發(fā)布時(shí)間：2017-10-13 00:17

  本文關(guān)鍵詞：基于Mike21FM的山區(qū)小流域涉水工程防洪影響研究

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【摘要】：近年來,隨著山區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和極端氣候(如局地暴雨)的變化,水系極端水文事件和災(zāi)害發(fā)生頻率不斷加劇。2012年北京“7·21”特大暴雨引發(fā)了重大自然災(zāi)害,房山等重災(zāi)區(qū)多條河流暴發(fā)山洪,局部地區(qū)發(fā)生泥石流,導(dǎo)致河道防洪設(shè)施損毀嚴(yán)重,威脅下游防洪安全；道路、橋梁基礎(chǔ)設(shè)施嚴(yán)重受損,交通阻斷；沖毀耕地、房屋等,造成人民生命財(cái)產(chǎn)損失。目前,防洪影響研究主要集中于資料豐富的大江大河及其重要涉水工程,對(duì)資料缺乏而防洪問題日益突出的山區(qū)小流域及其涉水工程研究較少。本文選定在北京“7·21”特大暴雨中受災(zāi)最嚴(yán)重的小流域之-房山區(qū)紅螺谷小流域內(nèi)河段為研究對(duì)象,采用基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的Mike21FM平面二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型,在收集流域水文氣候、治理規(guī)劃資料和現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上,對(duì)山區(qū)小流域涉水工程進(jìn)行防洪影響研究。主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：1.基于紅螺谷小流域在北京市"7·21”暴雨后的水毀調(diào)查和原因分析,得出降雨強(qiáng)度大、流域防洪標(biāo)準(zhǔn)低、河道束窄嚴(yán)重、河道涉水工程導(dǎo)致的行洪空間不足和流域可供輸移的松散堆積物過多等是造成紅螺谷小流域水毀嚴(yán)重的重要致災(zāi)因子。2.以紅螺谷小流域主溝道為模型計(jì)算范圍,以10a一遇設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)、“7·21”實(shí)測洪峰流量為模型的邊界控制條件,利用Mike21FM建立紅螺谷小流域河道平面二維水流數(shù)學(xué)模型,并對(duì)河道涉水工程進(jìn)行合理概化,對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定并驗(yàn)證,同時(shí)模擬計(jì)算10a一遇和20a一遇洪水過程。因研究河段缺少實(shí)測資料,模型驗(yàn)證時(shí)采用與10a一遇洪峰流量下基于HEC-RAS軟件推求的沿程水位進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果滿足水面線相似要求。因此,平面二維水流數(shù)學(xué)模型的渦黏系數(shù)取0.28,主、邊灘模型曼寧系數(shù)分別取33.3m1/3/s和22.2m1/3/s。3.采用Mike21FM模型對(duì)跨河工程、跌水工程和臨河建筑物等三類涉水工程建設(shè)前后對(duì)水位、流速流態(tài)變化的影響進(jìn)行模擬,分析現(xiàn)狀河道的行洪能力和涉水工程的阻水作用,結(jié)果表明：(1)紅螺谷小流域現(xiàn)狀河道不滿足10a一遇的洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),在“7·21”洪水條件下河道涉水建筑物及橋梁、田地等損毀嚴(yán)重。山區(qū)河道跨河工程對(duì)防洪影響較大,其中大型跨河工程阻水作用最為明顯,大型橋梁壅水過大,表明位置設(shè)置嚴(yán)重不合理,在原有過水?dāng)嗝娌荒軡M足行洪要求的情況下,大橋的建設(shè)使淹沒范圍和淹沒水深進(jìn)一步增加。中小型橋梁的阻水作用受橋墩尺寸、墩頭形式、上下游橋梁之間距離影響,同時(shí)壅水高度和范圍隨斜交角度的增加而加大,不僅影響到行洪安全,也是導(dǎo)致橋梁損毀的直接原因。漫水橋的阻水作用較中小橋梁明顯,并隨設(shè)計(jì)高度的增加而增大。(2)設(shè)計(jì)三類跌坎尺寸和形式：①現(xiàn)狀條件的6道跌坎、高度為1.0m的跌水(方案一)：②6道跌坎、設(shè)計(jì)高度為0.5m的跌水(方案二)；③3道跌坎、設(shè)計(jì)高度為1.0m的跌水(方案三),并開展對(duì)建成初期和淤平后水位、流速和淹沒范圍的變化模擬分析。結(jié)果表明：跌坎上游水位明顯壅高甚至溢流,流速減小,壅水值和壅水范圍隨跌坎高度的增加而加大,而下游出現(xiàn)跌水,且流速明顯增加；不論是建成初期還是淤平后,現(xiàn)狀跌坎形式對(duì)各水力要素影響最大,其次是方案三,方案二影響相對(duì)較��；同一方案下,建成初期壅水僅能影響一定區(qū)域,而淤平后較建成初期沿程水位顯著抬升,溢流范圍明顯增加。因此現(xiàn)狀跌坎形式不滿足防洪要求。(3)對(duì)臨河建筑物的防洪分析表明,洪水標(biāo)準(zhǔn)為10a一遇時(shí),黃山店立馬水泥廠建筑物群和黃山店永久避險(xiǎn)安置房附近建筑物群嚴(yán)重?cái)D占河道行洪空間,導(dǎo)致斷面過流能力不足,增加了主河槽的行洪壓力,河道兩岸溢流嚴(yán)重；拴馬莊村建筑物群的建設(shè)對(duì)河道行洪影響不大,但河道溢流洪水進(jìn)入村莊沒有宣泄通道,威脅村莊安全,應(yīng)在河道溢流點(diǎn)建設(shè)護(hù)村堤等攔擋措施。4.應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對(duì)10a一遇和20a一遇設(shè)計(jì)洪水過程進(jìn)行模擬計(jì)算,得出河道不同位置的水力要素,包括水位、流速、流向、流量等。通過分析不同設(shè)計(jì)洪水條件下水面線、沿程流速和過流能力,為主要涉水工程優(yōu)化布局提供參考；通過對(duì)不同區(qū)域淹沒情況分析,為護(hù)岸、堤防設(shè)計(jì)提供依據(jù)；通過河道整治過水?dāng)嗝鎯?yōu)化分析,為河道拓寬加深設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：Mike21FM 山區(qū)小流域 “7·21”特大暴雨 防洪影響 涉水工程
【學(xué)位授予單位】：中國水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TV87
【目錄】：

• 摘要5-7
• 英文摘要7-13
• 第一章 緒論13-22
• 1.1 研究背景及意義13
• 1.2 國內(nèi)外研究進(jìn)展13-19
• 1.2.1 水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬14-17
• 1.2.2 山區(qū)小流域洪水?dāng)?shù)值模擬17-18
• 1.2.3 涉水工程防洪研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3 目前研究存在的問題19
• 1.4 研究內(nèi)容與技術(shù)路線19-21
• 1.4.1 研究內(nèi)容19-21
• 1.4.2 技術(shù)路線21
• 1.5 本章小結(jié)21-22
• 第二章 紅螺谷小流域概況22-27
• 2.1 小流域基本概況22-23
• 2.2 紅螺谷小流域水文形態(tài)分析23-24
• 2.3 小流域受災(zāi)情況及成災(zāi)原因分析24-26
• 2.3.1 小流域損毀情況調(diào)查24-25
• 2.3.2 水損原因分析25-26
• 2.4 本章小結(jié)26-27
• 第三章 二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證27-45
• 3.1 平面二維數(shù)學(xué)模型的選擇27-28
• 3.2 Mike21FM的基本原理28-31
• 3.2.1 求解方程28
• 3.2.2 數(shù)值解法28-30
• 3.2.3 邊界條件處理30-31
• 3.3 計(jì)算條件31-38
• 3.3.1 計(jì)算范圍31
• 3.3.2 地形條件31-32
• 3.3.3 網(wǎng)格劃分32
• 3.3.4 邊界控制條件32-34
• 3.3.5 涉水工程概化方法34-38
• 3.4 模型的率定和驗(yàn)證38-42
• 3.4.1 地形驗(yàn)證38-40
• 3.4.2 參數(shù)率定及其敏感性分析40-41
• 3.4.3 水面線驗(yàn)證41-42
• 3.5 計(jì)算方案42-44
• 3.6 本章小結(jié)44-45
• 第四章 涉水工程防洪計(jì)算與分析45-69
• 4.1 跨河工程防洪分析45-53
• 4.1.1 大型跨河橋梁45-48
• 4.1.2 中小型跨河橋梁48-51
• 4.1.3 漫水橋51-53
• 4.2 跌水防洪分析53-60
• 4.2.1 壅水分析54-57
• 4.2.2 流速變化57-58
• 4.2.3 淹沒范圍58-60
• 4.3 臨河建筑物防洪分析60-68
• 4.3.1 立馬水泥廠防洪分析60-62
• 4.3.2 黃山店永久避險(xiǎn)安置房附近建筑防洪分析62-66
• 4.3.3 拴馬莊村防洪分析66-68
• 4.4 本章小結(jié)68-69
• 第五章 山區(qū)河道涉水工程優(yōu)化布局69-83
• 5.1 設(shè)計(jì)洪水過程計(jì)算分析69-73
• 5.1.1 水位70-72
• 5.1.2 流量72-73
• 5.2 典型小流域涉水工程布局優(yōu)化73-82
• 5.2.1 水面線布局73-74
• 5.2.2 沿程流速分布74-76
• 5.2.3 沿程過流能力布局76-77
• 5.2.4 跨河工程布局優(yōu)化77-78
• 5.2.5 跌水布局優(yōu)化78
• 5.2.6 臨河建筑物布局優(yōu)化78-79
• 5.2.7 河道整治過水?dāng)嗝鎯?yōu)化79-80
• 5.2.8 優(yōu)化措施布局80-82
• 5.3 本章小結(jié)82-83
• 第六章 結(jié)論及建議83-86
• 6.1 結(jié)論83-85
• 6.2 建議85-86
• 參考文獻(xiàn)86-89
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果89-90
• 致謝90

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1021760