泥石流流量和容重沿程變化預測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及自然災害探索技術領域,尤其涉及一種基于水土動力匹配原理的泥石 流流量和容重沿程變化預測方法。
【背景技術】
[0002] 泥石流流量和容重是泥石流防治工程和災害評估的一個重要參數,決定著泥石流 的規模,其過程研究歷來是泥石流及其工程防治的難點和重點。到目前為止,國內外泥石流 學者已著手從多方面進行了研究(崔鵬等.1992; Iverson. 1997; Whipple . 1992;陳寧生等 .2001;唐邦興等.2000;羅德富,1995),其基本出發點都是認為泥石流流量是由流域的暴雨 洪水流量與攜帶的固相泥沙疊加而成,而且固相泥沙流量的大小與液相雨洪流量直接相 關,綜合考慮堵塞系數等特征,以雨洪流量乘上一個與泥石流特征指標有關的修正系數來 估計泥石流的流量,即:
[0003] qc=(i+(J))xqpxdc (1)
[0004] Φ =( yc-yw)/( th-tc) (2)
[0005] QC為泥石流的洪峰流量(m3/s) ;QP為暴雨洪峰流量(m3/s); Φ為泥沙修正系數;γ C 和γ*1分別為泥石流和清水容重(t/m3); γΗ為泥石流中固體物質比重(t/m3) ;Dc為泥石流溝 道堵塞系數。
[0006] 那么,上述計算方法中清水流量QP是根據水文頻率法或者由水文模型計算得到; 泥石流容重γ c和堵塞系數DC是根據野外調查及溝道堵塞程度而人為設定的經驗值,不同的 人可能取值不同,人為性是相當大的,其根本原因是沒有基于泥石流的物理過程和機制,因 此,由上述方法計算的泥石流流量過程及峰值流量也具隨意性和經驗性,與實際情況差距 很大。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的在于解決上述現有技術存在的缺陷,基于泥石流的物理過程和機 制,提出一種基于水土動力匹配原理的泥石流流量和容重沿程變化預測新方法,為泥石流 防治工程關鍵參數設計等提供一種新的思路和方法。該方法由降雨-產匯流-流域溝坡系 統水動力-水土動力匹配-泥石流流量和容重沿程變化過程,物理過程明晰、動力機制耦 合。本發明可廣泛應用關于泥石流監測預警、防治工程關鍵參數設計、風險分析及管理等等 方面。
[0008] -種泥石流流量和容重沿程變化預測方法,包括以下步驟:
[0009] 步驟一:由物理基礎的分布式水文模型劃分子流域并計算每個子流域溝坡系統降 雨產匯流形成的水動力;
[0010] 步驟二:基于無限邊坡模型或可移動固體物質判別模型,計算水動力作用下可移 動固體物質的厚度、儲量及其分布;
[0011] 步驟三:采用容重和流量沿程變化預測模型,計算子流域出口水土動力匹配后形 成的水土混合物的容重和流量過程;
[0012] 步驟四:按子流域的分級次序和拓撲關系,由各子流域容重和流量過程反演計算 整個流域出口或者沿程設定斷面的容重和流量過程。
[0013] 進一步地,如上所述的泥石流流量和容重沿程變化預測方法,步驟二中,所述無限 邊坡模型中,可移動固體物質的厚度為:
[0014]
(4)
[0015] 式中,c為粘聚力;爐為內摩擦角;(6 = 土體基質吸力,其中,ua為大氣壓力;uw 為水應力;β為坡度;γ t為邊坡土體容重;Hs為可動層厚度;
[0016] 可移動固體物質判別樽塑中的可移動土體臨界厚度a的衷達式:
[0017] )
[0018]式中,yw為水容重;Θ為表面坡體坡度;ysat為坡面碎肩顆粒土體飽和容重;丫 3為 土體顆粒容重;η為孔隙度;d5〇坡體物質的特征粒徑;c、供為分別為坡面土體的粘聚力和內 摩擦角;Η為表面徑流深度,a為可移動固體物質的厚度。
[0019] 進一步地,如上所述的泥石流流量和容重沿程變化預測方法,步驟三中,子流域出 口處水土動力四配之后t時刻的容重通過如下容重計算模型計算:
[0020]
[0031 ]其中,ai (t)為t時刻i分帶的可移動土體厚度,單位:m; Si為i分帶的面積,單位:m2。 [0032] 進一步地,如上所述的泥石流流量和容重沿程變化預測方法,步驟三中,子流域出 口水土動力匹配后形成的流量其沿程變化預測模型為:
[0038]其中,Δ t為計算時段,單位:s;Si為i帶的面積,單位:m2;Hi為i帶的水土動力匹配 的產流量,單位mm; Gh......Qn分別為第1時段Δ t……第N時段Ν Δ t的流量,單位:m3/s。
[0039] 進一步地,如上所述的泥石流流量和容重沿程變化預測方法,每個帶水土動力匹 配后的產流量HKt)可以用下式表示:
[0040] Hi(t) =hi(t)+ai(t) (6)
[0041 ]式中,hi(t)為i分帶的地表徑流深,單位:mm;ai(t)為i分帶的可移動固體物質的厚 度,單位:mm,Hi(t)為i分帶水土動力匹配后的產流量,單位是時間t的函數,是一個動 態變化過程,隨著水動力和可移動固體物質厚度的變化而發生變化。
[0042] 與現有方法相比,本發明具有如下有益效果:
[0043] 本發明針對現有泥石流流量和規模計算的經驗性和人為性問題,基于泥石流的物 理過程和機制,提出了一種基于水土動力匹配原理的泥石流流量和容重沿程變化預測新方 法,該方法主要在于以物理過程明晰的分布式水文模型為基礎,劃分子流域并計算子流域 溝坡系統降雨產匯流形成的水動力,通過無限邊坡模型或可移動固體物質判別模型計算水 動力作用下可移動土體的厚度、儲量及其分布,在此基礎上,計算水土動力匹配后泥石流沿 程運動過程中的流量和容重變化過程。本發明方法物理過程明晰、動力機制耦合,排除了傳 統經驗公式泥石流流量和規模計算的人為經驗的主觀性和不確定性,可以廣泛應用關于泥 石流監測預警、防治工程關鍵參數設計、風險分析及管理等方面,具有重要的理論意義和應 用價值。
【附圖說明】
[0044]圖1為本發明基于水土動力匹配原理的泥石流流量和容重沿程變化預測方法總體 流程圖;
[0045] 圖2為無限邊坡模型示意圖;
[0046] 圖3為地質模型和對松散固體物質進行受力的模型圖;
[0047]圖4為子流域分帶示意圖;
[0048]圖5為子流域用河網按水流流向依次連接后的流域示意圖;
[0049]圖6為兩個子流域相交匯合后進行線性疊加后各自的流量曲線圖;
[0050] 圖7為實施例中"7.26"場次泥石流現場圖;
[0051] 圖8為實施例中"7.26"泥石流暴發過程中的分鐘雨量過程曲線圖;
[0052]圖9為實施例中應用水土動力匹配模型進行容重和流量變化過程的計算流程圖; [0053]圖10實施例中基于分布式水文模型劃分的子流域、子流域出口以及監測斷面位置 圖;
[0054]圖11為各個子流域的土壤含水量實時曲線圖;
[0055]圖12為各個子流域的地表徑流實時曲線圖;
[0056]圖13A為實施例土體的粘聚力c隨土體含水量變化曲線圖;
[0057]圖13B為實施例土體的內摩擦角識隨土體含水量變化曲線圖;
[0058]圖14為實施例中"7.26"泥石流過程在泥位監測斷面的容重過程曲線圖;
[0059] 圖15為實施例中"7.26"泥石流過程在泥位監測斷面的流量過程曲線圖。
【具體實施方式】
[0060] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚,下面對本發明中的技術方案進行 清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例是本發明一部分實施例,而不是全部的實施例。基 于本發明中的實施例,本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其 他實施例,都屬于本發明保護的范圍。
[0061] 如圖1所示,本發明提供的基于水土動力匹配原理的泥石流流量和容重沿程變化 預測方法,包括以下步驟:
[0062] 步驟一:由明確物理基礎的分布式水文模型劃分子流域并計算每個子流域溝坡系 統降雨產匯流形成的水動力;
[0063] 具體地,分布式水文模型具有明確的物理基礎,可以計算水流的路徑、自動生成河 網和進行子流域劃分等,能夠描述水循環的時空變化過程。利用GIS能自動、快速的從DEM中 進行河網的提取和子流域劃分,將子流域作為分布式水文模型的計算單元,單元內和單元 間的水文過程十分清晰。
[0064] 小流域溝坡系統的水動力條件包括降雨、坡面流、溝道流和土體滲透流。小流域溝 坡系統水動力條件的研究,主要包括降雨在坡面和溝道系統的產匯流及其引起的土體滲透 流(飽和滲透、非飽和滲透)、土壤水分變化、地表徑流特征等內容。由于降雨過程和下墊面 的復雜性,流域降雨產匯流過程和在流域溝坡系統形成的水動力大小可以通過流域分布式 水文模型來進行模擬。
[0065] 本發明采用分布式水文模型進行子流域的劃分及其流域水動力的分析計算。
[0066] 步驟二:基于無限邊坡模型或可移動固體物質判別模型,計算一定水動力作用下 可移動固體物質的厚度、儲量及其分布;
[0067] 具體地,流域覆蓋土層的厚度、物性等具有空間不均勻性,導致降雨形成的水動