泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流动力过程数值模拟方法及应用技术

本发明专利技术公开泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流动力过程数值模拟方法及应用。方法从物源起动角度对物源侵蚀过程进行分析，基于分布式水文模型计算坡面汇流过程，将具有时空变异性的坡面汇流合理地分配于沟道之中，以浮力和拖曳力表征固液两相间作用，将来流流体、被侵蚀的沟床物源与坡面汇流合理耦合，建立综合考虑沟床侵蚀效应与坡面汇流效应的泥石流多流体动力学模型，可以实现对泥石流动力过程的数值模拟。方法还包括泥石流沟床侵蚀物源补给测算的优化。本发明专利技术还提供动力过程数值模拟方法在泥石流过程可视化中、在泥石流监测预警中的应用。本发明专利技术方法能够准确还原泥石流动力过程，为进行流域风险评估与防治工程规划设计等提供依据。设计等提供依据。设计等提供依据。

【技术实现步骤摘要】
泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流动力过程数值模拟方法及应用


[0001]本专利技术涉及一种泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流沟床侵蚀物源补给测算方法、泥石流动力数值模拟方法，特别是涉及一种考虑坡面汇流补给与物源侵蚀补给条件的泥石流动力过程的数值模拟方法，属于电数字数据处理技术、运动多相流体测量技术、山地灾害监测与防治


技术介绍

[0002]泥石流是极具破坏力的山区地质灾害类型，其破坏力与其运动过程中的动力变化相关，因而对泥石流动力过程的研究是泥石流防治研究的基础与重点。例如，泥石流是一种形成于坡面或沟谷上的由泥砂、石块和水体组成的固液两相流体，在运动过程中会不断侵蚀沟床物源，同时受到沟道两侧坡面的汇流补充，流体运动状态会不断改变。如果能够根据流域沟道所具备的物源条件确定其在流域极端降雨条件下沟道流体的动力过程，则能够对进行泥石流灾害预测预报和防治工程规划设计提供理论基础。早期对泥石流动力过程的研究主要借助实验手段，关注影响泥石流动力过程的各因素及其作用的探讨。随着计算机处理能力的扩展，通过建立泥石流动力学模型实现对整个动力过程的描述成为重要研究方法。
[0003]泥石流流体动力学模型包括单流体模型与多流体模型两类。多流体模型从泥石流由固液两相物质在山区坡地上或沟道内的相互作用发展而形成的基本认识出发，是在考虑了固液两相动量交换情形后建立的两组分的流体动力学方程组，其中每一组分都有各自的质量、动量和能量守恒方程。相较于单流体模型将泥石流视为一组单组分的流体，因而当泥石流两相速度差显著且存在较强相间相互作用时，会出现研究结果与实验和观测结果偏差很大的缺陷，多流体模型更为合理，也逐渐更受研究者重视。多流体模型的关键问题是处理各组分与环境的相互作用以及多组分间的相互作用，在建模过程中需要处理的实际条件极为复杂，加之目前尚未有比较可靠的泥石流相间作用力的公式，因而整个方程组的封闭和数值计算存在较大的困难。
[0004]申请公布号CN 109657322A的中国专利申请公开了一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法。方法假设多相介质方程中的不同介质充分掺混且单独定义泥石流固相和液相的受力条件；同时引入多种相互作用力的模型，将两相介质通过流体静力学浮力和多种流体动力学力(托曳力、抬升力、虚拟质量力)耦合在一起，较为准确的模拟出固相和液相在运动过程中，因为受力条件不同而出现相对速度效应进而出现因浓度占比时空演变下的不同的流态演变和动力学特征，形成基于固液多相的泥石流动力过程的形成
‑
运动
‑
堆积数值模拟方法，最终建立固相颗粒及液相浆体的质量方程与泥石流固液两相动量守恒方程。方法的缺陷在于仅考虑了组分间相互作用力，但没有考虑泥石流作为复杂环境中的多相组分流体在运动过程发生的两种效应：其一是坡面汇流效应。泥石流往往是与大规模降雨过程同时发生的，降至地表的雨水会根据地形条件以坡面汇流的形式从不同沟道段汇入
泥石流体作为水源补给不断改变泥石流组分特征，从而改变泥石流运动学特征；其二是泥石流中含有固体组成会不断与沟床摩擦产生侵蚀作用裹挟沟床固体物质成为固体物质补给加入泥石流体，同样不断改变泥石流组分特征并改变泥石流运动学特征。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于泥石流多流体模型实现的泥石流动力过程数值模拟方法及其应用，该方法能够考虑泥石流流体运动过程中侵蚀与汇流两类主要效应的影响。
[0006]为实现上述目的，本专利技术首先提供一种泥石流降雨汇流水源补给测算方法，其技术方案如下：
[0007]一种泥石流降雨汇流水源补给测算方法，用于测算一场降雨中泥石流沟道周围坡面汇流向泥石流的水源补给过程，其特征在于：依如下步骤实施：
[0008]步骤SA1、现场调查
[0009]获取泥石流沟道基本数据，划定沟道的坡面汇流区，
[0010]步骤SA2、建立坡面
‑
沟道耦合关系
[0011]根据坡面汇流区的坡度与汇流坡面特征沿沟道方向将坡面汇流区划分为多个坡面汇流分区，每一坡面汇流分区对应一沟道分段；
[0012]步骤SA3、测算每一坡面汇流分区的泥石流降雨水源补给过程
[0013]获取降雨基本数据，将每一整场降雨划分净雨时段，依式1～式5计算每一净雨时段的洪峰流量q
p
、峰现时间t
p
、退水时间t
r
，
[0014][0015][0016][0017][0018][0019]式中，q
p
‑
净雨时段的洪峰流量，单位m3/s，
[0020]A
‑
坡面汇流分区汇水区面积，单位km2，基本调查数据确定，
[0021]t
p
‑
净雨时段的峰现时间，单位h，
[0022]Q
‑
净雨时段的净雨量，单位mm，
[0023]l
‑
坡面汇流分区汇流长度，单位m，基本调查数据确定，
[0024]y
‑
坡面汇流分区坡度百分数，％，基本调查数据确定，
[0025]I
‑
净雨时段总降雨量，单位mm，基本调查数据确定，
[0026]S
‑
坡面汇流分区在净雨时段的降雨最大可能滞留量，单位mm，
[0027]CN
‑
降雨前流域特征综合参数，依现有技术确定，
[0028]t
r
‑
净雨时段的退水时间，单位h；
[0029]将每一净雨时段的洪峰流量q
p
、峰现时间t
p
、退水时间t
r
进行线性插值，建立净雨时段的泥石流水源补给过程，再将一整场降雨的所有净雨时段的水源补给过程叠加，建立每一坡面汇流分区整场降雨的水源补充过程，得到各坡面汇流分区对应的泥石流沟道分段在整场降雨过程中随时间、空间变化的汇流分区补充函数q
′
s
；
[0030]步骤SA4、测算一场降雨中泥石流沟道的水源汇流补充函数Q
s
[0031]根据汇流分区补充函数q
′
s
与坡面
‑
沟道耦合关系测算一场降雨中泥石流沟道的水源补给过程，得到沟道汇流补充量函数Q
s
。
[0032]上述泥石流降雨汇流水源补给测算方法能够解决一场降雨中泥石流沟道因周围坡面汇流效应而向泥石流提供的水源补给过程的测算问题，其技术原理在于将坡面汇流效应视为一个动态时空过程。其中，时间过程体现为降雨过程以及一整场降雨过程中不同时段的变化，空间过程体现为流域不同汇流坡面的水流沿汇流方向从不同点进入沟道形成水源补给对泥石流流体组成及运动过程有不同影响。为处理时间过程，上述测算方法采用净雨时段指标分解整场降雨的雨量变化。为处理空间过程，上述测算方法根据地形条件建立坡面
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.泥石流降雨汇流水源补给测算方法，测算一场降雨中泥石流沟道周围坡面汇流向泥石流的水源补给过程，其特征在于：依如下步骤实施：步骤SA1、现场调查获取泥石流沟道基本数据，划定沟道的坡面汇流区；步骤SA2、建立坡面
‑
沟道耦合关系根据坡面汇流区的坡度与汇流坡面特征沿沟道方向将坡面汇流区划分为多个坡面汇流分区，每一坡面汇流分区对应一沟道分段；步骤SA3、测算每一坡面汇流分区的泥石流降雨水源补给过程获取降雨基本数据，将每一整场降雨划分净雨时段，依式1～式5计算每一净雨时段的洪峰流量q
p
、峰现时间t
p
、退水时间t
r
，，，，，式中，q
p
—净雨时段的洪峰流量，单位m3/s，A—坡面汇流分区汇水区面积，单位km2，基本调查数据确定，t
p
—净雨时段的峰现时间，单位h，Q—净雨时段的净雨量，单位mm，l—坡面汇流分区汇流长度，单位m，基本调查数据确定，y—坡面汇流分区坡度百分数，％，基本调查数据确定，I—净雨时段总降雨量，单位mm，基本调查数据确定，S—坡面汇流分区在净雨时段的降雨最大可能滞留量，单位mm，CN—降雨前流域特征综合参数，依现有技术确定，t
r
—净雨时段的退水时间，单位h；将每一净雨时段的洪峰流量q
p
、峰现时间t
p
、退水时间t
r
进行线性插值，建立净雨时段的泥石流水源补给过程，再将一整场降雨的所有净雨时段的水源补给过程叠加，建立每一坡面汇流分区整场降雨的水源补充过程，得到各坡面汇流分区对应的泥石流沟道分段在整场降雨过程中随时间、空间变化的汇流分区补充函数q
′
s
；步骤SA4、测算一场降雨中泥石流沟道的水源汇流补充函数Q
s
根据汇流分区补充函数q
′
s
与坡面
‑
沟道耦合关系测算一场降雨中泥石流沟道的水源补给过程，得到沟道汇流补充量函数Q
s
。2.利用权利要求1所述的泥石流降雨汇流水源补给测算方法实现的泥石流动力过程数
值模拟方法，其特征在于：依如下步骤实施：步骤S1、现场调查获取基本调查数据，包括泥石流沟道基本数据、降雨基本数据，步骤S2、建立泥石流多流体动力学模型以式8、式9分别表达泥石流中固体颗粒、液相浆体的质量守恒，以式8、式9分别表达泥石流中固体颗粒、液相浆体的质量守恒，式中，t—时间，单位s，x,y—笛卡尔坐标，单位m，h—混合流体断面上平均流深，单位m，基本调查数据确定，—物源中固相颗粒体积浓度，无单位，基本调查数据确定，(u
s
,v
s
,w
s
)—物源中固相颗粒沿x、y、z方向的速度分量，单位m/s，i—单位底面积物源被侵蚀的平均速率，单位％，依现有技术确定，—物源中固体颗粒的平均体积浓度，无单位，基本调查数据确定，(u
f
,v
f

【专利技术属性】
技术研发人员：潘华利，李炳志，欧国强，孔玲，蒋婷婷，艾一帆，吕娟，李丽亚，
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：