基于元胞自动机的流域降雨径流模拟及洪水风险区划研究
发布时间：2021-10-22 05:20
近年来,由于气候变化异常导致洪水灾害频繁发生,给人类社会带来了严重的经济损失和人员伤亡。我国洪水灾害频发,治理洪涝、防洪减灾历来被列为各级政府的重要工作事项。由于我国中小河流存在着防洪标准低、行洪能力差、堤防质量参差不齐等问题,在汛期时经常出现河道洪水泛滥,往往会对沿岸的生产生活造成威胁,造成严重的淹没损失。通过对流域洪水风险开展系统研究,可以使决策者对研究区域洪水灾害的时空变化和风险程度有全面的了解,在洪水来临时科学快速地制定防洪减灾策略,最大程度地减小洪水灾害造成的不良影响。现阶段对流域洪水风险的研究可以从两方面展开:一是洪水数值模拟研究,二是洪水风险区划研究。洪水数值模拟主要通过数值分析来模拟洪灾发生的过程及发展趋势,随着计算机技术的快速发展,洪水数值模拟的模型越来越多样化。现有的洪水数值模拟研究主要以圣维南方程组和动量方程为基础,对数据精度和完整度要求较高,并且建模复杂,求解过程耗时较长,其实用性有待考究。洪水风险区划根据洪灾的危害程度大小将研究区标定为不同的风险等级,宏观定量地描述洪水风险,可以直观地显示洪水风险的空间分布。在以往的洪水风险区划研究中,洪水风险评价指标的选取相...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１典型元胞邻域类型??Ｆｉｇ?２－１?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｅｌｌ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ??
山东大学硕士学位论文??一互＝＝＝＝互＝ｚ?＝Ｚ互＝＝＝＝互Ｚ??－－工二二二?二工二二二?二二工二二?＝＝工：??１?，?，?，??ｔｍ?４ｍ?ｍｕ?ｍ＊??图２－３扩展Ｍｏｏｒｅ型邻域关系下的河道元胞流向??Ｆｉｇ?２－３?Ｒｉｖｅｒ?ｃｅｌｌ?ｆｌｏｗ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｔｈｅ?ｅｘｔｅｎｄｅｄ?Ｍｏｏｒｅ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ??（２）流量计算??河道汇流过程中的流量计算步骤如下：??１）读取中心元胞的水位／／。和两个下游邻域元胞的水位／／，、／／２，当％?＞?／／，??和／／。＞?／ｙ２都成立时继续流量计算，否则该步长内不分配水量。??２）计算中心元胞和下游邻域元胞的平均值孖，剔除水位值大于７７的邻域元??胞。??３）中心元胞与剩余邻域元胞平分水量。??使用曼宁方程（２－１０）和稳态连续性方程（２－１１）对河道元胞的流速Ｖ进行??估算丨６７］，如公式２－１２所示：??Ｖ＝?—?ｈ－ｎ?（２－１０）??ｎ??ｑｐ?＝?ＶＢｈ?（２－１１）??＼ｖｉｆａ?ｖ／３ｉ３／ｓ??ｖ＝?—?（２－１２）??＿?？?ＵＪ??其中，ｈ为中心元胞水深，单位ｍ；?ｑｐ为邻域元胞分配水量，单位ｍ３／ｓ；?Ｂ??为河道有效宽度，单位ｍ；?ｓ为坡度；ｎ为糙率。Ｂ、ｓ、ｎ作为河道元胞属性变量??写入元胞状态集中。??同坡面汇流一样，由于时间步长的限制，需要按照公式２－７和２－８所示对分??配流量值进行折减。其中中心元胞与邻域元胞之间的水流长度Ｉ的取值如表２－２??所示：??１７??
?山东大学硕士学位论文???算中需要输入每个河道元胞的渠底高程，同时ＤＥＭ高程数据往往无法满足河流??水力计算的精度要求，因此本研究利用泗河河道断面高程数据来修正ＤＥＭ地形??模型。这一过程可以在ＨＥＣ－ＲＡＳ软件中通过Ｃｒｅａｔｅ?Ｎｅｗ?Ｔｅｒｒａｉｎ工具实现。修??正后的泗河流域地形如图３－２所示。考虑到在满足精度要求的前提下提高元胞自??动机模型的计算效率，本模型中的元胞边长取９０ｍ，因此需要将修正后的ＤＥＭ??高程数据的分辨率调整为９０ｍ。??图３－２泗河流域地形高程（修正后）??Ｆｉｇ?３－２?Ｔｈｅ?ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ?ｅｌｅｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｓｉｈｅ?Ｒｉｖｅｒ?Ｂａｓｉｎ?（ａｆｔｅｒ?ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）??（２）流域提取与河网生成??剛??，丄漂出口??□流域边界??图３－３研究区流域范围与河网分布??Ｆｉｇ?３－３?Ｂａｓｉｎ?ｓｃｏｐｅ?ａｎｄ?ｒｉｖｅｒ?ｎｅｔｗｏｒｋ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｔｕｄｙ?ａｒｅａ??在ＧＩＳ平台上对ＤＥＭ高程数据进行填洼处理后，利用ＡｒｃＳＷＡＴ模块进行??２４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遥感空间信息的洪水风险识别与动态模拟研究进展[J]. 曾子悦,许继军,王永强. 水科学进展. 2020(03)
[2]水文水力学模型及其在洪水风险分析中的应用[J]. 于汪洋,江春波,刘健,周琦. 水力发电学报. 2019(08)
[3]基于GIS及综合权重法的甘肃黄土高原区山洪灾害风险区划研究[J]. 王英. 中国农村水利水电. 2018(08)
[4]基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟[J]. 张文富,林广发,张明锋,李清远. 地球信息科学学报. 2017(07)
[5]基于GIS的皖南地区暴雨洪涝灾害风险区划[J]. 张杰,吴明业. 中国农业资源与区划. 2017(06)
[6]泗河生态治理研究[J]. 王建峰,雷小锋. 山东水利. 2017(04)
[7]降雨径流模型思想及研究进展[J]. 余香英,张永波,蒋婧媛,刘畅,熊津晶. 环境科学与技术. 2016(S2)
[8]基于GIS的福建闽江上游山洪灾害风险区划[J]. 岳琦,张林波,刘成程,张海博. 环境工程技术学报. 2015(04)
[9]溃堤洪水的二维水动力模型及其应用[J]. 苑希民,田福昌,冯国娜,王丽娜. 南水北调与水利科技. 2015(02)
[10]泗河流域防洪形势分析[J]. 郭伟,陆继东. 山东水利. 2014(12)
硕士论文
[1]基于元胞自动机的城市洪涝数值模拟研究[D]. 崔佳伟.山东大学 2019
[2]数据驱动的暴雨洪涝灾害过程模拟方法[D]. 逯琳.武汉大学 2017
[3]平原区和山丘区洪水风险图研究及应用[D]. 楚洪涛.大连理工大学 2016
[4]基于GIS的北京地区山洪灾害风险区划研究[D]. 张骞.首都师范大学 2014
[5]基于GIS的浙江省洪水灾害风险区划[D]. 钟晋阳.新疆农业大学 2009
[6]基于GIS的北京山区地质灾害风险评价研究[D]. 李岩.首都师范大学 2008
[7]城市排水管网系统模拟方法和应用[D]. 谢莹莹.同济大学 2007
本文编号：3450461
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－１典型元胞邻域类型??Ｆｉｇ?２－１?Ｔｙｐｉｃａｌ?ｃｅｌｌ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ??
山东大学硕士学位论文??一互＝＝＝＝互＝ｚ?＝Ｚ互＝＝＝＝互Ｚ??－－工二二二?二工二二二?二二工二二?＝＝工：??１?，?，?，??ｔｍ?４ｍ?ｍｕ?ｍ＊??图２－３扩展Ｍｏｏｒｅ型邻域关系下的河道元胞流向??Ｆｉｇ?２－３?Ｒｉｖｅｒ?ｃｅｌｌ?ｆｌｏｗ?ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ?ｕｎｄｅｒ?ｔｈｅ?ｅｘｔｅｎｄｅｄ?Ｍｏｏｒｅ?ｎｅｉｇｈｂｏｒｈｏｏｄ??（２）流量计算??河道汇流过程中的流量计算步骤如下：??１）读取中心元胞的水位／／。和两个下游邻域元胞的水位／／，、／／２，当％?＞?／／，??和／／。＞?／ｙ２都成立时继续流量计算，否则该步长内不分配水量。??２）计算中心元胞和下游邻域元胞的平均值孖，剔除水位值大于７７的邻域元??胞。??３）中心元胞与剩余邻域元胞平分水量。??使用曼宁方程（２－１０）和稳态连续性方程（２－１１）对河道元胞的流速Ｖ进行??估算丨６７］，如公式２－１２所示：??Ｖ＝?—?ｈ－ｎ?（２－１０）??ｎ??ｑｐ?＝?ＶＢｈ?（２－１１）??＼ｖｉｆａ?ｖ／３ｉ３／ｓ??ｖ＝?—?（２－１２）??＿?？?ＵＪ??其中，ｈ为中心元胞水深，单位ｍ；?ｑｐ为邻域元胞分配水量，单位ｍ３／ｓ；?Ｂ??为河道有效宽度，单位ｍ；?ｓ为坡度；ｎ为糙率。Ｂ、ｓ、ｎ作为河道元胞属性变量??写入元胞状态集中。??同坡面汇流一样，由于时间步长的限制，需要按照公式２－７和２－８所示对分??配流量值进行折减。其中中心元胞与邻域元胞之间的水流长度Ｉ的取值如表２－２??所示：??１７??
?山东大学硕士学位论文???算中需要输入每个河道元胞的渠底高程，同时ＤＥＭ高程数据往往无法满足河流??水力计算的精度要求，因此本研究利用泗河河道断面高程数据来修正ＤＥＭ地形??模型。这一过程可以在ＨＥＣ－ＲＡＳ软件中通过Ｃｒｅａｔｅ?Ｎｅｗ?Ｔｅｒｒａｉｎ工具实现。修??正后的泗河流域地形如图３－２所示。考虑到在满足精度要求的前提下提高元胞自??动机模型的计算效率，本模型中的元胞边长取９０ｍ，因此需要将修正后的ＤＥＭ??高程数据的分辨率调整为９０ｍ。??图３－２泗河流域地形高程（修正后）??Ｆｉｇ?３－２?Ｔｈｅ?ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｃ?ｅｌｅｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?Ｓｉｈｅ?Ｒｉｖｅｒ?Ｂａｓｉｎ?（ａｆｔｅｒ?ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）??（２）流域提取与河网生成??剛??，丄漂出口??□流域边界??图３－３研究区流域范围与河网分布??Ｆｉｇ?３－３?Ｂａｓｉｎ?ｓｃｏｐｅ?ａｎｄ?ｒｉｖｅｒ?ｎｅｔｗｏｒｋ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｓｔｕｄｙ?ａｒｅａ??在ＧＩＳ平台上对ＤＥＭ高程数据进行填洼处理后，利用ＡｒｃＳＷＡＴ模块进行??２４??
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遥感空间信息的洪水风险识别与动态模拟研究进展[J]. 曾子悦,许继军,王永强. 水科学进展. 2020(03)
[2]水文水力学模型及其在洪水风险分析中的应用[J]. 于汪洋,江春波,刘健,周琦. 水力发电学报. 2019(08)
[3]基于GIS及综合权重法的甘肃黄土高原区山洪灾害风险区划研究[J]. 王英. 中国农村水利水电. 2018(08)
[4]基于元胞自动机模型的河道汇流过程模拟[J]. 张文富,林广发,张明锋,李清远. 地球信息科学学报. 2017(07)
[5]基于GIS的皖南地区暴雨洪涝灾害风险区划[J]. 张杰,吴明业. 中国农业资源与区划. 2017(06)
[6]泗河生态治理研究[J]. 王建峰,雷小锋. 山东水利. 2017(04)
[7]降雨径流模型思想及研究进展[J]. 余香英,张永波,蒋婧媛,刘畅,熊津晶. 环境科学与技术. 2016(S2)
[8]基于GIS的福建闽江上游山洪灾害风险区划[J]. 岳琦,张林波,刘成程,张海博. 环境工程技术学报. 2015(04)
[9]溃堤洪水的二维水动力模型及其应用[J]. 苑希民,田福昌,冯国娜,王丽娜. 南水北调与水利科技. 2015(02)
[10]泗河流域防洪形势分析[J]. 郭伟,陆继东. 山东水利. 2014(12)
硕士论文
[1]基于元胞自动机的城市洪涝数值模拟研究[D]. 崔佳伟.山东大学 2019
[2]数据驱动的暴雨洪涝灾害过程模拟方法[D]. 逯琳.武汉大学 2017
[3]平原区和山丘区洪水风险图研究及应用[D]. 楚洪涛.大连理工大学 2016
[4]基于GIS的北京地区山洪灾害风险区划研究[D]. 张骞.首都师范大学 2014
[5]基于GIS的浙江省洪水灾害风险区划[D]. 钟晋阳.新疆农业大学 2009
[6]基于GIS的北京山区地质灾害风险评价研究[D]. 李岩.首都师范大学 2008
[7]城市排水管网系统模拟方法和应用[D]. 谢莹莹.同济大学 2007
本文编号：3450461
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