考虑矿山堆渣影响的山洪形成及洪水演进淹没过程数值模拟

作     者：李桂伊 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国栋;侯精明;哈岸英

授予年度：2018年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：矿渣堆积 插值方法 水动力学模型 洪水演进 水文过程 

摘      要：山洪灾害是我国最为严重的自然灾害之一,而在矿山开采的小流域内,矿渣堆积改变流域水文过程,可能引发更为严重的矿山泥石流灾害,同时洪水演进可能淹没城镇产生洪涝灾害,故深入研究矿渣流域山洪形成以及洪水演进淹没成灾机理具有十分重要的意义。本文针对矿渣堆积流域山洪形成过程以及洪水演进淹没过程问题,通过构建二维雨洪数值模型和洪水演进数值模型,计算分析了矿渣堆积对流域行洪能力的影响以及流域主沟道水深分布情况,同时研究了当洪水在城镇演进的淹没过程和淹没面积分布情况,并对模型精度、效率和稳定性进行分析。主要取得以下研究成果:1.提出一套流域地形重构方法,可根据流域内局部的高精度地形数据和全部的低精度地形数据构建出较为合理的流域地形,有效提高流量过程线计算精度。通过不同插值方法和不同插值宽度产汇流计算分析发现,对插值宽度敏感性较低的方法为TIN法,其次为Natural法、IDW法,Kriging法的插值敏感性较高。同时鉴于TIN法插值效率较高,且在高程变化显著的地方插值效果较好,地形重构中可优先选用TIN法,过渡地形宽度优先选取自然坡比相同的宽度。2.建立了大西岔流域二维雨洪过程数值模型,计算了 5种重现期降雨下有无堆渣地形的产汇流过程,分析了山洪过程对堆渣地形的响应规律。矿渣堆积对于流域出口断面具有一定滞洪效果;五种不同降雨重现期中,10年一遇降雨时洪峰削减效果最为显著,当降雨重现期小于10年时,地形对洪峰大小、到达时间起主要影响作用,反之,地形的影响作用逐渐减弱;洪峰削减率随着断面向下游移动逐渐增大。研究成果对于降低矿渣堆积流域下游洪水风险具有一定积极意义。3.建立洪水演进模型,得到城区遭受百年一遇洪水时的淹没过程及范围,并量化对比该模型与已有模型的计算精度、效率和稳定性。GAST模型模拟淹没面积与实测结果百分误差仅为0.96～4.36%,同时计算5m、2m分辨率地形用时分别为2.17 h、9.00 h,具有较高的模拟精度、效率及计算稳定性;对比相同输入条件下的MIKE21 FM模型,GAST模型计算精度提升4.51～7.33倍;GAST模型计算效率提升3.4～11.78倍,且随着计算网格数的增加效率优势更为明显,故其应用前景广阔。