水利工程影响下的洪水预报及历史暴雨洪水重现研究

摘要

由于人口和社会生产力的急剧增长，水的问题已成为世界上日益严重的问题之一。为了缓解防洪和兴利的矛盾，流域内修建了许多各种类型的水利水电工程。这些工程使流城的产汇流形成条件发生变化，以至于无论水文预报还是水文计算都不得不考虑它们的影响。第二松花江丰满水库流域位于中国北方辉发河流域，近年来，随着农田的开垦，大量湿地出现退化。为了缓解该地区水资源紧张的问题，流域内修建了大量的中小型水库和塘坝，对发生历史暴雨情况下的洪水过程产生了显著影响。研究下垫面变化与水利工程运行影响的洪水重现技术，对于科学指导流域防洪调度，以及规划流域及其水库的设计洪水，保证防洪安全具有重大意义，是松辽流域水利行业亟待解决的重大课题。本文选择第二松花江丰满水库以上流域为研究对象，定量分析流域近年来的气候变异和土地利用变化与水利工程建设及运行情况，定性和定量分析这些变化对径流产生怎样的影响;开发水利工程影响下的洪水预报模型，重点研究中小水利工程对洪水洪量和过程的影响规律，研究提出历史暴雨在水利工程运行影响下的洪水重现方法，对历史暴雨洪水在现状水利工程运行工况下进行重现。主要研究内容及成果如下:
　　(1)采用Kendall秩次相关法、有序聚类法及线性回归检验法分析流域水文和气象要素的变化趋势，通过二者变化趋势的不一致性定性得到影响流域径流及洪水变化的因素。针对引起径流和洪水变化的气候要素和人类活动因子进行了深入的分析，气候要素包括:降雨、蒸发、气温、气压、日照、风速和相对湿度;人类活动因子包括下垫面变化因子和水利工程建设及运行因子。分别对这些因子进行趋势分析，分析结果表明气候变化和人类活动导致径流产生了一定的变化，特别是水利工程的运行对流域洪水特征有较大影响，在流域洪水预报中需考虑相应的影响。
　　(2)建立了基于可变模糊理论的下垫面变化评价模型，对1980s和2000s两个年代土地利用进行了评价，结果显示两个年代的下垫面极其相似，只是“稍稍”有一些变化。人类活动主要表现为水利工程运行，进而采用气候弹性模型定量分析了气候变化和水利工程对径流影响的贡献量;其中气候要素占51％，水利工程占49％。对水利工程影响期分三个阶段分别计算水利工程对径流减少的影响量，并建立水利工程影响量和水利工程库容之间的关系。
　　(3)基于聚合水库的思想，将众多水利工程聚合成一个水库，并根据各水利工程的基本调蓄规律制定聚合水库的蓄放水模拟图;然后将聚合水库的蓄放水模拟图与天然期洪水率定得到的TOPMODEL模型参数相结合，构建基于水利工程蓄放模拟的HD-TOPMODEL洪水预报模型。结果表明HD-TOPMODEL模拟精度有较大的提高，而且相比传统方法动态蓄水容量的TOPMODEL洪水预报模型，HD-TOPMODEL洪水预报模型能够反映水利工程的影响过程，且能利用当前水利工程库容信息实时校正水利工程的影响量，具有更高的模拟精度和更好的模拟效果。
　　(4)首先根据流域现状水利工程数据得到现状水利工程下的HD-TOPMODEL模型参数，然后以历史暴雨洪水为输入得到丰满水库以上流域历史暴雨发生到当前水利工程情况下的洪水过程线，重现历史暴雨在现状水利工程条件下的洪水过程，重现结果表明，历史洪水发生在现状水利工程条件下洪量和峰值有减小的趋势，但是特殊极端大洪水中水利工程会出现一定量的放水，加上次生灾害的影响给防洪安全造成了威胁，应该着重注意防范。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 水文气象要素变化分析研究进展

1．2．2 气候变化与人类活动对径流影响的量化区分研究

1．2．3 水利工程影响下的洪水预报模型研究

1．2．4 水利工程影响下的洪水重现研究

1．3 存在的问题及发展趋势

1．4 本文主要研究思路

1．4．1 论文主要内容

1．4．2 论文组织结构

2 样本流域及洪水变化影响因素分析

2．1 流域概况

2．1．1 流域洪水变化分析

2．2 流域洪水变化影响因素分析

2．2．1 自然因素

2．2．2 人为因素

2．3 研究依托资料情况

2．3．1 水文气象数据

2．3．2 空间信息数据

2．4 本章小结

3 气候变化和水利工程对丰满Ⅱ区流域径流影响研究

3．1 引言

3．2 土地利用可变模糊评价

3．3 气候弹性模型

3．4 气候变化和水利工程对丰满Ⅱ区流域径流影响研究分析

3．4．1 降雨、蒸发和径流趋势

3．4．2 年径流系列变点分析

3．4．3 气候变化和水利工程对径流影响量计算

3．5 水利工程库容与其对径流影响量的关系

3．6 本章小结

4 基于动态蓄水容量的洪水预报

4．1 引言

4．2 TOPMODEL模型

4．2．1 饱和坡面流方程

4．2．2 模型汇流方程

4．2．3 模型的参数

4．3 TOPMODEL模型参数敏感性及不确定性研究

4．3．1 基于Sobol的参数敏感性分析

4．3．2 参数不确定性研究方法

4．4 TOPMODEL模型动态蓄水容量曲线

4．4．1 动态蓄水容量曲线

4．4．2 水利工程最大影响量Vmax计算

4．4．3 计算流程图

4．5 结果及分析

4．5．1 各年代水利工程最大影响量

4．5．2 天然状态下模型参数率定及计算结果

4．5．3 考虑水利工程影响的动态蓄水容量TOPMODEL模型计算结果

4．6 本章小结

5 基于聚合水库蓄放模拟的洪水预报

5．1 引言

5．2 聚合水库蓄放模拟图

5．3 总体研究思路

5．3．1 计算流程图

5．3．2 设置模型对比情景

5．4 结果及分析

5．4．1 基于聚合水库蓄放模拟TOPMODEL模型计算结果

5．4．2 对比模型模拟结果

5．4．3 基于聚合水库蓄放模拟与动态蓄水容量模型结果对比分析

5．4．4 讨论

5．5 本章小结

6 水利工程影响下的历史暴雨洪水重现规律研究

6．1 引言

6．2 水利工程影响下的洪水重现模型

6．3 历史暴雨洪水产流过程重现及对比分析

6．4 历史暴雨洪水汇流过程重现及对比分析

6．4．1 丰满以上全流域汇流重现对比分析

6．5 小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介