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小流域暴雨洪水和土壤侵蚀联立分析
1.目标

  采用分布式水文模型和土壤侵蚀耦合模型等新技术方法,根据山丘区短历时、强降雨的暴雨洪水特点,采用小流域暴雨洪水为载体,应用改进的中国土壤侵蚀方程描述小流域的土壤侵蚀过程,以小流域雨量分析为驱动,联立分析小流域产流、坡面土壤侵蚀,河道洪水演进、河道泥沙沉积与输送,水库调蓄计算、水库泥沙淤积与运移,溃坝风险分析等,为改善区域生态环境、提高水土保持措施对山洪灾害预防能力和防治效益提供技术支撑。



2.总体技术路线

   收集、处理区域基础地理、土壤质地、降雨等数据,提取土壤侵蚀影响因子,采用小流域暴雨洪水为载体,应用改进的中国土壤侵蚀方程,联立分析洪水、土壤侵蚀及水土保持措施效益。


3.模型选择
3.1分布式水文模型

   分布式水文模型涵盖所有的水文过程,包括面雨量分析计算、产流计算、蒸散发计算、汇流计算、河道演进计算、水库调蓄计算和溃坝预测等。

  • 降雨模型

   采用泰森多边形、反距离法或克里金插值法进行小流域面雨量插值计算。

  • 产流模型

   根据区域气候条件及地形地貌构建适合于实际情况的产流模型。主要包括蓄满产流、超渗产流、混合产流等。

  • 汇流模型

   采用国家山洪灾害调查与评价项目下发的标准化单位线进行小流域汇流计算。

  • 演进模型

   采用适合无资料山丘区河道径流演进模型进行河道洪水演进计算,如运动波、动态马斯京根法等。

  • 水库调蓄模型

   基于水量平衡公式和水库的特征曲线进行水库调蓄计算。

  • 溃坝模型

   溃坝预测主要是预测溃口参数,包括溃口深度、溃口宽度、侧坡坡度、溃口开始时间及溃口形成时间,可通过建立在大量案例基础上的经验关系式或预测方程法进行预测。

3.2小流域坡面土壤侵蚀模型

   依据《水土保持监测技术规程》(SL 277―2002),本项目根据我国土壤侵蚀实际情况,选择中国通用土壤流失模型(CSLE)进行典型流域土壤侵蚀定量评价研究。 A=R×K×LS×B×E×T 式中: A:土壤水蚀模数,t/(hm2·a);
R:降雨侵蚀力因子,MJ·mm/(hm2·h·a);
K:土壤可蚀性因子,t·hm2·h/(hm2·MJ·mm);
LS:坡长坡度因子,无量纲;
B:生物措施因子,无量纲;
E:工程措施措施因子,无量纲;
T:耕作措施因子,无量纲。

3.3河道产沙及输送模型

   泥沙从上游汇集到河道中以后,汇集的水流携带土颗粒以悬浮质或推移质的形式在河道中继续前进,水流或沙砾拖拽河床的泥沙,引起河道冲刷,使部分河床质从静止转为运动,同时,当流速足较小的时候,水中的部分泥沙将会沉降到河床。

3.4水库淤积及运移模型

   水流汇入水库的过程中,水流流速变慢,泥沙输送能力降低,从而导致泥沙沉降,发生淤积。如果滞留时间足够长,大多数泥沙将淤积于水库中。

4.软件系统研建

   洪水水文与土壤侵蚀过程由不同的物理子过程组合而成的,每个子过程被描述成相对独立的模块,每个模块作为一个软件单元,有事先定义好的数据接口和行为接口。模块间通过水循环过程进行连接。

软件系统架构图

  技术层次上应用以下关键技术:

  • 模块接口
  • 统一数据模型
  • 模块解析及模块运行
  • 基于图形化的模型生成
  • 建模流程的支持
  • 并行模拟算法
  • 并行调度算法
山洪与土壤侵蚀分析系统界面

5.模型软件应用
模型因子输入
河流水系分布图
土地利用分布图
土壤类型分布图
小流域划分图
小流域最长汇流路径图
小流域平均坡度图
土壤可蚀性K值分布图
坡长因子L分布图
坡度因子S分布图
植被覆盖与生物措施因子
耕作措施因子
模型计算
年径流过程
侵蚀强度分布图
水保措施防洪效益分析

  以某年计算所用的参数为基础,在5个典型频率(5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇)24小时设计暴雨的条件下,通过改变下垫面条件,模拟新建水保措施条件下,得到流域洪水和土壤侵蚀的变化规律,分析研究水保措施对洪水和土壤侵蚀的影响。
   结论:有新建水土保持措施和已有水土保持措施两种条件下流域出口的洪水过程比较。新建的水土保持措施有效的起到了推迟洪峰出现时间及减少洪峰流量等滞洪削峰的作用。

5年一遇
10年一遇
20年一遇
50年一遇
100 年一遇