径流汇流模型在四川小流域山洪预警中的应用研究.pdf
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1、 :第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目:高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室科技发展基金项目();国家自然科学基金();四川省科技厅重点研发项目();中国气象局 成都信息工程大学人工影响天气联合研究中心开放课题()收稿日期:作者简介:叶帮苹(),男,硕士,工程师,主要从事 集成与气象应用方面的研究。:通信作者:柳锦宝(),男,博士,副教授,主要从事生态环境监测与 应用方面的研究。:叶帮苹,丁雨虹,柳锦宝,等 径流汇流模型在四川小流域山洪预警中的应用研究 人民珠江,():,径流汇流模型在四川小流域山洪预警中的应用研究叶帮苹,丁雨虹,柳锦宝,陈军,张小丽(四川省气象台,四川成都 ;成都信
2、息工程大学,四川成都 ;成都市郫都生态环境局,四川成都 )摘要:以四川彭州山区小流域为研究对象,通过历史降水数据、流域分区数据、等数据,对基于纳维 斯托克斯方程(方程)稳定流场的流域径流汇流模型,进行参数率定,并在此基础上对彭州山区小流域山洪进行风险评估与预警。结论如下:径流模型参数率定后扩散系数为 ,加速系数为 ,最大水速为 ;对不同降水小场景下汇流特征进行分析,发现随着雨量的增加,最大水深均在增加,且水深最大涨幅时间和水深最大时间均在减少,水深最大时间在 以内的流域主要为上游流域,而水深最大时间大于 流域主要为主流域;通过评估得出彭州山区小流域山洪风险等级很高的流域为 个,山洪风险等级高的
3、流域有 个,山洪风险等级较高的流域有 个,仅有 个流域山洪风险等级较低。关键字:小流域山洪;方程;径流汇流模拟;风险评估预警;龙槽沟中图分类号:;文献标识码:文章编号:()牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牷 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 人民珠江 年第 期 牶 牷 牷 牷 牷 四川地形地貌复杂,气候种类多样,自然灾害频发,是中国灾害种类最多、受灾最严重的省份之一,尤其是山洪 、滑坡、泥石流等灾害最为显著。山洪灾害由于突发性强、破坏力大、局地性明显等特点,已成为四川地区致灾性最强、预警预报难度最大的自然灾害之一。部分专家学者采用临
4、界雨量 的方法建立山洪灾害预警模型,可以快速地进行大范围的山洪灾害预警,但精细化程度不够高,预警范围通常较为模糊。同时,也有很多专家采用分布式水文模型 进行山洪汇流分析和灾害预警,常用的分布式水文模型包括 模型 、新安江模型 、模型 。虽然都是分布式水文模型,但不是所有模型都是完全基于物理原理进行建模,简化了径流汇流的部分物理过程,模型输出结果只针对流域出水口。比如,模型引入地形指数描述水流趋势和由于重力排水作用径流沿坡向的运动,模拟流域总出水口的日径流量;模型是一个物理基础的模型,但模型以地形、土壤、土地利用、气象、水文、营养物质等数据建立水文响应单元,模拟结果以日或小时输出每个流域出水口的
5、水文信息。纳维 斯托克斯方程 (,简称 方程)是描述黏性不可压缩流体动量守恒的经典运动方程,反映了黏性流体(又称真实流体)流动的基本力学规律,在流体力学中具有重要的意义。它可以用来描述流体在空间和时间上的变化,其中包括速度场、压力场以及流体的黏性特性。在山洪研究中,方程以 方程为基础,来模拟山洪的水流速度、流量、压力分布等参数,可实现对流域任何位置进行小时或分钟级的水文模拟。陈军等 以纳维 斯托克斯方程(方程)为指导,提出一种基于稳定流场的流域径流汇流模型模拟方法,并以岷江上域镇江关 校场坝段径流汇流模拟为例,将水流混合环节加入径流汇流模拟,既解决汇流水流走向异常问题,又为稳定流场的建立提供依
6、据,提高了基于稳定流场的径流汇流模型的模拟精度。吕朝阳等 以陈军的流域径流汇流模型在涪江中游流域进行了验证,发现汇流模型模拟成果与模型水位变化误差较小,模型模拟效率也得到了进一步提高。但他们模拟时间尺度为,不足以反映分钟级的径流特征。年以来,全国气象部门启动了暴雨洪涝灾害风险普查工作,对全国范围内的中小河流、山洪沟、泥石流沟和滑坡点的风险陆续进行普查,并在此基础上陆续开展了暴雨诱发的中小河流山洪灾害气象风险预警业务,随着近年来智能网格预报业务的大力发展,目前降水网格预报已经实现分辨率 的逐小时雨量预报,使基于小时雨量预报的实时小流域山洪地质灾害预报预警成为可能,更可提升服务效能。本文以四川彭州
7、山区的小流域为研究对象,以历史降水数据、流域分区数据、数据、土地利用数据等为支撑,采用纳维 斯托克斯方程(方程)稳定流场的流域径流汇流模拟方法,对基于纳维 斯托克斯方程(方程)稳定流场的流域径流汇流模型,进行参数率定,并在此基础上对彭州山区小流域山洪进行风险评估与预警,实现小流域山洪气象风险评估和精细化预警。资料与方法 研究区概况彭州市是四川省辖 个县级市之一,隶属成都管理,它位于成都的北郊,距市中心 ,东经 ,北纬 。该市北有龙门山,与茂县、汶川县接壤,南有蒲阳河 青白江,与郫都区、新都区隔河相望,西有都江堰,东北和东南与什邡市、广汉市交界。市内共有气象站点 个(图 ),山区约占全市的一半,
8、容易发生山洪的小流域较多(图 )。龙槽沟位于彭州市龙门山镇小鱼洞社区与宝山村交界处,大山深处奔流而出的雪水蜿蜒而下,流经的地方形成溪流、浅滩、瀑布、深潭,水人民珠江 年第 期质清澈。面积约 ,为长条形,纵向长度约 ,平均坡度 ,最低高程 ,最高高程 。图 彭州气象站点图 彭州山区流域 资料及来源数字高程模型 ,采用日本陆地观测卫星()相控阵型 波段合成孔径雷达观测的分辨率为 的数据,利用 对雷达观测数据的拼接、裁剪、坐标转换等处理,得到彭州的 数据;降水资料为 年彭州市 个气象站点数据,包括降水小时数据和日数据,来自于四川省气象台。研究方法本研究采用陈军教授基于纳维 斯托克斯方程(方程)研发的
9、流域径流汇流模型进行分析研究。陈军通过 编程对 方程分解,建立了栅格模式下的流域径流汇流模拟平台。公式表达见式()、():()()()式中 速度场;时间;流体密度;压强;对流体产生的质量力(外力)。式()右 侧 每 项 实 际 的 物 理 意 义 表 现 为:()为平流项,表示流体自身及其属性随速度变化而迁移,是流体属性值向四周分配的过程;为压力项,表示因压力梯度而产生的加速度,流体分子是自由运动的,它们在运动过程中相互挤压碰撞,压强由于外力作用的改变而变得不再均匀,产生压强梯度,进而产生压力,由于压力是单位力,所以流体受到的任何压力都会存在加速度;为外力项,表示因外力施加而产生的加速度,这些
10、力可以是只作用局部的力,也可以是作用于全局的外部力。径流汇流模拟时,流体为实际的水体,用水深和水速来表征水体属性。方程采用外力项和压力项求解来模拟水体受重力、摩擦力、压力梯度等影响时水速的大小变化;通过求解平流项,模拟水流流动在流域各个位置上的水深大小和变化情况。陈军之前的研究是在 的基础上进行的小时径流汇流模拟,地形精度和时间分辨率都不高。本研究以 的 数据进行分钟级的径流汇流模拟,实现更加精准的汇流模拟与分析。本研究首先以彭州山区流域作为模型率定的研究区,对模型中的最大水速、加速系数和扩散系数等参数进行率定;然后,对不同降水场景进行汇流分析;最后,通过径流汇流模拟分析,实现彭州山区小流域山
11、洪风险评估与气象预警。模型本地化与汇流模拟分析 模型本地化模型的本地化主要是对流域径流汇流模拟平台人民珠江 年第 期中最大水速、加速系数和扩散系数等参数进行率定。本文以模拟小时降水和实况降水,对彭州山区的小流域进行径流汇流模型,通过单参数分析方法,找到合适的参数。数据准备 彭州山区 数据通过对彭州 数据进行裁剪,得到彭州山区 数据(图 ),数据空间分辨率为 。由于原始的 数据在河道中可能存在凹地、堤坝等影响汇流模型模拟过程的特殊地形,因此在使用之前需要对 数据进行填挖处理,使得河道位置更为明显,提升径流汇流模拟精度。图 彭州山区填挖后的 模拟降水数据在参数本地化过程中,首先使用不同量级的均匀降
12、水对参数进行率定。本研究使用的降水为小时雨量为 、。实况降水数据通过实况降水,对模型汇流的水位上涨时间和水深进行率定。本研究使用的实况降水为 年月 日 时的小时降水(图),流域为龙槽沟流域,降雨位置通过收集的实况雷达资料显示,龙槽沟“”山洪降水主要发生在 月 日 时。因此,通过当时雷达资料分析,龙槽沟流域降水从 时 分左右开始,时结束,经雷达反演得知实况降水量级以小雨和中雨为主。)时降水)时降水)时降水)时降水图 龙槽沟流域 年 月 日 时降水分布 实况水文资料由于 年彭州龙槽沟“”山洪灾害人员伤亡较大,社会关注度比较高,本文通过互联网相人民珠江 年第 期关新闻报道、视频、微博、微信等途径收集
13、了 年月 日龙槽沟山洪灾害相对详细的分钟水文资料。资料显示,龙槽沟“”山洪灾害发生的时间为 :左右,水深峰值为 左右,且流域下游水位从 涨到 仅耗时不到 ,洪峰在 后褪去。参数率定以彭州山区为模拟区域,使用小时降水进行汇流模拟,并将汇流过程以时间间隔为 的频率进行输出。在汇流模拟过程中,通过设置不同的加速系数、扩散系数和最大水速,模拟淹没情况。扩散系数的率定扩散系数的率定主要是为了更好地模拟出稳定的水深,防止同一点的水深出现忽高忽低的情况。该系数表示栅格内水体往四周流动的容易程度,系数越大,水越容易流动,最大可设置值为 。在率定过程中发现,彭州山区大部小流域对该参数的敏感性不强,只有少数几个小
14、流域能够对不同的扩散系数产生明显的响应。因此,本文重点选择参数敏感性较强的回龙沟流域(图 )进行扩散系数的率定。在流域不同位置设置 个水深观察点 ,当观察点水深随着时间平稳变化时,判定该系数设置合理。图 回龙沟流域观察点位置扩散系数率定设置如下:扩散系数分别设置为 、和 ;固定参数设置上,加速系数为 ,最大水速为 ,小时降水为 ,模拟时长为 ,结果输出时间分辨率为 。而从观察点观察到的不同扩散系数下的水深结果(图 )可以明显看出,当扩散系数为 、时,各个观察点的水深忽高忽低,这与预计的在稳定均匀降水下的水深特点差距较大;当扩散系数为 时,部分观察点水深都比较稳定,但位于流域出水口的 观察点水深
15、到达 后异常增高;当扩散系数为 时,各个观察点的水深变化连续,没有出现频繁波动,且在一定时间后水深趋于稳定。因此,扩散系数率定结果为 。)扩散系数为 )扩散系数为 )扩散系数为 图 回龙沟流域不同扩散系数下的水深曲线人民珠江 年第 期)扩散系数为 续图 回龙沟流域不同扩散系数下的水深曲线 加速系数的率定加速系数的率定是为了更准确地模拟出水深和山洪洪峰的时间。通过多次实验模拟,发现加速系数与水深的大小、水深的变化速度有一定的关系,为了更好的对加速系数进行率定,本研究选择实况资料比较充足的 年龙槽沟“”山洪过程进行模拟,在流域内设置上游、中游和下游灾害点 个水深观察点(图 ),其中下游观察点为山洪
16、实际发生点。最后对比分析不同的实验结果,将模拟的下游灾害点的山洪暴发时间和洪峰水深与实况水文资料最为接近的一个结果,作为加速系数的最优参数。图 龙槽沟流域水深观察点加速系数率定设置如下:加速系数分别设置为 、和 ;固定参数设置上,扩散系数为 ,最大水速为 ,降水为 年 月 日 时的小时实况降水,模拟时长为 ,结果输出时间分辨率为 。通过设置不同的加速系数,得到不同加速系数下的水深数据。从最大水深曲线(图 )来看,随着加速系数的增大,最大水深在逐渐减小。其中,上游的水深下降的最少,为 ;其次为中游,下降 ;下游灾害点的水深下降得最多,为 。图 龙槽沟流域不同加速系数下观察点的最大水深曲线根据不同
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