泥石流流量和容重沿程变化预测方法技术

本发明专利技术提供一种泥石流流量和容重沿程变化预测方法，包括：由物理机制的分布式水文模型划分子流域并计算每个子流域沟坡系统降雨产汇流形成的水动力；基于无限边坡模型或可移动固体物质判别模型，计算水动力作用下可移动固体物质的厚度、储量及其分布；采用容重和流量沿程变化预测模型，计算子流域出口水土动力匹配后形成的水土混合物的容重和流量过程；按子流域的分级次序和拓扑关系，由各子流域容重和流量过程反演计算整个流域出口或者沿程设定断面的容重和流量过程。本发明专利技术排除了传统经验公式中泥石流流量和规模计算的人为经验的主观性和不确定性，可以广泛应用关于泥石流监测预警、防治工程关键参数设计、风险分析等方面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及自然灾害探索
，尤其涉及一种基于水土动力匹配原理的泥石流流量和容重沿程变化预测方法。
技术介绍
泥石流流量和容重是泥石流防治工程和灾害评估的一个重要参数，决定着泥石流的规模，其过程研究历来是泥石流及其工程防治的难点和重点。到目前为止，国内外泥石流学者已着手从多方面进行了研究(崔鹏等.1992；Iverson.1997；Whipple.1992；陈宁生等.2001；唐邦兴等.2000；罗德富,1995)，其基本出发点都是认为泥石流流量是由流域的暴雨洪水流量与携带的固相泥沙叠加而成，而且固相泥沙流量的大小与液相雨洪流量直接相关，综合考虑堵塞系数等特征，以雨洪流量乘上一个与泥石流特征指标有关的修正系数来估计泥石流的流量，即：QC＝(1+φ)×QP×DC(1)φ＝(γC-γW)/(γH-γC)(2)QC为泥石流的洪峰流量(m3/s)；QP为暴雨洪峰流量(m3/s)；φ为泥沙修正系数；γC和γW分别为泥石流和清水容重(t/m3)；γH为泥石流中固体物质比重(t/m3)；DC为泥石流沟道堵塞系数。那么，上述计算方法中清水流量QP是根据水文频率法或者由水文模型计算得到；泥石流容重γC和堵塞系数DC是根据野外调查及沟道堵塞程度而人为设定的经验值，不同的人可能取值不同，人为性是相当大的，其根本原因是没有基于泥石流的物理过程和机制，因此，由上述方法计算的泥石流流量过程及峰值流量也具随意性和经验性，与实际情况差距<br>很大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，基于泥石流的物理过程和机制，提出一种基于水土动力匹配原理的泥石流流量和容重沿程变化预测新方法，为泥石流防治工程关键参数设计等提供一种新的思路和方法。该方法由降雨→产汇流→流域沟坡系统水动力→水土动力匹配→泥石流流量和容重沿程变化过程，物理过程明晰、动力机制耦合。本专利技术可广泛应用关于泥石流监测预警、防治工程关键参数设计、风险分析及管理等等方面。一种泥石流流量和容重沿程变化预测方法，包括以下步骤：步骤一：由物理基础的分布式水文模型划分子流域并计算每个子流域沟坡系统降雨产汇流形成的水动力；步骤二：基于无限边坡模型或可移动固体物质判别模型，计算水动力作用下可移动固体物质的厚度、储量及其分布；步骤三：采用容重和流量沿程变化预测模型，计算子流域出口水土动力匹配后形成的水土混合物的容重和流量过程；步骤四：按子流域的分级次序和拓扑关系，由各子流域容重和流量过程反演计算整个流域出口或者沿程设定断面的容重和流量过程。进一步地，如上所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，步骤二中，所述无限边坡模型中，可移动固体物质的厚度为：式中，c为粘聚力；为内摩擦角；ψ＝ua-uw为土体基质吸力，其中，ua为大气压力；uw为水应力；β为坡度；γt为边坡土体容重；Hs为可动层厚度；可移动固体物质判别模型中的可移动土体临界厚度a的表达式：式中，γw为水容重；θ为表面坡体坡度；γsat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γs为土体颗粒容重；n为孔隙度；d50坡体物质的特征粒径；c、为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦角；H为表面径流深度，a为可移动固体物质的厚度。进一步地，如上所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，步骤三中，子流域出口处水土动力匹配之后t时刻的容重通过如下容重计算模型计算：其中，γ(t)为水土动力匹配后子流域出口t时刻的容重，单位：t/m3；γw为水的容重，单位：t/m3；V水(t)为在t时刻子流域出口总的水体积，单位：m3，γs为松散固体颗粒的容重，单位：2.6t/m3；V土(t)为在t时刻子流域出口可移动固体物质的总体积，单位：m3；hi(t)为子流域i分带的地表径流深，单位：mm；ai(t)为子流域i分带计算的可移动固体物质的厚度，单位：mm；N为子流域分带数目，Si为子流域i分带的面积，单位：m2。进一步地，如上所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，所述V水(t)按下式计算：其中，vi水(t)为t时刻i分带表面径流的体积，单位：m3/s；vi水(t)＝hi(t)·Si(7)其中，hi(t)为t时刻i分带地表径流的深度，单位：mm，Si为i分带的面积，单位：m2；所述V土(t)按下式计算：其中，vi土(t)为t时刻i分带的可移动土体的体积，单位：m3/s，按下式计算：vi土(t)＝ai(t)·Si(9)其中，ai(t)为t时刻i分带的可移动土体厚度，单位：m；Si为i分带的面积，单位：m2。进一步地，如上所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，步骤三中，子流域出口水土动力匹配后形成的流量其沿程变化预测模型为：Q1=H1Δt·S1---(13)]]>Q2=H2Δt·S1+H1Δt·S2---(14)]]>Q3=H3Δt·S1+H2Δt·S2+H1Δt·S3---(15)]]>……QN=HNΔt·S1+HN-1Δt·S2+HN-2Δt·S3+...+H1Δt·SN---(16)]]>其中，Δt为计算时段，单位：s；Si为i带的面积,单位：m2；Hi为i带的水土动力匹配的产流量，单位mm；Q1......QN分别为第1时段Δt……第N时段NΔt的流量，单位：m3/s。进一步地，如上所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，每个带水土动力匹配后的产流量Hi(t)可以用下式表示：Hi(t)＝hi(t)+ai(t)(6)式中，hi(t)为i分带的地表径流深，单位：mm；ai(t)为i分带的可移动固体物质的厚度，单位：mm，Hi(t)为i分带水土动力匹配后的产流量，单位：mm，Hi是时间t的函数，是一个动态变化过程，随着水动力和可移动固体物质厚度的变化而发生变化。与现有方法相比，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术针对现有泥石流流量和规模计算的经验性和人为性问题，基于泥石流的物理过程和机制，提出了一种基于水土动力匹配原理的泥石流流量和容重沿程变化预测新方法，该方法主要在于以物理过程明晰的分布式水文模型为基础，划分子流域并计算子流域沟坡系统降雨产汇流形成的水动力,通过无限边坡模型或可移动固体物质判别模型计算水动力作用下可移动土体的厚度、储量及其分布，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种泥石流流量和容重沿程变化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：由物理基础的分布式水文模型划分子流域并计算每个子流域沟坡系统降雨产汇流形成的水动力；步骤二：基于无限边坡模型或可移动固体物质判别模型，计算水动力作用下可移动固体物质的厚度、储量及其分布；步骤三：采用容重和流量沿程变化预测模型，计算子流域出口水土动力匹配后形成的水土混合物的容重和流量过程；步骤四：按子流域的分级次序和拓扑关系，由各子流域容重和流量过程反演计算整个流域出口或者沿程设定断面的容重和流量过程。

【技术特征摘要】
1.一种泥石流流量和容重沿程变化预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：由物理基础的分布式水文模型划分子流域并计算每个子流域沟坡系统降雨产
汇流形成的水动力；
步骤二：基于无限边坡模型或可移动固体物质判别模型，计算水动力作用下可移动固
体物质的厚度、储量及其分布；
步骤三：采用容重和流量沿程变化预测模型，计算子流域出口水土动力匹配后形成的
水土混合物的容重和流量过程；
步骤四：按子流域的分级次序和拓扑关系，由各子流域容重和流量过程反演计算整个
流域出口或者沿程设定断面的容重和流量过程。
2.根据权利要求1所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，其特征在于，步骤二
中，所述无限边坡模型中，可移动固体物质的厚度为：
式中，c为粘聚力；为内摩擦角；ψ＝ua-uw为土体基质吸力，其中，ua为大气压力；uw为水
应力；β为坡度；γt为边坡土体容重；Hs为可动层厚度；
可移动固体物质判别模型中的可移动土体临界厚度a的表达式：
式中，γw为水容重；θ为表面坡体坡度；γsat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γs为土体
颗粒容重；n为孔隙度；d50坡体物质的特征粒径；c、为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦
角；H为表面径流深度，a为可移动固体物质的厚度。
3.根据权利要求1所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，其特征在于，步骤三
中，子流域出口处水土动力匹配之后t时刻的容重通过如下容重计算模型计算：
其中，γ(t)为水土动力匹配后子流域出口t时刻的容重，单位：t/m3；γw为水的容重，单
位：t/m3；V水(t)为在t时刻子流域出口总的水体积，单位：m3，γs为松散固体颗粒的容重，单
位：2.6t/m3；V土(t)为在t时刻子流域出口可移动固体物质的总体积，单位：m3；hi(t)为子流
域i分带的地表径流深，单位：mm；ai(t)为子流域i分带计算的可移动固体物质的厚度，单
位：mm；N为子流域分带数目，Si为子流域i分带的面积，单位：m2。
4.根据权利要求3所述的泥石流流量和容重沿程变化预测方法，其特征在于，所述V水(t)按下式计算：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王钧，宇岩，欧国强，潘华利，黄光庆，宫清华，黄江成，杨顺，乔成，
申请(专利权)人：广州地理研究所，
类型：发明
国别省市：广东;44