溝谷型泥石流的監測預警方法和裝置與流程

本發明涉災害預警技術領域，尤其是涉及一種溝谷型泥石流的監測預警方法和裝置。

背景技術：

溝谷型泥石流是指發育在溝谷中，且飽含大量泥、砂、石的固、液相顆粒流體，其形成機理是集中強降雨引發的大流量洪水強烈沖刷溝道，并起動溝床松散固體物質，是山區環境中常見的泥石流災害類型之一。由于該類泥石流可攜帶大量塊石，且具有運動速度快、暴發突然等特點，有著極強的沖擊力與破壞力，往往造成巨大的人員傷亡與財產損失。2013年7月11日，汶川縣七盤溝暴發特大型泥石流災害，持續時間近1.5小時，造成8人遇難、6人失蹤，沿途房屋、變電站、工礦企業及防治工程措施等遭到嚴重損毀，直接經濟損失達4.15億元。因此，有必要對泥石流進行監測預警，所謂的監測預警是指通過捕捉泥石流起動時的前兆信息，以及泥石流形成后沿溝床運動過程中的動態信息，進而發出警報并指導當地居民避讓或疏散，以減少人員傷亡與經濟損失。

目前，泥石流監測預警最普遍的方法是以某一降雨量閾值來判定，但事實上泥石流的形成與發展是一個不斷變化的過程，基于單閾值的預警，難以捕捉泥石流在孕育形成、運動流通、以及堆積淤埋各階段的特征信息，難以實現泥石流全過程的監控與預警。此外，該預警方法是一種固定式的、擬靜態化的初步預判，泥石流的動力特征與流體特征等監測數據并沒有得到充分利用，還未在實時預警過程中動態獲取泥石流流速、流量及沖擊力等動力參數，更沒有考慮到不同規模的泥石流造成的危險性差異情況。因此，該預警方法的準確率較低。

技術實現要素：

針對以上缺陷，本發明提供一種溝谷型泥石流的監測預警方法很和裝置，可以提高預警準確率。

本發明提供的溝谷型泥石流的監測預警方法包括：

根據主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

根據相互作用關系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關系；

根據各個主控因素之間的相互作用關系，構建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據模型；

獲取在上游段對各個主控因素的實時監測數據，并根據所述判據模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發出預警信號。

可選的，所述方法還包括：

在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監測數據；

根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

根據所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

可選的，所述方法還包括：

利用數值模擬軟件，確定在不同泥石流沖出量下的泥石流堆積范圍；

根據計算得到的所述泥石流沖出量，確定在下游段的泥石流堆積范圍。

可選的，所述根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流沖出量，包括：

根據所述泥位監測數據，計算泥石流的流速和流量；

根據所述流速和流量，計算所述泥石流沖出量。

可選的，采用下式計算泥石流的流速：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)為所述流速，n_c為粘性泥石流溝床糙率，h₀為泥石流起動前的泥位初始值，h_t為泥石流在t時刻的泥位，I_c為泥石流水力坡度。

可選的，所述根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流最大沖擊力，包括：

根據所述流速，計算泥石流的動壓力、沖擊力和沖起高度；

根據所述動壓力、沖擊力和沖起高度，計算所述泥石流最大沖擊力。

可選的，所述主控因素包括：縱比降、流域面積、巖性、小時降雨強度和/或累積降雨量。

可選的，所述判據模型為：

C＝R+a*I

其中，I為小時降雨強度，R為累積降雨量，a為根據縱比降、流域面積、巖性所確定的系數，C為常數。

本發明提供的溝谷型泥石流的監測預警裝置，包括：

因素確定模塊，用于根據主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

關系分析模塊，用于根據相互作用關系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關系；

模型構建模塊，用于根據各個主控因素之間的相互作用關系，構建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據模型；

預警模塊，用于獲取在上游段對各個主控因素的實時監測數據，并根據所述判據模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發出預警信號。

可選的，所述裝置還包括：

數據獲取模塊，用于在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監測數據；

第一計算模塊，用于根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

第二計算模塊，用于根據所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

本發明提供的溝谷型泥石流的監測預警方法和裝置，根據各個主控因素之間的相互作用關系建立在上游段是否有溝谷型泥石流起動的判據模型，可見考慮到了形成溝谷型泥石流的多個主控因素及各因素之間的相互作用關系，相對于現有技術中單閾值的預警方法，可以提高泥石流的預警準確率。

附圖說明

為了更清楚地說明本公開實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本發明一實施例中溝谷型泥石流的監測預警方法的流程示意圖；

圖2示出了本發明另一實施例中溝谷型泥石流的監測預警方法的流程示意圖；

圖3示出了本發明又一實施例中溝谷型泥石流的監測預警方法的流程示意圖；

圖4示出了本發明又一實施例中判據模型的示意圖。

具體實施方式

下面將結合本公開實施例中的附圖，對本公開實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本公開中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本公開保護的范圍。

本發明提供一種溝谷型泥石流的監測預警方法，如圖1、2、3所示，該方法包括：

S101、根據主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

可理解的是，溝谷型泥石流的形成主要取決于三大條件：地形、地質與降水，其中地形條件包括縱比降、溝長、流域面積等，地質條件包括巖性、構造、風化等，降水條件包括前期降雨、累積降雨、降雨強度(小時雨強、10分鐘雨強)等。據此，可以通過針對典型溝谷型泥石流開展現場調查，實測獲取形成泥石流的各種控制因素的具體數據，利用主成分分析法即PCA，即可分析得到溝谷型泥石流形成的主控因素。通過主成分分析法得到的主控因素一般包括縱比降、流域面積、巖性、小時降雨強度和/或累積降雨量等。

S102、根據相互作用關系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關系；

S103、根據各個主控因素之間的相互作用關系，構建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據模型；

S104、獲取在上游段對各個主控因素的實時監測數據，并根據所述判據模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發出預警信號。

本發明提供的監測預警方法，根據各個主控因素之間的相互作用關系建立在上游段是否有溝谷型泥石流起動的判據模型，可見考慮到了形成溝谷型泥石流的多個主控因素及各因素之間的相互作用關系，相對于現有技術中單閾值的預警方法，可以提高泥石流的預警準確率。

可理解的是，以上步驟中所確定的判據模型是針對上游段設置的，上游段可包括清水區和形成區。其中，清水區位于泥石流溝的源頭，為泥石流的形成提供水源。形成區也位于泥石流溝的上游段，利于松散碎屑物質與水流的匯集。

可理解的是，本發明可以通過對典型的溝床起動型泥石流災害開展現場調查，利用數據挖掘等技術，揭示溝谷型泥石流形成的主控因素及其相互作用關系。泥石流的形成與發展是一個復雜的系統過程，受控因素眾多。因此，利用數量化原理與數據挖掘技術，深入分析溝谷型泥石流形成主控因素及其相互作用關系，能夠優化溝谷型泥石流的監測部署。

在具體實施時，所述判據模型可以為：

C＝R+a*I

式中，I為小時降雨強度，R為累積降雨量，a為根據縱比降、流域面積、巖性所確定的系數，C為常數。

其中，a一般在6.5～12.5之間，可以通過典型實例實測數據統計分析得到。

從上式可以看出，如圖4所示，判據模型在坐標系中為一直線，在利用該判據模型進行是否有泥石流起動時，若根據實時監測的數據可知當前時刻的累積降雨和降雨強度位于圖中方塊所處的位置，則說明此時降雨未觸發泥石流，若位于三角所處的位置，則說明此時降雨會觸發泥石流。可見，根據上述判據模型則可以判斷是否會觸發泥石流。

在具體實施時，該方法還可包括：

S105、在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監測數據；

S106、根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

S107、根據所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

這里，通過泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力，計算安全冗余，便可得知當前的泥石流是否有沖出泥石流溝口的可能。

其中，可以通過超聲波泥位計測量探頭距離泥位面的垂直高度，然后換算出泥深。

其中，中游段是指流通區，是泥石流沖擊造成破壞的主要區域。

可理解的是，表征泥石流活動特征最為重要的指標包括流速、流量及沖擊力等，為此，以理論推導與現場監測相結合，動態獲取相關參數，計算確定安全冗余，實現中游段的動態跟蹤預警。

在具體實施時，S106中計算所述泥石流沖出量的具體過程可以包括：

根據所述泥位監測數據，計算泥石流的流速和流量；

根據所述流速和流量，計算所述泥石流沖出量。

當然，還可以采用其他方式計算泥石流沖出量。

其中，流速的計算可以采用多種方式，其中一種為采用下式計算：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)為所述流速，n_c為粘性泥石流溝床糙率，h₀為泥石流起動前的泥位初始值，h_t為泥石流在t時刻的泥位，I_c為泥石流水力坡度。

其中，S106中計算泥石流最大沖擊力的具體過程可以包括：

根據所述流速，計算泥石流的動壓力、沖擊力和沖起高度；

根據所述動壓力、沖擊力和沖起高度，計算所述泥石流最大沖擊力。

當然，還可以采用其他方式計算最大沖擊力，對此本發明不做限定。

其中，根據泥位監測數據計算流量、根據流量和流速計算泥石流沖出量等也均可以采用多種方式，現有技術中存在相應的計算公式或算法，因此對于具體計算過程不再詳述。

在具體實施時，該方法還可以包括：

S108、利用數值模擬軟件，確定在不同泥石流沖出量下的泥石流堆積范圍；

S109、根據計算得到的所述泥石流沖出量，確定在下游段的泥石流堆積范圍。

其中，數值模擬軟件，例如FLO-2D數值模擬軟件。

其中，下游段實際上是泥石流的堆積區，是泥石流堆積物的停淤區域。

通過上述方法便可以得到泥石流的堆積范圍，進而得知泥石流的危險性大小，至此實現全過程協同預警。

綜上所述，與現有技術相比，本發明提出的技術方案在上游段建立判據模型，對泥石流的起動進行預警；在中游段對相關參數獲取、計算等過程，確定安全冗余，實現對中游段的實時監控；在下游段進行堆積范圍計算，確定危險性大小，從而實現泥石流全過程跟蹤監測與協同預警機制，不僅僅從技術方面能夠實現對應的功能，更能從理論深度上確保構建泥石流實時監測預警方法的可靠性與準確性。在該技術方法的指導下，已在四川、貴州、安徽等省市的泥石流減災防災應用中取得良好效果。

基于相同的發明構思，本發明還提供一種溝谷型泥石流的監測預警裝置，該裝置包括：

因素確定模塊，用于根據主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

關系分析模塊，用于根據相互作用關系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關系；

模型構建模塊，用于根據各個主控因素之間的相互作用關系，構建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據模型；

預警模塊，用于獲取在上游段對各個主控因素的實時監測數據，并根據所述判據模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發出預警信號。

可選的，該裝置還包括：

數據獲取模塊，用于在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監測數據；

第一計算模塊，用于根據所述泥位監測數據，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

第二計算模塊，用于根據所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

可理解的是，本發明提供的監測預警裝置為本發明提供的監測預警方法的功能架構模塊，其有關內容的解釋、說明、優選實施方式、有益效果等內容可以參考本發明提供的監測預警方法中的相應部分，在此不再贅述。

本發明的說明書中，說明了大量具體細節。然而，能夠理解，本發明的實施例可以在沒有這些具體細節的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結構和技術，以便不模糊對本說明書的理解。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解；其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。