CN102103787B - 一种泥石流预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥石流预警方法。针对现有技术中无法解决缺乏基础数据资料地区泥石流预警系统的预警雨量阈值计算确定的技术问题，本发明提供了一种可以适用于缺乏基础数据资料地区泥石流预警的方法。本方法将雨量监测站点布置在泥石流流域的合理地点；以雨量监测站点降雨量数据的1hr雨强值与前期影响雨量值之和作为预警雨量阈值；再基于泥石流起动机理，利用泥石流预警区的降雨、水文特征、流域内地形、松散固体物质等数据计算确定各站点的预警雨量阈值，并将各阈值预置在预警系统中，通过实时雨量数据与阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，实施设备简单、安装方便，能够普遍适用于各类泥石流发生地区泥石流预警的需要。

Description

一种泥石流预警方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流预警方法，特别是涉及一种通过对引发泥石流的降雨量阈值的预置与监测而实现的泥石流预警方法，属于水利工程领域。 

背景技术

泥石流是一种由分选性很差的岩石、泥土、大量的水以及少量气体所构成的流体沿着斜坡和沟谷向下流动的自然现象，其中最为常见的泥石流类型是由降雨触发的泥石流，称为暴雨泥石流。对于暴雨型泥石流而言，泥石流沟流域内的降雨量与降雨强度的大小是泥石流激发的决定性因素。当流域内降雨条件达到或超过某一量级的雨量与强度时，该流域形成暴雨泥石流，这时的降雨量与降雨强度称为该条泥石流沟的雨量阈值。因此，雨量阈值是暴雨型泥石流预报非常重要的报警指标，合理的雨量阈值指标是保障泥石流预警报准确性的关键。 

目前，国内外利用降雨量与降雨强度作为泥石流雨量阈值的通行方法是：通过对预警区实际的降雨和泥石流灾害资料进行统计分析，分别计算出泥石流发生时的前期有效降雨量与特征雨量的临界值，以临界值作为泥石流预警的雨量阈值。应用该方法对预警区的数据资料要求较高，需要预警区有较丰富的、长期的雨量序列资料与灾害资料，特别是需要有短历时降雨量(1hr降雨量， 30min降雨量，或10min降雨量等)历史数据才能分别计算确定泥石流发生时的前期有效降雨量与特征雨量的临界值，由此才能绘制出雨量阈值曲线。因此这种通行的做法只能适用于具有长期观测历史的地区。但在实际中，绝大多数的泥石流流域没有长期的监测系统，非常缺乏降雨与灾害资料的长期观测数据。因而对这类地区泥石流发生的预警工作由于缺乏基础数据而无法适用通行的方法，其泥石流预警的雨量阈值计算确定问题也一直没有可以适用的方法。 

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供根据泥石流预警区的降雨和水文特征及泥石流流域内地形、松散固体物质等数据资料，计算确定泥石流预警雨量阈值的泥石流预警方法，该方法能够实现对灾害与雨量资料缺乏地区的泥石流发生的预警。 

为实现上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种泥石流预警方法，通过在泥石流预警系统中预置预警雨量阈值，并将实时雨量数据与预警雨量阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报来实现，其特征在于：所述预警雨量阈值是雨量监测站点降雨量数据的I₆₀+P_a值，其中I₆₀为1hr雨强，P_a为前期影响雨量。 

上述方法是一种基于水力类泥石流起动机理计算确定预警区泥石流预警雨量阈值的方法，其关键技术在于对预警雨量阈值的选定。预警雨量阈值确定的基本原理在于：由于暴雨泥石流的暴发与雨季发生时间相同，因此在进行泥石流预报时，泥石流产汇流方式可认为符合“蓄满产流”原理。根据“蓄满产流” 原理，泥石流水量平衡方程表达式则为R＝P-U＝P-(I_m-P_a)，式中R为总径流深(mm)；P为一次降雨量(mm)；P_a为前期影响雨量(mm)；I_m为降雨结束时流域达到的最大蓄水量(mm，对一特定流域，I_m为常数)；U为一次降雨的损失量(mm)。本发明以小时雨量为特征雨量进行泥石流预警，则R＝P-U＝P-(I_m-P_a)式中的一次降雨量P换为小时雨量I₆₀，该式可以改写得到公式1： 

I₆₀+P_a＝R+I_m    公式1 

由公式1可知，由于对一特定流域，I_m为常数。所以，只要计算出径流深R，I₆₀+P_a为一定值。也即是说，当流域的I₆₀+P_a达到R+I_m时，就表明该流域即将发生泥石流。本发明即以I₆₀+P_a值作为对预警区泥石流灾害预警的雨量阈值。在实际工程计算中，公式1中使用到的各项参数都是整个流域的平均值，因此通过公式1计算得出的也是该流域I₆₀+P_a的平均值，可以表示为 

，则公式1改写得到公式2： 

$\stackrel{\‾}{I_{60}+P_a}=R+I_m$ 公式2 

式中， 

——流域平均雨量阈值(mm)。 

基于上述原理，本发明在预警区内，尤其是在泥石流形成区布设至少一个雨量监测站点获取预警区降雨的实时观测资料，并依经验公式计算确定预警区泥石流流域总径流深R，则能依据公式1计算确定预警区内泥石流灾害的流域平均雨量阈值。计算所得的流域平均雨量阈值可以依据预警区的地形数据与建立的预警区特征雨量与海拔变化关系式(即公式3)换算得出各雨量监测站点对应的预警雨量阈值。 

H＝A×I^a        公式3 

式中，H——海拔(m)； 

I——特征降雨量(mm)； 

A——系数； 

a——指数。 

为了使预警雨量阈值的计算更准确，本方法可以做如下优化：(1)对预警区雨量监测站点的布置位置加以优化；(2)在预警区有至少一次泥石流历史资料数据记录的情况下，可以根据预警区历史资料数据计算出预警区泥石流灾害预警的雨量阈值的I_60历值与P_a历值，并将该计算值与基于水力类泥石流起动机理计算法所得雨量阈值加以比对与综合分析。 

与现有技术相比，本发明的有益效果是：方法能够解决大多数泥石流发生地区由于缺乏长期观测数据而无法通过分别计算确定前期有效降雨量与特征雨量的临界值来确定泥石流沟流域内预警雨量阈值的技术问题，为该类地区通过预置降雨量阈值、监测降雨过程的方法进行泥石流预警提供了有效的技术手段。 

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。 

实施例一 

如图1所示，用本发明方法对宁南县史家沟进行泥石流预警。 

宁南县位于四川省凉山彝族自治州东南部，地处北纬26°50′12″～27°18′34″，东经102°27′44″～102°55′09″。县城坐落在泥石流堆积扇群上部，西北、东北、东南三面环山而开口向西南。史家沟位于县城正后方，沟 内堆积了大量的松散固体物质，遇到一定强度的降雨极易引发泥石流，对县城安全构成严重威胁。 

对史家沟(预警区)进行泥石流预警按照如下方案实施—— 

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置 

步骤S11、一般流域调查 

对史家沟进行一般流域调查，通过现场对地形的考察(必要时结合地形图)确定如下数据资料： 

通过调查测量确定：流域面积A、流域最大高差ΔH、形成区界限、流通区界限；根据调查测量数据依常规方法计算确定：主沟平均纵坡降、形成区面积、清水区面积、流通区面积、土壤颗粒组成。 

步骤S12、泥石流预警系统布置安装 

步骤S121、预警系统雨量监测站点布置 

在史家沟内布置预警系统雨量监测站点，监测站点布置方法为：(1)所有监测站点均布置在史家沟泥石流沟流域范围内；(2)泥石流沟的形成区内布设监测站点；(3)重要集雨区布设监测站点；(4)泥石流沟口布置监测站点。 

本实施例中史家沟内雨量监测站点分别布置在流域内水井湾、官村子、预警站3个地点。 

步骤S122、泥石流预警系统安装 

泥石流预警系统主要由控制中心与分布在预警区内的雨量监测站点组成。各雨量监测站点获取雨量观测值并实时传输到控制中心，由控制中心根据各雨量监测站点的实时雨量数据与预置的预警雨量阈值比对的结果判断是否启动泥 石流灾害预警报。 

步骤S2、确定泥石流预警系统预置预警雨量阈值I₆₀+P_a

步骤S21、起动法计算确定预警区流域平均雨量阈值 

采用泥石流起动机理计算预警区流域平均雨量阈值 

。 

步骤S211、计算预警区泥石流启动临界水深h₀

依如下高桥保经验公式计算史家沟泥石流启动临界水深h₀

$h_0=[\frac{C_{*}(\mathrm{\σ}-\mathrm{\ρ})\mathrm{tg\φ}}{\mathrm{\ρtg\θ}}-\frac{C_{*}(\mathrm{\σ}-\mathrm{\ρ})}{\mathrm{\ρ}}-1]d_m$ 公式4 

式中，h₀——泥石流启动临界水深(mm)； 

C_*——堆积体的体积浓度，依常规方法测定；本实施例中C_*＝0.812； 

σ——沙砾密度(r/m³)，依常规方法测定；本实施例中σ＝2.65； 

ρ——水密度(t/m³)； 

θ——沟床坡度(°)，依常规方法调查测定； 

φ——内摩擦角(°)，依公式5计算确定； 

d_m——沙砾平均粒径(mm)，依公式6计算确定。 

φ＝1.2732d₅₀+19.807公式5 

$d_m=\frac{d_{16}+d_{50}+d_{84}}{3}$ 公式6 

式中，d₅₀、d₁₆、d₈₄——沙砾粒径(mm)，依常规方法测定计算确定。 

步骤S212、计算预警区总径流深R 

依流域总径流深公式(公式7)、泥石流流量公式(公式8)计算史家沟总径流深R。 

$R=\frac{3.6\mathrm{\ΣQ}\·\mathrm{\Δt}}{1000F}$ 公式7 

式中，R——流域总径流深(mm)； 

F——流域面积(m)，由步骤S11确定； 

Q——流域的平均流量(m³/s)，依公式8计算确定； 

Δt——时间段，根据实际条件设定，本实施例中Δt＝1hr。 

Q＝B·V·h₀         公式8 

式中，Q——流域的平均流量(m³/s)； 

B——泥石流沟道计算断面平均宽度(m)，由步骤S11确定； 

V——泥石流平均流速(m/s)，依常规方法调查测定； 

h0——启泥石流启动临界水深(m)，由步骤S211确定。 

步骤S213、确定预警区流域平均雨量阈值 

依公式2计算史家沟流域平均雨量阈值 。式中，R由步骤S212确定，I_m查阅流域水文手册确定。史家沟流域平均雨量阈值 

计算表如下： 

表1史家沟流域平均雨量阈值 

计算表 

步骤S22、确定预警区各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a

步骤S221、预警区降雨特征分析 

由于预警区雨量资料缺乏，尤其是短历时降雨资料(如1hr降雨量，10min雨量等)更为缺乏，无法得到短历时降雨量与海拔的变化关系，因此本实施例中选取日降雨量为计算所需的特征雨量。根据史家沟及其临近区域雨量站的地 理位置与特征降雨量分析得到史家沟特征雨量与海拔变化关系表达式如下： 

H＝1.842·I¹⁵⁵⁰公式9 

式中，H——海拔(m)，由实际测量得到； 

I——特征雨量(mm)，由实测降雨资料得到。 

步骤S222、计算预警区各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a

根据步骤S21所得流域平均雨量阈值 

、步骤S11调查计算所得形成区面积、汇流区面积数据依公式3、10计算确定各监测站点预警雨量阈值，计算结果如表2。 

公式10 

表2史家沟各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a计算表 

	海拔(m)	形成区面积(km2)	清水区面积(km2)	I60+Pa(mm)
					水井湾	2140	1.077	0.562	95.76
官村子	1670	1.077	0.562	81.60
					预警站	1230	1.077	0.562	67.00

步骤S3、泥石流预警系统设置 

依照步骤S2计算结果，将各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a预先设置到泥石流预警系统。 

实施例二 

如图2所示，用本发明方法对宁南县史家沟进行泥石流预警，其与实施例一相同之处不再重复，其不同之处在于步骤S222中增加利用预警区历史灾害资料修正预警区各监测站点预警雨量阈值计算值的内容，具体为： 

步骤S222、计算预警区各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a

首先根据步骤S21计算所得流域平均雨量阈值 

步骤S11调查计算所得形成区面积、汇流区面积数据依公式3、10计算确定各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a，再根据预警区的泥石流灾害记录资料数据分析得到该次（或几次）泥石流发生时的各站点对应的I_60历值与P_a历值，再将结果用于验正或修正对应站点的I₆₀+P_a。 

在史家沟的历史资料中记录有2001年6月29日发生的一次泥石流灾害的相关数据。本实施例中根据该次泥石流数据资料分析计算出泥石流发生时各监测站点的I_60历值与P_a历值，再与步骤S222中依式计算结果综合分析确定泥石流预警区各对应监测站点的I₆₀+P_a计算值。具体方法可以是：首先将步骤S222中依式计算值绘制在预警区各监测站点雨量阈值预报图上，预报图横坐标为I₆₀，纵坐标为P_a，I₆₀+P_a值即为一条阈值曲线；其次将根据史家沟泥石流历史数据资料分析计算各监测站点的I_60历值与P_a历值；然后将I_60历值与P_a历值点汇在预报图上，分析该点与雨量阈值曲线的位置关系。如果该点在雨量阈值曲线的上方，则表明雨量阈值曲线合理；如果该点在雨量阈值曲线的下方，则表明雨量阈值曲线的计算值偏大，应该相应调小，以使该点在曲线的上方。受资料缺乏的限制，并且为了安全考虑，在调小雨量阈值曲线的时候，将各站点阈值曲线I₆₀+P_a的值调至比各站点实际灾害资料对应的I₆₀与P_a的和小1mm即可。 

Claims (7)

1.一种泥石流预警方法，通过在泥石流预警系统中预置预警雨量阈值，并依据实时雨量数据与预警雨量阈值实时比对结果判断是否启动系统预警报来实现，其特征在于：所述预警雨量阈值是雨量监测站点降雨量数据的I₆₀+P_a值，其中I₆₀为1hr雨强，P_a为前期影响雨量；具体按如下步骤实施：

步骤S1、预警区现场调查与雨量监测站点布置

步骤S11、一般流域调查

对预警区进行一般流域调查，确定基本地形数据、松散固体物质特征数据；

步骤S12、泥石流预警系统布置安装

步骤S121、预警系统雨量监测站点布置

在预警区内布置预警系统雨量监测站点，实时获取雨量观测值；

步骤S122、泥石流预警系统安装

在预警区内安装泥石流预警系统，预警系统依据步骤S121所获取的雨量观测值与系统预置的预警雨量阈值的比对结果判断是否启动泥石流灾害预警报；

步骤S2、确定泥石流预警系统预置预警雨量阈值I₆₀+P_a

步骤S21、起动法计算确定预警区流域平均雨量阈值

以步骤S11一般流域调查所得数据资料为基础，依下式及必要经验公式计算确定预警区流域平均雨量阈值

$\stackrel{\‾}{I_{60}+P_a}=R+I_m$

式中，

——流域平均雨量阈值（mm）；

R——流域总径流深（mm），依经验公式计算确定；

I_m——降雨结束时流域达到的最大蓄水量（mm），查阅流域水文手册确定；

步骤S22、确定预警区各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a

根据预警区历史降雨数据资料分析得出预警区特征降雨量与海拔变化关系，再结合步骤S21所得平均雨量阈值步骤S11所得地形数据计算确定预警系统各雨量监测站点的预警雨量阈值I₆₀+P_a；

步骤S221、预警区降雨特征分析

根据预警区历史资料数据分析得到预警区特征雨量与海拔关系表达式：

H＝A×I^a

式中，H——海拔（m），由实际测量得到；

I——特征降雨量（mm），由实测降雨资料得到；

A——系数；

a——指数；

步骤S222、计算预警区各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a

根据步骤S21所得流域平均雨量阈值

步骤S11调查计算所得形成区面积、汇流区面积数据并参照步骤S221所得关系式计算确定各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a，具体计算依下式联立进行：

步骤S3、泥石流预警系统设置

依照步骤S2计算结果，将各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a设置到泥石流预警系统中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S121中预警系统雨量监测站点布置方法为：所有监测站点均布置在预警区范围内；泥石流沟的形成区内布设监测站点；重要集雨区布设监测站点；泥石流沟口布置监测站点。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述步骤S21按如下方案实施：

步骤S21、起动法计算确定预警区流域平均雨量阈值

步骤S211、计算预警区泥石流启动临界水深h₀

依高桥保经验公式计算预警区泥石流启动临界水深h₀；

步骤S212、计算预警区总径流深R

依经验公式计算预警区总径流深R；

步骤S213、确定预警区流域平均雨量阈值

依式及必要经验公式计算确定预警区流域平均雨量阈值

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：在预警区有泥石流历史记录的情况下，在步骤S22中根据预警区历史泥石流数据资料计算泥石流发生时的I_60历值与P_a历值，再将该结果用于验证或修正依式计算所得的各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：在预警区有泥石流历史记录的情况下，在步骤S22中根据预警区历史泥石流数据资料计算泥石流发生时的I_60历值与P_a历值，再将该结果用于验证或修正依式计算所得的各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a。

6.根据权利要求4所述方法，其特征在于：所述验证或修正计算所得的各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a的方法是：首先将依式计算所得各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a绘制在预警区各监测站点雨量阈值预报图上，预报图横坐标为I₆₀，纵坐标为P_a，I₆₀+P_a值即为一条阈值曲线；然后将根据预警区泥石流历史数据资料分析计算所得I_60历值与P_a历值点绘在预报图上并分析点与阈值曲线的位置关系，必要时对曲线加以修正。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述验证或修正计算所得的各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a的方法是：首先将依式计算所得各监测站点预警雨量阈值I₆₀+P_a绘制在预警区各监测站点雨量阈值预报图上，预报图横坐标为I₆₀，纵坐标为P_a，I₆₀+P_a值即为一条阈值曲线；然后将根据预警区泥石流历史数据资料分析计算所得I_60历值与P_a历值点绘在预报图上并分析点与阈值曲线的位置关系，必要时对曲线加以修正。