一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法技术

本发明专利技术公开了一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，基于水沙动力学原理，通过构建的土地整治工程暴雨洪水安全风险评估模型，可根据常规的气象、水文和流域特性参数如降雨、流域面积、沟道纵比降、土壤粒径等的基础上，预测不同暴雨条件下沟道土地整治工程损毁量，并给出相应的暴雨洪水安全风险定量评价。表达式物理意义明确，计算便捷，精度较高，适用性较广。可广泛应用于黄土高原及世界其他类似地区的沟道土地整治、梯田修筑和淤满淤地坝损毁的规划设计及暴雨洪水安全的风险评估。

【技术实现步骤摘要】
一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法
本专利技术属于沟道土地整治、水土保持及生态环境建设工程
，具体涉及一种世界上上水土流失最严重地区的黄土丘陵沟壑区沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，可用于分析、计算、预测、规划和设计流域沟道梯级土地整治工程暴雨损毁量和前期工程布设。
技术介绍
随着黄土高原“治沟造地”、“削山造城”等土地整治工程的实施，在增加了新造耕地资源的同时，有效地解决了区域水土资源高效利用的问题。但随着土地整治工程实施，流域沟道两岸及沟底形成大量的台地、小微型淤积坝地及高陡边坡，若遇特大暴雨，沟道洪水对沟道土地整治工程的新造土地及小微型淤地坝就可能发生逐级损毁如图1所示，俗称“另存整取”现象。这不但造成严重的土地流失，同时也给区域人民生命安全及社会发展带来严重危害。因此，如何评估暴雨对沟道土地整治损毁的程度和风险就是一个重要问题。土地整治工程实施中，要对多级梯田和小型淤地坝系等工程在暴雨条件下引发实体工程损毁量进行风险评估，关键是对沟道土地整治工程的暴雨损毁量进行预测，但关于土地整治工程暴雨损毁量估算的相关研究目前还鲜有报道。因此，为黄土丘陵沟壑区及世界上类似地区提供沟道土地整治暴雨径流损毁预测及风险评估提供一种新的方法，是亟需解决的课题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，为沟道和流域治理土地整治暴雨损毁量评估提供一种有效方法。为了实现上述任务，本专利技术采取如下的技术解决方案：一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，其特征在于，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示：V＝K·D·W·C(1)式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数；其中：水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：D＝T(imax-ic)(2)式中，imax为设计降雨期间最大雨强，mm/h。该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取。T为评估堤坎大于临界流量历时，h；ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时流量对应的雨强，mm/h。该值由设计降雨期间坝体顶部/或挡墙体顶部表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应临界流量值Qc及相应的雨强值而求得，即为下式(3)：ic＝Qc/F＝UcBH/F(3)式中，Qc为临界流量，m3/s；B为堤坎断面宽度，m；H为临界流速所对应的水深，m；Uc为起动流速，m/s；可选用适合该地区的相应启动流速公式进行计算；流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(4)：式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；J为设计断面主沟道的纵比降值，若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径，m；J’为沟道整地设计断面对应的新造耕地坡降值，若为坡面多级倒坡梯田则该值转换为田埂起动流速对应的临界坡降值；沟道土地水力特征综合因子C中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(5)：式中，n为曼宁系数；D为整治区域泥沙粒径，在此选用中值粒径，m；γs、γ分别为泥沙和水的重率，t/m3；ν为暴雨洪水的运动黏滞系数，m2/s；g为重力加速度，在此取9.8，m/s2；根据上述水毁风险因子D、流域特征因子W、沟道土地水力特征综合因子C中得到的相关数据计算复核无误后，分别代入式(1)中，经综合系数K参数调整后，即可求出在本次暴雨条件下沟道各造地区段工程损毁量；其中，综合系数K：当附近有损毁的梯级整地或多级梯田时，可对公式(1)进行验证取值，若无资料，K值近似取1。根据本专利技术，当控制断面内不产流，则说明安全风险为0，即无暴雨洪水损毁风险；当控制断面流量大于0小于其临界流量，说明存在安全风险；大于临界流量，说明该工程处于不安全状态。当工程损毁量大于0时，可对该土地整治工程的损毁程度进行评估。进一步地，所述工程损毁的形态多为倒锥形体(即漏斗状)。采用冲毁体底部投影面积Fh与造地面积Fz的比值作为水毁程度η＝Fh/Fz，则可给出沟道造地工程不同梯级土地整治工程暴雨洪水的可能损毁程度。本专利技术的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，具有如下特点：①计算方程物理意义明确，理论概化合理。②适用性较广，即在沟道梯级整地和坡面多级整地等工程项目中均可进行暴雨损毁量的估算预测。③计算简单，即计算所需要的各基础参数均可以量测获得；④计算精度较高，依据不同文献对暴雨条件下不同工况现场实测损毁数据与运用本专利技术估测数据进行比对，复核精度较高。其技术创新点在于：1、理论坚实：以暴雨径流能量理论为基础研究，给出了一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，基于水流输移泥沙的能耗原理，构建理论基础坚实、模型物理意义明确、计算方法简单、计算精度较高。2、获取参数容易。可充分利用研究地域水文气象和流域自身特性参数进行计算，获取参数容易，便于随时计算应用。3、应用范围广。可广泛应用于沟道土地整治堤坎或者淤满淤地坝及梯田的规划、设计、风险评估等。4、应用效益巨大。可根据可能暴雨情况，对已建工程进行风险评估，提前预防以有效降低成灾风险。也可对可能的灾后病险工程的维护和翻修量进行预估，优化工程维护措施，节省人力物力投入。在设计规划方面，可根据不同暴雨情况下各类堤坎工程损毁量预测，明确工程规划设计标准，减轻暴雨损毁损失。优化、改善和推动水利水保工程中相关规划、设计、施工及运行管理。附图说明图1是暴雨引发产生沟道土地整治损毁灾害部分实效图，其中，(a)图是暴雨引发流域内淤地坝及梯田遭受破坏图片，(b)图是暴雨引发沟道新造土地损毁图片，(c)图是暴雨引发沟道新造土地坝体损毁图片，(d)图是暴雨引发边坡垮塌图片；(e)图是暴雨引发土地整治工程损毁图片。图2是极端暴雨条件下的多级梯田、农耕地与土地整治损毁实测资料验证图。图3是采用本专利技术的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，在暴雨条件下实体工程案例实施技术路线图；以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的详细说明。具体实施方式本专利技术的设计思路是，基于降雨径流侵蚀输沙的能量转化原理，通过构建包含水毁风险因子(D)、流域特征因子(W)和沟道土地水力特征综合因子(C)及堤坎损毁量的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型及计算表达式，在测设降雨期间气象、水文和流域特性参数如流域面积、沟道纵比降、土壤粒径等的基础上，预测不同暴雨条件下沟道土地整治工程损毁量，并给出相应的暴雨侵蚀灾害风险定量评价。其表达式物理意义明确，计算便捷，精度较高，适用性较广。可广泛应用于黄土高原及其他类似地区的沟道土地整治、梯田修筑和淤满淤地坝损毁的规划设计及暴雨水毁的安全风险评估。本实施例给出一种沟道梯级土地本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，其特征在于，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示：/nV＝K·D·W·C (1)/n式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数；其中：/n水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：/nD＝T(i

【技术特征摘要】
1.一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，其特征在于，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示：
V＝K·D·W·C(1)
式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数；其中：
水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：
D＝T(imax-ic)(2)
式中，imax为设计降雨期间最大雨强，mm/h；该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取；
T为评估堤坎大于临界流量历时，h；
ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时流量对应的雨强，mm/h；该值由设计降雨期间坝体顶部/或挡墙体顶部表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应临界流量值Qc及相应的雨强值而求得，即为下式(3)：
ic＝Qc/F＝UcBH/F(3)
式中，Qc为临界流量，m3/s；B为堤坎断面宽度，m；H为临界流速所对应的水深，m；Uc为起动流速，m/s；可选用适合该地区的相应启动流速公式进行计算；
流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(4)：



式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；J为设计断面主沟道的纵比降值，若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径，m...

【专利技术属性】
技术研发人员：高哲，张根广，高建恩，韩剑桥，李星瑶，康有才，郭子豪，张星辰，李兴华，
申请(专利权)人：西北农林科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61