【摘要】：近年來,全球氣候變化下由極端降雨等誘因?qū)е潞闈尺^程頻發(fā),雨水本身作為資源現(xiàn)如今卻變成了一大安全隱患,我國作為水災(zāi)害頻發(fā)的國家之一。因此,解決洪澇問題是中國當(dāng)下的重大社會需求。調(diào)蓄設(shè)施作為一種可以減輕洪澇災(zāi)害,控制面源污染的重要技術(shù)措施已被廣泛使用。實(shí)踐證明,調(diào)蓄設(shè)施具有顯著的社會,環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益,是三者的有效統(tǒng)一。目前對于調(diào)蓄設(shè)施的研究主要集中在合理確定適合具體地方調(diào)蓄設(shè)施的容積和調(diào)蓄設(shè)施經(jīng)濟(jì)效益的研究;為了更深入的了解調(diào)蓄設(shè)施對于地表徑流的影響,從而做到調(diào)蓄設(shè)施的優(yōu)化。本文通過模擬分析了調(diào)蓄設(shè)施的調(diào)蓄能力對理想河道的坡度、降雨強(qiáng)度、位置變化的響應(yīng)規(guī)律;同時,選擇西咸新區(qū)海綿城市建設(shè)核心示范區(qū)與王茂溝流域?qū)φ{(diào)蓄設(shè)施位置排布的優(yōu)化分析,以期所得結(jié)果對城市湖泊對城市內(nèi)澇災(zāi)害的調(diào)蓄作用、海綿城市雨水調(diào)蓄池理論、流域洪水的削減有所啟發(fā)。本文主要研究工作和結(jié)論如下:1.在西安理工大學(xué)開發(fā)的 GAST 模型(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)的基礎(chǔ)上,耦合了徑流調(diào)蓄設(shè)施模塊,通過輸入高分辨率地形數(shù)據(jù)以表征土地利用類型的基本參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過顯卡實(shí)現(xiàn)加速運(yùn)算,借助此模型模擬分析影響調(diào)蓄設(shè)施調(diào)蓄能力的因素。2.采用GAST模型模擬分析了調(diào)蓄設(shè)施對于降雨形成的地表產(chǎn)匯流過程的影響;采用城市雨洪實(shí)驗(yàn)平臺和已發(fā)表研究成果的解析解進(jìn)行了模型驗(yàn)證;建立“V”型理想流域模型,在此基礎(chǔ)分析影響調(diào)蓄設(shè)施調(diào)蓄能力的因素;在本文設(shè)計的調(diào)蓄設(shè)施和降雨工況下,不同調(diào)蓄設(shè)施類型可緩解最大洪峰流量的1.86%～～15.91%;而調(diào)蓄設(shè)施的位置變化可減少最大洪峰流量的1.64%～20.29%。并由模擬結(jié)果得出:(1)不同類型的調(diào)蓄設(shè)施對于流域洪水過程的調(diào)蓄能力大小影響不同,通過添加徑流分水槽的調(diào)蓄效果從滯洪流量和調(diào)節(jié)峰現(xiàn)時間來說效果均優(yōu)于河道滯洪設(shè)施(2)隨著設(shè)計降雨強(qiáng)度增大,調(diào)蓄設(shè)施的調(diào)蓄能力逐漸增加,(3)當(dāng)調(diào)蓄設(shè)施位于整個流域的下游時,其調(diào)蓄能力最大,(4)當(dāng)主河道的坡度越小時,調(diào)蓄設(shè)施的調(diào)蓄能力越強(qiáng)。3.以王茂溝流域的實(shí)際地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)以及形成洪水時出口斷面的流量為基礎(chǔ);采用2012年7月15日降雨場次下形成的實(shí)測洪水流量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行了對比,以此驗(yàn)證了模型可用于王茂溝流域洪水演進(jìn)模擬。模擬了兩種方案在2012年7月15日場次降雨條件下的洪水演進(jìn)過程,通過與斷面出口處的實(shí)測流量進(jìn)行對比。由此得出在添加調(diào)蓄設(shè)施的兩種方案下,可削減洪峰流量的8.3%和27.5%。4.采用西咸新區(qū)海綿城市建設(shè)3.68km2核心示范區(qū)作為研究區(qū)域,根據(jù)實(shí)測降雨形成的城市內(nèi)澇面積和積水水深與本文模型模擬的結(jié)果進(jìn)行對比,量化驗(yàn)證本文模型的合理性。根據(jù)研究區(qū)域的地形高程將區(qū)域劃分為上、中,下游,并在區(qū)域的不同位置處設(shè)置了不同面積的湖泊,通過模擬大、中、小三種設(shè)計降雨,對比分析了各種工況下的內(nèi)澇積水總量,內(nèi)澇積水面積和重度積水面積三種量化數(shù)據(jù)結(jié)果。由此得出研究區(qū)域內(nèi)湖面面積由0.5024km2減少到0.00785km2時,其積水總量峰值增加12.71%～18.21%,重度內(nèi)澇面積增加11.71%～25.66%;不同位置處的湖泊對區(qū)域內(nèi)澇的影響程度各異,如當(dāng)降雨重現(xiàn)期為100年、湖泊面積為0.5024km2時,湖泊位于研究匯水面上游、中游、下游處對應(yīng)的重度內(nèi)澇面積分別為173460m2、169160m2、162628m2,即當(dāng)湖泊位于流域下游時的調(diào)蓄能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于上游和中游。
【圖文】：

1.1.1 研究背景水是生命的源泉，是人類生存的基礎(chǔ)，，是社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵，中國是一個缺水的國家，淡水資源總量約28000億立方米，人均水資源2238.6立方米，大約為世界平均水平的四分之一，是人均水資源最貧窮的國家之一。但由于中國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展需要消耗大量的水資源；2002年，全國淡水?dāng)z入量約為5497億立方米，約占世界年用量的13%[1]。水資源十分短缺，但水災(zāi)害問題相當(dāng)嚴(yán)峻。當(dāng)下我國水資源災(zāi)害呈現(xiàn)出南澇北旱現(xiàn)象。我國是受山洪災(zāi)害影響大，且頻率較高的國家。1957 年，松花江泛濫，黑龍江省受災(zāi)人口為 370 萬，直接經(jīng)濟(jì)損失為 2.4 億元[5]。相關(guān)資料顯示：2012 年全國約有 14322處地質(zhì)災(zāi)害，其中包括 10888 處滑坡和 922 起泥石流[6]，研究發(fā)現(xiàn)滑坡與泥石流災(zāi)害中有很大一部分原因是由流域洪水所引發(fā)的[7]。中國有 100 多個受泥石流災(zāi)害嚴(yán)重威脅的縣級城鎮(zhèn)，1000 余個鄉(xiāng)鎮(zhèn)級城鎮(zhèn)[8]。山洪形成的泥石流對人類造成的影響非常大；例如，2010年8 月 8 日，甘肅省舟曲縣泥石流災(zāi)害造成 1467 人死亡，298 人失蹤[9]。2008 年 9 月 24日，汶川暴雨形成了較為嚴(yán)重的區(qū)域性泥石流，泥石流沖進(jìn)縣城后，幾乎整個縣城都被淹沒暴雨造成的泥石流導(dǎo)致 42 人死亡和失蹤，大約 4000 余人被困[10]。由此發(fā)現(xiàn)，由洪水引起的水災(zāi)害問題對于社會經(jīng)濟(jì)和人員安全會產(chǎn)生巨大的損失。

預(yù)計年增長率增長；這就意味我國在接下來的幾十年需要大規(guī)模地擴(kuò)建或是新建城鎮(zhèn)來適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的快速城市化。由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展過快，我國城市化進(jìn)程中存在的洪水風(fēng)險在一定程度上沒能得到足夠的重視，出現(xiàn)了重視建筑及地上，輕視生態(tài)及地下的現(xiàn)象。大規(guī)模的地面硬化必將造成雨水下滲困難，地表徑流增加。我國城市的擴(kuò)張也導(dǎo)致了可以滯蓄洪水的林地和濕地等水域的減少。例如福州市 1989-2010 年間的城市建筑用地面積年平均增長 1.67km2。與之相反，可以用來滯洪和下滲的城市水域，園林地面積分別縮減為原來的 22%和 57.2%[11]。且由于土地資源的限制，城市的擴(kuò)展可能需要向洪水易發(fā)區(qū)域推進(jìn)，比如低洼地帶。此外，極端天氣可能形成前所未有的降雨，這些都給城市的防洪工作帶來極大的挑戰(zhàn)。如若城市排澇能力不足，勢必造成大規(guī)模的洪災(zāi)，這將會在很大程度上影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至將先前取的發(fā)展成果毀于一旦。僅在 2012 年，中國就有 184 個城市被洪水淹沒。由 7.12 暴雨事件產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá) 116.4 億元。據(jù)統(tǒng)計，自 2013 年以來，中國平均每年有 180 個城市被淹。2016 年中國長江遭遇了自 1998 年以來最大的一次洪災(zāi)，有超過 5 個省份被洪水淹沒，其中最嚴(yán)重的武漢市，周累積降雨量大約為560.5mm[12-14]，2016 年，太原、武漢、西安等大約 192 個城市經(jīng)歷嚴(yán)重城市內(nèi)澇災(zāi)害[15-6]。目前，我國城市數(shù)目大約有 500 多個，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，其中 2/3 處于洪澇的威脅之下。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU992

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