变化环境对洪水影响及流域防洪预警研究

发布时间：2018-04-02 18:08

本文选题：变化环境　切入点：洪水　出处：《大连理工大学》2016年博士论文

【摘要】：洪水的防范与管理一直以来都是我国乃至世界各地关注与讨论的焦点,也是难点,在人类活动的大背景下,变化环境成为了影响洪水发生与变化的首要原因之一。通过全面分析洪水发生环境的变化、了解变化环境与洪水之间的影响关系、提高降雨洪水预报预测技术、科学评价流域防洪等研究,可以全面提高人们对于洪水及其风险的预判,从而尽早采取相应的防洪预警措施来应对。但在变化的环境中通过科学的预测预报方法合理规避洪水风险并照顾到受灾体的方方面面是一个复杂且庞大的系统性问题。针对这些问题,本文以我国东北地区水资源丰富的第二松花江丰满水库以上流域为目标,综合分析了流域环境的变化情况及其对洪水的影响；基于可变集理论构建了流域洪涝易损性评价方法与指标体系,评估了流域在面临洪水时的易损性；研究提出了有一定弹性空间的集合区间降雨预报方法,并将区间降雨预报信息用于流域的防洪预警,为提高二松流域防洪工程规划建设、增强降雨预报方法认知能力、提高流域防洪预警的实际应用水平,从而保障流域社会的协调发展提供科学参考。主要研究内容和成果如下：(1)通过统计数据、ArcGIS工具、可变模糊评价等多种方法从定性、定量两个角度研究分析了流域下垫面土地利用、水利工程与社会及水利基础设施等的变化。结果表明丰满流域三区(白山以上)森林覆盖率长期保持在80%以上,二区(五道沟以上)则植被覆盖率一直在20%以下较低的水平,土地利用整体来看变化不大,但不排除局部地区的较大变化；各地区人口保持稳定,经济飞速发展,基础设施建设速度在不断提高；流域水利工程数量与容量的变化最为明显,中小水库库容总量达到10×108m3以上,接近丰满水库总库容的10%,防洪库容的40%,其巨大的蓄水能力既可通过汛期蓄水来提高防洪与兴利,但也可能因为蓄水过多及工程等原因等给下游水库带来来水不确定性,从而增加了风险；通过研究环境的变化,可以为水库运行管理提供决策依据。(2)以变化环境中的主因——水利工程为切入点,通过集总式新安江模型与分布式HEC-HMS模型来研究水利工程对洪水的影响规律。在新安江模型中主要通过调整模型参数的方式来考虑水利工程影响；在HEC-HMS模型中通过添加水库模块,将分区子流域上的所有水库概化为一个虚拟聚合水库,聚合水库的库容、坝高等物理属性根据子单元的分布特征与单元主河道与最长河长来确定,假定子单元的降雨产流首先把聚合水库蓄满之后才可以出流到下游,这种坝顶过水方式比较符合研究地区绝大部分中小水库的实际运行现状。(3)基于可变集理论及其基本定理,提出了可变集易损性评价方法；在传统的评价指标中加入了反映人的心理及行为的相关指标,形成了综合评价指标体系,对研究区进行洪涝易损性评价。详细阐述了可变集理论的三大基础定理,提出了可变集易损性评价方法。在已有的评价体系致灾因子、孕灾环境、承载体这类清晰确定性指标的基础上增加了当前越来越加以重视的心理承灾能力以及当地政府的应急抗灾能力这类模糊性指标,将模糊性指标通过等效转换的方式进行定量计算,最终得到综合评价指标体系。运用本文提出的可变集方法进行评价应用,得到研究地区的易损性分布图,为流域的防洪预警提供有用信息,有助于做出更好决策。(4)提出了基于TIGGE数据的集合降雨区间预报方法。分析了集合预报思想的最终任务与目的,针对目前普遍采用的集合平均与控制预报这类集合预报产品在概率预报与定量预报中的缺陷,利用TIGGE平台提供的ECMWF、NCEP、CMA、CMC四个数据中心的原始预报数据,通过概率的方法从原始数据的初始预报区间中进一步筛选出更接近实测值的预报区间。区间形式的预报结果首先是定量的,不再是对是否属于某一量级降雨的判断；其次,结果本身包含了预报不确定的误差,因而在对预报产品进行应用时,用户可以有充分的时间与空间对预报的风险与误差加以考虑,从而减小预报不确定带来的损失,其优势较为明显。从研究区域的应用结果来看,其结果从概率角度或定量角度都不输于其它预报方式,在大雨及以上降雨的预报中效果更加明显。(5)在集合降雨区间预报的基础上,研究了将降雨预报信息用于流域防洪预警的方式以及有效性,并将流域的洪涝易损性与防洪预警信息进行结合,进一步提高预警的可靠性。对比了传统上基于集合均值预报与控制预报的这种单一值与基于区间值的降雨预报在用于防洪预警时的原理与方法上的差别；通过统计分析研究区多年的降雨径流数据,确定研究区的分级预警阈值,将预警级别与国家气象局发布的预警色标叠加；利用研究区集合降雨区间预报的结果进行防洪预警,以及基于降雨预报并考虑流域环境变化影响的洪水预报的防洪预警,最后结合流域洪涝易损性分布分析预警信息在不同地区、不同前期环境条件下的实际可利用性。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV122;TV87

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