HEC-RAS模型在郧县尚家河段古洪水流量重建的应用研究

发布时间：2017-05-16 17:17

  本文关键词：HEC-RAS模型在郧县尚家河段古洪水流量重建的应用研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：古洪水水文学的核心内容是古洪水重建,我国学者对长江、黄河、海河和淮河四大江河进行古洪水水文学研究取得一定的研究成果,但古洪水重建中对流量的恢复主要采用水位-流量关系法和比降面积法,较少将水文模型来应用到古洪水水文学研究。本文介绍的HEC-RAS(Hydrologic Engineering Center-River Analysis System)模型,是当前国外广泛应用的重建古洪水洪峰流量的一维水力模型,国内较少将HEC-RAS模型其应用到古洪水水文学研究中。汉江是长江的一级支流,气候特征属季风气候,气候变化敏感,降水年内年际变率大,自古以来该区域就是洪涝灾害频发的地区。但是实测洪水资料只有几十年甚至十几年,不足以达到推测洪水发生频率的要求,也不能保证汉江两岸水利工程的防洪标准的准确性。因此非常有必要研究汉江上游的古洪水事件。本文利用HEC-RAS模型耦合HEC-GeoRAS扩展模块对汉江上游郧县尚家河基岩峡谷段发现的全新世古洪水滞流沉积层进行研究。利用古洪水SWD厚度与含沙量关系法恢复的古洪水洪峰水位,再依据野外测量和室内地形图的校正以及水文参数确定,运用HEC-RAS模型法计算出SJH剖面记录的古洪水洪峰流量,并从多方面验证该模型结果的可靠性。该结果延长了研究河段的洪水水文数据系列,从而建立汉江白河水文站万年尺度洪水频率曲线关系。获得以下主要结论：(1)通过野外考察研究,在汉江上游郧县尚家河段SJH沉积剖面中发现4层古洪水滞流沉积物。通过与渭河流域和汉江上游已经相当成熟的全新世风成黄土-古土壤序列的年龄框架以及OSL测年,确定SJH剖面中记录的4期古洪水事件分别发生在12,600～12,400 a B.P.,11,600～11,400 a B.P.,5500～5000 a B.P和1000～900a B.P.。(2)在SJH沉积地点河段上选取14个行洪断面,确定左右岸和主河槽糙率系数值为0.050和0.028,收缩系数为0.1、扩张系数为0.3,能量坡度为1.1%。等水文参数后,利用HEC-RAS模型结合“古洪水SWD厚度与含沙量关系法”恢复的洪峰水位对汉江上游郧县尚家河段进行古洪水水面线模拟计算,得到古洪水纵剖面水面线。(3)通过确定的相关水文参数和恢复的洪峰水位,利用HEC-RAS模型对汉江上游郧县尚家河段进行古洪水洪峰流量的模拟计算,得出郧县SJH地点古洪水SWD记录的四期全新世特大洪水洪峰流量位于45,350～62,390 m3/s之间。将HEC-RAS模型法计算的结果与比降面积法恢复的洪峰流量结果比较,误差在2.00%～2.09%之间,这说明HEC-RAS模型法在研究河段对古洪水洪峰流量计算结果是可靠的。(4)将HEC-RAS模型法与比降面积法得到的洪峰流量进行河槽糙率系数灵敏度测试,在比降-面积法中假定其他参数不变,给定糙率系数±5%～±25%变幅,SJH剖面重建的四期古洪水洪峰流量变幅在-20%～33%之间；而用HEC-RAS模型法在相同变幅条件下模拟的变幅在-15.70%～7.56%之间。由此可知,采用HEC-RAS模型进行模拟恢复古洪水洪峰流量,可有效地减少糙率系数对于计算结果的影响,提高计算结果的精度。(5)对HEC-RAS模型模拟的结果,从多方面进行可靠性检验。首先运用2010年现代洪水对该方法进行检验,在相同河段获得2010年现代洪水洪痕的水位,采用同一水文参数和HEC-RAS模型模拟其洪峰流量值,将结果与最近的白河水文站实测洪水水文数据对比,流量计算误差为2.80%,小于5%；此外,通过Baker提出的世界特大洪水洪峰流量与流域面积的关系与汉江上游洪水洪峰流量与流域面积关系验证,证明HEC-RAS模拟的古洪水洪峰结果是可靠的。(6)将HEC-RAS模拟计算的全新世古洪水洪峰流量加入到汉江白河水文站历史调查洪水资料和实测洪水数据后,计算了汉江白河水文站万年尺度洪水洪峰流量-频率关系曲线,延长了研究河段的洪水水文数据系列,使千年一遇的洪水发生频率由外延变为内插,提高了万年尺度洪水频率分析的预测精度,为汉江上游地区水利水电工程建设、交通工程建设、水资源调控和防洪减灾等提供了重要的依据。(7)对汉江上游四期古洪水事件与气候变化关系分析表明,末次冰期后期是一个气候逐渐转暖的过渡时期,气候突变事件经常发生。汉江上游SJH剖面第一期和第二期古洪水事件分别发生在12,600～12,400 a B.P.和11,600～11,400aB.P.,该两期古洪水事件在时间上对应于末次冰期新仙女木气候严重恶化事件；在6000-5000 a B.P.期间,全球各地气候处于气候恶化不稳定时期,洪涝灾害频繁,所以在5500～5000 a B.P.期间发生了全新世以来的第三期特大古洪水事件；北宋文化时期(1000～900 a B.P.),旱涝等灾害频繁发生,此时发生了第四期特大洪水事件。
【关键词】：古洪水 流量重建 HEC-RAS模型 汉江上游
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P333
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-11
• 第1章 绪论11-25
• 1.1 研究背景和选题意义11-14
• 1.2 古洪水流量计算研究进展14-23
• 1.2.1 控制断面法14-15
• 1.2.2 水位-流量关系法15-16
• 1.2.3 回水曲线法16
• 1.2.4 比降面积法16-19
• 1.2.5 HEC-RAS模型法19-22
• 1.2.6 流量计算方法评价22-23
• 1.3 研究内容23-24
• 1.4 研究技术路线24-25
• 第2章 HEC-RAS模型介绍25-35
• 2.1 HEC系列模型概述25-27
• 2.2 HEC-RAS河道水力分析模型27-30
• 2.2.1 概述27-28
• 2.2.2 恒定流计算模块28-30
• 2.3 HEC-GeoRAS模块30-31
• 2.4 河道水力模拟流程31-35
• 第3章 研究区域概况和剖面选择35-45
• 3.1 研究区域自然环境概况35-38
• 3.1.1 地理位置35-36
• 3.1.2 地质与地貌36
• 3.1.3 气候与水文36-37
• 3.1.4 土壤与植被37-38
• 3.2 研究区域社会经济概况38-39
• 3.3 洪水灾害调查39-40
• 3.4 剖面选择与地层断代40-45
• 3.4.1 野外滞流沉积物的判定40-41
• 3.4.2 剖面选择和采样41-42
• 3.4.3 剖面地层年代分析42-45
• 第4章 HEC-RAS模型恢复古洪水洪峰流量45-61
• 4.1 古洪水水位的确定45-47
• 4.2 古洪水行洪断面的选择47-48
• 4.3 水文参数确定48-51
• 4.3.1 河道糙率48-49
• 4.3.2 收缩系数和扩张系数49
• 4.3.3 能量坡度49-50
• 4.3.4 边界条件50-51
• 4.4 HEC-RAS模拟计算结果51-54
• 4.5 HEC-RAS模拟结果与比降面积法比较54-55
• 4.6 糙率系数对两种计算结果的影响55-58
• 4.7 小结58-61
• 第5章 HEC-RAS模型在古洪水洪峰流量重建结果的验证61-65
• 5.1 现代洪水验证61-62
• 5.2 洪峰流量与流域面积关系验证62-65
• 第6章 汉江上游万年尺度洪水频率计算65-71
• 6.1 计算方法65-67
• 6.2 实测洪水资料67
• 6.3 历史洪水资料67-68
• 6.4 汉江白河水文站洪水频率计算68-71
• 第7章 讨论71-77
• 7.1 平衡剖面与河槽稳定性71-72
• 7.2 HEC-RAS模型可靠性检验72-73
• 7.3 HEC-RAS模型法与比降面积法比较73-74
• 7.4 洪水事件发生的气候背景74-77
• 第8章 结论和创新77-79
• 8.1 结论77-78
• 8.2 创新点78-79
• 参考文献79-93
• 附录1：我国天然河流河道糙率参考表93-95
• 附录2：Manning系数取值参考表95-97
• 致谢97-99
• 攻读硕士学位期间的研究成果99

【参考文献】

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本文编号：371462