和应用价值。
　　首先，以季节性河流大沽河流域上、中、下游3处代表性河道野外垂向入渗试验数据为基础，利用Matlab软件对Horton模型、Kostiakov模型与Philip模型3种入渗模型应用，求得模型入渗参数，分别对数据拟合分析，并评价了各模型的适宜性。其次，以流体力学相关原理为基础，对河道洪水演进的基本数学方程进行分析，构建耦合渗漏损失项的季节性河道洪水演进数学模型，并数值离散求解，给出定解条件等。再其次，利用FORTRAN语言开发一套耦合渗漏项的洪水演进方程组计算程序。最后，利用实例资料验证所建模型的可靠性与有限性。通过上述对数据拟合分析、模型构造以及程序研究开发与验证，得到了以下几点结论：
　　（1）随着季节性大沽河河道上、中、下游沙样的孔隙度、粒径、渗漏系数依次减小，干容重依次增大，河床稳定入渗率依次减小，分别约为0.0066 cm/s，0.0041 cm/s，0.0025 cm/s。3处代表性河床垂直入渗速率曲线的拟合结果显示，利用Matlab软件中Isqcurvefit函数适用于求得入渗模型参数；Horton模型与Kostiakov模型对上、中、下游河床垂直入渗过程拟合效果较好，Philip模型的拟合效果较差。其中， Horton模型的拟合系数最高，并且模型入渗参数具有一定的物理意义，适合描述季节性河床入渗进程。
　　（2）以流体力学相关原理为基础，对河道洪水演进数学基本方程进行探析，构建了耦合渗漏项的季节性河道洪水演进数学模型，并详细介绍了Preissmann四点偏心隐格式离散考虑渗漏项的连续性方程和运动方程，追赶法数值求解的计算过程，且分别讨论了初始条件和内外边界条件具体给定方法，从整个结果来看数值求解与边界给定的方法行之有效。
　　（3）在野外垂向渗漏试验研究和考虑渗漏项的洪水演进方程离散求解理论分析过程基础上，利用FORTRAN语言与编译器开发编写了一套考虑渗漏项的洪水演进方程计算程序。从运行结果上来看，运行速度较快，其输出结果可信度较高。
　　（4）利用大沽河实例资料验证结果显示，耦合渗漏项的洪水演进数学模型计算结果与实测资料吻合程度较好，表明了耦合模型相关参数的选取基本符合实际情况，将河床渗漏损失耦合到圣维南方程组之中输出效果良好，应用该模型系统进行季节性河道洪水演进模拟预报是合理和有效的。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究的总体思路

1.4 本次研究的特色与创新之处

第2章 季节性河床非饱和入渗模型研究

2.1 试验点概况

2.2 入渗模型拟合与结果分析

2.3 本章小结

第3章 耦合渗漏项的洪水演进模型建立与数值分析

3.1 耦合渗漏项的洪水演进方程组

3.2 方程组数值计算

3.3 定解条件

3.4 本章小结

第4章 耦合渗漏项的圣维南方程组计算程序开发

4.1 FORTRAN语言简介

4.2 计算程序开发

4.3 本章小结

第5章 耦合渗漏项的洪水演进模型验证

5.1 大沽河流域调水资料

5.2 模型概况

5.3 验证结果与分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢