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洞庭湖河湖疏浚防洪减灾效益研究(1)_工程力学专业毕业论文

发布时间:2014-12-28 来源:人大经济论坛
洞庭湖河湖疏浚防洪减灾效益研究(1)_工程力学专业毕业论文 摘要:洞庭湖是长江中游的重要调蓄湖泊,但由于接纳湘、资、沅、澧四水和长江三口洪水、泥沙,使得河道湖泊泥沙淤积,洪水位抬高,在不断加重湖区的防洪负担的同时,造成严重的洪涝灾害。根据洞庭湖河湖疏浚规划,通过对典型河段疏浚前后水情、堤防防洪能力和内湖自排时间等的变化的深入分析,定量与定性相结合对洞庭湖河湖疏浚的防洪减灾效益进行了分析研究和预测。 关键词:疏浚 防洪 减灾 效益 洞庭湖 1 问题的提出 洞庭湖作为长江中游的调蓄湖泊,是长江中下游防洪体系中的重要组成部分。它不仅具有调蓄江河径流、发展航运、渔业和为工农业生产提供丰富水资源等用途,还对调节湖区气候和生态平衡也起着重要作用。由于洞庭湖接纳湘、资、沅、澧四水和长江的松滋河、虎渡河、藕池河三口,每年有大量的泥沙进入洞庭湖,其中约四分之一左右的泥沙由城陵矶注入长江,四分之三则淤积在洞庭湖,1975年与1952年比较,七里湖平均淤积达4 m以上,南洞庭湖淤积近2 m,东洞庭湖淤积近1 m。由于泥沙淤积,造成四口洪道多呈淤积萎缩态势,湖内洲滩滋长、芦柳丛生、滞流阻水严重,进而加速泥沙淤积,并有恶性循环之势。而且由于湖泊萎缩使得水系紊乱,相互顶托干扰。这些问题导致洞庭湖区调蓄容积减少、洪水位不断抬升、江湖关系改变,加重湖区的防洪负担、造成严重的洪涝灾害。因此,加强洞庭湖区河道整治、实施河湖疏浚工程、调整部分河段的河势、改善水流条件、稳定河床、减少泥沙淤积、延长河道寿命是非常迫切的。目前洞庭湖河湖疏浚规划已经完成,包括湘、资、沅、澧四水尾闾和松滋河、藕池河、南洞庭湖、东洞庭湖、汩罗江等疏挖总工程量达33 876.40×104 m3,目前为止已经付诸实施的有约4 067.91×104 m3 。为了客观地反映河湖疏浚的实际效果和作用,必须正确全面地对河湖疏浚的防洪减灾效益进行分析和研究,并作出合理的评价。 2 河湖疏浚对典型河段的洪水水位影响分析 2.1 水力学方法 水力学法的主要思路是运用洞庭湖水动力学模型,在同样的来水条件下,分别计算疏浚前后(地形和糙率不同)洞庭湖疏浚影响区的洪水水位,通过对水位差值的比较,得出疏浚对河湖洪水水位的影响。洞庭湖水系中,四水及长江三口控制断面以下无流量站控制,区间面积约占洞庭湖水系总面积的20%,与洞庭湖洪水的形成密切相关。本研究洪水演算采用SMS(地表水模拟系统)水力学模型,区间的产流计算采用SSARR(河流综合预报与水库调度模型)水文学模型。 SMS模型(Surface Water Modeling System)是美国陆军工程兵团开发的水力学模型。该模型通过求解二维完全圣维南方程组,求解出计算时间内整个研究区域的水位、流量及二维X、Y方向的水流速度。其显著优点是可以实现一二维水力学模型的结合,这使得我们在建模时可将河道概化为一维单元,湖泊等宽广水面概化为二维单元,实现一、二维水力学模型的有机结合。SSARR模型是一种概念性河流系统水文预报数学模型,由美国陆军工程兵团河流预报中心20世纪70年代中期研制。它认为降雨径流模型实质上是一个扣损曲线流域模型,在流域内的降雨输入可以转化为径流、土壤含水量的增加和流域蒸散发损失三部分。由于洞庭湖区间大部分地区无流量观测资料,因此选择有流量资料的典型流域进行参数分析,再根据有关地理因数,将参数换算到无资料地区。根据水力学模型的需要将整个湖区区间划分为49个子块,每个子块单独计算产流过程。 2.1.1 SMS水力学模型边界条件 模型上边界:四水入流控制站湘潭、桃江、桃源、石门及长江宜昌、长阳及湖区区间产流流量。洞庭湖区沿湖区间面积的产流,使用SSARR水文学模型,根据降雨过程模拟出湖区区间流量过程。 模型下边界:长江螺山站。由于河湖疏浚对螺山站的水位影响甚微,因此可以认为疏浚前后螺山站水位基本保持不变。故可将典型年螺山站的实际水位过程作为模型的下边界。 2.1.2 洪水典型年的选择 为了保证分析成果的代表性,必须选择不同类型的典型年进行分析。典型年主要选择近期的主要大水年1996、1998、1999年。其中1996年洪水为四水遭遇型洪水,1998年洪水为1954年后长江流域全流域大洪水,1999年洪水为湖区区间及长江干流遭遇的恶劣组合型洪水。 2.1.3 分析计算结果及原因分析 对计算采用的3个典型年,分别选择疏浚前后的地形资料计算三个典型河段影响区的水位,在疏浚区每隔500 m,模型输出一个水位值。计算的结果为:澧水洪道洪水水位降低0.2~0.3 m;南洞庭湖洪水水位0.09~0.17 m。在所选的典型河段中,澧水洪道的影响十分显著,南洞庭湖一带疏浚前后的影响次于澧水洪道。造成这一结果的原主要是因为澧水洪道为一狭窄性河道,洪水期间经常出现碍洪现象。疏浚后河道横断面面积增加,且主河槽深度加深,水流阻力减小,过流能力增加,洪水水位降低比较明显;在南洞庭湖区,由于洪水期间水面宽广,疏挖增加的河道面积占整个断面面积的比重相对较小,虽然水流阻力也有所减小,但在影响湖区水流的复杂水力因素中,疏挖的影响仍不如澧水洪道。 2.2 水文学方法 本次分析的二个典型河段位于澧水洪道和南洞庭湖区。在澧水洪道上有石龟山水文站实测水位和流量资料。南洞庭湖区有沅江水位站,仅有水位资料。根据两站不同的资料情况,分析中采用不同的分析方法。基本分析思路是:澧水洪道采用单值化水位流量关系法,通过分析河道疏浚前后的单值化水位流量关系来分析疏浚对洪水水位的影响;南洞庭湖的沅江站因其只有水位资料,所以通过分析疏浚前后南嘴~沅江水位相关关系来分析疏浚对洪水水位的影响。 2.2.1 澧水洪道疏浚前后石龟山站水位流量关系变化分析 石龟山站水位流量关系受澧水和长江淞滋口来水的影响,同时还受到南嘴站水位的顶托,水位流量关系十分复杂。单值化处理的基本方法是综合落差指数法,其综合落差取津市至石龟山、石龟山至南咀的组合落差。典型年选1991、1995、1996、1998、1999。各年单值化水位流量关系曲线均按国际标准进行检验。对比各年单值化水位流量关系,可得:1)同流量级水位降低。澧水洪道疏浚前后石龟山站水位流量关系变化较大,水位在37.0 m以上,与疏浚前1991年相比,降低幅度一般位于0.2~0.5 m之间。2)同水位级流量增加。在水位37 m以上,疏浚以后几年的关系线均偏于疏浚前1991年的右方,疏浚后同水位级下,过流能力增加200~500 m3/s。 2.2.2 南洞庭湖疏浚前后沅江站水位流量关系变化分析 沅江站是南洞庭湖的水位站,选用南咀沅江洪峰水位相关关系来进行分析。资料选样以1990—1997年资料作为清淤前资料,选用了29场洪水的南咀沅江洪峰水位资料;1997—2002年资料作为清淤后资料,共选用了21场洪水的南咀沅江洪峰水位资料。分别拟订疏浚南咀沅江洪峰前后两条关系线,可以看出两条关系线有一定的差别,说明南洞庭湖疏浚后,对南洞庭湖洪水水位的影响较澧水洪道而言影响较小。1997年以后在南洞庭湖莲花坳—廖洋口以及实洲岭河段进行了一定规模的疏浚工作,其中实洲岭河段靠近沅江站附近。从关系图看,南洞庭湖沅江站洪峰水位,疏浚前后在南嘴同等水位情况下,水位降低约0.07~0.15 m,这说明沅江与南嘴的落差加大,水流速度加快。很显然,由于清淤疏浚,河床加深,过流能力得到一定程度的提高,对高洪水位的降低有一定作用。 2.3 河湖疏浚对典型河段洪水传播时间影响分析 澧水洪道疏浚于1994年开始,根据掌握的资料疏浚前选用1978—1994年资料,疏浚后选用1995—2002年资料。1995年至今9场洪水平均传播时间为18 h;而1978年至1994年27场洪水平均传播时间为26 h,洪水平均传播时间缩短8 h。很显然澧水洪道由于河道疏浚,行洪能力增强,水流速度加快,洪水传播时间已发生显著变化,在原来的基础上已缩短近三分之一。 南咀至营田河段疏浚时间起于1997年,故可将1997年及其以前的资料,作为疏浚前的资料,由于疏浚时间持续到2001年,因而疏浚后的资料十分有限,考虑到1998年已完成了相当一部分工作,故将1999年及其以后的资料作为疏浚后的资料进行分析。由于湖区来水组合复杂,在上述统计中尽量采用反映南洞庭湖来水的洪水为主,以便使统计值能反映实际情况。通过对1999年至今7场洪水统计,平均传播时间为22 h,而1978年至1994年25场洪水平均传播时间为24 h,两者相差2 h。由此可见在南洞庭湖进行疏浚,对南咀至营田洪水传播时间具有一定影响,但影响程度不如河道。
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