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暴雨山洪形成及其過程模擬技術 版權信息
- ISBN：9787030725202
- 條形碼：9787030725202 ; 978-7-03-072520-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
暴雨山洪形成及其過程模擬技術 內容簡介
受特別強降雨、下墊面條件及人類活動等多因素影響，全球暴雨山洪災害頻發，常造成重大的人員傷亡和財產損失。本書基于暴雨山洪形成內涵，重新定義了暴雨山洪概念，區分暴雨山洪洪水災害、山洪水沙災害及山洪泥石流災害等3種主要類型，并構建了相應的暴雨山洪過程模擬方法。
暴雨山洪形成及其過程模擬技術 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 暴雨山洪概念 1
1.2 暴雨山洪形成因素 3
1.2.1 降雨 3
1.2.2 下墊面條件 5
1.2.3 人類活動 6
1.3 暴雨山洪成災特點 7
1.4 暴雨山洪模擬方法 14
第2章 無資料地區小流域暴雨山洪設計洪水計算方法 16
2.1 無資料地區設計暴雨計算方法 16
2.2 無資料地區設計洪峰流量計算方法 17
2.3 無資料地區小流域暴雨山洪設計洪水計算案例 22
2.3.1 長江流域上游區——四川寶興暴雨山洪洪水計算 22
2.3.2 黃土高原區——陜西甘泉暴雨山洪洪水計算 28
2.3.3 青藏高原區——西藏米林暴雨山洪洪水計算 35
第3章 降雨作用下模塊化分布式水文模型 40
3.1 模型結構及數據處理 40
3.1.1 模型結構 40
3.1.2 數據處理 41
3.2 產流模塊的構建 43
3.2.1 植被截留 44
3.2.2 蒸散發 45
3.2.3 土壤下滲 47
3.2.4 單元產流 48
3.3 匯流模塊的構建 51
3.3.1 坡面匯流計算 52
3.3.2 河道匯流計算 54
3.4 模塊化分布式水文模型率定與驗證 54
3.4.1 模型率定 54
3.4.2 模型驗證 55
第4章 暴雨山洪過程模擬模型 63
4.1 暴雨山洪洪水運動模擬方法 63
4.1.1 山洪洪水運動淺水方程 63
4.1.2 山洪溝平面二維淺水方程的求解 66
4.1.3 山洪洪水運動模型驗證 69
4.2 暴雨山洪水沙運動模擬方法 71
4.2.1 山洪溝平面二維水沙動力學方程 71
4.2.2 山洪水沙運動模型驗證 73
4.3 暴雨誘發滑坡產沙評價方法 74
4.3.1 滑坡產沙估算模型 74
4.3.2 典型小流域滑坡產沙分析 77
4.4 暴雨山洪泥石流演進模擬方法 85
4.4.1 山洪泥石流模擬方法 85
4.4.2 山洪泥石流演進模型驗證 86
第5章 典型暴雨山洪演進模擬分析 88
5.1 四川屏山中都鎮中都河“8?16”山洪洪水模擬 88
5.1.1 中都河“8?16”山洪洪水災害 88
5.1.2 中都河山洪洪水演進模擬分析 92
5.2 四川汶川三江鎮壽溪河“8?20”山洪水沙模擬 100
5.2.1 壽溪河“8?20”山洪水沙災害 100
5.2.2 壽溪河復雜河段山洪洪水演進模擬分析 102
5.2.3 壽溪河復雜河段山洪水沙演進模擬分析 111
5.3 四川冕寧彝海鎮曹古河“6?26”山洪泥石流模擬 115
5.3.1 曹古河“6?26”山洪泥石流災害 115
5.3.2 曹古河山洪泥石流演進模擬分析 117
參考文獻 124
第1章 緒論 1
1.1 暴雨山洪概念 1
1.2 暴雨山洪形成因素 3
1.2.1 降雨 3
1.2.2 下墊面條件 5
1.2.3 人類活動 6
1.3 暴雨山洪成災特點 7
1.4 暴雨山洪模擬方法 14
第2章 無資料地區小流域暴雨山洪設計洪水計算方法 16
2.1 無資料地區設計暴雨計算方法 16
2.2 無資料地區設計洪峰流量計算方法 17
2.3 無資料地區小流域暴雨山洪設計洪水計算案例 22
2.3.1 長江流域上游區——四川寶興暴雨山洪洪水計算 22
2.3.2 黃土高原區——陜西甘泉暴雨山洪洪水計算 28
2.3.3 青藏高原區——西藏米林暴雨山洪洪水計算 35
第3章 降雨作用下模塊化分布式水文模型 40
3.1 模型結構及數據處理 40
3.1.1 模型結構 40
3.1.2 數據處理 41
3.2 產流模塊的構建 43
3.2.1 植被截留 44
3.2.2 蒸散發 45
3.2.3 土壤下滲 47
3.2.4 單元產流 48
3.3 匯流模塊的構建 51
3.3.1 坡面匯流計算 52
3.3.2 河道匯流計算 54
3.4 模塊化分布式水文模型率定與驗證 54
3.4.1 模型率定 54
3.4.2 模型驗證 55
第4章 暴雨山洪過程模擬模型 63
4.1 暴雨山洪洪水運動模擬方法 63
4.1.1 山洪洪水運動淺水方程 63
4.1.2 山洪溝平面二維淺水方程的求解 66
4.1.3 山洪洪水運動模型驗證 69
4.2 暴雨山洪水沙運動模擬方法 71
4.2.1 山洪溝平面二維水沙動力學方程 71
4.2.2 山洪水沙運動模型驗證 73
4.3 暴雨誘發滑坡產沙評價方法 74
4.3.1 滑坡產沙估算模型 74
4.3.2 典型小流域滑坡產沙分析 77
4.4 暴雨山洪泥石流演進模擬方法 85
4.4.1 山洪泥石流模擬方法 85
4.4.2 山洪泥石流演進模型驗證 86
第5章 典型暴雨山洪演進模擬分析 88
5.1 四川屏山中都鎮中都河“8?16”山洪洪水模擬 88
5.1.1 中都河“8?16”山洪洪水災害 88
5.1.2 中都河山洪洪水演進模擬分析 92
5.2 四川汶川三江鎮壽溪河“8?20”山洪水沙模擬 100
5.2.1 壽溪河“8?20”山洪水沙災害 100
5.2.2 壽溪河復雜河段山洪洪水演進模擬分析 102
5.2.3 壽溪河復雜河段山洪水沙演進模擬分析 111
5.3 四川冕寧彝海鎮曹古河“6?26”山洪泥石流模擬 115
5.3.1 曹古河“6?26”山洪泥石流災害 115
5.3.2 曹古河山洪泥石流演進模擬分析 117
參考文獻 124
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暴雨山洪形成及其過程模擬技術 節選
第1章 緒論 1.1 暴雨山洪概念 山洪（flash flood）是一種自然現象。蘇聯學者迪爾恩巴烏姆在1949年提出“山洪”（泥石流）是這樣一種水流，它在坡度較大的河床中流動，在較短的流程中（如有適宜的條件時）流量迅速增加，并挾帶大量泥沙，也就是水流中挾帶著岸邊和河槽底部的疏松碎屑物質以及從山坡上滑下來的沖蝕物（迪爾恩巴烏姆，1958）。徐在庸（1981）將山洪定義為山區河流的洪水，特別是山區小河和周期性水流上的洪水。Glickman（2000）認為，山洪是由強降雨誘發較小流域快速漲落的洪水。王禮先和于志民（2001）提出，山洪是在山區荒溪及小河川發生的洪水。Borga等（2007）將山洪看作是局部地區短歷時強降雨引起的迅速產匯流過程，一般僅持續幾個小時。2007年，全國山洪災害防治規劃編制工作組編制的《全國山洪災害防治規劃簡要報告》將山洪定義為在山丘區小流域由降雨引起的突發性、暴漲暴落的地表徑流，常伴隨泥石流與滑坡。世界氣象組織（WMO，2009）認為，山洪是由極端降雨或潰壩事件導致的快速上漲洪水，且暴雨引起的山洪歷時較短，一般不超過6h。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA，2010）認為，山洪是發生在溪河的快速上漲的極端洪水，常由強降雨、潰壩、冰川融化、融雪等引起。曹叔尤等（2013）認為，山洪一般是發生在幾百平方千米以內的山丘區、由強降雨誘發的急漲急落的洪水，在適當條件下可能伴隨泥石流與滑坡。 由上述眾多山洪定義來看，山洪概念并沒有一個統一的定義，但常具有以下幾方面含義：①發生于山丘區小河、溪溝的洪水，區別于平原河流；②快速漲落的洪水，且歷時短暫，一般持續幾小時；③常挾帶大量泥沙、石塊、枯枝等固體挾帶物；④激發源動力主要是強降雨、冰川融化、融雪、湖庫潰決等，可劃分為暴雨山洪、融雪山洪、融冰山洪、潰決山洪等。本書主要討論暴雨山洪（rainstorm-induced flash floods），定義為山丘區小流域短歷時降雨誘發溪河發生特大洪水或水位/泥位急劇上漲（溝床可能伴隨劇烈沖淤）的洪流，相關釋義參考表1.1。 1.2 暴雨山洪形成因素 山洪的形成、發展與危害是降雨、下墊面條件和人類活動等因素綜合作用的結果。暴雨山洪形成首先取決于水源，暴雨山洪本質上是降雨在山丘區小流域的產匯流過程，屬于水文學研究范疇。暴雨山洪形成影響因素一般包括自然條件和不合理的強人類活動。自然因素主要是山丘區小流域的局地短歷時強降雨和復雜下墊面。 1.2.1 降雨 短時強降水是暴雨、大暴雨的主要貢獻者，是誘發暴雨山洪的關鍵因子。中央氣象臺對短時強降水的定義為1h降水量大于等于20mm的降水（陳隆勛等，1991）。孫軍和張福青（2017）分析中國2000多站50年以上日降水資料，認為極端降水年表現出三段極端降水多發期，即20世紀60年代初、20世紀90年代中后期和21世紀初。王志福和錢永甫（2009）基于1951～2004年中國738個地面觀測站逐日降水資料分析，指出極端降水事件多發于江南地區以及青藏高原東南部。張琪和李躍清（2014）分析1960～2007年西南地區97個觀測站點的日降水量資料，表明西南地區降水量整體呈“東多西少”分布特征，四川雅安和云南西南區為降水量高值區。毛冬艷等（2018）分析1981～2010年30年西南地區402個站點的小時降水量資料，表明西南地區短時強降水主要集中在4～10月；三個強降水高發區分別位于貴州東南部、四川盆地西南部和云南東南部，短時強降水呈現頻次增加、強度增強的變化趨勢。 近年來，受氣候變化和極端天氣影響，全球強降雨山洪事件多發。Gaume等（2009）通過評述歐洲7個地區1946～2007年間578場山洪事件，表明局地降雨一般是幾小時內超過100mm。Bl?schl等（2019）在Nature發文，基于1960～2010年歐洲3738個河流測站（流域面積為5～100000km2）水文氣象資料分析，表明氣候變化已導致除歐洲南部外的其他所有地區極端降雨洪災顯著增加。2004年8月16日英國威尼斯流域博斯卡斯爾鎮發生暴雨山洪事件，小流域集水面積約20km2，5h降水量達200mm，洪水在幾分鐘內陡漲1～1.5m，約1.5h小鎮洪水位漫灘3.0m，千余人受到洪災影響（Fenn et al.，2005）。我國地處歐亞大陸東南部，位于東亞季風氣候區，6～9月暴雨洪水集中、洪澇災害頻發。2005年6月10日黑龍江省寧安市沙蘭鎮沙蘭河上游局部地區突降兩百年一遇暴雨，3h降水量達120mm，形成的特大山洪造成117人死亡。2016年7月19日河北省境內自西南向東北普降暴雨至特大暴雨，其中阜平縣塔溝水庫*大1h降水量達177mm，磁縣同義站*大3h降水量為264mm，特大山洪造成河北省境內死亡114人，失蹤111人。2020年6月12日貴州省正安縣碧峰鎮發生特大暴雨事件，碧峰鎮*大1h降水量為163.3mm，為貴州省有氣象記錄以來的*大值，山洪造成13人死亡。2021年7月18日18時至7月21日0時，河南鄭州突然出現持續性強降雨，全市普降大暴雨、特大暴雨，在此期間，鄭州市單日降水量達552.5mm，其中*大1h降水量達201.9mm（7月20日16時至17時），突破我國內陸小時降水量歷史極值（198.5mm，河南林莊，1975年8月5日），鄭州國家觀測站*大日降水量達624.1mm，接近該站年平均降水量641mm，相當于一天下了將近一年的雨量。2021年8月12日湖北省隨州市柳林鎮發生極端強降雨，如圖1.3所示，*大1h和3h降雨量分別達105mm和374mm，洪災造成21人死亡、4人失蹤。 1.2.2 下墊面條件 流域下墊面主要包括流域形態、土壤性質及地質構造、植被條件、流域集水面積等基本要素，顯著影響降雨作用下山洪形成過程。 流域形態受地質構造及侵蝕應力影響，河流水系特征一般呈扇形、羽狀形及樹枝狀等（圖1.4），其中支流和干流組成的扇形水系洪水匯集快較易發生山洪，羽狀水系干流兩側支流分布均勻，暴雨洪水匯集緩慢，樹枝狀水系干支流呈樹枝狀，是水系發育中*普遍一種類型，干流與支流以及支流與支流之間以銳角相交。山丘區地形常用流域高程、坡度等參數表征，陡峭山坡及溝道為山洪快速運動提供了動力條件，降雨徑流沿坡面向溝谷匯集，迅速形成強大洪峰并影響山洪成災特征。Mahmood和Rahman（2019）基于地貌學方法分析了班杰戈拉河（Panjkora River）流域（391km2）歷史山洪災害分布，指出陡比降、高河網密度區為山洪災害高風險區。 土壤性質及地質構造等對降雨下滲產流、侵蝕產沙及匯流過程均有重要影響。山丘區淺表層巖體較為破碎且風化嚴重，坡面積聚松散堆積物，具有級配寬、不均勻系數大、透水性強等特點，強降雨條件下水流快速入滲，坡陡流急，極易造成劇烈的坡體破壞及侵蝕產沙，為暴雨山洪提供了極為充足的泥沙來源。山區溝床比降大、暴雨山洪響應時間極短、流速高、沖擊力大，具有強烈的沖刷下切及挾沙能力，從而顯著改變河床形態（崔鵬等，2008；Bollati et al.，2014）。2001年7月28日，四川省馬邊縣暴雨引發挖黑河與先家普河河水暴漲，洪水挾帶的大量泥沙在兩河交匯處淤積，河床抬高7.5m，致使五十年一遇洪峰達到了千年一遇洪水位，進而淹沒波羅水電站發電廠房，如圖1.5所示，造成經濟損失超2.0億元（王協康等，2019；Wang et al.，2019）。植物（喬、灌、草）通過降雨截留改變徑流分配，影響地表水流匯集阻力，延長山洪匯流時間，對山洪具有一定的削峰作用。 此外，流域集水面積大小也制約著山洪量級及其演進過程，從而影響山洪災害易發區范圍。Zaharia等（2017）通過分析羅馬尼亞普拉霍瓦河（PrahovaRiver）流域（流域面積2600km2）1975～2002年發生的20場山洪事件，表明山洪災害常發生于集水面積小于100km2的小流域出口區。翟曉燕等（2020）指出，中國以流域面積為3000km2以下的河流為中小流域，200km2以下的山洪溝頻繁發生山洪災害。 1.2.3 人類活動 山丘區蘊藏豐富的水資源、森林資源、礦產等自然資源，隨著人類經濟活動的增強和國民生活的改善，山丘區的城鎮建設、基礎設施建設得到了快速發展。受地形條件、建設成本、施工技術、防災意識等多方面綜合影響，不合理的人類活動（如削坡炸山、亂墾荒地、筑壩建橋、侵占河灘地等）時有發生，從而加劇產生強降雨洪水匯集、增加流域產沙、降低河道排洪能力等問題，由此加快暴雨山洪的形成，導致災害事件發生。Wallemacq和House（2018）分析聯合國防災減災署（UNDRR）1998～2017年自然災害資料，表明有近28.2%的洪澇成災是由暴雨誘發的，1998～2017年的近20年間氣象水文災害死亡人數達1300萬人，受影響居民達4.4億人。全球每年有超過5000人死于山洪災害，世界上已有100多個國家將山洪災害損失排在自然災害前兩位，全球山洪災害占自然災害的50%。
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