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基于HEC-HMS水文模型的昭通市大汶溪流域山洪模拟及预警研究

李绍士  
【摘要】:山洪灾害在我国西南地区频繁发生,给这些地区造成严重的损失。山洪灾害的防治除有限的工程措施外,非工程措施是山洪灾害防治的重要组成部分。建立有效的山洪灾害预警机制是山洪灾害防治的主要方案。山洪灾害预警机制建立的关键环节是预警指标的选择和确定。随着实际应用的发展和气象预报水平的不断提高,山洪临界雨量是目前最主要的山洪灾害预警指标。山洪临界雨量是否合理关乎山洪灾害预警的根本,因此山洪临界雨量的确定方法是目前山洪灾害防治领域研究的重要内容。本文以昭通地区为研究对象,对该地区的山洪事件和地质地貌特征进行了调查。在进行充分调查的基础上,采用HEC-HMS这一成熟水文模型对该地区典型山洪流域大汶溪流域已发生的山洪事件进行模拟,探究了该流域的雨洪关系,进行了基于雨洪关系的临界雨量推求,本文的主要研究结果为:(1)根据对昭通地区山洪事件及地质地貌特征进行初步的调查,可以发现,由于特定的气候和地质组合,昭通地区山洪灾害严重。该地区山洪灾害集中分布在夏秋季节,发生在6~9月份的山洪灾害占比高达86%。从空间分布上看,昭通地区山洪灾害集中于彝良县和镇雄县为代表的中部及东部地区,两个县总共发生了141次,占有记录山洪灾害次数的62.4%,其他9个县区仅占该地区山洪发生次数的37.6%。大汶溪流域是昭通地区的典型山洪流域,山洪灾害发生频次较多,洪水规模较大,最大的洪峰流量高达1050m~3/s。根据长达六年的水文气象观测数据资料,可以发现大汶溪流域降水集中在夏秋季节,这与大汶溪流域山洪多发生在夏秋季节相对应,说明强降水是大汶溪流域山洪的主要诱发因子。此外,该流域内偶发极端天气事件次数呈增加趋势,这为该流域山洪灾害的防治带来了更多的压力。(2)利用ArcGIS平台、HEC-GeoHMS水文模块,采用昭通地区DEM数据和遥感数据,构建了包含23个子流域的大汶溪数字化流域,为HEC-HMS水文模型后续计算模拟提供了流域基本信息。基于选用大汶溪流域自2013年到2018年共六年内发生的山洪事件作为模拟对象,利用HEC-HMS水文模型,采用SCS曲线数(CN)损失法、SCS单位线法、月常数基流法、马斯京根(Muskingum)法分别进行产流、汇流、基流、河道演进四个阶段的模拟,对选定的率定期12个场次洪水进行模拟。初次模拟,根据各子流域前期土壤湿度、土壤水文分组为C以及2016年8月份土地利用方式数据所得出流域下垫面综合特征(CN值),以及按照标准方法计算得出的马斯京根法河段洪水演进参数,将CN值设定为:林地70,灌丛、草地65,耕地78,建筑98,裸土88,根据子流域下垫面实际情况进行复合计算,得出子流域CN值;马斯京根河道演进法X值为0.5。结果显示,基于以上计算方法及参数,HEC-HMS水文模型对大汶溪流域的12个场次洪水的洪峰模拟效果除有四个场次达到预期标准外,其余十一个场次的模拟效果较差,模拟值普遍大幅小于实际观测值,但模拟的峰现时间与实测数据有较高的吻合度。(3)利用模型自带的参数优化功能,对率定期12个场次洪水进行优化模拟,通过不断的试算,对模拟结果进行优化,当优化模拟结果与实测结果相一致时停止,此时相关参会在原参数基础上发生变化,这种变化更符合流域综合特征。通过优化可以确定当流域前期土壤水分条件处于较干时,CN值应提高到初次模拟时的1.3倍,初损值应降低为原值的0.8,当流域前期土壤水分条件处于一般时,CN值应该提高到原值的1.13倍,初损值应降低为原值的0.9,当流域前期土壤水分条件处于湿润状态时,可对原CN值及初损值不做更改。参数调整后,对验证期4个场次洪水进行模拟,取得了4个场次洪水全部合格的模拟效果,证明HEC-HMS这一水文模型能够用于该地区的山洪模拟,能够为山洪灾害预警、预防、治理等工作提供有效的支持。(4)根据HEC-HMS对大汶溪流域近期山洪事件的有效模拟,获得了该流域较准确的雨洪关系,为推求更适合该流域的预警指标提供了基础。根据调查资料,该流域汇流时间集中在4~8小时,因此,确定该流域的预警时段为1h、2h、3h、6h四个时段。根据实地调查,确定大汶溪流域双河口河段成灾水位为407.5m,根据断面特征参数计算成灾流量为515m~3/s。采用试算法进行预警指标计算,并结合流域实际情况对计算结果进行适当调整,最后确定大汶溪流域双河口断面山洪临界雨量预警值。


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