一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法技术

本发明专利技术公开了一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法，包括以下步骤：S1：山区高时空降雨预报；S2：水动力过程及数值模拟：建立水动力过程模型，并对水动力过程模型进行求解；S3：山洪泥石流灾害运动模型及数值模拟；S4：小流域灾害风险分析与险情预报。本发明专利技术根据气候预报结果驱动的灾害全过程情景模拟，实现灾害危害性预测和风险损失动态定量评估，把目前的灾害等级预报提升到险情预报，服务精准防灾和精准救援。精准救援。精准救援。

【技术实现步骤摘要】
一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法


[0001]本专利技术涉及山地灾害数值预报研究
，具体的说，涉及一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法。

技术介绍

[0002]极端天气气候导致山区灾害多发、频发，造成灾害直接经济损失持续增加，气候变化加剧使巨灾风险呈增大趋势且预测难度大，是当前防灾减灾面临的重大科技问题之一。现有技术中，主要存在以下缺陷：1. 当前典型单一灾害形成机理和演化相对成熟，然而极端天气气候条件下，山区复杂地形及人类活动影响下的灾害成灾机理和动力过程机制的认识仍有有待深入。
[0003]目前，国内外大量的研究集中在特定环境下滑坡、洪水、泥石流等单一灾害形成机理和影响分析，基于此已经建立了较为完善的区域尺度的山地单要素风险评估方法。山区地质构造活跃、地形高差悬殊、水汽交换强烈、气候空间分异明显，活跃的新构造运动使得高山区地质环境极为脆弱，为山洪泥石流形成提供了充足的物质条件；高落差、大坡降的地形为灾害发育提供了巨大的能量条件，使山洪泥石流常常以大规模和高速运动的形式暴发。同时，国内外针对极端气候的短期预测刚刚起步，缺乏成熟理论和有效技术，由于缺乏山地地区极端气候变异规律和机制的系统研究，造成其短期气候预测准确率低；由于对暴雨形成机理认识不足，加之复杂的地形和下垫面特征，造成山地极端暴雨事件预报水平显著低。因此，考虑极端天气暴雨条件下，山地复杂环境下致灾机理和动力学过程机理是当前国际学术界关注的热点问题和难点问题。一方面需要确定区域山地水文、生态、岩土等环境条件对气候变化的响应规律，确定极端天气气候作用下山地小流域水文过程；另一方面需要破解小流域局地降雨激发条件下岩土
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水文
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生态复杂耦合机制、灾害运动演进过程与危险性定量预测难题，科学认识灾害与承灾体动力相互作用机制、突破承灾体物理易损性定量评价难题。为此，需要深入开展山地水文、生态、岩土等多因素耦合的致灾过程与机理研究，厘清不同起动模式下山洪泥石流灾害临界降雨条件的时空变化规律，为基于动力学山地小流域灾害数值预报和风险评估提供理论基础。
[0004]2. 对山地小流域灾害起动
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运动
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堆积全过程描述的物理模型和计算平台的不足，限制了小流域灾害定量风险评估和数值预报。
[0005]山区垂直落差大，地形地貌复杂，受山地下垫面复杂环境条件控制，山地小流域灾害起动
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运动
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堆积和成灾过程涉及复杂水
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土
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生耦合过程，构建合适的数学物理模型描述其动力学过程是建立灾害风险定量评估的基础。当前，山地小流域在山地灾害危险性评价方面，国内外学者逐步从基于统计的定性评价向基于动力演化的定量评价发展；易损性评价逐步从基于社会、经济、人口等经济指标的定性评价向基于承灾体结构损伤的物理易损性评价发展。在动力学模型和数值方法领域，国际上多个知名研究团队根据依托长期研究和算法模型研发计算程序和求解方法，开展基于动力学的灾害动力过程和演进数值模拟研究，推进了山地灾害运动模拟的能力，如美国的FLO
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2D软件，瑞士的RAMMS软件及奥地利的
Massmove 2D 软件和国内的Massflow等，都能对已发生的灾害进行较好的模拟和再现。这些模拟方法和计算程序在一定程度上实现了对已经发生泥石流情景的反演，但都还不能很好真正模拟（正演）山地灾害的运动过程，制约基于动力过程的地质灾害数值模拟有效的事先预测和评估灾害动力过程和风险的主要瓶颈在于选择合适的物理模型和物理力学参数确定，以及数值计算中如何适应复杂的地形地貌条件、山地降雨预报、水土耦合、沟床侵蚀关键难点上。
[0006]因此，结合山地小流域精细化天气预报系统，利用复杂山区小流域在降雨条件下产汇流过程，构建山地灾害起动—运动—致灾全过程物理模型，建立山地小流域灾害山洪、泥石流灾害全过程动力演进过程数值模拟和定量风险评估方法，实现灾害动力演进定量描述和风险评估，为山区小流域减灾防灾提供关键技术和科技支撑，以保障山区发展安全和美丽中国建设。
[0007]3.山地单要素风险评估方法相对成熟，但缺乏针对水
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土
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生耦合过程致灾机理的综合研究，制约着综合风险认识和定量评估的技术突破，亟需开展跨尺度多因素耦合作用下山地风险定量评估与制图研究。
[0008]目前，国内外大量的研究集中在气候变化对山地生态、水文、灾害等影响，已经建立了较为完善的区域尺度的山地单要素风险评估方法。在山地单要素危险性评价方面，国内外学者逐步从基于统计的定性评价向基于动力演化的定量评价发展；易损性评价逐步从基于社会、经济、人口等经济指标的定性评价向基于承灾体结构损伤的物理易损性评价发展。而山地的生态系统、水循环过程、灾害过程在气候变化下呈现出突发性和间歇性并存的动态过程。山地生态
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水文
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岩土过程的微观机理与致灾影响研究较少，山地风险评价指标体系多是地形、地质、土壤、多年降雨等背景环境因子，现有的山地风险评价指标只能体现一种长周期下的稳态和静态指标，不能反映气候变化下山地风险的发展趋势和变化过程，严重制约山地风险认识与定量评估的理论与技术突破。山地风险定量评价是国际学术界关注的热点问题和难点问题。一方面需要确定区域山地水文、生态、岩土等环境条件对气候变化的响应规律，确定极端气候作用下山地生态功能与水文系统的失衡条件；另一方面需要破解小流域局地降雨激发条件下岩土
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水文
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生态复杂耦合机制、灾害运动演进过程与危险性定量预测难题，科学认识灾害与承灾体动力相互作用机制、突破承灾体物理易损性定量评价难题。为此，需要深入开展山地水文、生态、岩土等多因素耦合的致灾过程与机理研究，建立不同时空尺度山地风险综合评估模型及险情预报技术方法，为山地风险绿色调控提供关键科学数据与决策依据。

技术实现思路

[0009]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供了一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法。
[0010]本专利技术的具体技术方案如下：一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法，包括以下步骤：S1：山区高时空降雨预报：通过双线性插值方法将空间分辨率为9KM的预报数据插值至，再依据地形建立物理量与高程的经验关系，描述地形对降水的影响作用；S2：水动力过程及数值模拟：建立水动力过程模型，并对水动力过程模型进行求
(x2,y1)、 (x2,y2)的点位。
[0012]进一步，所述步骤S2中，建立水动力过程模型包括以下步骤：基于Navier
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Stokes方程深度积分简化并忽略动量方程中的对流项后得到扩散波模型，定量计算小流域水动力学过程，在扩散波模型基础上引入Aston植被降雨截留模型和Green
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Ampt坡面饱和入渗模型，建立水动力过程模型，模拟从降雨开始到植被截留、坡面入渗，再到径流的产生和运动整个物理事件。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种山地灾害全过程数值模拟与险情预报方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：山区高时空降雨预报：通过双线性插值方法将空间分辨率为9KM的预报数据插值至，再依据地形建立物理量与高程的经验关系，描述地形对降水的影响作用；S2：水动力过程及数值模拟：建立水动力过程模型，并对水动力过程模型进行求解；S3：山洪泥石流灾害运动模型及数值模拟：降雨诱发的泥石流的相平均的深度平均连续介质方程表示为：其中，t代表时间，x和y是水平坐标，h代表流体深度，u和v分别是流体深度平均速度沿着x方向和y方向的速度分量，c是深度平均的固相浓度，g是重力加速度，R是经过植被截流后折减的降雨强度，I是入渗速率，是基底高程，是固液混合物的密度，，和分别是固相和液相的浓度，是饱和基底的密度，，是基底材料的孔隙率，和分别是沿着x方向和y方向的基底阻力，E为基底的侵蚀速率；S4：小流域灾害风险分析与险情预报：计算灾害综合致灾危险度：根据山地灾害的冲击和淤埋的复合危害特点，确定灾害综合致灾危险度；易损性分析：根据承灾体价值及其脆弱性指数计算承灾体的易损度；计算灾害的风险度：基于数值模拟结果，确定灾害风险，所述灾害风险为灾害综合危险性、承灾体易损性及其暴露性的综合函数。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，双线性插值方法包括以下步骤：计算在点的属性值，在x方向进行线性插值，得到的属性值，在x方向进行线性插值，得到然后在y方向进行线性插值，得到
进而得到所要的结果：式中，表示在某点处所对应的属性值，Q
11
、Q
12
、Q
21
、Q
22
表示在(x1,y1)、 (x1,y2)、 (x2,y1)、 (x2,y2)的点位。3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，建立水动力过程模型包括以下步骤：基于Navier
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Stokes方程深度积分简化并忽略动量方程中的对流项后得到扩散波模型，定量计算小流域水动力学过程，在扩散波模型基础上引入Aston植被降雨截留模型和Green
‑
Ampt坡面饱和入渗模型，建立水动力过程模型，模拟从降雨开始到植被截留、坡面入渗，再到径流的产生和运动整个物理事件。4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，所述水动...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔鹏，邹强，欧阳朝军，
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：