一种多尺度泥石流危险性评价方法技术

本发明专利技术涉及一种多尺度泥石流危险性评价方法，其是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。本发明专利技术构思合理，操作简单，建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。

A multi-scale debris flow risk assessment method

【技术实现步骤摘要】
一种多尺度泥石流危险性评价方法
本专利技术涉及泥石流危险性研究
，具体涉及一种多尺度泥石流危险性评价方法。
技术介绍
早期泥石流危险性研究多从区域范围环境背景出发，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点等方面选取危险性指标，利用数理分析方法，开展泥石流危险度判定、危险性评价与区划工作。如，地质工程师Hollingsworth和Kovacs采用打分方法，提出了泥石流危险度评价框架(Hollingsworth,1981)。随着泥石流模型试验和野外调查的深入研究，在典型流域泥石流成灾过程的基础上，利用数理统计方法，获取单沟泥石流总量、流域扰动面积等特征参数与泥石流堆积范围(堆积长度、宽度、厚度)之间的关系，确定泥石流危害区域，进而实现泥石流危险性评价。90年代以来，数值分析方法与GIS空间分析技术的发展为泥石流危险性评价提供了强有力的工具，通过泥石流动力因子分析完成危险性分区，使危险性评价的空间数据集成更简便、分析速度更快，精度更高，大大促进了该领域快速发展(Dikau,1990)。国内泥石流危险度的研究起源于20世纪80年代，发展迅速，取得了突出的研究成果。80年代中期以谭炳炎提出的泥石流沟的严重程度判别因素量化分析法为典型代表。80年代后期，泥石流沟谷危险度划分更加量化和客观，其中以刘希林建立的单沟及区域泥石流多因子综合评判模型为这一时期的典型代表。90年代以来，将一些适用的数学模型应用到泥石流沟谷危险度的划分中，使得泥石流的沟谷危险度的研究发展到了基本能够精确定量、模型模式化操作。r>但由于缺乏统一的方法标准与应用规范，不同模型与方法在不同的应用环境很难得到普适性的结论。尤其是近年来，全球气候变化和构造与地震活动导致的巨灾风险，对路网建设与道路交通运营影响巨大，是道路泥石流评价研究出现的新的重大科学问题。目前，尚未开展针对大规模泥石流危害公路的灾害复合性和链生性问题、泥石流对沿河公路的灾害叠加效应问题、区域泥石流孕灾条件与综合成灾过程等等开展全面系统的研究，尚未建立一套完整的多尺度泥石流危险性评价方法。为此，针对长大交通干线跨越不同地貌单元，泥石流形成因素复杂多变，通过对泥石流对公路的破坏方式的详细调查，考虑从泥石流成灾过程出发，将典型单沟泥石流勘查、重点路段调查以及全线考察结合起来，以实现对线性交通工程进行危险性的定量分析。泥石流灾害对山区道路交通干线方案的确定具有控制性的影响。尤其是近年来，全球气候变化和构造与地震活动导致的巨灾风险，对路网建设与道路交通运营影响巨大，是道路泥石流评价研究出现的新的重大科学问题。目前，尚未开展针对大规模泥石流危害公路的灾害复合性和链生性问题、泥石流对沿河公路的灾害叠加效应问题、区域泥石流孕灾条件与综合成灾过程等等开展全面系统的研究，尚未建立一套完整的多尺度泥石流危险性评价方法。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出了一种多尺度泥石流危险性评价方法，其构思合理，操作简单，建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。本专利技术的技术方案如下：上述的多尺度泥石流危险性评价方法，是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中：所述评价方法具体包括以下步骤：1)针对单沟泥石流危害公路情况，经过详细勘察，获取泥石流沟流域数据和泥石流体物理参数，结合泥石流流变模型，采用数值分析方法模拟泥石流的运动堆积过程，通过对动力学因子的分析完成泥石流危险性分区；2)对公路沿河路段泥石流危险性分析时，以各条泥石流沟为研究单元，在模型试验和野外调查的基础上，分析泥石流致灾过程，利用数理统计方法，得出单沟泥石流的特征参数与泥石流堆积范围之间的关系，确定泥石流危害区域；3)对于长大交通干线全线范围泥石流，从公路沿线环境背景出发，以野外调查为基础，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点并选取关键指标，构建泥石流危险性评价指标体系与分析模型。3、如权利要求2所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤1)基于动力因子的单沟泥石流危险性评价；所述基于动力因子的单沟泥石流危险性评价是根据公路沿线泥石流的复合成灾特点，基于泥石流运动模拟和洪水淹没分析的泥石流危害公路的定量危险性分析方法：H＝He+Hd+Hi+Hf(5-22)式(5-1)中，H为总危险度；He为由泥石流冲击破坏引起的危险，用泥石流最大动能表示；Hd为由泥石流淤埋引起的危险深度，用泥石流最大淤积深度表示；Hi为泥石流堵江造成的回水淹没危险深度即堰塞湖回水上涨淹没危险深度，用回水淹没深度表示；Hf为泥石流堰塞湖溃决洪水造成的淹没危险深度即泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度，用洪水淹没深度表示；所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度是通过泥石流堆积区二维运动模拟的方法确定；所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和堰塞坝溢流口高度确定；所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和溃决洪水最大流量确定。所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度的确定方法为：流速是确定泥石流冲击作用的关键参数，泥深反映泥石流的淤埋程度；通过泥石流运动模拟，确定泥石流扇形地上流速和流深的时空分布；通过流速的时空分布可以确定泥石流的动量—破坏能力的分布；依据流深的时空分布，可以确定泥石流淤埋深度的空间分布；用泥石流最大流深来表征泥石流的淤积危害，在泥石流运动区域划分计算网格，每个网格(i,j)的泥深由网格内的所有颗粒体积除以网格面积得到，计算公式如下：式(5-2)中，Ni,j等于以点(i,j)为中心的控制格网内的颗粒数，ΔV为颗粒的体积，A是数值模拟采用的网格面积，Hd为泥石流淤埋深度，其值越大，泥石流危险性越大；用泥石流的动能来表征泥石流的冲击破坏能力，采用每个网格在整个泥石流运动过程中的最大动能值，反映每个网格的最大冲击产生的危险性，计算公式如下：式(5-3)中，He为泥石流最大动能指标，u、v分别是x、y方向的速度，h为泥石流泥深，ρ为泥石流密度，A为数值模拟采用的网格的面积。所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度的确定方法为：在溃坝洪水和河流回水淹没范围内，河水淹没深度是反映泥石流对公路危害的关键参数；首先计算泥石流堵江后形成堰塞湖库容，然后通过基于河道DEM的洪水淹没分析方法求得淹没范围和水深分布；对于由堰塞湖引起的间接危害结合该区历史降雨条件，预测在一定降雨条件下该泥石流暴发后堵江的可能性，判断泥石流堵江可能性的判别式如下：CM＝1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于：是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。/n

【技术特征摘要】
1.一种多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于：是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。


2.如权利要求1所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于：所述评价方法具体包括以下步骤：
1)针对单沟泥石流危害公路情况，经过详细勘察，获取泥石流沟流域数据和泥石流体物理参数，结合泥石流流变模型，采用数值分析方法模拟泥石流的运动堆积过程，通过对动力学因子的分析完成泥石流危险性分区；
2)对公路沿河路段泥石流危险性分析时，以各条泥石流沟为研究单元，在模型试验和野外调查的基础上，分析泥石流致灾过程，利用数理统计方法，得出单沟泥石流的特征参数与泥石流堆积范围之间的关系，确定泥石流危害区域；
3)对于长大交通干线全线范围泥石流，从公路沿线环境背景出发，以野外调查为基础，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点并选取关键指标，构建泥石流危险性评价指标体系与分析模型。


3.如权利要求2所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤1)基于动力因子的单沟泥石流危险性评价；所述基于动力因子的单沟泥石流危险性评价是根据公路沿线泥石流的复合成灾特点，基于泥石流运动模拟和洪水淹没分析的泥石流危害公路的定量危险性分析方法：
H＝He+Hd+Hi+Hf(5-1)
式(5-1)中，H为总危险度；He为由泥石流冲击破坏引起的危险，用泥石流最大动能表示；Hd为由泥石流淤埋引起的危险深度，用泥石流最大淤积深度表示；Hi为泥石流堵江造成的回水淹没危险深度即堰塞湖回水上涨淹没危险深度，用回水淹没深度表示；Hf为泥石流堰塞湖溃决洪水造成的淹没危险深度即泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度，用洪水淹没深度表示；
所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度是通过泥石流堆积区二维运动模拟的方法确定；所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和堰塞坝溢流口高度确定；所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和溃决洪水最大流量确定。


4.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度的确定方法为：
流速是确定泥石流冲击作用的关键参数，泥深反映泥石流的淤埋程度；通过泥石流运动模拟，确定泥石流扇形地上流速和流深的时空分布；通过流速的时空分布可以确定泥石流的动量—破坏能力的分布；依据流深的时空分布，可以确定泥石流淤埋深度的空间分布；
用泥石流最大流深来表征泥石流的淤积危害，在泥石流运动区域划分计算网格，每个网格(i,j)的泥深由网格内的所有颗粒体积除以网格面积得到，计算公式如下：



式(5-2)中，Ni,j等于以点(i,j)为中心的控制格网内的颗粒数，ΔV为颗粒的体积，A是数值模拟采用的网格面积，Hd为泥石流淤埋深度，其值越大，泥石流危险性越大；
用泥石流的动能来表征泥石流的冲击破坏能力，采用每个网格在整个泥石流运动过程中的最大动能值，反映每个网格的最大冲击产生的危险性，计算公式如下：



式(5-3)中，He为泥石流最大动能指标，u、v分别是x、y方向的速度，h为泥石流泥深，ρ为泥石流密度，A为数值模拟采用的网格的面积。


5.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度的确定方法为：
在溃坝洪水和河流回水淹没范围内，河水淹没深度是反映泥石流对公路危害的关键参数；首先计算泥石流堵江后形成堰塞湖库容，然后通过基于河道DEM的洪水淹没分析方法求得淹没范围和水深分布；
对于由堰塞湖引起的间接危害结合该区历史降雨条件，预测在一定降雨条件下该泥石流暴发后堵江的可能性，判断泥石流堵江可能性的判别式如下：
CM＝1.189(1-cosθ)2+3.677γc/γM-ln(QMυM/QBυB)≥12.132(5-4)
CF＝0.883(1-cosθ)2+2.587γc/γM-ln(QM/QB)≥8.572(5-5)
式(5-4)和(5-5)中，CM为泥石流堵江的动量判据；CF为泥石流堵江的流量判据；QM、QB为主支沟的单宽流量；υB为支沟泥石流表面最大流速；υM为主沟水流表面最大流速；γc为泥石流容重；γM为主流容重；θ为主支沟夹角；当泥石流与主沟的流速、流量、入汇角和容重满足关系式(5-4)或(5-5)时，即CM≥12.132或CF≥8.572，将发生泥石流堵塞主沟现象；
对于有可能堵河的泥石流沟可以利用数值模拟法和经验公式法计算堵河高度；所述数值模拟法是结合泥石流峰值流量Qp和径流过程，推求给定频率降雨条件下泥石流过程流量的方法，如果能获取泥石流从发生到结束的流动时间，即可利用前述数值分析方法进行数值模拟，计算出堆积厚度的分布，从而确定堵江高度；所述经验公式法首先需要估算泥石流峰值流量Qp，如果知道泥石流流动的时间T，即可利用泥石流径流总量的经验公式计算一次泥石流总量：



式(5-6)中，Qc为一次泥石流总量；T为泥石流持续时间；
进而根据泥石流入汇河道的地形条件，初步估算泥石流堰塞体的高度Hb：
Hb＝2Qc/L(BU+BD)(5-7)
式(5-7)中，L为堵塞体沿泥石流流动方向的长度；BU为堰塞体顶部宽度；BD为堰塞体底部宽度；
因此，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度Hi可简化为危险区的高差计算：
Hi＝(H0+Hb)-Hi,j(5-8)
式(5-8)中，H0为堰塞体底部高程；Hb为堰塞体坝体高度；Hi,j为淹没范围任一计算网格(i,j)的高程；Hi为相应计算网格的淹没深度，其值越大，淹没的危险性越大，当其为0时，为临界危险状态。


6.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度的确定方法为：
所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度Hf的计算分为沿程流量计算和水位计算；土石坝溃决最危险的情况为坝体瞬间溃决，对于堰塞湖溃决后，坝址洪峰流量的计算采用Schoklitsch公式计算：



式(5-9)中，Qmax为坝址最大流量；Bu为坝顶宽度；b为溃口宽度；Hw为溃坝前上游水深；g为重力加速度；
坝址下游沿程各河段控制断面最大流量采用下式(5-10)计算：



式(5-10)中，QLM为距坝址L米的控制断面最大溃坝演进流量；W为水库总库容；QM为坝址最大流量；L为控制断面距坝趾的距离；VK为经验系数，山区河道VK＝7.15，半山区河道VK＝4.76，平原河道VK＝3.13；
利用堰塞体溃决洪水演进模型计算沿程流量和水位，根据公路沿途的高程确定是否受到溃决洪水威胁及其危险程度；距坝址L米的控制断面的淹没面积Af和任一计算网格的泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度Hf分别为：
Af＝n(QLM...

【专利技术属性】
技术研发人员：邹强，崔鹏，
申请(专利权)人：中国科学院，水利部成都山地灾害与环境研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51