水文-水动力学模型分析山丘区洪水风险.pdf
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1、第37 卷第5 期2023年9 月文章编号:16 7 1-35 5 9(2 0 2 3)0 5-0 5 2 7-0 9济南大学学报(自然科学版)Journal of University of Jinan(Science and Technology)Vol.37 No.5Sept.2023D0I:10.13349/ki.jdxbn.20230407.001水文-水动力学模型分析山丘区洪水风险郝振智,桑国庆,王海军,刘?驰3(1.济南大学水利与环境学院,山东济南2 5 0 0 2 2;2.山东省水文中心,山东济南2 5 0 0 0 2;3.济宁市水利事业发展中心,山东济宁2 7 2 10 9)
2、摘要:为了更好地分析山丘区洪水淹没风险,以界河流域为例,提出一种基于水文-水动力学模型的山丘区洪水风险分析方法;以整个流域为计算单元,局部网格加密处理,根据实测降雨洪峰数据对水文-水动力学模型进行验证,利用该模型计算不同降雨频率时洪水淹没范围,并结合层次分析法进行洪水风险分析。结果表明:5 0 a一遇、10 0 a一遇降雨频率时界河流域洪水淹没面积分别为3.2 2、5.0 4km,最大综合风险性指数分别为15.45、49.41;风险区均沿河道方向狭长分布,垂直河道方向延伸较少;模拟河道洪峰流量与实测河道洪峰流量误差小于10%,可准确模拟山丘区洪水淹没情况。关键词:洪水模拟;洪水风险;水文-水动
3、力学模型;界河流域中图分类号:TV14文献标志码:AFlood Risks in Mountain Regions Analyzed on the Basis of开放科学识别码(OSID码):Hydrology-Hydrodynamics ModelHAO Zhenzhi,SANG Guoqing,WANG Hajun,LIU Chi?(1.School of Water Conservancy and Environment,University of Jinan,Jinan 250022,Shandong,China;2.Hydrographic Bureau of Shandong,J
4、inan 250002,Shandong,China;3.Jining Water Conservancy Development Center,Jining 272109,Shandong,China)Abstract:To better analyze flood inundation risks in mountain regions,a method of flood risk analysis in mountainregions based on hydrology-hydrodynamics model was proposed taking the Jiehe basin as
5、 an example.The whole basinwas taken as the calculation unit,the local grid was encrypted,and the hydrology-hydrodynamics model was verifiedaccording to measured rainfall flood peak data.The model was used to calculate the flood inundation range at differentrainfall frequencies.Combined with analyti
6、c hierarchy process,the flood risk analysis was carried out.The results showthat the flood inundated areaes of the Jihe basin are 3.22 km and 5.04 km with the rainfallfrequencies of once every50-year and once every 100-year,and the maximum comprehensive risk indexes are 15.45 and 49.41,respectively.
7、Therisk areas are distributed along the stream channel direction in a narow and elongated manner,and the extension alongvertical river direction is less.The error between the simulated stream peak discharge and the measured stream peakdischarge is less than 10%,which can accurately simulate the floo
8、d inundation in mountain regions.Keywords:flood simulation;flood risk;hydrology-hydrodynamics model;the Jiehe basin由于人类活动的影响,全球气候变暖,极端化天气增多,因此自然灾害的发生频率不断上升。我收稿日期:2 0 2 2-0 5-2 6基金项目:国家自然科学基金项目(5 19 0 9 10 4);山东省自然科学基金项目(ZR2020ME249)第一作者简介:郝振智(19 9 7 一),男,山东潍坊人。硕士研究生,研究方向为水文学及水资源。E-mail:15 9 5 12 7 4
9、6 9 q q.c o m。通信作者简介:桑国庆(19 8 1一),男,山东济宁人。教授,博士,硕士生导师,研究方向为水文学及水资源。E-mail:s a n g g u o q i n g 16 3.c o m。网络首发地址:https:/ 5%,极高危险区域占网络首发时间:2 0 2 3-0 4-0 7 T14:35:12528国土面积的3.9 2%11;我国东部季风区发生山洪灾害数量较多,占据了全国灾害总数的8 1%2 。山洪灾害具有突发性、水量集中和破坏力大的特点,给国民经济和人民生命财产造成了严重危害,因此,进行山丘区洪水风险分析,提前确定危险区范围以及风险程度,尤为重要。提前确定不
10、同频率下的降雨所对应的淹没范围和不同区域的风险程度,可为防洪减灾工作提供更为有效的决策支持,国内外学者也对此做了大量研究。刘伊萌等 3 利用二维洪水模型CADDIES-2D进行了北京城区暴雨洪涝模拟及验证分析,并对比不同分辨率输入数据情况下FloudArea模型与CAD-DIES-2D模型的模拟精度。吴俊毅等 4 构建基于暴雨洪水管理模型(PCSWMM)的一维-二维耦合内涝模型,提出以本地道路地表径流和检查井溢流对积水贡献比例为指标的积水来源定量分析方法。Merz等 5 提出耦合模型链区域洪水模型(RFM),是水文模型、耦合的一维-二维流体动力学模型和洪水损失模型的组合,可以推导出排放、淹没和
11、损害模式等信息。Woldemeskel等 6 进行了约束连续降雨模拟以进行派生设计洪水估算。Jamali 等 7 利用快速城市洪水淹没与损害评价模型(RUFIDAM)快速估计洪水范围、深度及其相关损害,结果表明RUFIDAM能够以可接受的精度预测洪水范围和累积的损害成本,虽然模拟结果中洪水位置有小幅变化,但与一维-二维动态耦合的洪水模拟软件包MIKEFLOOD相比,模拟时间缩短了2 个数量级。陈文龙等 8 利用了基于侧向联解的一维-二维耦合水动力学模型,模拟了河道-防洪保护区耦合系统中漫堤洪水和具有任意溃口形状的溃堤洪水演进过程。综上,大多数的洪水淹没模拟研究集中在人口较多的城市地区,对山丘区
12、分布于河流两岸的集镇、乡村模拟较少。界河位于山东省招远市,流域内9 6.8 3%为山丘区,且河道两岸分布较多的村庄、集镇。为了寻找可快速、准确模拟不同降雨强度下山丘区中、小河流洪水淹没情况的途径,本文中提出一种基于水文-水动力学模型的模拟方法,以界河为例并以整个流域为计算单元进行洪水淹没模拟,确定不同雨强下的洪水风险程度,为提前进行人员和财产转移提供决策参考,为防洪减灾和洪灾评估等提供依据。1基本理论本文中通过构建水文-水动力学模型来模拟山济南大学学报(自然科学版)丘区洪水淹没情况,共包含水文模型、一维水动力模型、二维水动力模型3个部分。以水文模型模拟的产汇流过程作为一维水动力模型边界条件实现
13、数值耦合;利用堰流公式实现一、二维水动力模型的洪水信息交互与模型耦合。1.1水文模型为了模拟研究区的降雨径流情况,将流域的水文过程概化为降雨损耗、坡面汇流、河道演算、基流指数退水4个部分 9-10 。利用径流曲线法(SCS)模拟研究区降雨损耗,并引入与流域前期土壤湿润程度、坡度、植被、土壤类型和土地利用类型等状况有关的降雨前流域特征的综合参数 C,。r(P-0.2S)2,P0.2S,R=P+0.8S,Lo,P0.50011.00001.00011.50001.50012.00002.00013.000013.00014.4628(a)50 a 一遇图5 研究区不同降雨频率时的洪水淹没范围(资料
14、来源:国家测绘地理信息局标准地图服务网站,审图号为GS(2 0 19)3333,经ArcGIS10.2软件处理。)3风险分析选取若干洪水风险因子,利用层次分析法构建综合评价体系,通过对洪水危险因子和洪水易损因子的权重计算,叠加计算各个洪水影响因子之后确定研究区不同区域洪水风险等级,从而进行洪水风险分析。3.1指标权重计算选定最大淹没水深、最大流速、最大淹没时长为洪水危险因子,并利用二维水动力模型模拟所得的各个网格的洪水信息进行风险计算;选定人口、房屋、耕地为易损因子建立指标体系。危险因子指标权重如表3所示,易损因子指标权重如表4所示。表3洪水风险因子指标权重最大淹没最大淹没最大流速目标权重深度
15、历时最大没深度1最大流速1/3最大淹没历时1/4通过建立判别矩阵,进行目标权重计算并进行一致性检验,认定当判断矩阵的随机一致性比率C,0.50011.00001.00011.500011.50012.000012.00013.000013.00014.6000(a)100 a 一遇表4洪水易损因子指标中权重人口房屋人口1房屋1/2耕地1/5式中:C为判断矩阵的一般一致性指标;R;为判断矩阵的平均随机一致性指标;入mx为计算判断矩阵的最大特征值;e为矩阵行列数。计算结果显示,风险因子约为0.0 16,易损因子约为0.0 0 3,均符合条件。3.2综合危险性分析根据上文计算所得危险因子权重,将最大
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