基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法技术

本发明专利技术属于水利工程技术领域，具体涉及基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法。洼地作为岩溶地区地表水与地下水的连接处，地表与地下水量交换频繁，汛期暴雨易引发洼地内涝灾害，分析洼地过水能力对于揭示洼地内涝致灾机理具有重要意义。本发明专利技术将裂隙、溶隙及管道等含水介质共同构成的岩溶洼地过水系统概化为虚拟水库，布设岩溶洼地内涝监测站网，采集内涝过程中淹没水深等水文数据，基于水量平衡方程构建岩溶洼地过水系统虚拟水库模型，考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，提出不同内涝淹没水深下岩溶洼地过水系统对入流洪水的调蓄

【技术实现步骤摘要】
基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法


[0001]本专利技术属于水利工程
，具体涉及基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法。

技术介绍

[0002]岩溶地区含水介质具有强烈的非均质性，下垫面地貌水文效应复杂，地表与地下水量交换频繁。洼地作为岩溶地区地表水与地下水的连接处，洼地内的地下岩溶裂隙、溶隙、管道发育，共同构成了洼地过水系统。岩溶含水系统所特有的二元三维空间结构系统使得岩溶流域水循环及产汇流较非岩溶流域更为复杂，汛期暴雨产生的洪水会通过洼地过水系统进入地下溶洞、地下河等岩溶储水系统，当进入储水系统的水量超过其过水能力时易引发洼地内涝灾害。因此，分析岩溶洼地过水能力对于岩溶地区山坡、洼地系统水文过程的模拟与预测对生态保护、水资源利用和洪涝灾害防治具有重要意义。
[0003]岩溶洼地地貌条件复杂，地下管道、溶洞普遍发育，目前难以直接测量洼地过水流量，大部分岩溶洼地既无实测流量也缺乏内涝监测水位资料。因此推求洼地过水能力常常采用间接概化计算的方法，部分学者借鉴调洪演算的思想分析岩溶洼地过水能力。张祖莲《清江利川落水洞过流能力分析[J]》根据岩溶地区特殊的地质条件，将进入洼地的洪水在落水洞前形成的滞蓄洪区视为“一个水库”，并将落水洞视为水库的“泄洪建筑物”，直接以落水洞邻近水文站修正后的水位
‑
流量曲线作为落水洞的泄流曲线，结合历史实测淹没水位，根据水库调洪演算原理试算确定了清江利川落水洞的过流能力。蔡贵珍等《水库影响区溶蚀洼地排洪演算[J]》利用有压隧洞的水力学公式(Q＝Q为岩溶管道泄流量，μ为流量系数，W为岩溶管道过水面积，ΔH为近似管道进出口水位差描述岩溶洼地管道的泄流(过水)能力)，结合暴雨设计洪水过程线和洼地蓄积曲线，采用调洪演算原理试算得到了千师营溶蚀洼地的地下岩溶通道的最大过流能力。以上研究将岩溶洼地视为水库，地下溶洞视为水库的泄洪建筑物，采用简易的水力学公式计算或移用洼地邻近水文站水位
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流量关系曲线的方式预定义洼地过水能力曲线，仅借鉴调洪演算的思想，验证洼地过水过程的合理性及预定义过水能力曲线的正确性。岩溶地貌中，裂隙、溶洞及管道均具备过水能力，因此岩溶洼地过水系统组成结构较为复杂，仅将落水洞和管道作为洼地的过水通道与实际并不完全相符。岩溶洼地过水系统中的水流大部分属于管道流，特点在于水动力特性复杂，目前关于准确描述岩溶地下管道水的汇流机制的理论尚不完善，且岩溶几何性质及水流运动路径难以探明，因此采用简易的水力学有压流隧洞计算公式通过试算得到的岩溶溶洞、管道过水过程结果具有较大的不确定性，同时也无法分析岩溶洼地裂隙中的渗流过水过程。李大成等《基于水量平衡的岩溶洼地泄流能力研究[J]》针对缺乏实测水位流量资料、滞洪时间长、淹没最高水位由多场次洪水叠加的岩溶洼地，提出了采用汛期径流资料，通过水量平衡方程试算确定贵州安龙县天盖海子岩溶洼地管道泄流(过水)能力的方法。但该研究中认为泄流(过水)能力是随着洼地内高程增加而均匀增加的假定与实际情况并不相符，某一高程(淹没水深)对应的岩溶洼地过水能力取决于该高程以下裂隙、溶隙与管道
等过水介质的分布，而各过水介质在各高程上分布并不均匀，因此高程变化对应的洼地过水能力变化并非均匀。李文兴等《岩溶浸没内涝灾害的物理(数学)模拟研究[J]》针对红水河梯级水电站的百龙滩、岩滩等库区岩溶洼地内涝灾害，将地下河管道作为岩溶洼地过水场所，构建物理(数学)模型模拟不同的大气降水、不同的地下河出口水位条件下岩溶洼地的内涝水位的变化规律。光耀华《关于岩溶浸没性内涝灾害初探[J]》、《岩滩水电站水库岩溶浸没性内涝的研究[J]》认为岩溶地下管道结构的制约是产生洼地内涝的内因，将暴雨设计洪水过程线作为洼地入流过程，结合退水阶段实测水位过程基于水量平衡方法计算谷地来水量与地下河排泄量之差，计算得到广西内涝区巴纳谷地的地下河排泄能力。但以上研究仅分析岩溶洼地内涝灾害退水过程中的地下河排泄能力，未考虑洼地内涝全过程中的岩溶过水系统对入流洪水过程的调蓄作用；且仅分析得到洼地最大过水能力，缺乏不同淹没水深
‑
洼地过水能力曲线。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供了基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，具体技术方案如下：
[0005]基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，包括以下步骤：步骤S1，在监测区岩溶洼地内设置内涝监测站网，监测所述监测区岩溶洼地内涝淹没水深变化过程，得到监测区岩溶洼地逐时段(如1小时)内涝淹没水深Z与对应时刻t的关系，即监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线Z～t，同时也监测岩溶洼地逐时段(如1小时)降雨量与水面蒸发数据；
[0006]步骤S2，采集监测区岩溶洼地高精度DEM数据；
[0007]步骤S3，基于监测区高精度DEM数据确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深Z对应的岩溶洼地蓄水容量V，从而得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深
‑
蓄水容量关系曲线V～Z，并进一步得到监测区岩溶洼地蓄水容量V与洼地内涝淹没水深Z的函数关系V＝f(Z)；
[0008]步骤S4，利用步骤S1得到的岩溶洼地内逐时段(如1小时)降雨量数据以及水面蒸发数据驱动水文模型，由水文模型计算得到洼地入流洪水过程线，即监测区岩溶洼地的入流量Q
入
与时刻t的关系曲线Q
入
～t；
[0009]步骤S5，将监测区岩溶洼地过水系统视为虚拟的水库，同时考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，基于水量平衡方程利用监测区岩溶洼地的入流洪水过程线Q
入
～t及步骤S1获得的同时段相应的监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线Z～t，即可求出虚拟水库的出流过程线q
过
～t，该过程即为监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t；
[0010]步骤S6，根据步骤S5得到的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t得到t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过，t
，根据相应时段t时刻的监测区岩溶洼地内涝淹没水深Z
t
即可点绘监测区岩溶洼地内涝淹没水深
‑
过水能力关系曲线Z～q
过
，分段拟合点绘得到的Z～q
过
曲线，提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(Z)；并进一步利用步骤S3得到的监测区岩溶洼地内涝淹没水深
‑
蓄水容量关系曲线V～Z建立t时刻监测区岩溶洼地实时蓄水量V
t
与监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过，t
的关系，经过插值得到监测区岩溶洼地各淹没水深Z对应的监测区岩溶洼地实时蓄水量V，进而点绘监测区岩溶洼地实时蓄水量V与
对应的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过
的关系曲线V～q
过
，再通过分段拟合曲线的方式提取对应的函数关系表达式q
过<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，在监测区岩溶洼地内设置内涝监测站网，监测所述监测区岩溶洼地内涝淹没水深变化过程，得到监测区岩溶洼地逐时段内涝淹没水深Z与对应时刻t的关系，即监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线Z～t，同时也监测岩溶洼地逐时段降雨量与水面蒸发数据；步骤S2，采集监测区岩溶洼地高精度DEM数据；步骤S3，基于监测区高精度DEM数据确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深Z对应的岩溶洼地蓄水容量V，从而得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深
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蓄水容量关系曲线V～Z，并进一步得到监测区岩溶洼地蓄水容量V与洼地内涝淹没水深Z的函数关系V＝f(Z)；步骤S4，利用步骤S1得到的岩溶洼地内逐时段降雨量数据以及水面蒸发数据驱动水文模型，采用水文模型计算洼地入流洪水过程线，即监测区岩溶洼地的入流量Q
入
与时刻t的关系曲线Q
入
～t；步骤S5，将监测区岩溶洼地过水系统视为虚拟水库，基于水量平衡方程利用监测区岩溶洼地的入流洪水过程线Q
入
～t及步骤S1获得的同时段相应的监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线Z～t，即可求出虚拟水库的出流过程线q
过
～t，该过程即为监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t；步骤S6，根据步骤S5得到的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t得到t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过,t
，根据相应时段t时刻的监测区岩溶洼地内涝淹没水深Z
t
即可点绘监测区岩溶洼地内涝淹没水深
‑
过水能力关系曲线Z～q
过
，分段拟合点绘得到的Z～q
过
曲线，提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(Z)；并进一步利用步骤S3得到的监测区岩溶洼地内涝淹没水深
‑
蓄水容量关系曲线V～Z建立t时刻监测区岩溶洼地实时蓄水量V
t
与监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过,t
的关系，经过插值得到监测区岩溶洼地各淹没水深Z对应的监测区岩溶洼地实时蓄水量V，进而点绘监测区岩溶洼地实时蓄水量V与对应的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过
的关系曲线V～q
过
，再通过分段拟合曲线的方式提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(V)，如此分析得到监测区岩溶洼地过水能力。2.根据权利要求1所述的基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，其特征在于，所述步骤S1中所述内涝监测站网包括若干水位计以及远程终端单元、雨量遥测站、蒸发遥测站、服务器；若干所述水位计分别设置...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立华，杨文哲，陈航，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：