基于HEC-HMS/RAS模型的小流域和社区尺度降雨径流和洪水淹没模拟研究

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洪水灾害是发生最频繁,影响最广泛,最具破坏力的自然灾害之一,对人类生命、基础设施、农业和社会经济体系均造成了巨大损失。近年来,全球气候变化与人类活动的双重作用使洪水灾害的后果呈现加剧的态势,尤其表现在城市小流域和社区尺度的洪水灾害暴露程度与脆弱性的增加。融合高精度多源数据,基于水文模型、水动力模型与地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的极端降雨径流模拟和洪水淹没预测分析是洪水灾害过程研究的热点与关键。本研究选取历史上曾多次发生洪灾的龙岩市新罗区小流域为 The Hydrologic Engineering Center’s-Hydrologic Modeling System(HEC-HMS)小流域尺度水文模拟的研究对象,选取小流域下游新罗区中心城区和东城、苏溪典型社区为 Hydrologic Engineering Center’s-River Analysis System(HEC-RAS)社区尺度水动力模拟的研究对象,研究洪水灾害的降雨径流和洪水淹没过程,并分析洪水特征因子,探索出了一套高效率的应用于洪水模拟研究的水文水动力耦合建模方法。该研究有助于从技术层面解决小流域和社区尺度的洪水预报的关键问题,并为洪涝风险评估与防控提供科学依据。主要研究结果如下:基于GIS平台构建小流域尺度的HEC-HMS水文模型,开展场次降雨径流过程模拟。结果显示:径流曲线数(Runoff Curve Number,CN)值和流域滞时对洪峰流量影响显著,CN值是影响洪量最敏感的参数,流域滞时和马斯京根K值对峰现时间产生影响;针对龙门站的八场历史场次降雨径流逐时模拟的合格率QR达到87.5%以上,洪峰流量相对误差为14.68%,洪量相对误差为14.11%,峰现时差合格率均为100%,平均确定性系数为0.81;针对东兴站的四场历史场次降雨洪峰模拟结果显示,洪峰流量相对误差7.06%。结果表明模型在研究区具有良好适用性,能够很好地应用于场次降雨径流过程的逐时模拟和洪水峰值流量抓取。运用无人机航拍技术,基于GIS平台和HEC-HMS模型输出结果,构建HEC-RAS水动力模型,开展社区尺度的历史洪水淹没模拟。针对2011年6月12日场次洪水的校验结果显示,模型在龙门溪、苏溪、小溪和三溪汇流河段各代表断面水位模拟误差在0.10 m以内;针对三场历史场次洪水淹没模拟的东兴水位站断面洪水水位与实测值接近,水位模拟误差分别为0.04 m、-0.16 m和-0.10 m;基于HEC-RAS模型制作生成了社区尺度历史场次洪水淹没地图和洪水流速图,识别出了易受淹区域。结果表明模型在该地区具有良好适用性,且无人机航拍方法在构建高精度下垫面地形中具有良好的应用性,能够作为HEC-RAS模型的输入。通过降雨资料开展未来极端暴雨情景设计,利用HEC-HMS/RAS耦合模型模拟分析在暴雨重现期为五年、十年、二十年、五十年和一百年情景下的社区尺度洪水淹没情况。识别出了流域下游、地势低洼、坡度平坦地区易受到严重洪水灾害影响,特别是东城、苏溪社区、汇流河段两岸等区域应当作为将来洪水风险防范和管理的重点关注区域。综上,集成GIS技术的HEC-HMS/RAS水文水动力耦合模型对于分析降雨径流过程和洪水淹没模拟具有高效性和可靠性,适用于研究区域的洪水预测研究。在未来的研究中可结合雷达栅格降水数据、水工建筑、城市管网资料等以实现更准确的洪水模拟与预报。
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