径流调蓄设施对洪涝调控作用模拟研究

作     者：齐文超 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：侯精明;黄绵松

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：调蓄设施 位置优化 数值模型 洪涝过程 GPU并行计算技术 

摘      要：近年来,全球气候变化下由极端降雨等诱因导致洪涝过程频发,雨水本身作为资源现如今却变成了一大安全隐患,我国作为水灾害频发的国家之一。因此,解决洪涝问题是中国当下的重大社会需求。调蓄设施作为一种可以减轻洪涝灾害,控制面源污染的重要技术措施已被广泛使用。实践证明,调蓄设施具有显著的社会,环境和经济效益,是三者的有效统一。目前对于调蓄设施的研究主要集中在合理确定适合具体地方调蓄设施的容积和调蓄设施经济效益的研究;为了更深入的了解调蓄设施对于地表径流的影响,从而做到调蓄设施的优化。本文通过模拟分析了调蓄设施的调蓄能力对理想河道的坡度、降雨强度、位置变化的响应规律;同时,选择西咸新区海绵城市建设核心示范区与王茂沟流域对调蓄设施位置排布的优化分析,以期所得结果对城市湖泊对城市内涝灾害的调蓄作用、海绵城市雨水调蓄池理论、流域洪水的削减有所启发。本文主要研究工作和结论如下:1.在西安理工大学开发的 GAST 模型(GPU Accelerated Surface Water Flow and Transport Model)的基础上,耦合了径流调蓄设施模块,通过输入高分辨率地形数据以表征土地利用类型的基本参数的基础上,通过显卡实现加速运算,借助此模型模拟分析影响调蓄设施调蓄能力的因素。2.采用GAST模型模拟分析了调蓄设施对于降雨形成的地表产汇流过程的影响;采用城市雨洪实验平台和已发表研究成果的解析解进行了模型验证;建立“V型理想流域模型,在此基础分析影响调蓄设施调蓄能力的因素;在本文设计的调蓄设施和降雨工况下,不同调蓄设施类型可缓解最大洪峰流量的1.86%～～15.91%;而调蓄设施的位置变化可减少最大洪峰流量的1.64%～20.29%。并由模拟结果得出:(1)不同类型的调蓄设施对于流域洪水过程的调蓄能力大小影响不同,通过添加径流分水槽的调蓄效果从滞洪流量和调节峰现时间来说效果均优于河道滞洪设施(2)随着设计降雨强度增大,调蓄设施的调蓄能力逐渐增加,(3)当调蓄设施位于整个流域的下游时,其调蓄能力最大,(4)当主河道的坡度越小时,调蓄设施的调蓄能力越强。3.以王茂沟流域的实际地形数据、土地利用数据、降雨数据以及形成洪水时出口断面的流量为基础;采用2012年7月15日降雨场次下形成的实测洪水流量数据与模拟结果进行了对比,以此验证了模型可用于王茂沟流域洪水演进模拟。模拟了两种方案在2012年7月15日场次降雨条件下的洪水演进过程,通过与断面出口处的实测流量进行对比。由此得出在添加调蓄设施的两种方案下,可削减洪峰流量的8.3%和27.5%。4.采用西咸新区海绵城市建设3.68km2核心示范区作为研究区域,根据实测降雨形成的城市内涝面积和积水水深与本文模型模拟的结果进行对比,量化验证本文模型的合理性。根据研究区域的地形高程将区域划分为上、中,下游,并在区域的不同位置处设置了不同面积的湖泊,通过模拟大、中、小三种设计降雨,对比分析了各种工况下的内涝积水总量,内涝积水面积和重度积水面积三种量化数据结果。由此得出研究区域内湖面面积由0.5024km2减少到0.00785km2时,其积水总量峰值增加12.71%～18.21%,重度内涝面积增加11.71%～25.66%;不同位置处的湖泊对区域内涝的影响程度各异,如当降雨重现期为100年、湖泊面积为0.5024km2时,湖泊位于研究汇水面上游、中游、下游处对应的重度内涝面积分别为173460m2、169160m2、162628m2,即当湖泊位于流域下游时的调蓄能力远远高于上游和中游。