基于Mike21FM的山区小流域涉水工程防洪影响研究

发布时间：2017-10-13 00:17

  本文关键词：基于Mike21FM的山区小流域涉水工程防洪影响研究

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【摘要】：近年来,随着山区经济的发展和极端气候(如局地暴雨)的变化,水系极端水文事件和灾害发生频率不断加剧。2012年北京“7·21”特大暴雨引发了重大自然灾害,房山等重灾区多条河流暴发山洪,局部地区发生泥石流,导致河道防洪设施损毁严重,威胁下游防洪安全；道路、桥梁基础设施严重受损,交通阻断；冲毁耕地、房屋等,造成人民生命财产损失。目前,防洪影响研究主要集中于资料丰富的大江大河及其重要涉水工程,对资料缺乏而防洪问题日益突出的山区小流域及其涉水工程研究较少。本文选定在北京“7·21”特大暴雨中受灾最严重的小流域之-房山区红螺谷小流域内河段为研究对象,采用基于非结构化网格的Mike21FM平面二维水动力学数学模型,在收集流域水文气候、治理规划资料和现场勘察的基础上,对山区小流域涉水工程进行防洪影响研究。主要研究内容和结论如下：1.基于红螺谷小流域在北京市"7·21”暴雨后的水毁调查和原因分析,得出降雨强度大、流域防洪标准低、河道束窄严重、河道涉水工程导致的行洪空间不足和流域可供输移的松散堆积物过多等是造成红螺谷小流域水毁严重的重要致灾因子。2.以红螺谷小流域主沟道为模型计算范围,以10a一遇设计洪水标准、“7·21”实测洪峰流量为模型的边界控制条件,利用Mike21FM建立红螺谷小流域河道平面二维水流数学模型,并对河道涉水工程进行合理概化,对模型参数进行率定并验证,同时模拟计算10a一遇和20a一遇洪水过程。因研究河段缺少实测资料,模型验证时采用与10a一遇洪峰流量下基于HEC-RAS软件推求的沿程水位进行对比,结果满足水面线相似要求。因此,平面二维水流数学模型的涡黏系数取0.28,主、边滩模型曼宁系数分别取33.3m1/3/s和22.2m1/3/s。3.采用Mike21FM模型对跨河工程、跌水工程和临河建筑物等三类涉水工程建设前后对水位、流速流态变化的影响进行模拟,分析现状河道的行洪能力和涉水工程的阻水作用,结果表明：(1)红螺谷小流域现状河道不满足10a一遇的洪水设计标准,在“7·21”洪水条件下河道涉水建筑物及桥梁、田地等损毁严重。山区河道跨河工程对防洪影响较大,其中大型跨河工程阻水作用最为明显,大型桥梁壅水过大,表明位置设置严重不合理,在原有过水断面不能满足行洪要求的情况下,大桥的建设使淹没范围和淹没水深进一步增加。中小型桥梁的阻水作用受桥墩尺寸、墩头形式、上下游桥梁之间距离影响,同时壅水高度和范围随斜交角度的增加而加大,不仅影响到行洪安全,也是导致桥梁损毁的直接原因。漫水桥的阻水作用较中小桥梁明显,并随设计高度的增加而增大。(2)设计三类跌坎尺寸和形式：①现状条件的6道跌坎、高度为1.0m的跌水(方案一)：②6道跌坎、设计高度为0.5m的跌水(方案二)；③3道跌坎、设计高度为1.0m的跌水(方案三),并开展对建成初期和淤平后水位、流速和淹没范围的变化模拟分析。结果表明：跌坎上游水位明显壅高甚至溢流,流速减小,壅水值和壅水范围随跌坎高度的增加而加大,而下游出现跌水,且流速明显增加；不论是建成初期还是淤平后,现状跌坎形式对各水力要素影响最大,其次是方案三,方案二影响相对较小；同一方案下,建成初期壅水仅能影响一定区域,而淤平后较建成初期沿程水位显著抬升,溢流范围明显增加。因此现状跌坎形式不满足防洪要求。(3)对临河建筑物的防洪分析表明,洪水标准为10a一遇时,黄山店立马水泥厂建筑物群和黄山店永久避险安置房附近建筑物群严重挤占河道行洪空间,导致断面过流能力不足,增加了主河槽的行洪压力,河道两岸溢流严重；拴马庄村建筑物群的建设对河道行洪影响不大,但河道溢流洪水进入村庄没有宣泄通道,威胁村庄安全,应在河道溢流点建设护村堤等拦挡措施。4.应用数学模型对10a一遇和20a一遇设计洪水过程进行模拟计算,得出河道不同位置的水力要素,包括水位、流速、流向、流量等。通过分析不同设计洪水条件下水面线、沿程流速和过流能力,为主要涉水工程优化布局提供参考；通过对不同区域淹没情况分析,为护岸、堤防设计提供依据；通过河道整治过水断面优化分析,为河道拓宽加深设计提供依据。
【关键词】：Mike21FM 山区小流域 “7·21”特大暴雨 防洪影响 涉水工程
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV87
【目录】：

• 摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 研究背景及意义13
• 1.2 国内外研究进展13-19
• 1.2.1 水动力学数值模拟14-17
• 1.2.2 山区小流域洪水数值模拟17-18
• 1.2.3 涉水工程防洪研究现状18-19
• 1.3 目前研究存在的问题19
• 1.4 研究内容与技术路线19-21
• 1.4.1 研究内容19-21
• 1.4.2 技术路线21
• 1.5 本章小结21-22
• 第二章 红螺谷小流域概况22-27
• 2.1 小流域基本概况22-23
• 2.2 红螺谷小流域水文形态分析23-24
• 2.3 小流域受灾情况及成灾原因分析24-26
• 2.3.1 小流域损毁情况调查24-25
• 2.3.2 水损原因分析25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第三章 二维水动力学数学模型的建立与验证27-45
• 3.1 平面二维数学模型的选择27-28
• 3.2 Mike21FM的基本原理28-31
• 3.2.1 求解方程28
• 3.2.2 数值解法28-30
• 3.2.3 边界条件处理30-31
• 3.3 计算条件31-38
• 3.3.1 计算范围31
• 3.3.2 地形条件31-32
• 3.3.3 网格划分32
• 3.3.4 边界控制条件32-34
• 3.3.5 涉水工程概化方法34-38
• 3.4 模型的率定和验证38-42
• 3.4.1 地形验证38-40
• 3.4.2 参数率定及其敏感性分析40-41
• 3.4.3 水面线验证41-42
• 3.5 计算方案42-44
• 3.6 本章小结44-45
• 第四章 涉水工程防洪计算与分析45-69
• 4.1 跨河工程防洪分析45-53
• 4.1.1 大型跨河桥梁45-48
• 4.1.2 中小型跨河桥梁48-51
• 4.1.3 漫水桥51-53
• 4.2 跌水防洪分析53-60
• 4.2.1 壅水分析54-57
• 4.2.2 流速变化57-58
• 4.2.3 淹没范围58-60
• 4.3 临河建筑物防洪分析60-68
• 4.3.1 立马水泥厂防洪分析60-62
• 4.3.2 黄山店永久避险安置房附近建筑防洪分析62-66
• 4.3.3 拴马庄村防洪分析66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 山区河道涉水工程优化布局69-83
• 5.1 设计洪水过程计算分析69-73
• 5.1.1 水位70-72
• 5.1.2 流量72-73
• 5.2 典型小流域涉水工程布局优化73-82
• 5.2.1 水面线布局73-74
• 5.2.2 沿程流速分布74-76
• 5.2.3 沿程过流能力布局76-77
• 5.2.4 跨河工程布局优化77-78
• 5.2.5 跌水布局优化78
• 5.2.6 临河建筑物布局优化78-79
• 5.2.7 河道整治过水断面优化79-80
• 5.2.8 优化措施布局80-82
• 5.3 本章小结82-83
• 第六章 结论及建议83-86
• 6.1 结论83-85
• 6.2 建议85-86
• 参考文献86-89
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果89-90
• 致谢90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前8条

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本文编号：1021760