汉江上游沉积记录的历史古洪水事件水文模拟与气候背景分析

发布时间：2020-05-23 16:41

【摘要】：当前,全球气候变化导致自然灾害的增加已成为人类生存和发展所面临的重大挑战。其中,洪水灾害是当今世界上最严重的自然灾害之一,已成为世界各国所关注的焦点。我国是世界上洪水灾害最为严重的国家之一,随着经济的发展,洪水灾害给人类带来的损失与日俱增。地处我国南北方气候过渡地带的汉江上游地区,是全球气候变化的敏感地带。近年来,汉江上游频繁发生的洪水灾害不仅造成了严重的经济损失,也制约了南水北调中线工程的顺利实施。因此,掌握汉江上游的洪水数据及规律,科学、准确的模拟洪水演进过程并采取相应的防灾减灾对策,就成为流域内社会经济发展的迫切需求。由于我国水文观测资料时间尺度较短,汉江上游现有的洪水数据既不能反映长时间尺度的洪水变化规律,也不能满足汉江上游防洪减灾和流域综合开发治理的需要。课题组在汉江上游开展了一系列的古洪水调查研究工作,延长了汉江上游的洪水数据,对于流域内的防洪减灾和水利工程建设提供了基础数据。其中,整理古洪水研究成果发现,汉江上游T1阶地的黄土—古土壤沉积剖面中含有东汉和北宋时期古洪水事件;历史文献考证认为可能分别记录了东汉建安二年(公元197年)九月和北宋太平兴国七年(公元982年)六月一次古洪水事件。但在古洪水事件流量计算方面,多为单剖面、单河段研究,较少从整体上对记录同一次古洪水事件进行多个沉积剖面系统综合研究。为此,本文以东汉和北宋时期古洪水事件研究为例,基于HEC-RAS模型,运用恒定流模块分别计算了东汉和北宋时期古洪水事件的水面线;运用非恒定流模块对东汉和北宋时期古洪水事件进行了洪水演进模拟研究。此外,通过对古洪水事件气候背景的分析,探讨了东汉和北宋时期古洪水事件与气候变化的响应关系。这对于汉江上游的防洪减灾和洪水预报具有重要的现实意义。本文主要结论如下:(1)通过对汉江上游的暴雨特性的分析表明,汉江上游致灾暴雨天气的环流形式主要由三种类型,分别为西南气流型、西风槽型和低涡切变型。其中,低涡切变型是造成汉江上游暴雨洪水的主要环流形式。汉江上游存在三大暴雨中心,分别为米仓山区、大巴山区和秦岭山区。通过对洪水特性分析可知,洪水类型主要为石泉以上型洪水、石泉一安康区间洪水和上游型洪水,其洪水过程线形态有多峰型、尖峰型和胖峰型,其中尖峰型洪水由于洪峰流量大,历时较短,洪水突发,再加上地形陡峭,洪水汇流速度快,极易导致的严重的洪水灾害。(2)选取适当的地形数据和水文参数,基于HEC-RAS模型的一维恒定流模块模拟了东汉和北宋时期古洪水事件的水面线;东汉和北宋时期古洪水洪峰流量模拟值分别为60800m3/s、57500m3/s;东汉和北宋时期古洪水事件各剖面处模拟水位误差分别为-0.30～0.46m、-0.52～0.60m,其相对误差分别为-0.18%～0.25%、-0.31%～0.34%。此外,分别采用1983年8月洪水、2010年7月18日洪水对东汉、北宋古洪水水面线进行了验证,基于相同的地形数据和水文参数,模拟得到1983年、2010年洪水水位误差分别介于-0.37%～0.26%之间、-0.18%～0.32%之间;经计算,模拟水位序列与实测序列的确定性系数(DC)分别为0.95、0.96。这证明基于HEC-RAS模型对于东汉和北宋时期古洪水事件水面线的模拟结果是准确的,所选取的地形数据和水文参数是合理的。(3)基于HEC-RAS模型的一维非恒定流模块,在相同的河段对东汉和北宋时期古洪水事件进行了演进模拟研究。在研究河段内,东汉古洪水演进历时约为3h,洪峰流量削减1.43%;北宋古洪水演进历时约1.15h,洪峰流量削减了不到1%;此外,基于相同的地形数据和水文参数,采用MIKE11软件对东汉和北宋时期古洪水事件进行了演进模拟研究;将模拟结果与HEC-RAS模拟结果对比发现,东汉时期古洪水MIKE11与HEC-RAS模型水位和流量序列的确定性系数(DC)均大于0.95;北宋古洪水MIKE11与HEC-RAS模型水位和流量模拟序列的确定性系数(DC)均大于0.97;东汉和北宋时期古洪水在各个剖面处峰现时间误差均小于1.21%。MIE11软件与HEC-RAS模型模拟误差相差不大,两者相互验证。这说明基于HEC-RAS模型对于东汉和北宋古洪水事件的演进模拟是可靠的、合理的。(4)通过分析东汉和北宋时期古洪水事件的气候背景可知,东汉时期气候波动变化,特别是东汉后期(公元180～220年),气候异常;北宋时期是我国过去2000年气候变化的一个转折时期,尤其是980s,气候发生突变,且东汉后期和北宋980s在我国2000年气候变化中都是极端水文事件的频发期。由此证明,古洪水事件多发生在气候波动和气候异常突变期,是河流水文系统对于当时气候异常多变的瞬时响应。(5)当前,古洪水水文学的研究多为单剖面、单地点的流量计算研究,对于多个沉积剖面记录一次古洪水的多剖面、综合研究却不多见。本文选取了汉江上游集中分布的古洪水沉积剖面,基于HEC-RAS模型的一维恒定流模块计算了古洪水水面线,采用一维非恒定流模块对古洪水进行了演进模拟研究。这对于认识汉江上游极端洪水的演进规律具有重要的科学价值;对于汉江上游的洪水预报和防洪减灾具有重要的现实意义。
【图文】：

自然灾害,全球,百分比,经济损失

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统计图,洪水灾害,成灾面积,受灾面

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【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV87;TV122.2

【参考文献】