洞庭湖区复杂防洪系统数值模拟模型研究与应用

摘要

洞庭湖是我国第二大淡水湖泊，位于长江中游南岸，是历史上长江中下游遭受洪灾最严重的区域之一。三峡工程建成以后，荆江河段的防洪形势得到了根本性的改善，同时也缓解了洞庭湖区的防洪压力，但洞庭湖区洪源多、各路洪水易发生遭遇的基本格局并未改变。同时，随着自然变迁以及大量围垦造田等人类活动的影响，洞庭湖湖面面积与容积一直处于减小状态，湖盆的萎缩抬高了湖区的同流量水位，增加了洪灾的威胁。面对洞庭湖区的防洪研究的实际需求，构建复杂防洪系统数值模型，科学化、系统化、定量化地分析洞庭湖区的防洪形势，研究洞庭湖区的防洪措施，很有必要也很有意义。
　　 洞庭湖区河道及湖泊覆盖面积大，区内河网纵横交错，汊点密布，江、河、湖互相串通，水流相互顶托，流向往复不定，同时，区内修建了各种防洪工程措施抵御洪水的侵袭，给洞庭湖区的复杂防洪系统的构建增加了难度。为此，本文研究了复杂防洪系统数值模拟的理论方法和模型构建，首次实现了洞庭湖区复杂防洪系统的联合调洪模拟，分析了各防洪措施对洞庭湖区的防洪作用，揭示了洞庭湖区的防洪形势。主要研究内容如下:
　　 (1)分析复杂防洪系统的基本元素，针对各基本元素的水流运动特征，提出了满足河道行洪、蓄洪区分洪、水库蓄洪以及水工建筑物调洪模拟功能的复杂防洪系统数值模型的总体结构。为了能精确反映江、河、湖之间的水流交换以及防洪系统各基本元素对水流运动的影响，根据各基本元素的模拟需求，分别给出了河道、湖泊、分蓄洪区、水库、水工建筑物各部分的基础理论。
　　 (2)针对洞庭湖区的洪水特征，构建了洞庭湖区复杂防洪系统数值模型，模拟范围涵盖长江中下游干流、洞庭湖区、鄱阳湖区、长江中下游40处分蓄洪区、三峡水库以及洞庭湖区以防洪为主的水库群、松滋口闸门以及虎渡河南闸。其中，河网和湖泊分别采用一维和二维水动力模型模拟，并将两者耦合;在处理数量众多的分蓄洪区时，将其概化为具有蓄水功能的小水库，利用闸门控制蓄洪区的启用;水库分布在整个模拟范围的上游，将水库调节后的水流过程作为复杂防洪系统数值模型的上边界输入;系统中水工建筑物主要涉及控制蓄洪区分洪的闸门以及调节水流的控制闸，分蓄洪区控制闸的开启方式，以河道的分洪控制水位为目标，调节水流的闸门则通过设置运行调度规则，实现水流调节。
　　 (3)基于复杂防洪系统数值模型，在不启用分蓄洪区的前提下，模拟了三峡水库运用前、三峡水库按荆江补偿调度、三峡水库按城陵矶补偿调度3种情景下，遇1954年型洪水和1998年型洪水，荆江以及洞庭湖区水位与流量过程，分析了三峡水库对荆江和洞庭湖区的防洪作用。同时，模型通过启用各地区的分蓄洪区，计算了长江中下游地区超额洪量的分布，分析了三峡水库运用后，荆江河段和洞庭湖区的防洪形势。
　　 (4)基于并联水库群联合调度理论，构建了澧水水库群联合调度模型，分析了水库群联合调度对澧水洪水的削峰作用。基于洞庭湖区复杂防洪系统数值模型，模拟了长江洪水经三峡水库调蓄后、澧水洪水经江垭和皂市水库联合调度后，松澧地区各水文站的水位过程，分析了澧水水库群联合调度对松澧地区的防洪作用，通过对比最高水位与保证水位的关系，揭示了在三峡水库、江垭水库、皂市水库的共同作用下，洞庭湖区的防洪形势。
　　 (5)在分析松澧地区洪水组成及遭遇的基础上，研究了在不增加荆江防洪压力的前提下，松滋口闸门的错峰调度方式，基于洞庭湖区复杂防洪系统数值模型，分析松滋闸的错峰调度效果。通过对比长江洪水经三峡水库调蓄后、澧水洪江经江垭和皂市水库联合调度后，松滋闸错峰调度前后洞庭湖区和荆江河段最高水位的变化，分析松滋闸错峰调度对洞庭湖区的防洪作用以及对荆江河段的防洪影响。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状及进展

1．2．1 河网、湖泊和分蓄洪区模拟研究进展

1．2．2 水库防洪调度研究进展

1．2．3 洞庭湖区防洪研究进展及存在的问题

1．3 研究内容与技术路线

第二章 复杂防洪系统数值模型理论基础与总体结构

2．1 复杂防洪系统基本元素

2．2 复杂防洪系统模拟理论基础

2．2．1 河网和湖泊模拟理论

2．2．2 分蓄洪区模拟理论

2．2．3 水库调度理论

2．2．4 水工建筑物模拟理论

2．3 复杂防洪系统数值模型总体结构

2．4 小结

第三章 洞庭湖区复杂防洪系统数值模型

3．1 研究区概况

3．1．1 地理概况

3．1．2 水系概况

3．1．3 气象概况

3．2 洞庭湖区洪水特性分析

3．2．1 入湖洪水组成分析

3．2．2 洪水遭遇分析

3．2．3 洪水特性分析总结

3．3 洞庭湖区复杂防洪系统构建

3．3．1 河道与湖泊子系统构建

3．3．2 分蓄洪区子系统构建

3．3．3 水库群子系统构建

3．3．4 水工建筑物子系统构建

3．3．5 边界条件与区间径流的处理

3．4 模型参数率定与验证

3．4．1 糙率率定

3．4．2 模型验证

3．5 洞庭湖区复杂防洪系统防洪效果研究思路

3．6 小结

第四章 三峡水库对洞庭湖区的防洪作用分析

4．1 研究思路

4．2 三峡水库对荆江河段的防洪作用分析

4．2．1 三峡水库防洪调度模拟

4．2．2 三峡水库对荆江河段的防洪作用分析

4．3 三峡水库对洞庭潮区的防洪作用分析

4．3．1 三峡水库运用后三口分流量变化分析

4．3．2 三峡水库运用后洞庭湖区最高水位变化分析

4．4 三峡水库运用后长江中下游超额洪量分析

4．4．1 遇1954年洪水长江中下游超额洪量分析

4．4．3 遇1998年洪水长江中下游超额洪量分析

4．5 小结

第五章 澧水水库群联合调度对洞庭湖区的防洪作用分析

5．1 研究思路

5．2 澧水水库群联合防洪调度模型

5．2．1 澧水流域与水库群概况

5．2．1 并联水库群联合调度模型

5．2．2 河道洪水演进模型

5．3 澧水水库群联合调度对松澧地区的防洪作用分析

5．3．1 对澧水洪峰流量的削减作用分析

5．3．2 对松澧地区的防洪作用分析

5．4 三峡、江垭和皂市水库共同作用下洞庭湖区的防洪形势

5．5 小结

第六章 松滋河疏浚建闸对洞庭湖区的防洪作用分析

6．1 研究思路

6．2 松澧地区洪水特性分析

6．2．1 松澧地区概况

6．2．2 松澧地区洪水组成

6．2．3 松澧地区洪水遭遇

6．3 松滋口闸门防洪调度方式研究

6．3．1 松滋口建闸的防洪目的

6．3．2 松澧地区错峰调度控制流量研究

6．3．3 闸门设计过流量分析

6．3．4 松滋闸的运行调度方式

6．4 松滋河疏浚建闸对松澧地区及湖区的防洪作用分析

6．4．1 1954年典型年结果分析

6．4．2 1983年典型年结果分析

6．4．3 1998年典型年结果分析

6．4．4 2003年典型年结果分析

6．4 松滋河疏浚建闸对荆江河段防洪的影响

6．5 小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究内容与成果

7．2 主要创新点

7．3 研究不足与未来展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢