CN102902870B - 一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流域水土耦合机理的泥石流预报方法。针对现有泥石流预报方法仅以统计预报方法得出的雨量阈值判断泥石流是否发生，存在对引发泥石流的水土条件考虑不充分的技术缺陷，本方法根据泥石流为水土混合物的特点，提供一种以小流域内在降水条件下失稳坡土体与地表径流耦合为基础的泥石流发生预报方法，该方法依据预报区流域水土耦合后的混合物容重ρ值确定预报降雨条件下泥石流发生概率区间，并按需要发布相应的泥石流预警等级。本发明方法原理可靠，计算过程科学简便，引入分布式水文模型与力学判定公式将点尺度的土体稳定性与径流量拓展到流域尺度，解决了以往泥石流形成机理停留于点尺度而无法应用于泥石流预报的技术问题，提高了预报精度。

Description

一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流预报方法，特别是涉及一种基于流域水土耦合机理的泥石流预报方法。

背景技术

沟道泥石流的形成必须具备三个基本条件：适宜的地形地貌条件，有丰富的松散土石碎屑固体物质来源，以及有适当的降雨水源激发。此三者也是泥石流预报研究中用于判断泥石流是否发生的主要标准。在泥石流预报研究中，研究者更重视降雨这一外部激发条件的利用，将降雨条件视为流域泥石流形成的判定依据。目前投入实际应用的多为这类预报方法。这类预报技术的具体技术思路是根据对泥石流发生的历史事件的降水数据进行统计分析，确定激发泥石流的临界雨量条件（日降雨量、小时雨量或10min雨量），并以此为阈值判断泥石流是否发生。这种预报技术存在三方面缺陷：一、对于确定的泥石流沟谷往往缺乏长系列的泥石流事件资料，统计分析缺乏充分的样本；二、对于较大区域而言，下垫面条件千差万别，难以用一个确定的临界雨量条件作为具有不同下垫面条件的流域预报阈值；三、预报的基础建立在认为预报区域内地形和松散固体物质条件保持不变上，而实际上松散固体物质变化较大，且松散固体物质量的多少对激发泥石流的临界雨量影响很大。长期以来，许多研究者开展了坡面土体含水量和孔隙水压力变化条件下的坡面土体稳定性分析研究，并建立泥石流起动模型，但这类起动模型仅能评估一个点或一个坡面的土体是否稳定，并不能判断一个流域内是否可以形成规模泥石流，尚无法直接用于泥石流预报。近年来，也有学者提出以流域水文模型为基础建立以流域水文特征为主线的水力类泥石流起动预报模型的研究方向，但并没有提出具体的思路或方法，尚无法用于泥石流预报。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，根据泥石流是由大量水、土混合而形成的具有一定含沙量的山区洪流的特点，提供一种以山区小流域内在降水条件下失稳坡土体与地表径流耦合为基础的泥石流发生预报方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法，其特征在于：依据预报区流域水土耦合后的混合物容重ρ值确定预报降雨条件下泥石流发生概率；所述混合物容重ρ依照式1确定：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{W}_s+{\mathrm{\ρ}}_w{W}_w}{W_s+W_w}$ 式1

式中，ρ_s——固体颗粒的密度，由现场测试确定，经验取值2.65t/m³；

ρ_w——水的密度，取值1.0t/m³；

W_s——预报区流域降雨条件下失稳固体物质总量；

W_w--预报区流域降雨条件径流总量；

再根据表1确定预报降雨条件下流域泥石流发生概率：

表1混合物容重—泥石流发生概率及泥石流预警等级关系表

当泥石流发生概率超过20%时，依据泥石流发生的概率区间发布相应的泥石流预警等级。

本发明方法以预报降雨条件下流域内失稳坡面提供的固体物质总量与流域径流总量为基础，依据流域水土耦合后的混合物容重ρ值判断泥石流发生概率。其基础理论依据在于：丰富的松散固体物质是流域泥石流发生的基本条件，水土耦合后的混合物容重ρ越高，表明预报降雨造成的松散固体物质总量越丰富，泥石流发生概率越高，因此可以通过水土耦合的的混合物容重值变化预报泥石流发生的危险程度。对于形成的泥石流而言，W_w是流域泥石流中的清水部分，W_s是泥石流中的固体部分，可以计算二者耦合后的混合物容重ρ。本发明方法中所述“发生概率”指的是判断流域泥石流发生的一种直观定量的表述方式，并非代表了发生泥石流的真实概率，仅代表了流域泥石流发生的危险程度。

上述方法中，流域径流总量W_w的确定可以采用多种现有方法实现，例如雨洪流量演算法、水文模型法等；失稳固体物质总量W_s的确定一般是在分析坡体失稳状况的基础上加以估算，具体分析坡体失稳状况的现有技术包括极限平衡分析法、有限元法等。

基于上述流域泥石流预报方法，本发明进一步选取了现有的分布式水文模型获取W_w值与确定W_s值的关键数据，实现流域泥石流预报，具体技术方案如下：

一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法，其特征在于：通过对预报区流域地形与土地利用基础资料进行栅格化处理，建立预报区流域栅格单元并获取每个栅格单元的本底数据；将预报区流域降雨空间分布数据与所述栅格单元本底数据作为输入数据，利用分布式流域水文模型获取预报降雨条件下预报区流域内每个栅格单元的土体含水量垂向分布数据与每个栅格单元形成的径流量数据；以所述土体含水量垂向分布数据为基础，采用极限平衡算法确定预报降雨条件下预报区流域内每个栅格单元的稳定性，计算各失稳单元的失稳土体量，求和后得到失稳固体物质总量W_s；以所述每个栅格单元形成的径流量数据为基础，求和后得到预报区流域径流总量W_w；再依式1与表1确定流域泥石流发生概率区间，当泥石流发生概率超过20%时，应依据泥石流发生的概率区间发布相应的泥石流预警等级。

上述方法中，预报区流域栅格单元建立可以利用ArcGIS的空间分析工具箱（spatialanalysttoolboxes）实现，将流域地形图、土地利用图作为基础资料转化为一定分辨率的栅格数据构成对应每个栅格单元的本底数据。方法中采用的预报区流域降雨空间分布数据也称为降水预报产品，通常采用数值天气预报或多普勒雷达提供流域未来1hr、3hr、6hr、12hr或24hr的降雨情况。

在获取每个栅格单元本底数据与流域预报降雨空间分布数据基础之上，利用分布式流域水文模型能够获得预报降雨条件下预报区流域内每个栅格单元的土体含水量垂向分布数据与每个栅格单元形成的径流量数据。利用预报区流域土体含水量垂向分布数据与现场测试所得的不同土体含水量对应的粘聚力c和内摩擦角参数，可以引入无限边坡概念，采用极限平衡算法建立坡体安全系数公式用于判断预报降雨条件下每个栅格单元的稳定性，并计算每个失稳栅格单元提供的固体物质量，求和后确定预报区流域内失稳土体的固体物质总量W_s。基于分布式水文模型所获取的每个栅格单元的径流量，求和后确定预报区流域径流总量W_w。上述预报方法可以采用基于地形的水文模型（Geomorphology-BasedHydrologicalModel）（见参考文献1）计算W_s与W_w值。该水文模型具体需要7组输入数据，分别是每个栅格单元的平均坡度数据、高程数据、水流方向、水流累积汇流矩阵、土地利用数据、土地类型数据、土层厚度数据。前4组数据由预报区流域地形数据获取，后3组数据由国土资源调查公布数据获取。当采用上述分布式水文模型时，该7组数据即为每个栅格单元的本底数据。

本发明方法适用于具有发生泥石流可能性的小流域。依据泥石流研究领域通识，小流域具体指集水面积在100km²以下的相对独立和封闭的自然汇水区域。

本发明方法的创新性主要体现在将点尺度的土体稳定性和径流量拓展到流域尺度，并通过固体物质量和清水量耦合后的混合物容重判断泥石流发生危险程度。利用点尺度的土体含水量判断坡体稳定性是当前泥石流起动模型的重点研究方法，但是点上的泥石流起动并非等同于流域尺度上的泥石流形成，因此需要对全流域的土体失稳量和径流量进行分析。坡体失稳后滑动形成泥石流，或者失稳土体堆积于沟道内在径流冲刷作用下形成泥石流，是非常复杂的水土耦合过程，目前难以通过数值模型和物理模型具体描述。本发明方法未从水土耦合的机制过程着眼，而是采用流域水土混合后的流体密度ρ来定量表达上述水土耦合的结果。即：耦合后的混合物容重越低，越偏于挟沙洪水，容重越高，越偏于泥石流，因此本发明方法根据混合物容重确定泥石流发生的可能性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本泥石流预报方法充分利用了泥石流形成机理，突破了现有技术采用统计预报方法一般都只是将降雨作为临界判定条件，而忽视了其在泥石流形成过程中所起到的物理机制作用的不足；（2）本方法考虑了影响泥石流发生的固体物质来源与水量来源两个要素的耦合，弥补了仅依靠降雨量一个要素判断泥石流发生的不足；（3）本方法能够针对性解决泥石流多发区内，因下垫面条件随泥石流发生而改变从而影响泥石流预报准确性的技术问题；（4）本方法在引入分布式水文模型与力学判定公式判断坡体稳定性的基础上，统计流域的失稳土体总量和径流总量，克服了以往泥石流预报停留在点尺度的问题。

参考文献1：许继辉,分布式水文模型在长江流域的应用研究[D].北京,清华大学,2007.

附图说明

图1a是本发明方法基本技术路线示意图。

图1b是本实施方式技术路线示意图。

图2是预报区（蒋家沟）地形图。

图3是预报区数字高程图。

图4a是粘聚力—土体含水量拟合曲线图。

图4b是内摩擦角—土体含水量拟合曲线图。

图5a是第一层土体含水量分布图（厚度5cm）。

图5b是第二层土体含水量分布图（厚度10cm）。

图5c是第三层土体含水量分布图（厚度15cm）。

图5d是第四层土体含水量分布图（厚度20cm）。

图6是发生失稳的网格点分布图。

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描述。

实施例一

如图1～图6所示。选取云南东川蒋家沟为预报区，由于预报区内在2008年8月8日发生泥石流，因此以该日为例实施基于流域水土耦合的泥石流预报方法。图1a是本发明方法基本技术路线示意图，图1b是本实施方式技术路线示意图。

1、预报区选取

根据本发明方法适用条件，选择云南东川蒋家沟（图2）为预报区流域。

2、数据准备工作

2.1建立预报区栅格单元

利用ArcGIS的空间分析工具箱对预报区流域进行栅络化处理，建立预报区地形与土地利用的栅格单元，获取栅格单元栅格数据。具体是建立预报区30×30m规则栅格（Grid）形式的数据图，如数字高程图（图3），并以ASC码形式输出。

最终获取每个栅格单元的平均坡度数据、高程数据、水流方向、水流累积汇流矩阵、土地利用数据、土地类型数据、土层厚度数据共同作为每个栅格单元的本底数据。

2.2获取预报区预报降雨空间分布数据

利用数值天气预报或多普勒雷达方法获取预报区2008年8月8日降雨量的空间分布特征数据。

2.3获取土性参数数据

取预报区内代表性土样进行直剪试验，获得不同土体含水量对应的粘聚力c和内摩擦角数据。

预报区土体干容重平均值ρ_s=1.6g/cm³，不同土体含水量对应的土体粘聚力c和内摩擦角数据如表2所示。

表2土体的室内直剪试验结果

分析并拟合上述实验数据，分别获得粘聚力-土体含水量、内摩擦角-土体含水量的拟合曲线（图4a、图4b）。

其中，土体粘聚力c与土体含水量θ间的拟合公式为：

c-water:y＝543.1*exp(-15.18*x)-1371*exp(-30.89*x)（式2）

R²=0.9508

土体内摩擦角与土体含水量θ间的拟合公式为：

（式3）

R²=0.9562

通过拟合公式，可以获取ρ_s=1.6g/cm³时，不同土体含水量对应的粘聚力c和内摩擦角

3、数据分析工作

3.1分析获取影响预报区坡体稳定的水文参数

将上述栅格单元的本底数据与预报降雨空间分布数据输入基于地形的水文模型GBHM，得到预报降雨条件下影响预报区坡体稳定的水文参数，即每个栅格单元不同土层厚度的土体含水量分布特征与每个栅格单元形成的径流量数据。

由于理论分析一般认为降雨引发的流域坡面土体失稳多为浅层，失稳深度为0.5～2.0m，因此将2.0m.以上土层从表层到底层划分为7层，厚度分别为0.05m、0.1m、0.15m、0.2m、0.3m、0.5m、0.7m，前4层含水量分布如图5a～图5d所示。

3.2分析每个栅格单元的稳定性

以步骤3.1分布式流域水文模型获取的每个栅格单元不同土层厚度的含水量分布特征数据为基础，引入无限边坡概念，采极限平衡算法建立坡体安全系数公式：

（式4）

式中，c_w——土体粘聚力(kPa)，

r_s-w——土体容重(kN/m³)，由ρ_s与土体含水量推导得出

z_w——土层厚度(m)

r_w——水的容重(kN/m³)

安全系数大于1.0代表所在栅格单元稳定，小于1.0代表所在栅格单元失稳。计算确定预报区流域在2008年8月8日降雨条件下共有474个栅格单元发生失稳，其分布如图6所示。

3.3分析流域内失稳土体的固体物质总量W_s

利用网格单元的失稳深度计算确定每个失稳单元的失稳量w_si(i=1,2,3…474)，得到此次降雨条件下，失稳的栅格单元约为474个。计算每个失稳栅格单元的失稳量，累加后获得此次降雨条件下失稳量约为 $W_s=\underset{1}{\overset{474}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{si}}=2.01375+{5m}^3.$

3.4分析流域径流总量W_w

将步骤3.1分布式流域水文模型所得预报降雨条件下每个栅格单元形成的径流量数据累加后得到预报区流域径流总量为W_w=∑w_wi=1.3386e+5m³。

4、预报结果分析

判断预报区内此次降雨条件下泥石流发生可能性。

根据步骤3.3中确定的W_s与步骤3.4中确定的W_w，依式1计算流域水土耦合后的混合物容重ρ≈2.01t/m³，依表1判断预报区在预报降雨条件下发生泥石流的概率区间为80%-100%，发生流域泥石流的概率极大，发布红色预警等级。根据历史观测结果资料显示，预报区在2008年8月8日当天是有泥石流发生的，预警结果能够很好地满足泥石流防灾减灾的需求。

Claims (4)

1.一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法，其特征在于：依据预报区流域水土耦合后的混合物容重ρ值确定预报降雨条件下流域泥石流发生概率；所述混合物容重ρ依照式1确定：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{W}_s+{\mathrm{\ρ}}_w{W}_w}{W_s+W_w}$ 式1

式中，ρ_s——固体颗粒的密度，由现场测试确定，经验取值2.65t/m³

ρ_w——水的密度，取值1.0t/m³

W_s——预报区流域降雨条件下失稳固体物质体积总量，单位m³；

W_w——预报区流域降雨条件径流体积总量，单位m³；

再根据表1确定预报降雨条件下流域泥石流发生概率区间：

表1混合物容重—泥石流发生概率及泥石流预警等级关系表

当泥石流发生概率超过20％时，依据泥石流发生的概率区间发布相应的泥石流预警等级。

2.一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法，其特征在于：通过对预报区流域地形与土地利用基础资料进行栅格化处理，建立预报区流域栅格单元并获取每个栅格单元的本底数据；将预报区流域降雨空间分布数据与所述栅格单元本底数据作为输入数据，利用分布式流域水文模型获取预报降雨条件下预报区流域内每个栅格单元的土体含水量垂向分布数据与每个栅格单元形成的径流量数据；以所述土体含水量垂向分布数据为基础，采用极限平衡算法确定预报降雨条件下预报区流域内每个栅格单元的稳定性，计算各失稳单元的失稳土体量，求和后得到失稳固体物质体积总量W_s；以所述每个栅格单元形成的径流量数据为基础，求和后得到预报区流域径流体积总量W_w；再依式1确定混合物容重ρ：

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s{W}_s+{\mathrm{\ρ}}_w{W}_w}{W_s+W_w}$ 式1

式中，ρ_s——固体颗粒的密度，由现场测试确定，经验取值2.65t/m³

ρ_w——水的密度，取值1.0t/m³

W_s——预报区流域降雨条件下失稳固体物质体积总量，单位m³；

W_w——预报区流域降雨条件径流体积总量，单位m³；

再根据表1确定预报降雨条件下流域泥石流发生概率区间：

表1混合物容重—泥石流发生概率及泥石流预警等级关系表

当泥石流发生概率超过20％时，依据泥石流发生的概率区间发布相应的泥石流预警等级。

3.根据权利要求1～2任一所述的泥石流预报方法，其特征在于：适用于具有发生泥石流可能性的小流域。

4.根据权利要求2所述的泥石流预报方法，其特征在于：具体依如下步骤进行：

步骤S1、预报区流域选取

选取具有发生泥石流可能性的小流域为预报区流域；

步骤S2、数据准备工作

步骤S21、建立预报区栅格单元

利用ArcGIS的空间分析工具箱对预报区流域进行栅络化处理，建立预报区地形与土地利用的栅格单元，获取每个栅格单元的平均坡度数据、高程数据、水流方向、水流累积汇流矩阵、土地利用数据、土地类型数据、土层厚度数据共同作为每个栅格单元的本底数据；

步骤S22、获取预报区预报降雨空间分布数据

步骤S23、获取土性参数数据

取预报区内代表性土样进行直剪试验，获得不同土体含水量对应的粘聚力c和内摩擦角数据；

步骤S3、数据分析

步骤S31、分析获取影响预报区坡体稳定的水文参数

将所述栅格单元的本底数据与预报降雨空间分布数据输入基于地形的水文模型，得到预报降雨条件下影响预报区坡体稳定的水文参数，即每个栅格单元不同土层厚度的土体含水量分布特征与每个栅格单元形成的径流量数据；

步骤S32、分析每个栅格单元的稳定性

以步骤S31分布式流域水文模型获取的每个栅格单元不同土层厚度的含水量分布特征数据为基础，采用极限平衡算法建立坡体安全系数公式判断流域内每个栅格单元稳定性，确定失稳栅格单元；

步骤S33、分析流域内失稳土体的固体物质总量W_s

利用网格单元的失稳深度计算确定每个失稳单元的失稳量w_si，计算每个失稳栅格单元的失稳量，累加后获得此次降雨条件下失稳量约为W_s；

步骤S34、分析流域径流总量W_w

将步骤S31分布式流域水文模型所得预报降雨条件下每个栅格单元形成的径流量数据累加后得到预报区流域径流总量为W_w；

步骤S4、判断预报区内此次降雨条件下泥石流发生可能性

依式1与表1确定流域泥石流发生概率区间与泥石流预警等级。