摘要
气候变化打乱了河流流域的水文循环，导致降雨模式的不规则性，可能引发毁灭性洪水。本研究采用二维水动力数值模型——GPU（图形处理单元）加速的地表水流动和输运模型，模拟了强降雨期间小流域洪水演进的过程。研究目的是检验这些流域的洪水特性。针对50年、100年、500年和1000年降雨重现期，计算了典型断面的水力特性，并对该流域的洪水脆弱性进行了全面评估。结果表明，在所有断面中，500年重现期的洪水位增长速率最高，达到51.38%。然而，在1000年重现期的时间段内，增长率下降至7.61%。在极端降雨条件下，S1断面在五个选定断面中表现出最大的水深。在50至1000年重现期之间，最大水深范围为1.41至1.93米，是S3断面的2.03至2.76倍。尽管重现期增加，流域的洪水大小仍然相对一致。为了最大化社会经济效益，建议根据每500年一次的洪水峰值来确定该小流域新的道路和铁路桥涵的尺寸。这些研究发现为检验小流域对强降雨的反应和评估洪水控制技术提供了重要资源。
研究背景
气候变化对河流流域的水文循环造成干扰，导致降雨模式的不规则性，可能引发灾难性洪水。在极端暴雨事件中，小流域的洪水特性和风险分析对于制定防洪措施和减少洪水灾害具有重要意义。本研究利用二维水动力数值模型，模拟了黄土高原小流域在暴雨期间洪水演进过程，旨在检验这些流域的洪水特性。
研究方法
本研究采用的GPU加速的表面水流动和输运模型（GAST模型）是基于二维浅水方程（SWEs）的数值模型。
研究内容
研究对象为黄土高原小流域的洪水特性和风险。研究区域是位于陕西省的王茂沟流域，通过模拟不同降雨重现期（50年、100年、500年和1000年）下的洪水演进过程，计算典型断面的水力特性，并进行洪水脆弱性评估。
研究结论
本项研究聚焦于陕西省北部黄土丘陵区的王茂沟流域，运用二维水动力GPU加速地表水流动和传输模型（GAST）来分析极端降雨条件下的洪水演进和洪水风险。对不同降雨重现期下的水深进行了测量，得出以下结论：
(1)在500年降雨重现期内，不同横断面处的峰值流量大小顺序为S1 > S2 > S5 > S4 > S3。对于选定的四个重现期，500年重现期代表了该流域峰值流量增长率的转折点。考虑到峰值流量增长率变化模式和经济效益，研究区域内大型桥梁和涵洞等水利工程设计可以参考500年重现期的峰值流量。
(2)在极端降雨条件下，S1横断面在五个选定的典型横断面中拥有最大的水深。在50至1000年重现期，最大水深在1.41至1.93米之间，是S3横断面水深的2.03至2.76倍。此外，随着重现期的增加，每个横断面的最大水深变化幅度小于相应峰值流量的变化幅度。
(3)结合模拟的洪水特征，研究分析了流域的洪水风险特征。最大水深区域位于支流的河中，水深为6米。水深在2至3米之间的淹没区域占淹没总面积的43至45%。由于泥沙坝的洪水阻挡效应，在大型重现期下淹没面积的增加相对较小，100年重现期下淹没面积增加最大，达到5.44%。
本研究的成果可以为解决黄土高原小流域的洪水问题、降低洪水风险、增强防灾减灾能力以及制定有效的洪水应急计划提供参考。
创新点
本研究的创新点在于：
1. 利用GPU加速技术，提高了洪水模拟的计算速度和效率。
2. 对黄土高原小流域在极端降雨条件下的洪水特性进行了深入分析，为该地区的防洪措施提供了理论依据。
图表
文章信息：
该研究成果发表在国际期刊Natural Hazards上，详见Imran, M., Hou, J., Wang, T. et al. Flood characteristics and risk analysis in small watersheds on the Loess Plateau under extreme heavy rainfall. Nat Hazards (2024).
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s11069-024-07025-x
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资料整理：Zhixu Li
排版编辑：Zhixu Li
