CN106157544A - 沟谷型泥石流的监测预警方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种沟谷型泥石流的监测预警方法和装置，该方法包括：根据主成分分析法，确定形成沟谷型泥石流的主控因素；根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段沟谷型泥石流起动的判据模型；基于此，结合实时监测数据，判断泥石流是否发生，若是，则进一步通过获取泥石流中游段泥位监测数据，动态计算其流速、流量等规模大小，对其实现全流域、全过程的监控与预警。本发明根据主控因素间相互作用关系建立泥石流起动的判据模型，动态获取泥石流运动参数，相对于现有技术中单阈值的预警方法，可以提高泥石流的预警准确率。

Description

沟谷型泥石流的监测预警方法和装置

技术领域

本发明涉灾害预警技术领域，尤其是涉及一种沟谷型泥石流的监测预警方法和装置。

背景技术

沟谷型泥石流是指发育在沟谷中，且饱含大量泥、砂、石的固、液相颗粒流体，其形成机理是集中强降雨引发的大流量洪水强烈冲刷沟道，并起动沟床松散固体物质，是山区环境中常见的泥石流灾害类型之一。由于该类泥石流可携带大量块石，且具有运动速度快、暴发突然等特点，有着极强的冲击力与破坏力，往往造成巨大的人员伤亡与财产损失。2013年7月11日，汶川县七盘沟暴发特大型泥石流灾害，持续时间近1.5小时，造成8人遇难、6人失踪，沿途房屋、变电站、工矿企业及防治工程措施等遭到严重损毁，直接经济损失达4.15亿元。因此，有必要对泥石流进行监测预警，所谓的监测预警是指通过捕捉泥石流起动时的前兆信息，以及泥石流形成后沿沟床运动过程中的动态信息，进而发出警报并指导当地居民避让或疏散，以减少人员伤亡与经济损失。

目前，泥石流监测预警最普遍的方法是以某一降雨量阈值来判定，但事实上泥石流的形成与发展是一个不断变化的过程，基于单阈值的预警，难以捕捉泥石流在孕育形成、运动流通、以及堆积淤埋各阶段的特征信息，难以实现泥石流全过程的监控与预警。此外，该预警方法是一种固定式的、拟静态化的初步预判，泥石流的动力特征与流体特征等监测数据并没有得到充分利用，还未在实时预警过程中动态获取泥石流流速、流量及冲击力等动力参数，更没有考虑到不同规模的泥石流造成的危险性差异情况。因此，该预警方法的准确率较低。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种沟谷型泥石流的监测预警方法很和装置，可以提高预警准确率。

本发明提供的沟谷型泥石流的监测预警方法包括：

根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

可选的，所述方法还包括：

在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。

可选的，所述方法还包括：

利用数值模拟软件，确定在不同泥石流冲出量下的泥石流堆积范围；

根据计算得到的所述泥石流冲出量，确定在下游段的泥石流堆积范围。

可选的，所述根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量，包括：

根据所述泥位监测数据，计算泥石流的流速和流量；

根据所述流速和流量，计算所述泥石流冲出量。

可选的，采用下式计算泥石流的流速：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)为所述流速，n_c为粘性泥石流沟床糙率，h₀为泥石流起动前的泥位初始值，h_t为泥石流在t时刻的泥位，I_c为泥石流水力坡度。

可选的，所述根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流最大冲击力，包括：

根据所述流速，计算泥石流的动压力、冲击力和冲起高度；

根据所述动压力、冲击力和冲起高度，计算所述泥石流最大冲击力。

可选的，所述主控因素包括：纵比降、流域面积、岩性、小时降雨强度和/或累积降雨量。

可选的，所述判据模型为：

C＝R+a*I

其中，I为小时降雨强度，R为累积降雨量，a为根据纵比降、流域面积、岩性所确定的系数，C为常数。

本发明提供的沟谷型泥石流的监测预警装置，包括：

因素确定模块，用于根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

关系分析模块，用于根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

模型构建模块，用于根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

预警模块，用于获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

可选的，所述装置还包括：

数据获取模块，用于在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

第一计算模块，用于根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

第二计算模块，用于根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。

本发明提供的沟谷型泥石流的监测预警方法和装置，根据各个主控因素之间的相互作用关系建立在上游段是否有沟谷型泥石流起动的判据模型，可见考虑到了形成沟谷型泥石流的多个主控因素及各因素之间的相互作用关系，相对于现有技术中单阈值的预警方法，可以提高泥石流的预警准确率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1示出了本发明一实施例中沟谷型泥石流的监测预警方法的流程示意图；

图2示出了本发明另一实施例中沟谷型泥石流的监测预警方法的流程示意图；

图3示出了本发明又一实施例中沟谷型泥石流的监测预警方法的流程示意图；

图4示出了本发明又一实施例中判据模型的示意图。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本发明提供一种沟谷型泥石流的监测预警方法，如图1、2、3所示，该方法包括：

S101、根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

可理解的是，沟谷型泥石流的形成主要取决于三大条件：地形、地质与降水，其中地形条件包括纵比降、沟长、流域面积等，地质条件包括岩性、构造、风化等，降水条件包括前期降雨、累积降雨、降雨强度(小时雨强、10分钟雨强)等。据此，可以通过针对典型沟谷型泥石流开展现场调查，实测获取形成泥石流的各种控制因素的具体数据，利用主成分分析法即PCA，即可分析得到沟谷型泥石流形成的主控因素。通过主成分分析法得到的主控因素一般包括纵比降、流域面积、岩性、小时降雨强度和/或累积降雨量等。

S102、根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

S103、根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

S104、获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

本发明提供的监测预警方法，根据各个主控因素之间的相互作用关系建立在上游段是否有沟谷型泥石流起动的判据模型，可见考虑到了形成沟谷型泥石流的多个主控因素及各因素之间的相互作用关系，相对于现有技术中单阈值的预警方法，可以提高泥石流的预警准确率。

可理解的是，以上步骤中所确定的判据模型是针对上游段设置的，上游段可包括清水区和形成区。其中，清水区位于泥石流沟的源头，为泥石流的形成提供水源。形成区也位于泥石流沟的上游段，利于松散碎屑物质与水流的汇集。

可理解的是，本发明可以通过对典型的沟床起动型泥石流灾害开展现场调查，利用数据挖掘等技术，揭示沟谷型泥石流形成的主控因素及其相互作用关系。泥石流的形成与发展是一个复杂的系统过程，受控因素众多。因此，利用数量化原理与数据挖掘技术，深入分析沟谷型泥石流形成主控因素及其相互作用关系，能够优化沟谷型泥石流的监测部署。

在具体实施时，所述判据模型可以为：

C＝R+a*I

式中，I为小时降雨强度，R为累积降雨量，a为根据纵比降、流域面积、岩性所确定的系数，C为常数。

其中，a一般在6.5～12.5之间，可以通过典型实例实测数据统计分析得到。

从上式可以看出，如图4所示，判据模型在坐标系中为一直线，在利用该判据模型进行是否有泥石流起动时，若根据实时监测的数据可知当前时刻的累积降雨和降雨强度位于图中方块所处的位置，则说明此时降雨未触发泥石流，若位于三角所处的位置，则说明此时降雨会触发泥石流。可见，根据上述判据模型则可以判断是否会触发泥石流。

在具体实施时，该方法还可包括：

S105、在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

S106、根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

S107、根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。

这里，通过泥石流冲出量和泥石流最大冲击力，计算安全冗余，便可得知当前的泥石流是否有冲出泥石流沟口的可能。

其中，可以通过超声波泥位计测量探头距离泥位面的垂直高度，然后换算出泥深。

其中，中游段是指流通区，是泥石流冲击造成破坏的主要区域。

可理解的是，表征泥石流活动特征最为重要的指标包括流速、流量及冲击力等，为此，以理论推导与现场监测相结合，动态获取相关参数，计算确定安全冗余，实现中游段的动态跟踪预警。

在具体实施时，S106中计算所述泥石流冲出量的具体过程可以包括：

根据所述泥位监测数据，计算泥石流的流速和流量；

根据所述流速和流量，计算所述泥石流冲出量。

当然，还可以采用其他方式计算泥石流冲出量。

其中，流速的计算可以采用多种方式，其中一种为采用下式计算：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)为所述流速，n_c为粘性泥石流沟床糙率，h₀为泥石流起动前的泥位初始值，h_t为泥石流在t时刻的泥位，I_c为泥石流水力坡度。

其中，S106中计算泥石流最大冲击力的具体过程可以包括：

根据所述流速，计算泥石流的动压力、冲击力和冲起高度；

根据所述动压力、冲击力和冲起高度，计算所述泥石流最大冲击力。

当然，还可以采用其他方式计算最大冲击力，对此本发明不做限定。

其中，根据泥位监测数据计算流量、根据流量和流速计算泥石流冲出量等也均可以采用多种方式，现有技术中存在相应的计算公式或算法，因此对于具体计算过程不再详述。

在具体实施时，该方法还可以包括：

S108、利用数值模拟软件，确定在不同泥石流冲出量下的泥石流堆积范围；

S109、根据计算得到的所述泥石流冲出量，确定在下游段的泥石流堆积范围。

其中，数值模拟软件，例如FLO-2D数值模拟软件。

其中，下游段实际上是泥石流的堆积区，是泥石流堆积物的停淤区域。

通过上述方法便可以得到泥石流的堆积范围，进而得知泥石流的危险性大小，至此实现全过程协同预警。

综上所述，与现有技术相比，本发明提出的技术方案在上游段建立判据模型，对泥石流的起动进行预警；在中游段对相关参数获取、计算等过程，确定安全冗余，实现对中游段的实时监控；在下游段进行堆积范围计算，确定危险性大小，从而实现泥石流全过程跟踪监测与协同预警机制，不仅仅从技术方面能够实现对应的功能，更能从理论深度上确保构建泥石流实时监测预警方法的可靠性与准确性。在该技术方法的指导下，已在四川、贵州、安徽等省市的泥石流减灾防灾应用中取得良好效果。

基于相同的发明构思，本发明还提供一种沟谷型泥石流的监测预警装置，该装置包括：

因素确定模块，用于根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

关系分析模块，用于根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

模型构建模块，用于根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

预警模块，用于获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

可选的，该装置还包括：

数据获取模块，用于在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

第一计算模块，用于根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

第二计算模块，用于根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。

可理解的是，本发明提供的监测预警装置为本发明提供的监测预警方法的功能架构模块，其有关内容的解释、说明、优选实施方式、有益效果等内容可以参考本发明提供的监测预警方法中的相应部分，在此不再赘述。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种沟谷型泥石流的监测预警方法，其特征在于，包括：

根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：

在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括：

利用数值模拟软件，确定在不同泥石流冲出量下的泥石流堆积范围；

根据计算得到的所述泥石流冲出量，确定在下游段的泥石流堆积范围。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量，包括：

根据所述泥位监测数据，计算泥石流的流速和流量；

根据所述流速和流量，计算所述泥石流冲出量。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用下式计算泥石流的流速：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)为所述流速，n_c为粘性泥石流沟床糙率，h₀为泥石流起动前的泥位初始值，h_t为泥石流在t时刻的泥位，I_c为泥石流水力坡度。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流最大冲击力，包括：

根据所述流速，计算泥石流的动压力、冲击力和冲起高度；

根据所述动压力、冲击力和冲起高度，计算所述泥石流最大冲击力。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主控因素包括：纵比降、流域面积、岩性、小时降雨强度和/或累积降雨量。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述判据模型为：

C＝R+a*I

其中，I为小时降雨强度，R为累积降雨量，a为根据纵比降、流域面积、岩性所确定的系数，C为常数。

9.一种沟谷型泥石流的监测预警装置，其特征在于，包括：

因素确定模块，用于根据主成分分析法，确定形成所述沟谷型泥石流的主控因素；

关系分析模块，用于根据相互作用关系矩阵，分析各个主控因素之间的相互作用关系；

模型构建模块，用于根据各个主控因素之间的相互作用关系，构建在上游段所述沟谷型泥石流起动的判据模型；

预警模块，用于获取在上游段对各个主控因素的实时监测数据，并根据所述判据模型判断在上游段是否有沟谷型泥石流起动，若是，则发出预警信号。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，还包括：

数据获取模块，用于在上游段有沟谷型泥石流起动时，获取中游段的泥位监测数据；

第一计算模块，用于根据所述泥位监测数据，计算所述泥石流冲出量和泥石流最大冲击力；

第二计算模块，用于根据所述泥石流冲出量和所述泥石流最大冲击力，确定泥石流库容安全冗余。