基于三维优化模型的水库库容预测与洪水淹没模拟研究

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水库是我国防洪广泛采用的工程措施之一,它在调节区域地表径流量、陆地水循环中发挥着重要作用,我国已有水库的历史比较悠久,受到当时技术、经济和环境等条件的限制,这些水库和堤防工程不同程度上存在一定安全隐患,如果满库容运行有一定风险。因此,在汛期特别是沿海的台风暴雨季节,会涉及开闸泄洪及下游淹没风险的问题。所以,在暴雨季节能有效预测水库的库容变化情况以及泄洪引起的潜在洪水灾害影响范围就特别重要,是防灾减灾决策重要理论依据。本论文以中国福建泉州市的山美水库为研究对象,提出一种基于改进的三维梯形Tank模型的水库库容预测模型,能够根据降雨情况快速预测未来的水库库容。通过在台风暴雨季节期间进行现场验证,该模型表现出较好的效果。接下来,应用HEC-RAS建立了水库泄洪演进模型,对不同超标洪水泄洪制定的工况进行模拟,分析洪水在演进过程中的特性及其对上游水库、下游沿岸建筑设施及下游城市乡镇的淹没影响。最终在洪水淹没信息的基础上,估算研究区洪灾生命财产损失情况。本文的主要研究内容如下:(1)发展了概化的梯形Tank模型,结合研究对象的水文特征和地形特征对梯形Tank模型进行优化与改进,最终提出了针对大型水库的三维不规则水箱预测模型,从而得出一种简单、快速、低成本的水库库容受降雨影响变化的预测方法。实际案例表明了该模型的可行性。改进后三维模型比梯形Tank模型的预测准确度提高2.6%-13.45%。(2)从初始工作设置、水库特性设置、坝体及泄洪口参数设置、糙率设定、计算地形生成、边界条件及初始条件设置等7个方面构建HEC-RAS二维模型,完成20年一遇、50年一遇、100年一遇三种工况的洪水演进过程模拟,得到下游各位置准确的水情数据。结果表明:二十年一遇的洪水最大淹没水深为22米,洪水最大流速为17.8m/s,淹没面积为20.91km~2,淹没20个村庄;五十年一遇的最大淹没水深为24米,洪水最大流速为21.517.8m/s,淹没面积为24.11km~2,淹没30个村庄;一百年一遇的最大淹没水深为25米,洪水最大流速为22.8m/s,淹没面积为27.38km~2,淹没34个村庄。(3)利用HEC-RAS模型获取洪水淹没结果,确定不同风险等级区域。然后,通过选取山美水库洪灾生命财产损失的主要影响因素(风险人口、洪水严重性、警报时间和风险人口对溃坝严重性的理解程度)和次要影响因素(风险人口组成、溃坝发生时间、距坝距离、大坝高度、水库库容、下游地形、溃坝发生时间),确定这些因素对死亡率的危害程度。制定符合该地区实际情况的洪灾生命财产损失的计算方法。结果表明:该地区发生二十年一遇洪灾生命损失为8659人,五十年一遇洪灾生命损失为9763人,一百年一遇的洪灾生命损失为10662。
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