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考虑矿山堆渣影响的山洪形成及洪水演进淹没过程水利工程数值模拟

时间:2018-12-10 20:48来源:硕士论文作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程规划要解决的问题大体有以下几个方面:根据需要和可能确定各种治理和开发目标,按照当地的自然、经济和社会条件选择合理的工程规模。
本文是一篇水利工程论文,水利工程规划要解决的问题大体有以下几个方面:根据需要和可能确定各种治理和开发目标,按照当地的自然、经济和社会条件选择合理的工程规模,制定安全、经济、运用管理方便的工程布置方案。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 背景及意义
1.1.1 研究背景
山洪一般指在流域尺度上由于暴雨等引发的具有大洪峰、水位陡涨陡落等特点的洪水过程【1】。因为山洪具有突发性强、大流量且集中以及高流速的特点,山洪常常具有极强的冲刷破坏能力,挟带沿途泥沙、石块等物质形成泥石流,具有很高的动能,对流经的建筑物、植被、人畜等造成毁灭性破坏,具有强大的破坏性。近年来,由于全球气候变化的原因造成极端天气不断出现,降雨量的变化呈现极端化趋势【2】,造成全球山洪灾害的频繁发生,影响范围逐年增加。我国是世界上受山洪灾害影响最大、山洪灾害最为频繁的国家之一【3】。根据中国地质环境监测院每年所发布的《全国地质灾害通报》2012 年全国共发生地质灾害 14322 起,其中滑坡 10888 起、泥石流 922 起【4】(见图 1-1),而滑坡与泥石流事件中有很大比例是由山洪所引发的,故山洪灾害直接或间接所造成的地质灾害占灾害总数的 82.4%。2010 年 8月 7 日发生在甘肃省舟曲县的特大山洪泥石流灾害,共造成 127 人遇难,1294 人失踪,大量人口受灾。2012 年的北京 7·21 特大暴雨导致城郊发生多处山洪泥石流灾害,共造成79 人死亡,房屋倒塌 10660 间,直接经济损失超过 100 亿元。这也是有史以来北京地区发生的最大一次自然灾害。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 流域地形获取方法及研究进展
山洪灾害频发的山区由于具有山高林密、自然条件恶劣、外业条件艰苦等特点,往往地形资料获取困难。在山洪灾害评价中常采用获取地形数据的方法有人工测量、卫星航测、无人机雷达系统航测等。人工测量:耗时耗力,多数地区人员难以到达,只适合个别重点区域断面数据的获取,数据量不能满足高精度计算的需求。卫星航测数据:在中科院的地理空间数据云中,可以获取全球地形数据,但地形数据时效性较差,其中低精度地形(=30m)数据具有资料多、精度低、可免费获取的特点,高精度地形数据(<30m)具有获取难、成本高、资料少的特点。无人机雷达系统航测:具有获取数据便捷、数据精度高的优点,然而受目前雷达扫描半径和无人机续航时间限制,在山区地形扫描中成本较高。在实际流域产汇流研究中,常常只有重点研究区域高精度地形数据时,而研究整个流域的产汇流过程就需要将不同精度的地形数据进行拼接重构。而不同分辨率地形由于采集方法不同,在每幅地块的边缘地带相同的平面位置处,其高程相差 30m-100m,从而在拼接时会导致接缝处存在陡坎(图 1-2),在进行产汇流计算时导致接缝处存在积水,影响计算精度及稳定性。因此在地形拼接时需要对地形拼接处进行一定技术处理。地理信息学中常用的 DEM 拼接方法,多应用于两个地块散点精度类似情况下的拼接,常见的拼接方法有:1.重叠区域使用样条函数进行磨光处理,例如郑浩【7】使用二次样条函数对拼接地形的跳跃边缘处进行平滑处理;2.将等高线离散为散点,用 TIN 插值形成整片地形。如殷晓冬【8】等 TIN 插值进行海岸带陆地与海底地形的三维无缝拼接。
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2 模型原理及方法
 
GAST 模型由英国西安理工大学和英国纽卡斯尔大学大学合作开发的地表水和其伴随的输移过程的数值模型 GAST,来进行矿渣堆积小流域的山洪形成机理研究,以及洪水演进对城镇淹没影响的数值分析。模型方法为 Godunov 类型的有限体积法,该类方法能够很稳健地解决不连续问题,并可严格保持物质守恒。应用一套能适用于任何复杂网格的二阶算法,提高了模拟的精度和计算效率,也解决了在地表水流动和物质输移模拟中一些其他数值难题,如复杂地形,复杂边界,复杂流态包括干湿演变。除了水动力过程,浅水流动中伴随的其他物理和生物化学反应过程,如泥沙输移淤积及其引起的河床演变,污染物的输移和反应,也被耦合在该模型中并被较精确地模拟。该模型另一个特点是利用新的硬件技术来提高计算性能以满足实际应用需求。采用 GPU 技术来加速计算。该技术可以在单机上实现大规模计算。
 
2.1 控制方程
水流的运动问题是一个复杂的三维流体运动问题,通过连续性方程(质量守恒)、动量守恒方程和能量守恒方程联立推导得到的纳维-斯托克斯方程(Navier-Stokes 方程、N-S 方程)是描述水流运动的基本方程【42】。直接求解 N-S 方程面临计算量远远超出了人类现有计算能力的困难,因此为了便于解决实际问题, 一般情况下根据研究问题的特点将 N-S 方程进行一定程度的简化【43】:(1)各种简化的三维紊流模型(k 模型、混合长模型、k-ε湍流模型、大涡模拟等);(2)通过沿水深方向求解积分将三维 N-S 方程化简为二维方程组,得到用来描述浅水流动的叫方程叫浅水方程(ShallowWaterEquationsSWE);(3)通过断面平均的方法推导得到的一维圣维南(Saint-Venant)方程组。
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2.2 模型数值方法
GAST 模型应用动力波方法来进行洪水演进过程的模拟计算。计算区域采用 Godunov格式的有限体积法进行空间离散【38】。为了处理急变流和非连续问题,计算单元界面上的质量通量和动量通量通过 HLLC 近似黎曼求解器计算。摩阻源项使用 Liang 和 Marche【37】改进的分裂点隐式法提高计算稳定性。采用二阶显式 RungeKutta 方法来保证时间积分的二阶精度,从而使模型具有二阶时空精度。有限体积法(Finite Volume Methods FVM)又称控制体积法或有限容积法,求解的是积分形式的守恒型双曲偏微分方程,其主要思想指:先将整个计算域离散为互相连接且不重复的单元控制体,每个网格点周围有一个控制体积,将待求解的微分方程在每一个单元控制体积内进行积分,从而得出一组以计算节点上物理量为未知数的代数方程来求解【44】。有限体积法结合了有限元法(Finite Element Methods FEM)和有限差分法(Finite differentMethods FDM)的优点,计算时在局部与整体上均能保证数值通量的严格守恒,而且便于处理间断解,具有良好的激波捕捉性。此外,与有限差分法相比,有限体积法更易于处理为拟合复杂地表形态而构建的非结构化网格【45】。在非结构化网格中,以网格单元为有限控制体的网格中心有限体积法(CCFVM)或许是求解对流扩散方程和二维浅水方程应用最广泛的数值格式【46-48】,例如(Hubbard1999,Delis&Nikolos2013,Begnudelli&Sanders2006,2007,Benkhaldoun 等人 2007,Murilloetal.2008,2009,Murillo&García-Navarro2011)。
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3 新型流域地形构建方法及径流敏感性分析......21
3.1 新型流域地形构建方法.............21
3.1.1 地形数据插值方法............21
3.1.2 地形数据构建方法............23
3.2 重构流域地形径流敏感性评价..............27
4 流域沟道堆渣对山洪过程影响分析 ....39
4.1 矿渣堆积流域山洪研究背景.......39
4.2 研究流域基础数据..........39
4.3 雨洪模型基本原理简介...............47
4.4 堆渣对流域行洪能力影响的计算分析....47
4.5 流域主沟道水深分布计算分析................51
4.6 本章总结.............54
5 洪水演进淹没过程模拟...........55
5.1 研究背景.............55
5.2 洪水演进模型原理..........55
5.3 洪水演进模型构建..........57
5.4 模拟结果对比及讨论......59
5.5 计算稳定性分析..............68
5.6 小结........69
 
5 洪水演进淹没过程模拟
 
5.1 研究背景
雨季爆发的山洪演进至城市区域时,极有可能从河道漫溢出来淹没城市区域,造成严重的灾害。我国约有 35%的耕地、40%的人口和 70%的工农业生产经常受洪水威胁,因洪灾造成的财产损失居各种灾害之首。2016 年 7 月南方强降雨已致 164 人死亡,直接经济损失达 670.9 亿元,且随着气候变化和人类活动对自然界影响的加剧,水灾害呈现出加重的趋势。高精度洪水的演进和淹没过程的模拟计算对精准有效的防灾减灾工作是十分必要的。目前国际上的研究趋势是采用水动力方法在高分辨率地形上进行模拟计算。常用的模拟二维洪水演进和淹没的水动力学模型基本上为商业模型,如丹麦水利研究院(DHI)开发的 MIKE21 FM 模型【61】【60】,广泛应用于复杂河网及蓄滞洪区联合应用的洪水模拟。Zavattero【21】以 MIKE21FM-TS 模块建立水动力泥沙耦合模型,分析法国瓦尔河下游沿河泥沙输移变化规律; Payande 等【22】使用 MIKE21FM 模型得到不同等级海啸下印度洋沿岸莫克兰地区的洪水风险图;Papaioannou 等【23】采用 DHI MIKE 软件研究不同分辨率地形和不同建模方法(一维、二维和一、二维耦合的水力学模型)对于绘制洪水风险图准确性的敏感。郭凤清、魏凯、王晓磊分别使用 MIKE21FM 模型模拟潖江蓄洪区、濛洼蓄滞洪区分洪及宁晋泊和大陆泽蓄滞洪区的洪水演进过程。但对于城市区域高分辨率真实地形的模拟,其计算稳定性和精度仍存不足。因为高分辨率地形的复杂性导致地表水动力过程的复杂性【62】,在计算中会导致异常水深和伪高流速等非物理现象,造成计算失稳和物质动量的不守恒【63】。此外,采用高分辨率地形模拟,时间步长短和网格单元多会导致计算效率大为降低。
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结论
 
山洪灾害是我国最为严重的自然灾害之一,而在矿山开采的小流域内,矿渣堆积改变流域水文过程,同时洪水演进可能淹没城镇,从而引发严重的山洪灾害,故深入研究矿渣流域山洪形成以及洪水演进淹没机理具有十分重要的研究意义。本文针对山洪研究中流域地形获取困难的问题,提出一套流域地形重构方法,并建立流域雨洪数值模型对不同插值方法的敏感性进行分析;通过水动力模型计算,得到典型矿渣堆积小流域大西岔流域在不同重现期下的山洪水位分布图;构建洪水演进水动力模型,洪水在城区的演进情况。本文的主要工作和结论如下:
(1)提出新型流域地形重构方法。阐述新型流域地形重构的步骤,通过建立流域雨洪数值模型对不同插值方法的敏感性进行分析,发现采用不同插值方法获得地形计算流量过程线各不相同,与高精度地形流量过程线对比的准确性由高到低依次为 TIN 法、IDW法、Natural 法、kriging 法。通过不同插值宽度产汇流计算分析发现,对插值宽度敏感性较低的方法为 TIN 法、IDW 法,其次为 Natural 法,kriging 法的插值敏感性较高。同时鉴于 TIN 法差值效率较高,且在高程变化显著的地方插值效果较好,IDW 法在地形拼接中精度较高,敏感性低,建议在插值时优先选用 TIN 法、IDW 法进行插值。
(2)分析流域矿渣堆积引起的地形改变对流域产汇流的影响。以矿渣堆积典型小流域大西岔为研究对象,在地勘调查 3m 精度地形数据的基础上,建立基于水动力学的雨洪数值模型,计算了 5 种不同重现期暴雨下,矿渣堆积引起的地形改变对流域行洪能力的影响,得出以下结论:矿渣堆积后,流域出口洪水起涨时间和洪水退水过程均有所延迟,显示出一定的滞洪效果;5 年、10 年、20 年、50 年、100 年一遇降雨情况下,流域出口断面洪峰削减率分别为 30.94%、32.04%、28.09%、23.33%、17.30%,10 年一遇降雨时洪峰削减效果最为显著。当小于 10 年一遇降雨时,地形对洪峰大小、到达时间起主要影响作用,反之,地形的影响作用减弱。洪峰削减率随着断面向下游移动逐步增大,各个堆渣对洪峰削减效果层层叠加。
(3)采用无人机载雷达航测技术获得大西岔流域主沟道高精度地形数据,应用上述流域地形构建方法,得到大西岔流域完整高精度地形流域。通过实地测量得到大西岔流域矿山堆渣的体积、几何尺寸、坡度等详尽的调查数据,并以此为基础构建大西岔流域的二维雨洪数值模型,对比在不同降雨重现期(5 年、20 年、100 年)下的主沟道水深分布情况,并绘制大西岔流域主沟道的洪水水位分布图,分析发现从整个沟道积水情况来看,总积水面积 20 年一遇暴雨比 5 年情况下并无显著增加,多出的水量主要体现在积水深度以及高水深的面积有所增加;而百年一遇暴雨情况下总积水面积较 20 年一遇情况有较大增加,同时积水深度以及高水深的面积同时也在增加。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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