基于数字高程模型的长白山天池溃湖洪水数值模拟

摘要

火山灾害破坏力大、波及范围广、影响时间长、损失严重，是一种重大自然灾害。历史上，长白山天池火山曾经多次喷发，目前的监测数据也表明火山锥体还在发生着形变，岩浆还处于活动状态。天池火山于1199～1200年发生的喷发被称为全球近2000年来最大喷发之一。近年来，随着人们防灾减灾意识的增强，天池火山地区的防灾减灾工作被提上日程。其中蓄水量巨大的火山湖是长白山天池地区防灾工作需要考虑的重要因素，一旦喷发，火山湖瞬间发生溃决，洪水将直接威胁到下游二道白河地区数十万人的生命财产安全。
　　本文借助于吉林省地震局和中国海洋大学城市与工程管理信息化实验室合力完成的“长白山天池火山防灾专项规划”项目，根据本人在项目中承担完成的“长白山天池火山三大流体灾害的数值模拟”工作，选取洪水灾害作为论文的主要分析对象，研究过程及成果如下:
　　(1)以天池周围矢量等高线和高程控制点为数据源，经ArcGIS的三维分析工具转化为研究区的DEM（数字高程模型），由3ds Max软件建模并转化为STL格式的三维地形文件，通过FLOW3D软件的修改，最终获得了FLOW3D软件可识别的无缺陷STL三维地形图档。
　　(2)利用成熟的溃坝水流坝址处最大流量计算方法和典型的流量过程线四次拟合曲线，结合天池的实际数据，做出了天池的圆台模型假设，由此构建了天池的溃坝模型，计算出了FLOW3D流体模拟所需的流量数据;
　　(3)依据天池STL地形文件，在FLOW3D中建立了研究区地形的结构化网格模型，根据收集到的实际地理数据，确定了本次模拟所需的模型参数、边界条件和初始条件。依据工况Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的初始条件，依次进行了模拟计算。其中工况Ⅰ为天池湖水水位上涨0.159km，湖水全部泄出;工况Ⅱ为湖水水位上涨0.086km，1/2湖水泄出;工况Ⅲ为湖水水位上涨0.046km，1/4湖水泄出，最后得到了对本文结果有重要价值的数千张图档。
　　(4)选取了软件输出的洪水速度和水深两类数据资料，从每类数据资料的三种工况条件下等时间间隔各自取到了102幅图档。将所有图档经ArcMap合成并绘制出了三种工况下洪水最大速度和最大水深的分布图，经行政区划和居民点、主要河流、天池周边其他水系等地物叠加后，由ArcMap共计输出6幅洪水灾害范围分布图，并对对三种工况下的淹没特征进行了分析，最后得到了如下分析结果:
　　①工况Ⅰ发生后，洪水水头的最大速度超过了25m/s，瞬间最大水深达到了20m以上;10分钟后，洪水越过二道白河河道进入三道白河淹没了黄松浦林场，整个淹没区呈“扇形”分布;45分钟后，洪水到达二道白河镇附近以5～10m/s（部分地区达到10～15m/s）的速度越过长白山自然保护局、二道村、铁北村、红丰村、长胜村、头道白河村、白河岗村、水田村等，最大淹没水深在1～3m之间，并与三道白河的洪水再次交汇，以5m/s以下的速度淹没了三道白河和四道白河之间的向阳村、四合村，淹没水深小于1m。
　　②工况Ⅱ发生后，瞬时最大流速达到了20m/s以上，最大水深在20m左右;1小时15分钟后，洪水开始进入二道白河镇，长白山自然保护局、二道村、宝马村、铁北村部分区域被淹没，周边流速为5～10m/s，水深分布在1～3m，淹没区域多为靠近二道白河河道2～3km的范围。1.5个小时前后洪水越过长胜村、水田村、头道白河村和白河岗村，流速在5m/s以下，二道白河以西2～6km的地区水深在1m以下，包括红丰村在内的二道白河和三道白河之间的区域水深在1～3m之间。
　　③工况Ⅲ发生后，洪水瞬间最大速度达到20m/s以上，最大水深在15m以上。20～30分钟后，洪水向下游蔓延形成向东北方向偏移的小规模扇形区域，并冲出二道白河河道，向东越过三道白河不超过3km，流速不超过5m/s，受沟谷影响出现最大深度为3～5m的积水;1.5～2小时后，洪水再次向东越过二道白河河道进而淹没了红丰村的大部分地区后进入三道白河河道，洪水流速降为5m/s以下，水深分布在1m左右。
　　(5)依据吉林省水利厅提供的防洪工程图及相关水库数据，结合三种工况下的洪水分布图和对应的洪水淹没特征，提出了若干溃湖洪水的防灾防护建议。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水淹没问题的研究现状

1．2．2 溃坝水力计算的研究现状

1．2．3 长白山天池火山流体灾害特征的研究现状

1．3 研究内容及研究思路

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

2 长白山天池火山概况

2．1 长白山天池火山研究区基础地理数据

2．2 本章小结

3 长白山天池火山研究区数字高程模型的构建

3．1 基于ArcGIS的研究区基本地形数据处理

3．1．1 基于ArcMap的研究区DEM的生成

3．1．2 基于ArcScene的研究区三维场景生成

3．2 研究区STL数字高程地形图的生成

3．2．1 STL地形文件的创建

3．2．2 STL地形文件的修复

3．3 本章小结

4 天池洪水灾害的数值模拟

4．1 溃坝水流的水力计算

4．1．1 溃坝水力计算的条件

4．1．2 溃坝水流运动的控制方程

4．1．3 溃坝水流坝址处最大流量的计算依据

4．1．4 溃坝水流坝址流量过程线的确定

4．2 天池的溃坝模型

4．2．1 天池圆台模型假设

4．2．2 天池溃口处流量过程线的确定

4．3 基于Flow 3D的溃湖洪水演进数值模拟

4．3．1 FLOW 3D的建模理论

4．3．2 基于FLOW 3D的研究区地形网格建模

4．3．3 物理模型参数及初始条件确定

4．3．4 模型结果的输出——以工矿Ⅰ为例

4．3．5 其他工况下的模拟结果输出

4．4 本章小结

5 天池火山湖溃湖洪水灾害分布图及防灾防护对策

5．1 溃湖洪水灾害范围分布及分析

5．1．1 工况Ⅰ的洪水灾害范围分布及淹没情况分析

5．1．2 工况Ⅱ的洪水灾害范围分布及淹没情况分析

5．1．3 工况Ⅲ的洪水灾害范围分布及淹没情况分析

5．2 溃湖洪水防灾防护建议

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究成果及结论

6．2 工作展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果