考虑下渗影响小流域溃漫堤洪水精细化模拟研究及应用

摘要

随着极端天气愈发频繁，短历时强降雨逐渐增多，对山洪沟行洪能力造成极大考验，使得堤防溃堤风险加大。在防洪工程措施中，堤防发挥着关键作用，一旦发生溃决，溃堤洪水形成的溃堤波，因其流速较大，传播速度快，具有强大的破坏性，对两岸人民生命财产安全带来巨大威胁。文中综合小流域分布式水文模型与多维耦联水动力模型，在考虑洪水淹没区下渗影响下，对小流域暴雨溃漫堤洪水进行精细化模拟分析。本文主要内容和结论如下： 论文研究了溃漫堤洪水多维耦联精细化模拟基本方法。首先基于连续方程和运动方程原理，采用 Abbott 六点隐式有限差分法，建立河道一维水动力洪水演进模型；同时基于二维圣维南方程组，创建淹没区二维水动力模型；在堤防溃决处，采用圣维南方程与VOF法的标准K-ε双方程原理，依据PISO算法建立溃口三维精细化模型。通过二、三维过渡段将溃口三维模型与淹没区二维水动力模型耦合连接，由此对溃堤分流洪水进行模拟；在河道洪水漫溢处，采用一、二维水动力耦合模型对其进行模拟分析。为充分反映淹没区地形，将线状构筑物作为内边界条件与网格边界进行精准耦联；并采用饱和下渗理论公式，研究淹没区渗漏对溃堤洪水演进过程的影响。 基于流域分布式水文模型原理，研究了分布式水文模型模拟方法。根据遥感影像提取DEM高程数据，采用Arc GIS水文分析模块对研究流域进行划分，提取流域属性参数；并对各子流域与河段进行排序，构建汝箕沟流域分布式水文模型，并计算流域产汇流过程。 最后基于以上研究内容，建立汝箕沟汇流区域分布式水文模型及考虑下游防洪保护区下渗影响的溃漫堤洪水多维耦联模型。选取实测典型降雨洪水资料和典型算例对流域产汇流模型和溃漫堤多维洪水精细化耦联模型进行验证。对考虑和未考虑下渗影响两种工况的洪水淹没情况进行模拟，并对计算结果进行对比分析。结果表明下渗对溃漫堤洪水演进过程和淹没面积影响较大。因此，本文所建模型在小流域的溃漫堤洪水风险计算中具有较好的适用性，而且本模型计算简便、土壤下渗参数确定简单，具有较高的模拟精度。该模型也为类似干旱半干旱地区溃漫堤洪水预警预报和洪水风险分析提供了重要的参考依据及推广应用价值。

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