CN103020727A

CN103020727A - 地质灾害涌浪快速预测评估系统及方法

Info

Publication number: CN103020727A
Application number: CN2012104290216A
Authority: CN
Inventors: 殷跃平; 黄波林; 陈小婷; 刘广宁; 王世昌
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-11-01
Filing date: 2012-11-01
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2032-11-01
Also published as: CN103020727B

Abstract

本发明提供一种地质灾害涌浪快速预测评估系统及方法，所述系统包括前处理模块、计算分析模块，后处理模块；所述方法包括前处理步骤、计算分析步骤，后处理步骤。本发明克服了现有技术进行计算所需资源非常大，耗时较长，不利于模拟涌浪长距离传播和爬坡的缺点，能够快速合理地确定水库崩滑体涌浪灾害预警范围及其风险管理评价。

Description

地质灾害涌浪快速预测评估系统及方法

技术领域

本发明涉及地质灾害预警预报及防治领域，特别涉及一种地质灾害涌浪快速预测评估系统及方法。

背景技术

滑坡涌浪灾害预测评价是水库地质灾害和坝区工程地质的重要研究内容，是地质灾害学和水力学的交叉领域，也是地质灾害预警的重要内容。1985年6月12日发生的新滩滑坡，当时灾害预警范围仅限于滑坡区域，虽然被摧毁的新滩古镇居民1370余人无一人伤亡。但滑坡入水在对岸激起的涌浪高达54m，波及上、下游江面约42km。损坏、击毁8km范围内木船64只、小型机动船13艘，船员10人遇难，失踪2人。滑坡体进入水体后，滑体能量传递给水体，危害区域急剧变大，由集中的滑坡运动区拓展至超长距离带状的涌浪波及区；大大增加了水库滑坡灾害预警难度。

地质灾害涌浪数值模拟技术是国内外开展相关工作的重要研究手段，该方法可以较全面地分析涌浪灾害，具有准确、经济、合理等优势；其形成的结果可视化程度高，有利于滑坡涌浪灾害预警。根据力学模型，数值模型可分为流体力学模型和水波动力学或波浪理论模型。利用流体力学模型，国内外一些研究者采用有限元法、有限差分法、有限体积法进行了相关研究。现有技术的模型精细地刻画了水质点的运动，但是进行计算所需资源非常大，耗时较长，不利于模拟涌浪长距离传播和爬坡。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是快速合理确定水库崩滑体涌浪灾害预警范围及其风险管理评价。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种地质灾害涌浪快速预测评估系统。所述系统，包括：前处理模块：用于准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS(Geographic Information System)矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS(Geographic Information System)工具将所述ASCII计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS(Geographic Information System)矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析模块；

计算分析模块：用于对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播计算过程；根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和结果文件保存等信息；

后处理模块：用于采用GIS(Geographic Information System)技术，对保存的计算结果文件进行布尔运算，将计算结果以点、线、面、体的形式输出，并将输出结果转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形。

作为举例说明，所述涌浪源/滑坡失稳类型包括整体滑动型、碎裂岩崩滑型、崩塌型。

作为举例说明，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为整体滑动型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下滑动距离、水下滑动时间、滑坡体质心停止地的水深。

作为举例说明，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为碎裂岩崩滑型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动距离、水下滑动时间、滑坡质心停止地的水深。

作为举例说明，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为崩塌型时，所述崩滑体参数信息是：崩塌体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动时间、滑坡体质心停止地的水深。

为了解决上述技术问题，本发明还提供一种地质灾害涌浪快速预测评估方法。所述方法包括：前处理步骤：准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS(GeographicInformation System)矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS(Geographic Information System)工具将所述ASCI I计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS(Geographic Information System)矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析步骤；

计算分析步骤：对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播计算过程；根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和结果文件保存等信息；

后处理步骤：采用GIS(Geographic Information System)技术，对保存的计算结果文件进行布尔运算，将计算结果以点、线、面、体的形式输出，并将输出结果转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形。

本发明能够快速合理确定水库崩滑体涌浪灾害预警范围及其风险管理评价，且计算过程所需资源少，耗时短。

附图说明

图1是本发明优选实施例一种地质灾害涌浪快速预设评估系统的结构示意图

图2是本发明优选实施例一种地质灾害涌浪快速预测评估方法的流程图

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地说明：

参照图1，是本发明优选实施例一种地质灾害涌浪快速预设评估系统的结构示意图，该实施例的系统包括：前处理模块：用于准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS工具将所述ASCII计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析模块；

计算分析模块：用于对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播计算过程；根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和结果文件保存等信息。

后处理模块：用于采用GIS技术，对保存的计算结果文件进行布尔运算，将计算结果以点、线、面、体的形式输出，并将输出结果转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形。

作为举例说明，所述涌浪源/滑坡失稳类型包括整体滑动型、碎裂岩崩滑型、崩塌型。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为整体滑动型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下滑动距离、水下滑动时间、滑坡体质心停止地的水深。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为碎裂岩崩滑型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动距离、水下滑动时间、滑坡质心停止地的水深。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为崩塌型时，所述崩滑体参数信息是：崩塌体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动时间、滑坡体质心停止地的水深。

参照图2，是本发明优选实施例一种地质灾害涌浪快速预测评估方法的流程图，

所述流程包括：前处理步骤：准备数值模拟区域的三维GIS(Geographic Information System)矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS(Geographic Information System)矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS(Geographic InformationSystem)工具将所述ASCII计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析步骤；

数值计算的模型正确是准确进行数值分析的基础。计算域三维数据模型主要有计算区域的三维地形图数据(包括山体三维数据及水的测深数据)和遥感影像图。山体及水体的三维数据是涌浪计算的河道初始文件，遥感影像图应用于后处理中，用以提升结果理解度和可视化效果。首先将输入的矢量化GIS(Geographic Information System)图形输出为本系统识别的ASCII文件。将转换文件形成三维影像，要求客户端进行确认即三维数据模型验证。验证的具体过程是检查形成的ASCII文件是否和计算域地形一致。如果模型正确，则输入三维模型数据文件(ASCII文件)在涌浪计算模块中调用。如果模型错误或需要调整模型范围大小，则重复上述过程，得到合适正确的三维模型数据文件(ASCII文件)为止。

计算分析步骤：对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播计算过程；根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间(计算时步)和结果文件保存等信息。

滑坡初始涌浪对整个滑坡涌浪分析而言是至关重要的，它是传播浪的源，涌浪源的精确性决定涌浪传播和爬高计算的准确性。而这一初始涌浪源与滑坡失稳模式有着较大关联；不同失稳模式的滑坡入水会产生不同的涌浪效应。各类型初始涌浪计算公式通过物理相似试验和无因次分析得到。通过将地质灾害失稳原型进行概化，首次将地质灾害涌浪计算划分为整体滑动型、碎裂岩崩滑型、崩塌型等类型。例如顺层滑坡在运动过程中滑坡体顺层面运动，不解体，滑坡内部破坏较小，保持其整体性，这种滑坡如果入水形成的涌浪就称为整体滑动型涌浪类型。如果崩滑体在运动过程中发生解体，岩土体相互挤压碰撞，形成大量岩土碎屑运动；这种崩滑体入水形成的涌浪就称为碎裂岩崩滑型涌浪类型。如果崩塌体倾倒或坠落入水形成的涌浪就称为崩塌型涌浪类型。

不同的地质灾害涌浪源有不同的输入参数和控制方程。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为整体滑动型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下滑动距离、水下滑动时间、滑坡体质心停止地的水深。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为碎裂岩崩滑型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动距离、水下滑动时间、滑坡质心停止地的水深。当所述涌浪源/滑坡失稳类型为崩塌型时，所述崩滑体参数信息是：崩塌体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动时间、滑坡体质心停止地的水深。根据地质灾害失稳后的运动特征进行判断属于涌浪源/滑坡失稳类型。在本系统滑坡初始涌浪计算步骤中，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入不同的滑坡体计算参数信息，计算滑坡初始涌浪源。滑坡初始涌浪源计算结果包括有初始涌浪的波高、周期、波长、波速等参数，同时有初始涌浪波场。例如：碎裂岩崩滑型的初始波高和波长计算公式为：

η = 1.32 {(\frac{t_{s} \sqrt{g / h}}{V_{w} / h^{2}})}^{- 0.68} - - - (1)

λ = 0.27 t_{s} \sqrt{gh} - - - (2)

式中，η为初始特征波高(m)，初始涌浪的周期ts为滑体水下运动时间，h为静止水深(m)，g为重力加速度(m/s2)，Vw为滑坡体积与滑坡入水宽度的比值(m2)，λ为波长(m)。初始涌浪场在空间形态上是一个以初始涌浪点为圆锥顶点，圆锥高为初始特征波高η，圆锥底园直径为λ的圆锥。若崩滑体在(x0，y0)点入水，入水的方位角为θ，水下运动距离s0，则初始涌浪点的坐标为(x0+(s0+λ)sinθ，y0+(s0+λ)cosθ)。

通过对这些涌浪源参数进行分析，参考公式法模块计算得到的涌浪参数来判断涌浪源是否正确以及输入的参数是否正确。公式法模块主要是成熟的公式的集成。本系统将以往常用的成熟公式进行了汇编，设置为公式法模块，用公式法模块计算的结果可与数值模拟结果进行对比参考，用以初步判断数值模拟结果的合理性。上述两个如果有量级上的差异，则涌浪初始源的参数不正确，则需要重新进行涌浪源/滑坡失稳类型判断；如正确，则进行涌浪传播和爬高的计算。根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和文件保存信息。

公式法模块中的公式是我们常用的公式，根据其公式的来源可分为经验公式法、理论公式法和试验公式法。经验公式法是工程技术人员在过去有限的地质灾害涌浪调查基础上，总结的无量纲计算公式，如水科院总结的最大涌浪计算式。理论公式法是在各理论力学基础上简化形成的计算方法，如美国土木工程学会推荐的Noda法。试验公式法来源是在大量涌浪相似试验的基础上，通过对各影响因素的分析推导，形成的无量纲计算公式，其公式结合理论公式进行推导，试验可重复，样本多，精度较高。

这些公式基本计算的是最大的涌浪高度，而不是初始形成的涌浪高度。初始涌浪在传播过程中产生最大的涌浪高度，它的传播过程依赖地形等等因素来形成波浪的增高和衰减。而常用的公式法里不能考虑传播途径的这些因素，因此数值模拟的方法更精确于传统的公式法。同时，他们两者由于存在着继承关系，因此他们的量级上不会有差异。例如说，初始涌浪高度只有10m，而公式法计算的最大涌浪高度为100m，这两者相差了一个量级(10倍为1个数量级)，那么可能这个结果就存在一定的不合理性，需要对这一问题进行思考，计算参数是否正确合理。

涌浪产生后发生波的传播和爬高；在不同的时间，波传播至不同的地方，各地波高也随时间发生变化，因此设置的实际模拟时间(计算时步)取决于想获取涌浪发生后多长时间内涌浪的变化情况。例如一个在我们计算域内的城集镇在涌浪发生地的10km外，我们想知道涌浪是否对城集镇形成大于1m的涌浪，那么我们的实际模拟设定时间就得足够长，得有足够时间让模拟的涌浪波传递至城集镇。时间的具体设定根据波速和被关注对象的距离，利用牛顿运动定律t＝s/v估算需要传播的时间，亦即计算时步。

后处理步骤：采用GIS技术，对保存的计算结果文件进行布尔运算，将计算结果以点、线、面、体的形式输出，并将输出结果转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形。

采用GIS(Geographic Information System)的开发工具，批量地对时步文件(在计算涌浪传播时，用户会被要求设置模拟计算时步数steps，以及多少时步数保存一次结果文件；该结果文件就是时步文件。其实类似于与时间对应的历史记录或结果记录)进行布尔切割运算，渲染生成不同时刻水体的计算结果，直观显示不同时刻下水面高程变化情况。根据提取的不同维度数据，可以显示单个水质点在时间轴上高程的变化，显示二维若干点间河面水质点高程变化线，显示任意面切割后的三维水体、山体的影像，可生成旋转、放大等效果的时间与空间滑坡涌浪动态画面。同时采用相交分析，可以获得爬高值及波浪爬坡的动态画面。采用GIS技术，叠加计算区的山体三维模型或遥感DEM模型，可以采集任意时步河面任意点的高程和对应的GPS信息，可以查询波浪首次到达某河段的时间和最大波浪到达该河段的时间。

根据不同类型的地质灾害失稳模式采用不同的涌浪源进行涌浪数值模拟，利用GIS技术来支持各维度的图形图像显示及数据查询。该数值模拟的方式引入了物理试验法的公式使得计算结果准确，又采用GIS技术使计算结果可视化强查询化强；最终形成了直观准确的涌浪灾害预测结果。

后处理中，借鉴国家海洋局发布的《风暴潮、海浪、海啸和海冰灾害应急预案》对内河航道进行涌浪风险预警分区。根据这一预案，当波浪最大波高大于3m时为航道红色预警区，当波浪在2～3m时为航道橙色预警区，当波浪在1～2m时为航道黄色预警区，当波浪小于1m时为蓝色预警区。根据这一标准，可将涌浪事件的航道风险预警区进行划分。同时利用遥感影像图，可以解译危害的风险对象是哪些居民财产、基础设施和航道，那么可以针对性对这些风险对象进行疏散或隔离规避。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所应理解的是，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的思想和原则之内所做的任何修改、等同替换等等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种地质灾害涌浪快速预测评估方法，其特征在于，包括：前处理步骤：准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS工具将所述ASCII计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析步骤；

计算分析步骤：对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播和爬高计算过程，并根据程序提示，设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和计算结果文件保存信息；

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述涌浪源/滑坡失稳类型包括整体滑动型、碎裂岩崩滑型、崩塌型。

3.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为整体滑动型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下滑动距离、水下滑动时间、滑坡体质心停止地的水深。

4.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为碎裂岩崩滑型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动距离、水下滑动时间、滑坡质心停止地的水深。

5.根据权利要求2所述的评估方法，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为崩塌型时，所述崩滑体参数信息是：崩塌体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动时间、滑坡体质心停止地的水深。

6.一种地质灾害涌浪快速预测评估系统，其特征在于，包括：前处理模块：用于准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；将所述三维GIS矢量地形图转换成ASCII计算域三维数据模型；利用GIS工具将所述ASCII计算域三维数据模型转换为计算域及滑坡涌浪三维模拟可视化图形，进行三维数据模型验证，如错误，重新准备数值模拟区域的三维GIS矢量地形图和配准后的遥感影像图；如正确，进入计算分析模块；

计算分析模块：用于对涌浪源/滑坡失稳类型进行判断，依据不同的涌浪源/滑坡失稳类型，输入该类型滑坡体计算参数信息；

结合该类型滑坡体参数信息和所述三维数据模型验证后的ASCII文件，进行滑坡初始涌浪源计算，得到初始涌浪源结果；打开初始涌浪源结果文件，参考公式法模块的计算结果来对初始涌浪源结果进行参数认证，如果有量级上的差异，则初始涌浪结果有误，如有误，则从涌浪源/失稳模型判断重新进行；如正确，则进入滑坡涌浪传播和爬高计算过程；根据程序提示，用户设定涌浪传播和爬高计算的实际模拟时间和计算结果文件保存信息；

7.根据权利要求1所述的评估系统，其特征在于，所述涌浪源/滑坡失稳类型包括整体滑动型、碎裂岩崩滑型、崩塌型。

8.根据权利要求2所述的评估系统，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为整体滑动型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下滑动距离、水下滑动时间、滑坡体质心停止地的水深。

9.根据权利要求2所述的评估系统，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为碎裂岩崩滑型时，所述滑坡体参数信息是：滑坡体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动距离、水下滑动时间、滑坡质心停止地的水深。

10.根据权利要求2所述的评估系统，其特征在于，当所述涌浪源/滑坡失稳类型为崩塌型时，所述崩滑体参数信息是：崩塌体的坐标、滑坡体的长、宽、厚、入水体积、入水速度、水下运动时间、滑坡体质心停止地的水深。