CN107749144B - 一种冰湖溃决的溢流水位预警方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种冰湖溃决的溢流水位预警方法,包括以下步骤:a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;b、计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H;c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨,时间超过30s,且当HCr<0.6H,冰湖溃决发生概率很小;当0.6H≤HCr<0.8H,冰湖溃决发生概率小;当0.8H≤HCr<H,冰湖溃决发生概率中等;当HCr≥H,冰湖溃决发生概率大。本发明全面考虑冰湖溃决的临界溢流水深的影响因素,计算出的结果更符合实际情况,预警精确度高,适用性更强。

Description

一种冰湖溃决的溢流水位预警方法及其应用
技术领域
本发明涉及到水利工程技术领域,尤其涉及一种冰湖溃决的溢流水位预警方法及其应用。
背景技术
冰湖溃决是一种发生在高山冰川分布区的自然现象。冰湖溃决的主要成因类型是冰滑坡或冰崩入湖所致漫溢型溃决。冰滑坡或冰崩入湖使水位上涨形成溢流,当溢流水头流速大于冰碛物起动流速且水位下降速率又低于冲刷下切速率时,便导致溃决。因此,研究冰碛湖漫溢型溃决的临界水文条件是预测预报冰湖溃决灾害的基础。
目前,国内外对冰湖溃决的临界溢流水深计算研究主要建立在上涨水深与溃决水深相等的假设基础上,即原冰湖水位为0的情况,这显然不符合实际。或计算溃决洪水时采用冰湖水深代替溢流水深,计算结果有较大误差。(蒋忠信,崔鹏,蒋良潍,冰碛湖漫溢型溃决临界水文条件,铁道工程学报,2004,84(4):21-26.)。冰崩造成冰蹟湖溃决的诱发因素是气温升高,造成冰湖后缘冰川发生冰崩,大块冰体进入冰湖,水位陡涨,溢流水位大幅升高侵蚀冰蹟堤溢流口泥沙造成冰蹟堤溃决。水位陡涨是一个直接影响条件,因此可以监测水位的突然变化预警冰湖溃决。影响冰湖水位的因素较多,一般可以归结为:冰蹟堤坝顶厚度、冰蹟堤背水坡坡度、冰湖面积等(中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,西藏泥石流与环境,成都科技大学出版社,1999,79-89.)但水位突然上涨后,在冰蹟堤溢流口处往外溢流的水流会造成上涨水位回落,如果回落较快,还没有完全侵蚀完冰蹟堤的坝顶厚度,水位就回落到不能侵蚀泥沙的水位时,冰湖就不会发生溃决。因此,涉及到冰湖溃决的临界水位,与冰蹟堤坝顶厚度、冰蹟堤溢流口宽度、蹟堤溢流口的泥沙粒径、冰湖面积、冰湖湖面形态(平均宽度和长宽比)、冰湖岸边斜坡平均坡度等因素有关,必须考虑这些因素才能获得可靠的冰湖溃决条件。
公开号为CN105513285A,公开日为2016年04月20日的中国专利文献公开了一种冰湖溃决预警方法,以潜在溃决冰湖为预警监测区域,测量确定潜在溃决冰湖的冰舌坡度α和冰川坡向θ,查看气象资料确定潜在冰湖溃决点前两年的平均正积温Ty2、多年平均正积温Ty,实时监测某个时间之前的正积温T0及该时间前7天平均温度和T7,以所述预警监测区域冰湖溃决临界值Cr为监测值,根据监测值大小划分冰湖溃决的预警级别。
该专利文献公开的冰湖溃决预警方法,通过研究温度因子和地形因子对冰湖溃决发生程度进行内部机理研究,建立了冰湖溃决预警预报模型;但是,该方法仅考虑了冰川发生冰崩,进而可能引起冰湖溃决,还没有考虑到冰崩体能否到达冰湖;冰崩体积是否足够大,是否能够引起冰湖水位上涨足够的高度,水位上涨是引起冰湖溃决的关键因素,因此其预警准确度较低,适用性较差。
发明内容
本发明为了克服上述现有技术的缺陷,提供一种冰湖溃决的溢流水位预警方法及其应用,本发明全面考虑冰湖溃决的临界溢流水深的影响因素,计算出的结果更符合实际情况,预警精确度高,适用性更强。
本发明通过下述技术方案实现:
一种冰湖溃决的溢流水位预警方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;
b、分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;
其中,H为冰湖溃决的临界溢流水深,单位m;d为起动泥沙特征粒径,单位m;T为冰蹟堤坝顶厚度,单位m;b为溃决口宽度,单位m;w0为冰湖平均宽度,单位m;c为冰湖长宽比;β为溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度,单位度;
c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨,持续时间超过30s,且当冰湖实际上涨水位HCr<0.6H时,冰湖溃决发生概率很小,发出绿色安全信号;当冰湖实际上涨水位0.6H≤HCr<0.8H时,冰湖溃决发生概率小,发出冰湖溃决黄色预警信号;当冰湖实际上涨水位0.8H≤HCr<H时,冰湖溃决发生概率中等,发出冰湖溃决橙色预警信号;当冰湖实际上涨水位HCr≥H时,冰湖溃决发生概率大,发出冰湖溃决红色预警信号。
本发明适用于冰湖溢流口为冰碛堤的冰湖溃决的预警。
进一步,本发明适用于温度上升及降雨引起的冰碛湖溃决的预警。
更进一步,本发明适用于冰川发生冰崩且冰崩体进入冰湖致使冰湖水位上涨引发冰湖溃决的预警。
本发明的基本原理如下:
冰湖的下游有冰碛堤,冰碛堤的最低处有一溢流口,一般情况下,冰雪融化的水流进入冰湖,再通过溢流口流到下游。因为冰雪融化过程是缓慢、长时间的过程,因此冰雪融化的水体是逐渐进入冰湖并通过溢流口流到下游,因此冰湖的水位只有很小的变化。因为溢流口的水位不大,水流对溢流口的粗大颗粒的侵蚀作用很小,不能搬运溢流口的粗大颗粒,冰碛堤不会发生溃决,冰湖处于稳定状态。当冰湖上游的巨大冰川由于温度上升以及降雨的作用,突然发生较大体积的冰崩,并且冰崩体能进入冰湖,90%体积的冰崩体埋在冰湖水体中,由于冰崩体体积巨大,造成冰湖水位突然上涨,在溢流口的溢流水位也突然提高很多,水流对冰碛堤的侵蚀能力突然提高很多,能够搬运溢流口的粗大颗粒,并持续搬运走溢流口的粗大颗粒,形成冰湖的溃决。本发明的基本原理就是冰湖突然上涨的水位超出侵蚀溢流口的临界水位,就会造成冰湖溃决。在此机理研究基础上,通过大量研究与准确的推导与计算,提出本发明的方法与判断标准。
本发明的有益效果主要表现在以下方面:
一、本发明,通过调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;较现有技术而言,全面考虑了冰湖溃决发生的原因,即冰湖溃决的直接原因是冰湖水位超过侵蚀溢流口的临界水位,间接原因是温度升高及降雨;发生体积较大的冰崩;较大冰崩体进入冰湖,引起水位上涨较多;更加直接地将冰湖水位上涨这个直接导致冰湖溃决的因素考虑为预警指标,没有其他间接影响因素的不确定性,计算出的结果更加符合实际情况,极大的提高了预警精确度,增强了适用性。
二、本发明,适用于冰湖溢流口为冰碛堤的冰湖溃决的预警,对于由冰湖水位上涨侵蚀冰碛堤造成的冰湖溃决能够有效预警,预警准确度高。
三、本发明,适用于温度上升及降雨引起的冰碛湖溃决的预警,对于由温度上升及降雨引起的冰崩进入冰湖,造成冰湖水位上涨侵蚀冰碛堤造成的冰湖溃决也能有效预警,预警准确可靠。
四、本发明,适用于冰川发生冰崩且冰崩体进入冰湖致使冰湖水位上涨引发冰湖溃决的预警,预警准确度高,适用性强。
具体实施方式
实施例1
一种冰湖溃决的溢流水位预警方法,包括以下步骤:
a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;
b、分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;
其中,H为冰湖溃决的临界溢流水深,单位m;d为起动泥沙特征粒径,单位m;T为冰蹟堤坝顶厚度,单位m;b为溃决口宽度,单位m;w0为冰湖平均宽度,单位m;c为冰湖长宽比;β为溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度,单位度;
c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨,持续时间超过30s,且当冰湖实际上涨水位HCr<0.6H时,冰湖溃决发生概率很小,发出绿色安全信号;当冰湖实际上涨水位0.6H≤HCr<0.8H时,冰湖溃决发生概率小,发出冰湖溃决黄色预警信号;当冰湖实际上涨水位0.8H≤HCr<H时,冰湖溃决发生概率中等,发出冰湖溃决橙色预警信号;当冰湖实际上涨水位HCr≥H时,冰湖溃决发生概率大,发出冰湖溃决红色预警信号。
通过调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;较现有技术而言,全面考虑了冰湖溃决发生的原因,即冰湖溃决的直接原因是冰湖水位超过侵蚀溢流口的临界水位,间接原因是温度升高及降雨;发生体积较大的冰崩;较大冰崩体进入冰湖,引起水位上涨较多;更加直接地将冰湖水位上涨这个直接导致冰湖溃决的因素考虑为预警指标,没有其他间接影响因素的不确定性,计算出的结果更加符合实际情况,极大的提高了预警精确度,增强了适用性。
实施例2
一种冰湖溃决的溢流水位预警方法,包括以下步骤:
a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;
b、分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;
其中,H为冰湖溃决的临界溢流水深,单位m;d为起动泥沙特征粒径,单位m;T为冰蹟堤坝顶厚度,单位m;b为溃决口宽度,单位m;w0为冰湖平均宽度,单位m;c为冰湖长宽比;β为溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度,单位度;
c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨,持续时间超过30s,且当冰湖实际上涨水位HCr<0.6H时,冰湖溃决发生概率很小,发出绿色安全信号;当冰湖实际上涨水位0.6H≤HCr<0.8H时,冰湖溃决发生概率小,发出冰湖溃决黄色预警信号;当冰湖实际上涨水位0.8H≤HCr<H时,冰湖溃决发生概率中等,发出冰湖溃决橙色预警信号;当冰湖实际上涨水位HCr≥H时,冰湖溃决发生概率大,发出冰湖溃决红色预警信号。
本发明适用于冰湖溢流口为冰碛堤的冰湖溃决的预警。
进一步,本发明适用于温度上升及降雨引起的冰碛湖溃决的预警。
更进一步,本发明适用于冰川发生冰崩且冰崩体进入冰湖致使冰湖水位上涨引发冰湖溃决的预警。
下面采用本发明分别对米堆沟1988年7月15日冰湖溃决、次仁玛错1981年7月11日冰湖溃决、达门拉咳错1964年9月26日冰湖溃决、坡戈错1972年7月23日冰湖溃决、然则日阿错2013年冰湖溃决和米堆沟1990年6月1日冰湖溃决进行分析:
1、米堆沟1988年7月15日冰湖溃决(蒋忠信,崔鹏,蒋良潍,冰碛湖漫溢型溃决临界水文条件,铁道工程学报,2004,84(4):21-26;李德基,游勇,西藏波密米堆沟冰湖溃决浅议,山地学报,1992,10(4):219-224;中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,川藏公路典型山地灾害研究,成都科技大学出版社,1999,42-52.);
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=20m、溃决口宽度b=35m、冰湖长宽比c=2.125、冰湖平均宽度w0=320m、起动泥沙特征粒径d=0.2m和溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=24度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.31m。发生冰湖溃决时,冰湖水位最大上涨高度是1.4m(冰崩体360000m3),可见,与实际情况相符。
2、次仁玛错1981年7月11日冰湖溃决(程尊兰,朱平一,宫怡文,典型冰湖溃决型泥石流形成机制分析,山地学报,2003,21(6):716-720;中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,西藏泥石流与环境,成都科技大学出版社,1999,79-89.):
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=325m,溃决口宽度b=230m,冰湖长宽比c=3,冰湖平均宽度w0=500m,起动泥沙特征粒径d=0.2m,溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=45度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.86m。发生冰湖溃决时,冰湖水位最大上涨高度是8.3m((冰崩体7000000m3),可见,与实际情况相符。
3、达门拉咳错1964年9月26日冰湖溃决(中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,西藏泥石流与环境,成都科技大学出版社,1999,79-89.):
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=60m,溃决口宽度b=50m,冰湖长宽比c=1,冰湖平均宽度w0=435m,起动泥沙特征粒径d=0.2m,溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=45度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.38m。发生冰湖溃决时,冰湖水位最大上涨高度是26.5m(冰崩体5000000m3),可见,与实际情况相符。
4、坡戈错1972年7月23日冰湖溃决(中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,西藏泥石流与环境,成都科技大学出版社,1999,79-89.):
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=450m,溃决口宽度b=40m,冰湖长宽比c=1.97,冰湖平均宽度w0=710m,起动泥沙特征粒径d=0.2m,溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=45度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.39m。发生冰湖溃决时,冰湖水位最大上涨高度是5.2m(冰崩体5700000m3),可见,与实际情况相符。
5、然则日阿错2013年冰湖溃决:
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=30m,溃决口宽度b=60m,冰湖长宽比c=4.41,冰湖平均宽度w0=340m,起动泥沙特征粒径d=0.2m,溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=45度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.31m。发生冰湖溃决时,冰湖水位最大上涨高度是2.9m(冰崩体1640000m3),可见,与实际情况相符。
6、米堆沟1990年6月1日冰湖溃决(中国科学院成都山地灾害与环境研究所,西藏自治区交通科学研究所,川藏公路典型山地灾害研究,成都科技大学出版社,1999,42-52.):
调查测量冰蹟堤坝顶厚度T=20m,溃决口宽度b=35m,冰湖长宽比c=1.2,冰湖平均宽度w0=320m,起动泥沙特征粒径d=0.2m,溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β=24度;计算得到冰湖溃决的临界溢流水深H=1.32m,最大水位上涨0.45m,涌浪高2m,用本发明方法可以判断冰湖不会溃决,甚至没有达到黄色预警线(0.79m),与实际情况相符。

Claims (4)

1.一种冰湖溃决的溢流水位预警方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度T、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d;
b、分析水位上涨起动冰蹟堤溢流口泥沙的临界水位条件,得到冰湖溃决的临界溢流水深H;
其中,H为冰湖溃决的临界溢流水深,单位m;d为起动泥沙特征粒径,单位m;T为冰蹟堤坝顶厚度,单位m;b为溃决口宽度,单位m;w0为冰湖平均宽度,单位m;c为冰湖长宽比;β为溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度,单位度;
c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨,持续时间超过30s,且当冰湖实际上涨水位HCr<0.6H时,冰湖溃决发生概率很小,发出绿色安全信号;当冰湖实际上涨水位0.6H≤HCr<0.8H时,冰湖溃决发生概率小,发出冰湖溃决黄色预警信号;当冰湖实际上涨水位0.8H≤HCr<H时,冰湖溃决发生概率中等,发出冰湖溃决橙色预警信号;当冰湖实际上涨水位HCr≥H时,冰湖溃决发生概率大,发出冰湖溃决红色预警信号。
2.根据权利要求1所述的一种冰湖溃决的溢流水位预警方法的应用,其特征在于:适用于冰湖溢流口为冰碛堤的冰湖溃决的预警。
3.根据权利要求1所述的一种冰湖溃决的溢流水位预警方法的应用,其特征在于:适用于温度上升及降雨引起的冰碛湖溃决的预警。
4.根据权利要求1所述的一种冰湖溃决的溢流水位预警方法的应用,其特征在于:适用于冰川发生冰崩且冰崩体进入冰湖致使冰湖水位上涨引发冰湖溃决的预警。
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