CN111597678A - 一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，采用不同来源的洪水给定不同种类的标志示踪剂的方式，通过水力学模型模拟标志示踪剂的迁移范围，识别相应洪源的淹没区，并解析出淹没区内各种洪源对淹没水深的影响程度。具体步骤为：摸清研究区的洪水风险来源及组成，制定洪水遭遇组合方案；构建洪水演进过程模拟模型；构建示踪剂对流‑扩散模型；提取特征洪源下的洪水淹没范围；解析淹没区多洪源作用下的淹没水深。本发明实现了洪水遭遇组合情景下洪水到达时间的准确提取，识别了洪水遭遇组合情景下不同洪源对特征点位的影响程度，有助于提高洪水风险图编制的精度。

Description

一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法

技术领域

本发明涉及一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，属于洪水管理、洪水风险图编制技术领域。

背景技术

洪水风险图是直观反映区域洪水风险的系列图件，包括淹没水深图、到达时间图、淹没历时图、避险转移图等，是进行科学的洪水管理主要依据之一。洪水风险图编制以准确的洪水分析结果为基础，一般通过水力学模型建模，以单一的或组合的洪水来源为风险源，在设计防洪标准内或超标准洪水时，模拟特定区域内洪水淹没过程。在洪水来源单一、无内水条件下，水力学模型计算获得的零水深包络范围即为洪水淹没范围；但是，在多种洪水来源组合情景的洪水分析时，如溃堤洪水和内涝遭遇，不同来源的洪水淹没区会有空间重叠，且由于内涝水淹没范围大，通过零水深包络范围提取获得的洪水淹没范围，不能细分出不同来源洪水的影响范围和影响程度。通常，由于内涝水和溃堤洪水的流速、水深变化存在差异，以此为判据来区分内涝水、溃堤洪水是多洪源模拟洪水分析的主要方法，但存在判据阈值难以统一设置的难题。同时，不同洪源对特征点位的影响，通常是以单一洪源洪水分析结果为基础，通过简单叠加的方式区分不同洪源的影响，该方式忽略了各种洪源在研究区内演进过程的交互作用，解耦的结果与洪水实际的影响不符。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，具体技术方案如下：

一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，包括以下步骤：

步骤一、查清洪水风险来源及组成，制定洪水遭遇分析方案；

调查研究区洪水风险源，分析洪水来源及量级、洪水遭遇组合情景，制定洪水遭遇分析方案；调查、复核和处理研究区基础资料；

步骤二：构建洪水演进过程模拟模型；

构建洪水演进过程模拟模型，并通过典型洪水过程对模型参数进行率定、验证模型适用性；

步骤三、构建示踪剂对流-扩散模型；

在洪水演进过程模拟模型的基础上，构建示踪剂对流-扩散模拟模型，模拟示踪剂运移过程；

步骤四、特征洪源下的洪水淹没范围提取；

以示踪剂对流-扩散模拟模型模拟结果为基础，提取某时刻研究区内各种示踪剂浓度的空间分布；

步骤五：解析淹没区多洪源作用下的淹没水深；

在洪源遭遇情景洪水分析时，淹没区水深变化是由多种洪源共同作用的结果。

作为上述技术方案的改进，在步骤一中，所述基础资料包括高精度地形资料、数字线划图，地形资料和数字线划图资料的比例尺不低于1:50000。

作为上述技术方案的改进，在步骤二中，将不同的洪水来源定量化为独立的边界，构建一组或多组洪水演进过程模拟模型；洪水演进过程模拟模型选用研究区二维水动力学模型模拟、河道一维水力学模型、研究区二维水力学模型计算、一/二维实时耦合水力学模型中的一种。

作为上述技术方案的改进，所述洪水演进过程模拟模型，在分析暴雨内涝洪源时，选择净雨过程作为边界条件，该边界在研究区内直接产生地表径流。

作为上述技术方案的改进，所述洪水演进过程模拟模型，在研究区内部有湖泊、水库、河流时，将该研究区处理为水面，底高程为湖库低高程，初始高程处理为正常蓄水位或典型洪水过程模拟时初始水位。

作为上述技术方案的改进，在步骤二的参数率定、模型适用性评估过程，以2-3场次典型洪水过程进行率定；利用实测和计算的水位、流量差值最小为目标，通过自动和人工两种方法参数率定，要求洪峰水位差小于0.2m、流量误差小于5％。

作为上述技术方案的改进，所述示踪剂对流-扩散模拟模型，研究区内初始示踪剂浓度为零，每种边界分别给定一种示踪剂，边界处示踪剂浓度为恒定值，示踪剂无扩散、无衰减、相互间无反应，仅跟随水流运动。

作为上述技术方案的改进，在步骤四中，将某种示踪剂浓度大于0的区域定义为相应洪源的洪水影响区，该区域即为该时刻相应洪源的淹没范围；按照洪水风险分析要求，选择多个时间点的淹没范围绘制在一张图件上，即获得洪水淹没范围图。

作为上述技术方案的改进，在步骤五中，提取淹没区内特征点位淹没水深过程线和不同示踪剂的浓度时间过程线，按照示踪剂浓度占总浓度比例，将淹没水深过程线分解为多个部分，分别表征每种洪源作用下的淹没区水深变化。

本发明的有益效果：

1、本发明实现了洪水遭遇组合情景下洪水到达时间的准确提取，提高洪水风险图编制中到达时间图、淹没历时图等图件的精确度，提高洪水管理的科学性。

2、本发明实现了洪水遭遇组合情景下不同洪源对特征点位的影响，与单一洪源方案的模拟结果的叠加方式，本发明分析了不同洪源在空间演进过程的交互作用，真实识别特征点位受不同洪源的影响程度。

附图说明

图1为本发明所述基于示踪剂模拟的溃堤洪水淹没范围的计算方法的操作流程图；

图2为某蓄洪区洪涝遭遇情景下的进洪到达时间图；

图3为某蓄洪区中心点淹没水深过程线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

所述多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其操作流程见图1，具体包括以下步骤：

S1：摸清洪水风险来源及组成；

调查研究区洪水风险源，分析洪水来源及量级、洪水遭遇组合情景，制定洪水分析方案；调查、复核和处理研究区基础资料，包括基础地理、水文和设计洪水、构筑物及工程调度等资料。

具体例：某蓄洪区位于淮河流域中游，面积180km²，启用频次约4年一次。区内洪水来源主要为淮河上游洪水分蓄洪、区内暴雨内涝。区内地势低洼，进蓄洪时与区域暴雨内涝遭遇频繁。蓄洪区通过进洪闸、退洪闸进退洪，设计进洪流量1626m³/s。

S2：构建洪水演进过程模拟模型；

构建洪水演进过程模拟模型，并通过典型洪水过程对模型参数进行率定、验证模型适用性。将不同的洪水来源定量化为独立的边界，如溃堤洪水在溃口处给定流量边界，构建一组或多组洪水演进过程模拟模型。

具体例：蓄洪区2003年、2007年开闸蓄洪。以2003年、2007年实测进洪流量、退洪流量、实测降雨序列为边界，构建了典型分蓄洪洪水演进过程二维模拟模型，对模型中干湿边界、土地利用类型的糙率等参数进行了率定，以模拟和实测洪峰水位差值为0.13m，所建模型能够满足洪水风险分析要求。

S3：构建示踪剂对流-扩散模型；

在洪水演进过程模拟模型的基础上，构建示踪剂对流-扩散模拟模型，模拟示踪剂运移过程。研究区内初始示踪剂浓度为零，每种边界分别给定一种示踪剂，边界处示踪剂浓度为恒定值，示踪剂无扩散、无衰减、相互间无反应，仅跟随水流运动。

具体例：以1991年蓄洪区分蓄洪、蓄洪区暴雨内涝遭遇为例，模拟分析洪水演进过程模拟模型、示踪剂对流-扩散模型，模拟分蓄洪洪水和内涝洪水中示踪剂运移过程。进洪闸边界为设计流量过程，示踪剂1浓度恒定为1000，边界处的示踪剂2浓度梯度为0；暴雨内涝净雨作为上边界，直接输送至二维网格上，示踪剂1的浓度为0、示踪剂2的浓度为1000。区内示踪剂1、示踪剂2的初始浓度场浓度为0，设定示踪剂无扩散、无衰减。

S4：特征洪源下的洪水淹没范围提取；

以示踪剂对流-扩散模拟模型模拟结果为基础，提取某时刻研究区内各种示踪剂浓度的空间分布。将某种示踪剂浓度大于0的区域定义为相应洪源的洪水影响区，该区域即为该时刻相应洪源的淹没范围。按照洪水风险分析要求，选择多个时间点的淹没范围绘制在一张图件上，即获得洪水淹没范围图。

具体例：以1h、3h、6h、12h、24h、3d为时间节点，将示踪剂对流-扩散模型的示踪剂浓度场计算结果输出，并转化为矢量图。利用ArcGIS软件处理矢量图件，选取示踪剂1浓度大于0的网格，并对网格进行融合处理，获取最大外包络线，即为该时刻溃口洪水淹没范围。将1h、3h、6h、12h、24h、3d等时间点淹没范围绘制在一张图件上，即获得溃堤洪水淹没范围图，如图2所示。

S5：解析淹没区多洪源作用下的淹没水深

在洪源遭遇情景洪水分析时，淹没区水深变化是由多种洪源共同作用的结果。提取淹没区内特征点位淹没水深过程线和不同示踪剂的浓度时间过程线，按照示踪剂浓度占总浓度比例，将淹没水深过程线分解为多个部分，分别表征每种洪源作用下的淹没区水深变化。

具体例：在洪涝遭遇情景洪水分析时，淹没区水深变化是由外洪水、内涝水等共同作用的结果。以蓄洪区内中心点位为特征点，提取该点位的示踪剂1、示踪剂2浓度时间过程线及淹没水深过程线，按照示踪剂1、示踪剂2浓度比例，将淹没水深过程线分解为两部分，分别表征分蓄洪水、内涝引起淹没水深，见图3。

在上述实施例中，本发明实现了在蓄洪区蓄洪和暴雨内涝遭遇情景下，准确提取了蓄洪区开闸蓄洪，洪水在蓄洪区内的到达时间，并解析出特征点位蓄洪、内涝引起淹没水深变化情况。

分洪源独立模拟、线性叠加是洪源遭遇情景解耦不同洪源影响的简单方法，但该方法忽略了各种洪源演进过程的交互作用，如案例中典型年份蓄洪前的暴雨内涝造成了沟满河平、低洼区积水，进洪洪水不需要填平沟、河及低洼区，遭遇情景下洪水演进速度快于单独进洪方案的演进速度；然而，内涝积水降低进洪时段的水面坡降，减缓洪水演进速度，造成遭遇情景下洪水演进速度慢于单独进洪方案的演进速度；多种因素综合影响，与独立进洪方案的洪水演进速度相比，洪水遭遇情景洪水演进速度有所差别，进而影响到洪水到达时间等洪水风险图编制关键信息的提取。同时，分洪源独立模拟时，各方案难以给定准确的出流条件，提高了分洪源独立模拟的难度，如本发明提供的案例，在进洪一段时间后，下游开闸退洪，退洪水量包括了蓄洪的水量及前期暴雨内涝的积水。本发明模拟的洪水演进过程能够反映多洪源的交互作用，解耦方法更具科学性、便捷性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、查清洪水风险来源及组成，制定洪水遭遇分析方案；

调查研究区洪水风险源，分析洪水来源及量级、洪水遭遇组合情景，制定洪水遭遇分析方案；调查、复核和处理研究区基础资料；

步骤二：构建洪水演进过程模拟模型；

构建洪水演进过程模拟模型，并通过典型洪水过程对模型参数进行率定、验证模型适用性；

步骤三、构建示踪剂对流-扩散模型；

在洪水演进过程模拟模型的基础上，构建示踪剂对流-扩散模拟模型，模拟示踪剂运移过程；

步骤四、特征洪源下的洪水淹没范围提取；

以示踪剂对流-扩散模拟模型模拟结果为基础，提取某时刻研究区内各种示踪剂浓度的空间分布；

步骤五：解析淹没区多洪源作用下的淹没水深；

在洪源遭遇情景洪水分析时，淹没区水深变化是由多种洪源共同作用的结果。

2.根据权利要求1所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：在步骤一中，所述基础资料包括高精度地形资料、数字线划图，地形资料和数字线划图资料的比例尺不低于1:50000。

3.根据权利要求1所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：在步骤二中，将不同的洪水来源定量化为独立的边界，构建一组或多组洪水演进过程模拟模型；洪水演进过程模拟模型选用研究区二维水动力学模型模拟、河道一维水力学模型、研究区二维水力学模型计算、一/二维实时耦合水力学模型中的一种。

4.根据权利要求3所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：所述洪水演进过程模拟模型，在分析暴雨内涝洪源时，选择净雨过程作为边界条件，该边界在研究区内直接产生地表径流。

5.根据权利要求3所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：所述洪水演进过程模拟模型，在研究区内部有湖泊、水库、河流时，将该研究区处理为水面，底高程为湖库低高程，初始高程处理为正常蓄水位或典型洪水过程模拟时初始水位。

6.根据权利要求3所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：在步骤二的参数率定、模型适用性评估过程，以2-3场次典型洪水过程进行率定；利用实测和计算的水位、流量差值最小为目标，通过自动和人工两种方法参数率定，要求洪峰水位差小于0.2m、流量误差小于5％。

7.根据权利要求1所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：所述示踪剂对流-扩散模拟模型，研究区内初始示踪剂浓度为零，每种边界分别给定一种示踪剂，边界处示踪剂浓度为恒定值，示踪剂无扩散、无衰减、相互间无反应，仅跟随水流运动。

8.根据权利要求1所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：在步骤四中，将某种示踪剂浓度大于0的区域定义为相应洪源的洪水影响区，该区域即为该时刻相应洪源的淹没范围；按照洪水风险分析要求，选择多个时间点的淹没范围绘制在一张图件上，即获得洪水淹没范围图。

9.根据权利要求1所述的一种多洪源遭遇条件洪水淹没特征的解耦方法，其特征在于：在步骤五中，提取淹没区内特征点位淹没水深过程线和不同示踪剂的浓度时间过程线，按照示踪剂浓度占总浓度比例，将淹没水深过程线分解为多个部分，分别表征每种洪源作用下的淹没区水深变化。

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