基于HEC-HMS模型的半干旱黄土沟壑区小流域设计洪水研究

发布时间：2020-07-26 19:34

【摘要】：设计洪水研究一直以来在河道工程规划与山洪灾害防治中扮演着重要的角色,合理的设计洪水计算对于平衡工程建设安全和降低项目投资具有重要意义。特别是在我国半干旱黄土沟壑区,资料的匮乏、人类活动的加剧使得该类区域的设计洪水计算存在很多不确定因素,此外传统设计洪水计算方法,大多都忽略了流域下垫面情况,默认全流域下渗,这在一定程度上削弱了洪峰流量,给工程规划建设带来了一些隐患。因此论文以甘肃省半干旱黄土沟壑区的小流域大砂沟为研究区,制定两组情景(不考虑流域下垫面和考虑流域下垫面)分别利用HEC—HMS水文模型进行模拟计算,一方面检验HEC—HMS水文模型在半干旱黄土沟壑区的适用性,从而解决传统设计洪水计算方法的不足;另一方面研究径流洪峰流量对流域下垫面变化的响应。主要成果如下:(1)根据模型参数需求和各模块计算方法的适用性,产流计算模块选择初损稳渗法;直接径流计算模块选择运动波法;河道洪水汇流计算模块选择马斯京根康吉法;降雨计算模块选择频率暴雨法。基于这些模块的耦合,HEC—HMS水文模型能够较好的应用在半干旱黄土沟壑无资料地区。(2)频率暴雨法自带的折减系数是由美国国家气象局根据长期气象数据观测,并结合美国不同流域面积对应不同小时的平均点、面降雨量推导而来,其值和研究区实际值存在一定的差距。因此,本次研究针对1小时、3小时、6小时、24小时的点降雨量分别引入0.948,0.888,0.867,0.846进行修正,以减小其带来的误差。(3)通过对比分析在不考虑流域下垫面情况下模型与瞬时单位线法和推理公式法计算的结果,得到:HEC—HMS水文模型计算的不同设计频率(P=1%、2%、5%、10%、20%)结果与瞬时单位线法的相对误差分别为:1.0%、6.7%、11.4%、15.0%、6.8%;与推理公式法的相对误差分别为16.8%、8.7%、2.8%、2.9%、8.1%。HEC—HMS水文模型与二者的相对误差均小于20%且平均相对误差均小于10%,在误差允许范围内。这表明HEC—HMS水文模型计算的设计洪水结果是可靠的,也说明该模型在半干旱黄土沟壑区具有很好的适用性。(4)考虑流域下垫面条件,引入不同年份不透水区域面积参数。结果表明HEC—HMS水文模型计算的不同设计频率结果比不考虑下垫面的值要大,且随着流域不透水区面积的增加,径流洪峰流量呈增长趋势,这表明小流域径流洪峰流量对流域下垫面变化的响应比较明显。考虑流域下垫面条件的计算成果能够更加真实的再现半干旱黄土沟壑地区小流域的实际洪水现状,其成果对于区域防洪规划和检验当前已建工程是否存在风险具有很强的应用价值。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV122.3
【图文】：

第三章 研究区概况与模型前期处理3.1 研究区概况3.1.1 自然地理大砂沟流域位于甘肃省兰州市，为黄河一级支流，区内降水相对较少，为半干旱黄土沟壑区。区内平均高程约为 1700m，流域出口在盐场堡附近，从下游到上游依次经过中铺子、忠和村、忠和镇、平岘村直到沟脑大三沟（任佳佳，2017）。大砂沟流域以中铺子为界，南段属城关区管辖，北段属皋兰县管辖，流域面积为105.3km2，主沟道长度为31.7km，平均纵坡比降为15.1‰，流域平均宽度为3.4km，主沟道宽度在 50~250m 之间，沟底以现代冲沟发育为主，宽度在 10~50m 不等。由于大砂沟下游受到人为开发利用的影响，改变了天然沟道的自然流向，因此论文选取大砂沟出山口以上流域为研究区，流域面积为 104.5km2，主沟道长 29.9km，平均纵坡比降 14.3‰，研究区地理位置如图 3-1。

大学硕士学位论文 基于 HEC-HMS 模型的半干旱黄土沟壑区小流域设计洪水研主要集中在 6~9 月份，年最大洪水多出现在 7 月份或者 8 月份，该区段的量约为全年的 75%。在 4~5 月份，降水稀少，沟道内鲜有径流出。根据兰站径流资料可知（图 3-2），兰州站控制断面多年平均流量为 1000m3/s，最量在 1964 年为 446.7 亿 m3，最小径流量在 1969 年为 214.8 亿 m3，径流10 月份较大，约占全年总量的 72%，汛期和枯水期径流变化明显，近年黄河上游大中型水库的调蓄作用，黄河流量正日趋平稳。

学硕士学位论文 基于 HEC-HMS 模型的半干旱黄土沟壑区小流域设计洪降雨量可以达到 96.8mm。降水量在年际变化上也较大（图 3-4），水年的 2 倍，年降水量变率为 20%左右，从多年平均趋势来看，降小的减小趋势。研究区年平均气温为 7.2℃，极高气温为 37℃，最 23℃，年平均气温在年际变化上呈轻微上升趋势（高建荣，2014）

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本文编号：2771194