[發(fā)明專利]一種多尺度泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910328271.2
• 申請(qǐng)日: 2019-04-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110955952B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄒強(qiáng);崔鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院;水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所
• 主分類號(hào): G06F30/20
• 分類號(hào): G06F30/20;G06F16/29
• 代理公司: 北京元本知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11308
• 代理人: 王紅霞

1.一種多尺度泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法，其特征在于：是對(duì)主要災(zāi)點(diǎn)、典型路段以及全線大范圍區(qū)域三個(gè)空間尺度展開(kāi)綜合研究，探討不同尺度公路泥石流危險(xiǎn)性分析方法；

所述評(píng)價(jià)方法具體包括以下步驟：

1)針對(duì)單溝泥石流危害公路情況，經(jīng)過(guò)詳細(xì)勘察，獲取泥石流溝流域數(shù)據(jù)和泥石流體物理參數(shù)，結(jié)合泥石流流變模型，采用數(shù)值分析方法模擬泥石流的運(yùn)動(dòng)堆積過(guò)程，通過(guò)對(duì)動(dòng)力學(xué)因子的分析完成泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)；

2)對(duì)公路沿河路段泥石流危險(xiǎn)性分析時(shí)，以各條泥石流溝為研究單元，在模型試驗(yàn)和野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析泥石流致災(zāi)過(guò)程，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，得出單溝泥石流的特征參數(shù)與泥石流堆積范圍之間的關(guān)系，確定泥石流危害區(qū)域；

3)對(duì)于長(zhǎng)大交通干線全線范圍泥石流，從公路沿線環(huán)境背景出發(fā)，以野外調(diào)查為基礎(chǔ)，分析泥石流的形成條件、發(fā)育特征和活動(dòng)特點(diǎn)并選取關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與分析模型；

所述步驟1)基于動(dòng)力因子的單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；所述基于動(dòng)力因子的單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是根據(jù)公路沿線泥石流的復(fù)合成災(zāi)特點(diǎn)，基于泥石流運(yùn)動(dòng)模擬和洪水淹沒(méi)分析的泥石流危害公路的定量危險(xiǎn)性分析方法：

H＝H_e+H_d+H_i+H_f (5-1)

式(5-1)中，H為總危險(xiǎn)度；H_e為由泥石流沖擊破壞引起的危險(xiǎn)，用泥石流最大動(dòng)能表示；H_d為由泥石流淤埋引起的危險(xiǎn)深度，用泥石流最大淤積深度表示；H_i為泥石流堵江造成的回水淹沒(méi)危險(xiǎn)深度即堰塞湖回水上漲淹沒(méi)危險(xiǎn)深度，用回水淹沒(méi)深度表示；H_f為泥石流堰塞湖潰決洪水造成的淹沒(méi)危險(xiǎn)深度即泥石流堰塞湖潰決洪水危險(xiǎn)深度，用洪水淹沒(méi)深度表示；

所述由泥石流沖擊破壞引起的危險(xiǎn)深度和由泥石流淤埋引起的危險(xiǎn)深度是通過(guò)泥石流堆積區(qū)二維運(yùn)動(dòng)模擬的方法確定；所述堰塞湖回水上漲淹沒(méi)危險(xiǎn)深度是根據(jù)堰塞湖與公路的相對(duì)位置和堰塞壩溢流口高度確定；所述泥石流堰塞湖潰決洪水危險(xiǎn)深度是根據(jù)堰塞湖與公路的相對(duì)位置和潰決洪水最大流量確定；

所述由泥石流沖擊破壞引起的危險(xiǎn)深度和由泥石流淤埋引起的危險(xiǎn)深度的確定方法為：

流速是確定泥石流沖擊作用的關(guān)鍵參數(shù)，泥深反映泥石流的淤埋程度；通過(guò)泥石流運(yùn)動(dòng)模擬，確定泥石流扇形地上流速和流深的時(shí)空分布；通過(guò)流速的時(shí)空分布可以確定泥石流的動(dòng)量—破壞能力的分布；依據(jù)流深的時(shí)空分布，可以確定泥石流淤埋深度的空間分布；

用泥石流最大流深來(lái)表征泥石流的淤積危害，在泥石流運(yùn)動(dòng)區(qū)域劃分計(jì)算網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格(i,j)的泥深由網(wǎng)格內(nèi)的所有顆粒體積除以網(wǎng)格面積得到，計(jì)算公式如下：

式(5-2)中，N_i,j等于以點(diǎn)(i,j)為中心的控制格網(wǎng)內(nèi)的顆粒數(shù)，ΔV為顆粒的體積，A是數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格面積，H_d為泥石流淤埋深度，其值越大，泥石流危險(xiǎn)性越大；

用泥石流的動(dòng)能來(lái)表征泥石流的沖擊破壞能力，采用每個(gè)網(wǎng)格在整個(gè)泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的最大動(dòng)能值，反映每個(gè)網(wǎng)格的最大沖擊產(chǎn)生的危險(xiǎn)性，計(jì)算公式如下：

式(5-3)中，H_e為泥石流最大動(dòng)能指標(biāo)，u、v分別是x、y方向的速度，h為泥石流泥深，ρ為泥石流密度，A為數(shù)值模擬采用的網(wǎng)格的面積；

所述堰塞湖回水上漲淹沒(méi)危險(xiǎn)深度的確定方法為：

在潰壩洪水和河流回水淹沒(méi)范圍內(nèi)，河水淹沒(méi)深度是反映泥石流對(duì)公路危害的關(guān)鍵參數(shù)；首先計(jì)算泥石流堵江后形成堰塞湖庫(kù)容，然后通過(guò)基于河道DEM的洪水淹沒(méi)分析方法求得淹沒(méi)范圍和水深分布；

對(duì)于由堰塞湖引起的間接危害結(jié)合該區(qū)歷史降雨條件，預(yù)測(cè)在一定降雨條件下該泥石流暴發(fā)后堵江的可能性，判斷泥石流堵江可能性的判別式如下：

C_M＝1.189(1-cosθ)²+3.677γ_c/γ_M-ln(Q_Mυ_M/Q_Bυ_B)≥12.132 (5-4)

C_F＝0.883(1-cosθ)²+2.587γ_c/γ_M-ln(Q_M/Q_B)≥8.572 (5-5)

式(5-4)和(5-5)中，C_M為泥石流堵江的動(dòng)量判據(jù)；C_F為泥石流堵江的流量判據(jù)；Q_M、Q_B為主支溝的單寬流量；υ_B為支溝泥石流表面最大流速；υ_M為主溝水流表面最大流速；γ_c為泥石流容重；γ_M為主流容重；θ為主支溝夾角；當(dāng)泥石流與主溝的流速、流量、入?yún)R角和容重滿足關(guān)系式(5-4)或(5-5)時(shí)，即C_M≥12.132或C_F≥8.572，將發(fā)生泥石流堵塞主溝現(xiàn)象；

對(duì)于有可能堵河的泥石流溝可以利用數(shù)值模擬法和經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算堵河高度；所述數(shù)值模擬法是結(jié)合泥石流峰值流量Q_p和徑流過(guò)程，推求給定頻率降雨條件下泥石流過(guò)程流量的方法，如果能獲取泥石流從發(fā)生到結(jié)束的流動(dòng)時(shí)間，即可利用前述數(shù)值分析方法進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算出堆積厚度的分布，從而確定堵江高度；所述經(jīng)驗(yàn)公式法首先需要估算泥石流峰值流量Q_p，如果知道泥石流流動(dòng)的時(shí)間T，即可利用泥石流徑流總量的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算一次泥石流總量：

式(5-6)中，Q_c為一次泥石流總量；T為泥石流持續(xù)時(shí)間；

進(jìn)而根據(jù)泥石流入?yún)R河道的地形條件，初步估算泥石流堰塞體的高度H_b：

H_b＝2Q_c/L(B_U+B_D) (5-7)

式(5-7)中，L為堵塞體沿泥石流流動(dòng)方向的長(zhǎng)度；B_U為堰塞體頂部寬度；B_D為堰塞體底部寬度；

因此，所述堰塞湖回水上漲淹沒(méi)危險(xiǎn)深度H_i可簡(jiǎn)化為危險(xiǎn)區(qū)的高差計(jì)算：

H_i＝(H₀+H_b)-H_i,j (5-8)

式(5-8)中，H₀為堰塞體底部高程；H_b為堰塞體壩體高度；H_i,j為淹沒(méi)范圍任一計(jì)算網(wǎng)格(i,j)的高程；H_i為相應(yīng)計(jì)算網(wǎng)格的淹沒(méi)深度，其值越大，淹沒(méi)的危險(xiǎn)性越大，當(dāng)其為0時(shí)，為臨界危險(xiǎn)狀態(tài)；

所述泥石流堰塞湖潰決洪水危險(xiǎn)深度的確定方法為：

所述泥石流堰塞湖潰決洪水危險(xiǎn)深度H_f的計(jì)算分為沿程流量計(jì)算和水位計(jì)算；土石壩潰決最危險(xiǎn)的情況為壩體瞬間潰決，對(duì)于堰塞湖潰決后，壩址洪峰流量的計(jì)算采用Schoklitsch公式計(jì)算：

式(5-9)中，Q_max為壩址最大流量；B_u為壩頂寬度；b為潰口寬度；H_w為潰壩前上游水深；g為重力加速度；

壩址下游沿程各河段控制斷面最大流量采用下式(5-10)計(jì)算：

式(5-10)中，Q_LM為距壩址L米的控制斷面最大潰壩演進(jìn)流量；W為水庫(kù)總庫(kù)容；Q_M為壩址最大流量；L為控制斷面距壩趾的距離；VK為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，山區(qū)河道VK＝7.15，半山區(qū)河道VK＝4.76，平原河道VK＝3.13；

利用堰塞體潰決洪水演進(jìn)模型計(jì)算沿程流量和水位，根據(jù)公路沿途的高程確定是否受到潰決洪水威脅及其危險(xiǎn)程度；距壩址L米的控制斷面的淹沒(méi)面積A_f和任一計(jì)算網(wǎng)格的泥石流堰塞湖潰決洪水危險(xiǎn)深度H_f分別為：

A_f＝n(Q_LM-Q₀)/R_2/3I_1/2 (5-11)

H_f＝n(Q_LM-Q₀)/R^2/3I^1/2B_i (5-12)

式(5-11)和(5-12)中，Q₀為城區(qū)給定斷面的過(guò)流能力；R為水力半徑；I為水力坡度；等于底床坡度；B_i為斷面淹沒(méi)寬度；

泥石流沖毀、淤埋以及堰塞湖上漲回水與潰決洪水淹沒(méi)的量值確定以后，利用GIS技術(shù)的空間分析功能，求算泥石流沖擊破壞能力、泥石流淤埋深度、淹沒(méi)深度、洪水流深的空間分布，從而進(jìn)行危險(xiǎn)性分區(qū)；

所述步驟2)是針對(duì)公路沿河路段泥石流危險(xiǎn)性分析即對(duì)河谷段公路泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；所述對(duì)河谷段公路泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法具體包括2.1)泥石流致災(zāi)方式確定、2.2)評(píng)估指標(biāo)選擇和2.3)指標(biāo)量化；

根據(jù)泥石流對(duì)沿河公路的危害方式和程度，選取泥石流規(guī)模H₁、泥石流淤積程度H₂、泥石流堵江程度H₃三個(gè)因子作為泥石流危害道路的評(píng)價(jià)指標(biāo)；

所述2.2)評(píng)估指標(biāo)選擇具體包括：

2.21)泥石流規(guī)模

泥石流規(guī)模H₁用泥石流一次沖出總量表示；泥石流一次沖出的總量越大，對(duì)道路的危害越大；

2.22)泥石流淤積危害程度

泥石流淤積危害主要表現(xiàn)在對(duì)道路路面的淤埋與橋梁(涵洞)的淤積；對(duì)于道路路面，其遭受泥石流淤埋的程度，采用泥石流在路域范圍內(nèi)的堆積厚度與路面距最近處泥石流溝床垂直距離的比值H_2r來(lái)表示，其值越大，泥石流堆積物距離路面越近，危險(xiǎn)性越大，當(dāng)H_2r≥1時(shí)，路面已經(jīng)被泥石流淤埋；對(duì)于橋梁，其遭受淤積的危害程度H_2b，采用泥石流堆積體對(duì)橋下過(guò)流斷面淤積程度來(lái)表示，對(duì)過(guò)流斷面淤積越高，橋梁越危險(xiǎn)；

2.23)泥石流堵江程度

泥石流堵江程度的量化，主要考慮泥石流與路面以及河道的位置關(guān)系，采用一次泥石流最大堆積長(zhǎng)度L與主河寬度B、河岸距泥石流溝口距離l的相對(duì)關(guān)系來(lái)表示；當(dāng)L≤l時(shí)，表明泥石流堆積物尚未到達(dá)河岸，對(duì)河道不造成影響；當(dāng)Ll且Ll+B時(shí)，泥石流部分物質(zhì)淤積部分河道，形成局部堵江狀態(tài)，堵塞體迫使主河沖向異岸形成曲流，對(duì)路基或橋墩造成沖刷危害；當(dāng)L≥l+B時(shí)，泥石流完全堵塞河道，形成堰塞湖，水面上升，回水對(duì)道路造成淹沒(méi)危害；

所述2.3)指標(biāo)量化具體包括：

2.31)流域基本參數(shù)和泥石流容重

據(jù)研究區(qū)地形和水文數(shù)據(jù)，結(jié)合GIS技術(shù)，計(jì)算流域基本參數(shù)；容重是泥石流性質(zhì)分析與流量計(jì)算必不可少的參數(shù)，對(duì)野外采集的泥石流樣品進(jìn)行顆分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用式(5-13)計(jì)算研究區(qū)泥石流容重；

2.32)泥石流規(guī)模計(jì)算

用經(jīng)驗(yàn)公式法分兩種情況估算一次泥石流總量，以表達(dá)泥石流規(guī)模指標(biāo)；如果知道泥石流流動(dòng)的時(shí)間T，可以利用泥石流徑流總量的經(jīng)驗(yàn)公式(5-6)計(jì)算一次泥石流總量；如果不能獲取泥石流從發(fā)生到結(jié)束的具體時(shí)間，可用如下公式(5-13)計(jì)算泥石流總量：

Q_c＝152.97Q_p^1.266 (5-13)

式(5-13)中，Q_c為一次泥石流總量(m³)，Q_P為泥石流峰值流量(m³/s)；

Q_P可以通過(guò)考慮堵塞條件下的配方法獲得，具體計(jì)算公式如下：

式(5-14)中，Q_P為泥石流峰值流量；φ_c為泥石流峰值流量增加系數(shù)；Q_B為清水峰值流量；γ_c為泥石流容重；γ_w為清水容重；γ_s為固體物質(zhì)實(shí)體容重，這里固體物質(zhì)實(shí)體容重取2.7t/m³；D_U為堵塞系數(shù)；S_p為暴雨雨強(qiáng)；p為降雨頻率；τ為流域匯流時(shí)間；n為暴雨衰減系數(shù)；F為小流域匯水面積；

2.33)泥石流淤積道路程度確定

采用一次泥石流危險(xiǎn)范圍預(yù)測(cè)模型，模型如下：

式(5-15)中，S_d為一次泥石流危險(xiǎn)范圍；L_d為一次泥石流最大堆積長(zhǎng)度；h_d為一次泥石流最大堆積厚度；V_c為一次松散固體物質(zhì)最大補(bǔ)給量；G為堆積區(qū)坡度；γ_c為泥石流容重；

在進(jìn)行泥石流對(duì)道路淤埋的評(píng)價(jià)時(shí)，首先由泥石流規(guī)模計(jì)算方法獲得一次泥石流沖出的總量Q_c，應(yīng)用公式(5-16)計(jì)算一次泥石流固體物質(zhì)總量V_c，然后根據(jù)地形數(shù)據(jù)量算泥石流堆積區(qū)的坡度G，最后將上述參數(shù)代入式(5-15)計(jì)算一次泥石流最大堆積長(zhǎng)度和厚度，即可獲的泥石流淤積道路程度指標(biāo)值；

V_c＝(γ_c-γ_w)·Q_c/(γ_s-γ_w) (5-16)

式(5-16)中，V_c為一次泥石流固體物質(zhì)總量；Q_c為一次泥石流沖出的總量；γ_c為泥石流容重；γ_w為清水容重；γ_s為固體物質(zhì)實(shí)體容重，這里固體物質(zhì)實(shí)體容重取2.7t/m³；

2.34)泥石流堵江程度確定

根據(jù)一次泥石流危險(xiǎn)范圍的計(jì)算結(jié)果，泥石流堵江程度的指標(biāo)可以量化為

H₃＝(L-l)/B (5-17)

式(5-17)中，H₃為泥石流堵江程度值，H₃≥1，表示泥石流完全堵塞河道，H₃取1；L為泥石流最大堆積長(zhǎng)度；l為泥石流溝口到河岸的距離；B為河道寬度；

2.35)泥石流危險(xiǎn)度確定

H＝H₁+H₂+H₃ (5-18)

式中：H為總危險(xiǎn)度，H₁為泥石流規(guī)模，H₂為泥石流淤積危害程度，H₃為泥石流堵江程度；

所述步驟3)是針對(duì)長(zhǎng)大交通干線全線范圍泥石流即公路全線泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；所述公路全線泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法包括3.1)評(píng)估指標(biāo)選取和3.2)評(píng)價(jià)方法選擇；

所述3.1)評(píng)價(jià)方法選擇的具體方法為：

信息量法是通過(guò)現(xiàn)有信息，把區(qū)域穩(wěn)定性的各種影響因素的實(shí)測(cè)值轉(zhuǎn)化為反映區(qū)域穩(wěn)定性的信息量，表征影響因素對(duì)研究對(duì)象的“貢獻(xiàn)”大小，進(jìn)而評(píng)價(jià)研究對(duì)象的穩(wěn)定程度；信息預(yù)測(cè)是用信息量來(lái)衡量的，即：

根據(jù)條件概率運(yùn)算，式(5-19)可進(jìn)一步寫(xiě)成：

式(5-19)和(5-20)中，I(Y,x₁x₂...x_n)為因素組合x(chóng)₁x₂...x_n對(duì)泥石流災(zāi)害提供的信息量；P(Y|x₁x₂...x_n)為因素x₁x₂...x_n組合條件下泥石流發(fā)生的概率；P(Y)為泥石流發(fā)生的概率；I_x1(Y,x₂)為因素x₁存在時(shí)，因素x₂對(duì)泥石流提供的信息量；

制約和影響泥石流發(fā)生的環(huán)境因子較多且各種環(huán)境因子所起作用的大小、性質(zhì)有差異的，故采用簡(jiǎn)化的單因素信息量方法來(lái)評(píng)價(jià)泥石流危險(xiǎn)性；信息量模型可表示為：

式(5-21)中，I為研究區(qū)評(píng)價(jià)單元總的信息量值；n為參評(píng)因子數(shù)；I(y,x_i)為泥石流發(fā)生條件下出現(xiàn)x_i的概率；S為研究區(qū)評(píng)價(jià)單元總面積；A為研究區(qū)含有泥石流的單元總面積；S_i為研究區(qū)內(nèi)含有評(píng)價(jià)因素x_i的單元面積之和；A_i為分布在因素x_i內(nèi)特定類別內(nèi)的泥石流單元面積之和；

所述公路全線泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法具體如下步驟：①單獨(dú)計(jì)算各因素對(duì)泥石流發(fā)生提供的信息量：②計(jì)算單個(gè)評(píng)價(jià)單元的總信息量；③用總信息量作為判別泥石流發(fā)生的綜合指標(biāo)，其值越大越有利于泥石流的發(fā)生，泥石流危險(xiǎn)度越高；④對(duì)全部單元的信息量值劃分不同危險(xiǎn)等級(jí)，完成泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與分區(qū)。