[發(fā)明專利]一種基于臨界濃度的泥石流起動(dòng)模型及其應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710333856.4
• 申請(qǐng)日: 2017-05-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107169199A
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-09-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐川;黃勛;龔凌楓;周偉;朱靜;常鳴;李為樂(lè)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 成都理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F17/50
• 分類號(hào): G06F17/50;G06Q50/26
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙)51211
• 代理人: 趙凱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到地質(zhì)災(zāi)害防治工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于臨界濃度的泥石流起動(dòng)模型及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

泥石流作為一種介于水流與碎屑流之間的兩相流體，以其流速快、沖擊強(qiáng)及暴發(fā)突然等運(yùn)動(dòng)特征，快速且強(qiáng)烈地作用于山岳地區(qū)，是強(qiáng)震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害后效應(yīng)最主要的表現(xiàn)形式，將在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，嚴(yán)重危害災(zāi)區(qū)居民、城鎮(zhèn)、交通、水利、電力設(shè)施等的安全，是影響災(zāi)后恢復(fù)重建的重要制約因素之一。對(duì)泥石流的爆發(fā)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)十分必要。

泥石流早期預(yù)警在具體研究方法上，可分為經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型和物理模型，前者主要利用歷史已發(fā)泥石流暴發(fā)時(shí)間與降雨數(shù)據(jù)的關(guān)系擬合，建立起動(dòng)判別模型。根據(jù)降雨指標(biāo)的不同，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型可分為雨強(qiáng)-累計(jì)雨量型、雨強(qiáng)-降雨歷時(shí)型、累計(jì)雨量-降雨歷時(shí)型、雨強(qiáng)-前期雨量型四類，其中，雨強(qiáng)-降雨歷時(shí)型是最常用的模型，一些學(xué)者也將該方法成功運(yùn)用于汶川震區(qū)，并提出了大量臨界雨量判別模型，在大區(qū)域?qū)嵺`運(yùn)用中效果良好。然而，由于該方法未考慮降雨過(guò)程中下墊面(巖土體、地形坡度)的響應(yīng)，往往很難運(yùn)用于具體單溝泥石流的評(píng)價(jià)。

公開(kāi)號(hào)為CN 102169617A，公開(kāi)日為2011年08月31日的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種雨量資料短缺地區(qū)的泥石流預(yù)警方法，通過(guò)在泥石流預(yù)警系統(tǒng)中預(yù)置預(yù)警雨量閾值，并將實(shí)時(shí)雨量數(shù)據(jù)與預(yù)警雨量閾值實(shí)時(shí)比對(duì)結(jié)果判斷是否啟動(dòng)系統(tǒng)預(yù)警報(bào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，其特征在于：對(duì)于缺乏足夠雨量資料數(shù)據(jù)的泥石流預(yù)警區(qū)，首先分析其基本條件，根據(jù)分析結(jié)果從具有豐富觀測(cè)記錄數(shù)據(jù)資料的成熟泥石流研究區(qū)中選擇至少一個(gè)與預(yù)警區(qū)基本條件相同或相近似的研究區(qū)確定為類比區(qū)；其次從類比區(qū)的歷史雨量數(shù)據(jù)資料中獲取預(yù)警區(qū)短缺的雨量數(shù)據(jù)資料用于預(yù)警區(qū)泥石流預(yù)警雨量閾值的計(jì)算；最后將計(jì)算結(jié)果預(yù)置在預(yù)警區(qū)內(nèi)建立的泥石流預(yù)警系統(tǒng)中作為啟動(dòng)泥石流預(yù)警報(bào)的閾值。

公開(kāi)號(hào)為CN 104318058A，公開(kāi)日為2015年01月28日的中國(guó)專利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種基于雨量監(jiān)測(cè)的泥石流預(yù)警方法，其特征在于，包括：根據(jù)歷史降雨量數(shù)據(jù)建立的泥石流事件特征雨量模型、地表徑流事件特征雨量模型、以及正常降雨事件特征雨量模型，并確定區(qū)分度函數(shù)；根據(jù)所述區(qū)分度函數(shù)確定衰減系數(shù)、權(quán)重系數(shù)以及臨界閾值；采集前n日降雨量數(shù)據(jù)，引入衰減系數(shù)計(jì)算前n日有效雨量；引入權(quán)重系數(shù)和當(dāng)日降雨量數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述權(quán)重系數(shù)、當(dāng)日降雨量數(shù)據(jù)和所述前n日有效雨量計(jì)算特征雨量；將所述特征雨量與所述臨界閾值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果確定當(dāng)日降雨量是否能夠引起泥石流事件。

以上述專利文獻(xiàn)為代表的現(xiàn)有技術(shù)，均存在雨量數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)無(wú)法有效覆蓋山區(qū)復(fù)雜環(huán)境下的降雨量這一缺陷，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果主觀化甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于臨界濃度的泥石流起動(dòng)模型及其應(yīng)用，本發(fā)明通過(guò)將降雨數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為泥石流起動(dòng)時(shí)的臨界濃度，最終以泥石流起動(dòng)臨界需水量反映泥石流發(fā)生與否，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行預(yù)警，不用考慮降雨過(guò)程，只需確定斷面流量，就能針對(duì)降雨結(jié)果進(jìn)行閾值控制。

本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于臨界濃度的泥石流起動(dòng)模型，其特征在于，包括以下步驟：

a、通過(guò)數(shù)字高程模型測(cè)算獲取起動(dòng)區(qū)坡度θ，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲取土體內(nèi)摩擦角φ，土體密度ρ_s，利用泥石流起動(dòng)區(qū)表面積和起動(dòng)層平均厚度的乘積，以快速估算起動(dòng)區(qū)的固體物質(zhì)方量；

b、通過(guò)實(shí)際調(diào)查泥石流流域現(xiàn)有物源條件獲得泥石流流域水體密度ρ_w，通過(guò)式1計(jì)算失穩(wěn)臨界體積濃度C_c；

c、通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得初始固體體積濃度C_*和孔隙率，計(jì)算堆積體松散層中的固體物質(zhì)體積V_s，根據(jù)式2計(jì)算獲得固體松散物質(zhì)啟動(dòng)所需的水體體積V_w；

d、運(yùn)用高精度衛(wèi)星影像或航空照片計(jì)算啟動(dòng)區(qū)滑體表面積A，利用Arc Hydro流域匯流模型計(jì)算上游匯流面積，考慮入滲率i的影響通過(guò)式3獲得地表徑流形成時(shí)刻T_p；

其中，R_i為降雨強(qiáng)度，mm/h；t為時(shí)間，h；K_s為土體飽和入滲系數(shù)，mm/h；i₀為初始入滲量，mm/h；i_f為最終入滲量，mm/h；在降雨初期，若降雨強(qiáng)度≥初始入滲量，地表徑流立即形成，即T_p＝0；