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大沽河河道渗漏及其对洪水演进影响研究

武桂芝  
【摘要】: 随着计算机技术的发展,洪水演进模型已成为防洪减灾保障体系理论的重要组成部分和强有力的分析工具。在遭遇洪水时,根据正确的洪水演进计算结果就可对洪水调度做出正确决策,使洪水灾害降低到最低程度。目前的洪水演进模型,考虑河道沿程渗漏损失影响的较少。由于干旱或半干旱地区的河流多为季节性河流,汛前期河道也多为干涸状态,河道洪水具有暴涨暴落的特点,行洪期的河道渗漏量较大。因此,季节性河道渗漏规律及其对洪水演进影响研究,显得尤为重要。研究成果不仅对于估算地下水补给量,合理利用和保护地下水资源具有重要的现实意义,而且对于季节性河流的洪水预报和防洪减灾具有重要的应用价值。 本文通过砂样非饱和渗流特性测定、室内入渗试验和野外现场入渗试验,研究了大沽河河道的渗漏规律,获得了不同河段的入渗参数,作为洪水演进模型的输入参数。接着,基于流体力学的基本原理,推导建立了考虑渗漏项的洪水演进数学模型,并通过数值计算分析渗漏项中渗漏因素对洪水演进的影响。最后,基于MIKE SHE\MIKE11耦合模型研究开发考虑渗漏条件的大沽河洪水演进模型系统,并应用实例验证了模型的可靠性和有效性。通过上述一系列试验研究、理论分析以及洪水演进模型系统的研究开发,获得了一些新的认识和结论,主要包括: (1)试验研究了不同砂样的非饱和渗流特性,包括砂样的水分特征曲线和水力传导度。结果表明,粗、细两种砂样含水率曲线在吸力为0-30cm水柱的范围内比较接近,基本重合,随吸力的增加,曲线逐渐分离,粗砂的持水性高于细砂。同为吸湿或脱湿过程,在含水率相同时,粗砂的水力传导度大于细砂;当砂样含水率小于20%时,水力传导度小于10cm/d。 (2)室内入渗试验结果表明,砂样的初始含水率、砂样质地对入渗产生明显影响。垂向或侧向入渗速度随着初始含水率的增大而减小,随着砂样颗粒的增大而增大,随着砂样干容重的增大而减小;入渗开始阶段,入渗率很大;随着入渗的进行,入渗率迅速下降。入渗率随时间的变化过程可分为非稳定入渗阶段和稳定入渗阶段。粗砂在初始含水率分别为0.44%和9.30%时的垂向稳定入渗率约为0.0022cm/s和0.002cm/s;细砂在初始含水率分别为2.50%和9.65%时的垂向稳定入渗率约为0.002cm/s和0.0018cm/s。粗砂样在初始含水率分别为2.6%、7.35%和13.98%时的侧向稳定入渗率约为0.002cm/s、0.0011cm/s和0.0008cm/s。细砂样在初始含水率分别为3.20%、7.61%和16.20%时的侧向稳定入渗率约为0.0026cm/s、0.002cm/s和0.0016cm/s。 (3)野外现场入渗试验结果表明,包气带的水理性质影响着河床的入渗能力;季节性河道入渗过程可分为非稳定入渗阶段和稳定入渗阶段;包气带砂样越粗糙,透水性越好,非稳定入渗阶段持续时间越短。河床包气带砂层为细颗粒时,渗透系数较小,入渗率较小;颗粒粗糙、松散时,渗透系数较大,入渗率较大。河道非稳定入渗过程约为1.5~2.0h,非稳定入渗量占总渗漏量的比例随时间的延长逐渐减少,河道过水时间为3天时,非稳定入渗量占总渗漏量的比例仅为2.75%~4.36%。 (4)基于流体力学的基本原理,推导建立了包含渗漏项的洪水演进方程组,并采用Preissmann四点偏心隐格式对方程组离散求解。数值计算结果表明,河道渗漏对洪水演进过程产生影响,表现为流量减小,水位降低,同一断面峰值出现的时间延迟。影响的主要因素是河道的入渗率f,随着入渗率的增大,影响越明显;河道底坡变化对计算结果基本无影响。 (5)基于MIKE SHE\MIKE11模型,研究开发了大沽河洪水演进模拟系统,可以进行渗漏影响的洪水演进模拟计算。结果演示软件用户界面友好、操作简单,方便于科研和管理部门使用。模型验证的计算结果与实测资料吻合较好,模型参数选取基本正确。


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