[發明專利]一種基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理方法

有效

• 申請號: 201911193657.3
• 申請日: 2019-11-28
• 公開（公告）號: CN110955998B
• 公開（公告）日: 2023-04-25
• 發明（設計）人: 史嘯;王永巖;秦楠
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京匯捷知識產權代理事務所(普通合伙) 11531
• 代理人: 馬金華

1.一種基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理方法，其特征在于，所述基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理方法包括以下步驟：

第一步，通過現場觀測獲得地形數據，建立數值標高模型；

第二步，采用有限差分法求解泥石流的連續方程和運動方程，利用地球信息系統GIS中的數字高程模型DEM，自動生成地形變量，利用數字高程模型中的柵格網作為有限差分的網格；利用野外試驗或實際工程，驗證模型和進行參數調整；

第三步，使用基于DEM柵格網的有限差分公式可以實現數值解；

所述第二步泥石流是均勻連續、不可壓縮、非定常的流體，流動遵循下列方程，其連續性方程為：

運動方程為：

其中p為水壓力，g為重力加速度，u，v和w分別為x，y，z方向的平均流速，ρ_d是泥石流的平均密度；ρ_d＝ρ_sν_s+ρ_wν_w，其中ρ_s和ρ_w分別是固體顆粒和水的密度，ν_s和ν_w分別是混合物中固體顆粒和水的體積濃度；

根據淺水流運動原理，u,vw，方程簡化為：

p＝ρ_dg(η-η_b)；

其中η是流體上表面的標高，η_b是流體底面的標高；

流體底面的運動邊界條件寫為：

流體上表面的邊界條件寫為：

得到泥石流的連續方程為：

其中h為泥石流流深，和分別為x和y方向的平均流速；

對方程進行深度上的積分，得到：

最終形式的深度積分運動方程為：

其中α為速度修正系數，提供了有關垂直速度分布與均勻性偏差的信息，β為垂直正應力的比值，H為自由面的高度，ν＝μ/ρ為運動粘度系數，μ是粘度，θ_x和θ_y分別是地形沿x和y方向的傾斜角度，為動摩擦系數，t是流動時間，以及不同泥石流試驗或實例中密度ρ；

所述第三步使用基于DEM柵格網的有限差分公式可以實現數值解，控制方程的有限差分形式為：

x方向的有限差分形式為：

賓漢啟動條件：

賓漢流體在沒有達到一定切應力(τ₀)之前不會由任何剪切速率；描述賓漢流體需要兩個參數：屈服應力τ₀和粘度μ：

流體當達到：

ττ₀；

時開始流動，對于層流，根據粘性流體的牛頓法則，水平方向的切應力：

對上述方程在深度方向上積分，得到：

該流動是與水平成θ角的平面上穩定均勻的賓漢流動；屈服應力為：

τ₀＝ρg?sinθ；

對上述方程在深度方向上積分，得到：

其中h＝h(x,y,t)＝η-η_b是流體的深度；

賓漢流體從靜止開始運動，啟動條件為：

對上述啟動條件進行有限差分，得到：

2.如權利要求1所述的基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理方法，其特征在于，所述第三步在基于DEM柵格網的分析中，每個像元都有左、右、上、下以及四個對角線八個流動方向。

3.一種實施權利要求1～2任意一項所述基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理方法的基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理系統，其特征在于，所述基于GIS的大范圍泥石流數值模擬及數值處理系統包括：

參數調整模塊，用于通過現場觀測獲得地形數據，建立數值標高模型；

地形變量生成模塊，用于采用有限差分法求解泥石流的連續方程和運動方程，利用地球信息系統GIS中的數字高程模型DEM，自動生成地形變量，利用數字高程模型中的柵格網作為有限差分的網格；

數值解獲取模塊，用于使用基于DEM柵格網的有限差分公式可以實現數值解。