CN108108561B - 基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。该方法包括：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型，计算形成泥石流的松散土体临界集聚量以及泥石流暴发时的临界能量；基于泥石流动力学模型及方程，模拟计算流域空间泥石流特征参量；对泥石流运动过程中的能量进行分析，基于能量分布和能量聚涨衰减特征，进行泥石流能谱分区；按照各个分区的能谱特征和承担的泥石流防治功能，提出基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾新方法。本发明可广泛应用到防治工程关键参数设计、泥石流综合减灾技术体系、泥石流风险管理等方面，具有重要的理论意义和应用价值。

Description

基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法

技术领域

本发明属于自然灾害领域，具体涉及一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。

背景技术

泥石流是一种常见的山地灾害，其活动和危害几乎遍及全球各山区，随着全球气候的变暖和人类活动的日益加剧，泥石流活动日渐活跃，严重威胁山区人居安全、生态安全、山区可持续发展等，防灾减灾刻不容缓。

目前，泥石流的防治主要采取综合治理的方式，主要是在泥石流形成区采取治坡、治沟等措施，对流域进行综合治理，控制水土，改善环境；在泥石流流通区采取拦挡、调节和排导工程，使得泥石流顺利下泄到指定区域，保证保护区不受到危害；在泥石流堆积区采取预防措施，发生过程采取预警措施，使泥石流在活动过程中不致引起严重危害。

但是，目前泥石流分区主要通过地貌的方法由人为来确定，不同分区采取的具体防治措施也是人为来定，防治效果达不到最佳化。如泥石流堆积区范围如果确定太大，势必会增加各类措施的投入，造成浪费；如果堆积区确定太小，又会造成泥石流泛滥，达不到防治的效果。因此，如何正确界定泥石流的分区，使每个分区承担泥石流防治的功能效果达到最大化，是泥石流综合减灾的关键所在。而且，目前泥石流防治工程的关键参数设计主要通过经验公式进行确定，缺乏物理基础和运动过程分析，造成某些设计参数过小(造成防治工程失效，如龙池八一沟、清平文家沟、北川青林湾沟拦挡工程等)或过大(造成人力、物力、财力浪费)，达不到最佳的防治效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。

本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，包括：

步骤一：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型；计算形成泥石流的松散土体临界集聚量和泥石流暴发时的临界能量；

步骤二：基于泥石流孕育、发生、运动堆积过程动力学模型，通过各模型边界条件的相互耦合，构建由孕育、发生、泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型及其方程；

步骤三：将泥石流运动力学方程进行离散化，计算设计频率降雨条件或场次降雨条件下，松散土体临界集聚量及形成泥石流的规模，作为数值模拟的初始条件；以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量，所述流域空间泥石流特征参量包括：流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围；

步骤四：以步骤一计算的泥石流临界能量作为能谱的初始值；以泥石流运动过程中的动能、势能、耗散能分析泥石流运动过程中能量的分布，绘制泥石流流域能谱图；根据能量分布特征进行泥石流能谱分区，也即U区、M区和D区；根据各个分区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾方法；

步骤一中的泥石流暴发时的临界能量和能量聚集量的计算方法包括：

泥石流暴发时的能量为松散土体的势能和水体的能量；其中，水体的能量通过下式积分计算：

式中，e为雨滴的能量，

m为雨滴的质量，v为雨滴的最终速度； f(e)为雨滴动能的分布密度，

其中，

A₁表示雨滴尺度参数，B₁为雨滴形状参数；

形成泥石流的松散土体临界集聚量计算模型包括第一表达式、第二表达式：

第一表达式：

V＝(b+c)(0.0548Q_c-0.4378) (2)

式中，V为松散物质的积聚量；Q_c为泥石流流量，由同等降雨指标条件下的洪水流量推算求出；b为沟床纵坡系数；c为岩性系数；

第二表达式：

式中，V为松散物质的积聚量；g(x,y)为松散固体物质的空间分布表达式；x,y 分别为地面的纵横坐标；a_i为第i个计算单元面积，i＝1,2,3,…,n；n为流域计算单元的数目；h_i为第i个计算单元的起动土体厚度，目前采用无限边坡模型和可移动固体物质判别模型进行计算：

无限边坡模型中，起动土体厚度h为：

式中，c为粘聚力；

为内摩擦角；ψ＝u_a-u_w为土体基质吸力，其中，u_a为大气压力；u_w为水应力；β为坡度；γ_t为边坡土体容重；

可移动固体物质判别模型中的起动土体厚度h的表达式：

式中，γ_w为水容重；θ为表面坡体坡度；γ_sat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γ_s为土体颗粒容重；n为孔隙度；d₅₀坡体物质的特征粒径；c、

为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦角；H为表面径流深度；

通过式(4)和式(5)计算单元体起动土层的厚度，再通过式(3)计算松散土体的积聚量；在松散土体积聚量计算的基础上，计算松散土体的势能：

式中，H代表松散物质与坡底的相对高程；m表示重量；g为重力加速度；γ为松散土体的容重；V为松散物质的积聚量；

泥石流暴发时的临界能量通过降雨所输入的动能和松散土体的相对势能所确定：

E₀＝E₁+E₂ (7)

式中，E₁为强降雨阶段降雨所输入的动能，通过式(1)计算；E₂为参与泥石流运动的松散土体的势能，通过式(6)计算；

步骤四中，泥石流体的启动是其运动能量的开始，初始总能量通过式(1)、(6) 和(7)计算；运动过程中势能和动能转化，并通过能量耗散，最终停止运动；整个过程的能量表达如下所示：

E₁+E₂-E₃-E₄-E₅＝0 (8)

式中，E₁和E₂同上；E₃为泥石流运动过程中摩擦能量消耗量；E₄为泥石流运动过程中颗粒碰撞能量消耗量；E₅为泥石流运动过程中能量粘滞消耗量；以数值模拟的泥石流流速、流深、容重、淹没范围、运动距离为基础，计算泥石流运动过程中的泥石流动能、势能、耗散能，得到泥石流运动过程的能量分布和能谱图；

步骤四中的泥石流能谱分区按照泥石流能量分布特征进行划分：流体势能降低、动能积聚增加的能谱区域定义为动能聚涨区，称为U区，所述动能聚涨区的特点为流体势能大于动能，势能持续转化为动能和耗散能；泥石流运动过程中由于能量转化和耗散，势能继续降低，动能出现极大值的区域定义为动能突变区称为M区，所述动能突变区的特点为动能大于势能，动能增加并出现极大值，随后动能呈现突变减小的趋势；能量继续耗散，动能和势能均急剧下降的区域定义为动能衰减区域，称为D区，所述动能衰减区域的特征为动能和势能均急剧减小，直至耗散为零。

进一步地，步骤四，根据泥石流能谱分区U、M、D区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于泥石流动力过程和能谱分析的泥石流的防灾减灾综合技术方案： U区：泥石流启动的临界能量要低，通过调整启动的松散物质的势能即调整松散土体的临界积聚量V，达到降低泥石流起动临界能量的目的；综合减灾措施为：通过采取治坡、治沟、护坡措施，以及行政管理和法令措施，对流域实施综合治理，控制水土、恢复生态，达到降低松散土体的积聚量和泥石流起动临界能量的目的；对U区重要的土体积聚量V的来源，还需要采取监测措施，严密监视其位移、运动和发展过程，进行预警预报；

M区：M区势能转化为动能，动能达到最大值，是泥石流集中下泄的必经区域，也是泥石流冲击力最大的区域，该区通过拦挡、调节和排导工程，达到调节泥石流的动能和冲击力的目的，同时调整泥石流路径使泥石流顺利通过或到达指定的地区，达到保护居民地受灾对象的功能；或该区通过增加泥石流路径的粗造度、延长流通路径的方法，达到增加泥石流运动耗能能和降低泥石流动能和冲击的目的；同时，根据数值模拟结果和保护对象属性，选择适宜的监测断面，对泥石流流速、流深运动过程参数进行严密监测，进行泥石流预警；

D区：为耗散过程，势能和动能转化为热能，泥石流最终停滞下来，泥石流冲击能力减弱，以淤埋为主；D区是人类活动场所聚集区，因此D区承担预防和减轻泥石流危害的功能；通过泥石流停淤场、对危险区重要对象采取保护措施工程措施，监测预警非工程措施，使泥石流在泛滥堆积过程中不致引起危害，将泥石流的危害降至最低；D区首先对设计频率下泥石流灾害进行数值模拟，然后对泛滥堆积范围内的建筑物进行摸排，查明其结构、属性、分布；在此基础上，进行建筑物易损度和能谱的全面分析，进行泥石流淤埋风险图的绘制，有效指导防灾减灾和灾害的应急处置。

借由上述方案，本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法至少具有以下优点：

基于泥石流物理过程和动力学机制，从泥石流暴发过程的能量出发，对泥石流初始临界能量、动能、势能、耗散能进行分析，从而对泥石流整个运动过程的能谱进行初探；根据能量过程，对泥石流防治功能进行功能分区，建立泥石流防治功能综合体系，使泥石流防治效果达到最优化。

一次泥石流过程并不会把形成区所有的松散土体带走，因而在考虑泥石流暴发临界能量时，考虑所有的松散土体的量是不现实的，也是不必要的。因而本发明提出了松散土体临界积聚量对可以启动的松散固体物质进行科学、合理的量化；同时，提出泥石流临界能量聚集量的概念，对泥石流暴发的初始临界能量进行量化。

从泥石流灾害防治和能量的双重视角出发，提出了泥石流功能分区的概念，将其分为U区、M区、D区，根据各区泥石流防治功能的不同，设置适宜的防治措施，防治措施的关键参数通过数值模拟的结果进行确定，排除人为分区和经验公式的经验性、人为性。

本发明可广泛应用到防治工程关键参数设计、泥石流综合减灾技术体系、泥石流风险管理方面，具有重要的理论意义和应用价值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法的总体框架图；

图2是本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法的能谱分区简示图；

图3实施例中研究区泥石流的能谱分析示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，首先，通过计算松散土体的临界积聚量，对泥石流暴发时的临界能量和能量聚集量进行界定；其次，通过泥石流物理过程分析和动力过程的数值模拟，对泥石流运动过程的关键参数(流速、泥深、容重、运动距离、泛滥范围)进行确定，把握泥石流运动过程中的“能量”这一关键因素，通过对运动过程中能量的合理分析(动能、势能、耗散能)，进行泥石流能谱分区，并按照每个分区的能谱特征和承担的泥石流防治功能，合理布置泥石流的综合减灾措施，排除泥石流分区和防治工程关键参数的经验性和人为性，使得泥石流防治效果达到最佳化。

如说明书附图1所示，本发明提供的基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，包括以下步骤：

步骤一：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型；计算形成泥石流的松散土体临界集聚量和泥石流暴发时的临界能量。

具体地，步骤一中，对于一个确定的泥石流流域来说，可以通过工程地质、水文地质、岩土力学、灾害学、3S技术原理与方法，查明流域泥石流流域的断裂，地质，地形，固体物源的物理力学特征、储量及其分布，可能受灾对象的性质和空间分布，判定流域孕灾环境特征。

通过不同的途径可以获得所需的三维流域模型(DTM)：一种方法是直接使用一些测绘仪器，如GPS、全站仪，进行实地野外测绘获取DTM；另外一种方法是运用航空摄影测量手段，直接通过高精度具有立体像对的航空影像提取DTM；最为常用的一种方法是直接利用现有的纸质地形图，通过软件数字化地形图矢量方式获取DTM。不同方式获取的质量各不相同，一般来说野外实地测量获取的数据能够达到很高的精度，但是花费的时间和成本很高，不适合大范围大面积的DTM 获取，适合小高精度范围的DTM提取；采用高精度的立体像对影像可以快读提取所需要的DTM，但是其获取收到影像拍摄时间、质量和资金的限制，进行应急调查时还需要收到拍摄天气状况的影响；采用已有的纸质地形图进行矢量化精度一般，但是其获取方便，不依靠天气条件，操作简单易行，可以在较短时间内获取大范围研究区的DTM。本发明地具体实施例采用数字化现有纸质地形图地方式获取研究区地三维流域模型(DTM)，为各动力过程的建模、数值模拟提供基础。

步骤一中，泥石流暴发的松散土体临界集聚量由以下2种方法：

方法1：

V＝(b+c)(0.0548Q_c-0.4378) (22)

式中，V为松散物质的积聚量(万m³)；Q_c为泥石流流量，由同等降雨指标条件下的洪水流量推算求出；b为沟床纵坡系数；c为岩性系数。

方法2：

式中，V为松散物质的积聚量(万m³)；g(x, y)为松散固体物质的空间分布表达式；x,y分别为地面的纵横坐标；a_i为第i个计算单元面积，i＝1,2,3,…,n； n为流域计算单元的数目；h_i为第i个计算单元的起动土体厚度，目前采用无限边坡模型和可移动固体物质判别模型进行计算：

无限边坡模型中，起动土体厚度h为：

式中，c为粘聚力；

为内摩擦角；ψ＝u_a-u_w为土体基质吸力，其中，u_a为大气压力；u_w为水应力；β为坡度；γ_t为边坡土体容重；

可移动固体物质判别模型中的起动土体厚度h的表达式：

式中，γ_w为水容重；θ为表面坡体坡度；γ_sat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γ_s为土体颗粒容重；n为孔隙度；d₅₀坡体物质的特征粒径；c、

为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦角；H为表面径流深度。

步骤一中，计算泥石流暴发时的临界能量：

泥石流暴发时的临界能量为松散土体的势能和水体的能量。其中，水体的能量通过下式积分计算：

式中，e为雨滴的能量，

m为雨滴的质量，v为雨滴的最终速度；f(e) 为雨滴动能的分布密度，

其中，

A₁表示雨滴尺度参数，B₁为雨滴形状参数。

在松散土体积聚量计算的基础上，计算松散土体的势能：

式中，H代表松散物质与坡底的相对高程；m表示重量；g为重力加速度；γ为松散土体的容重；V为松散物质的积聚量。

泥石流暴发时的临界能量通过降雨所输入的动能和松散土体的相对势能所确定：

E₀＝E₁+E₂ (28)

式中，E₁为强降雨阶段降雨所输入的动能，通过式(26)计算；E₂为参与泥石流运动的松散土体的势能，通过式(27)计算。

步骤二：基于泥石流孕育、发生、运动堆积过程动力学模型，通过各模型边界条件的相互耦合，构建由孕育→发生→泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型及其方程。

具体地，泥石流动力学三大方程统一的写为如下的守恒形式：

其中，U为守恒变量，F＝(E,H)为计算通量，S为源相，可以分别表示为：

式中，h为泥深，u、v分别表示x、y方向的速度，g为重力加速度，k为侧应力系数；

在上式的源相S中，加入泥石流沟道侵蚀项，来反映侵蚀其对泥石流运动过程的影响，目前，对泥石流的沟道侵蚀研究较多，并将泥石流源相S写成：

其中，S_o由地形产生，一般称为底坡源相，S_f包含了侵蚀项和摩阻项，称为摩阻源相。

步骤二中，泥石流动力学模型，包括：在泥石流动力过程及动力学模型研究方面，通过野外观测、模型试验、理论分析，国内外学者对泥石流的形成、运动、堆积过程进行了大量分析，并提出了一系列动力学模型。目前，有连续介质模型(颗粒流模型、Bingham体模型、Bagnold膨胀体模型、粘塑性体模型、 Savage-Hutter模型(SH模型)、结构两相流模型)、离散介质模型(离散元模型(DEM)、Lattice Boltzmann(LB)模型、泥石流动理学模型)和混合介质模型。

上述模型通过各自的边界条件，相互耦合，形成由泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型和方程。

步骤三：将泥石流运动力学方程进行离散化，计算设计频率降雨条件或场次降雨条件下，松散土体临界集聚量及形成泥石流的规模，作为数值模拟的初始条件；以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量(流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围)。

具体地，泥石流数值模拟的初始条件为泥石流的初始规模，通过泥石流等效浓度C_d∞、松散土体积聚量V和降雨量V_w进行确定：

泥石流等效浓度通过下式进行计算：

其中，C_d∞为泥石流的等效浓度；ρ为泥石流液相密度；θ为泥石流沟床平均坡度；σ为泥石流固体颗粒密度；φ为泥石流固体颗粒的内摩擦角。

泥石流体积由引发该场次泥石流的降雨量和启动的松散土体积聚量共同决定；降雨量往往决定着泥石流固体物质的启动量；假设降雨量为V_w，降雨启动的松散土体积聚量V_s，那么两者混合后的泥石流的规模为V_D，则：

松散土体积聚量V_s，通常通过上述式(9)、(10)、(11)、(12)来计算。不同设计频率降雨条件和场次降雨条件下的降雨量V_w通过查询水文手册和水文计算求得。泥石流流体的等效浓度C_d∞通过GIS三维空间分析功能获取流域空间数据θ，通过室内外实验获取泥石流流体ρ和固体颗粒物质的φ、σ数据，由此计算不同设计频率降雨或者场次降雨条件下的泥石流的体积。

以上述计算的泥石流的规模为V_D作为数值模拟的初始条件，以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，通过泥石流运动方程和动力学模型的耦合、离散化，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量(流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围)。

步骤四：以步骤一计算的泥石流临界能量作为能谱的初始值；以泥石流运动过程中的动能、势能、耗散能计算泥石流运动过程中能量的分布，绘制泥石流流域能谱图；根据能量分布特征进行泥石流能谱分区(U区、M区和D区)；根据各个分区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾方法。

具体地，泥石流体的启动是其运动能量的开始，初始总能量通过式(28)计算；运动过程中势能和动能转化，并通过能量耗散，最终停止运动。整个过程的能量表达如下所示：

E₁+E₂-E₃-E₄-E₅＝0 (34)

式中，E₁和E₂同上；E₃为泥石流运动过程中摩擦能量消耗量；E₄为泥石流运动过程中颗粒碰撞能量消耗量；E₅为泥石流运动过程中能量粘滞消耗量，分别如下式所示：

式中，m为泥石流质量，g为重力加速度，θ为沟床的坡度，α为泥石流固体颗粒内摩擦角。

式中，m_i为i颗粒的质量；e为i颗粒的弹性恢复系数；

为i颗粒的平均速度。

E₅＝ΔE_f+ΔE_sf＝τγ+F_Ddx (37)

式中，ΔE_f代表浆体变形消耗的能量；τ为浆体切应力；γ为浆体单元型变量；ΔE_sf为固体颗粒和浆体之间粘滞消耗能量；F_D为浆体对颗粒的阻力；x为固体颗粒运动位移。

以数值模拟的泥石流流速、流深、容重、淹没范围，流变参数、沟道参数基本参数为基础，计算泥石流运动过程中的泥石流动能、势能、耗散能，得到泥石流运动过程的能量分布和能谱图。

步骤四中，泥石流能谱分区按照泥石流体能量分布特征进行划分，分区原则如下：流体势能降低、动能增加的能谱区域定义为动能聚涨区(U区)，其特点为流体势能大于动能，势能持续转化为动能和耗散能。泥石流运动过程中由于能量耗散，势能继续降低，动能出现极大值的区域定义为动能突变区(M区)，其特点为动能大于势能，动能增加并出现极大值，随后动能呈现突变减小的趋势。能量继续耗散，动能和势能均急剧下降的区域定义为动能衰减区域(D区)，其特征为动能和势能均急剧减小，直至耗散为零。

步骤四中，根据泥石流能谱分区(U区、M区、D区)承担的泥石流防治功能的不同，提出基于泥石流动力过程和能谱分析的泥石流防灾减灾综合技术方案：①U区：泥石流启动的临界能量要尽可能低，通过调整启动的松散物质的势能即调整松散土体的临界积聚量V，达到降低泥石流起动临界能量的目的。主要的综合减灾措施为：通过采取治坡、治沟、护坡措施，以及行政管理和法令措施，对流域实施综合治理，控制水土、恢复生态，达到降低松散土体的积聚量和泥石流起动临界能量的目的。对U区重要的土体积聚量V的来源(如潜在滑坡体和重要的物源区)，还需要采取必要监测措施，严密监视其位移、运动和发展过程，必要时进行预警预报。

②M区：M区势能转化为动能，动能达到最大值，是泥石流集中下泄的必经区域，也是泥石流冲击力最大的区域，该区主要通过拦挡、调节和排导工程，达到调节泥石流的动能和冲击力的目的，同时调整泥石流路径使泥石流顺利通过或到达指定的地区，达到保护居民地受灾对象的功能。该区也可以通过增加泥石流路径的粗造度、延长流通路径的方法，达到增加泥石流运动耗能能和降低泥石流动能和冲击的目的。同时，根据数值模拟结果和保护对象属性，选择适宜的监测断面，对泥石流流速、流深运动过程参数进行严密监测，必要时进行泥石流预警。

③D区：主要为耗散过程，势能和动能转化为热能，泥石流最终停滞下来，泥石流冲击能力减弱，以淤埋为主。D区是人类活动场所主要聚集区，因此D区主要承担预防和减轻泥石流危害的功能。通过泥石流停淤场、对危险区重要对象采取保护措施等工程措施，监测预警等非工程措施，使泥石流在泛滥堆积过程中不致引起较大危害，将泥石流的危害降至最低。D区首先对设计频率下泥石流灾害进行数值模拟，然后对泛滥堆积范围内的建筑物进行摸排，查明其结构、属性、分布；在此基础上，进行建筑物易损度和能谱的全面分析，进行泥石流淤埋风险图的绘制，有效指导防灾减灾和灾害的应急处置。

上述三个区相辅相成、相互关联，实行统一规划和管理，关键设计参数以数值模拟的结果为主要依据，并利用经验公式法进行对比分析；泥石流防治分区以泥石流能量功能分区为依据，排除人为划分的经验性；综合不同功能分区防治体系，使泥石流流域防治效果达到最大化。

本发明由流域孕灾环境分析→泥石流三维流域模型→松散土体临界积聚量→石流暴发时的临界能量和能量临界积聚量→泥石流物理过程和动力过程建模→泥石流运动过程数值模拟→泥石流运动过程关键参数获取→泥石流运动过程动能、势能、耗散能等能量分析→泥石流能谱分区→泥石流综合减灾技术体系。首先，通过计算松散土体的临界积聚量，对泥石流暴发时的临界能量进行界定；其次，通过泥石流物理过程分析和动力过程的数值模拟，对泥石流运动过程的关键参数进行确定，在此基础上，通过对运动过程中能量的合理分析，划定泥石流防治的功能分区图谱，并按照每个分区的能谱特征和承担的泥石流防治功能，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾新方法。本发明可广泛应用到防治工程关键参数设计、泥石流综合减灾技术体系、泥石流风险管理等等方面。

实施例：

案例区选择：

选择广东省高州市马贵镇深水村流域作为实施案例的典型研究区。其位于广东省高州市东北部山区，东与阳春市双窖镇相邻，北与信宜市钱排、合水镇接壤，西与古丁镇、南与大坡镇相连，处于3市交界地带，地理位置见附图3。

流域孕灾环境分析：

流域面积为9.52km²，流域最低高程357.70m，最大高程1293.65m，相对高差835.95m。属亚热带季风区，受南海海洋气候的影响，多年平均降雨量1700 多mm，多年平均气温21.3℃～23.2℃，年无霜期平均为361d，多年平均日照时间1935.3h。特殊的自然地理条件，极易形成暴雨、台风等强对流天气，导致该地区崩塌、滑坡、泥石流等灾害频发。2010年9月21日，台风“凡亚比”造成研究区多处发生山体滑坡、崩塌、泥石流等灾害，对当地居民的生产、生活和生态环境造成了严重的影响。山体滑坡面积为0.55km2，崩塌比为4.65％，崩滑灾害多发生在山顶、半山腰，遗留在灾害点的松散物质点多量大，可以为泥石流活动提供丰富的松散固体物质。严重威胁当地居民的生命财产安全，亟需对该沟泥石流进行综合防治，保障当地居民的生产生活、生态安全、经济建设可持续发展等。

泥石流暴发的松散土体临界集聚量：

主要通过下式计算：

V＝(b+c)(0.0548Q_c-0.4378)＝1193750m³

泥石流临界能量计算：

流域面积为9.52km²，流域最低高程357.70m，最大高程1293.65m，相对高差835.95m，参与泥石流运动的松散土体所具有的势能为：

E₁＝mgh＝9.790×10⁶kJ

计算的每平方降雨动能均值，可求得整个流域在10min雨强条件下降雨动能总值为E₂＝142.73kJ。

泥石流的临界能量和能量聚集量为：

E₀＝E₁+E₂≈9.790×10⁶kJ

从计算的结果来看，泥石流体的能量主要是来源于流域内松散土体所具有的势能，降雨等外界条件所输入的能量不是泥石流运动能量的主要来源，它们的主要作用是促使松散物质运动导致泥石流的形成。

构建的泥石流的三大方程如下：

1.一般质量连续性方程如下：

其中，V_F为流体的体积分数；ρ为流体密度；R_DIF为紊流扩散项；R_SOR为质量源项；u、v、w为x、y、z三个方向上的流速分量；A_x、A_y、A_z为x、y、z三个方向上可流动的面积分数；在笛卡尔坐标系中，系数R和ξ分别为1和0。

2.三维坐标系下，动量方程如下：

式中，G_x、G_y、G_z为x、y、z三个方向上的重力加速度(m/s²)；f_x、f_y、f_z是三个方向上的粘滞力(kg·m/s²)；b_x、b_y、b_z为x、y、z三个方向上的流体损失； u_w、v_w、w_w为源相三个方向的速率(m/s)；u_s、v_s、w_s为源相表面流体相对于源相的速率(m/s)；V_F为可流动的体积分数；ρ为流体密度(kg/m³)；p为作用在流体微元上的压力(N/m²)；R_DIF 为紊流扩散项；R_SOR为质量源相。

3.能量方程

其中，I为混合流体内能，对于双流体来说：

ρI＝Fρ₁I₁+(1-F)ρ₂I₂ (41)

F为流体1的体积分数；ρ为混合流体密度；ρ₁、I₁为流体1的密度和内能；ρ₂、I₂为流体2的密度和内能。

边界条件：

泥石流数值模拟的地形边界条件为建立的三维流域模型。

初始条件和参数：

泥石流是一种复杂的流体，不可能根据一种模型、一种方法就可以模拟全部的泥石流的特征。按照不同性质类型的泥石流建立不同的流变模型，进而对泥石流进行数值模拟分析。按性质对泥石流的分类在我国经历了40年的发展才逐步完善清晰青睐，此类分类方法只要依据以下两个指标来区分：一是泥石流容重，二是泥石流土水比。据此，可以将泥石流分为七大类，即稀性泥石流、亚粘性泥石流、粘性泥石流、高粘性泥石流、水石流、泥流和高含沙水流，参数范围如表1。

表1泥石流按流体性质分类表

本实例选用Bingham型粘性泥石流，各个参数的设置如表2所示。

表2 Bingham型粘性泥石流数值参数表

泥石流等效浓度和体积的计算：

采用等效浓度的计算公式，泥石流的等效浓度为：

暴发的泥石流的体积为：

泥石流数值模拟结果：

在上述数值模拟参数设定的基础上，通过网格划分和边界条件的设置，开展泥石流数值模拟，对泥石流的淹没范围、泥石流淤埋深度和流速参数进行模拟。由于篇幅限制，泥石流的流深图此处不在说明书附图中罗列。

泥石流能量分析和能谱图：

泥石流的初始临界能量为9.790×10⁶kJ。以数值模拟的泥石流流速、流深、容重、淹没范围为基础，计算泥石流运动过程中的泥石流动能、势能、耗散能，得到泥石流运动过程的能量分布和能谱图。

泥石流的初始临界能量为9.790×10⁶kJ；由提出的泥石流能量分区的原则，计算可知：当泥石流运动距离为1.1km，即高度下降417.95m时，泥石流运动的动能和泥石流势能相等，均为4.89×10⁶kJ，此时的耗散能为0.01×10⁶kJ；由数值模拟结果可得到泥石流运动过程中的最大流速，计算可得到泥石流最大的动能为 6.06×10⁶kJ，此时泥石流运动的距离为1.72km，下降高度为597.78m，势能为 2.78×10⁶kJ，耗散能为0.96×10⁶kJ；最后动能和势能全部转化为耗散能，即泥石流停止运动，此时的动能和势能分别为0，耗散能最大为9.790×10⁶kJ。由此得到泥石流的能谱图和能量分区图。

泥石流防灾减灾综合技术方案：

根据泥石流能谱分区(U区、M区、D区)承担的泥石流防治功能的不同，结合数值模拟的结果，提出基于泥石流动力过程和能谱分析的泥石流防灾减灾综合技术方案，具体描述如下：

①U区：

对U区的松散物质来源采取治坡、治沟、护坡措施或工程，种植护坡林，禁止滥砍滥伐、垦殖开荒和种植作物；对松散物源所在的支沟布置谷坊或者谷坊群，控制水土、恢复生态；达到降低松散土体的积聚量和泥石流起动临界能量的目的。对U区重要的土体积聚量V的来源，布置雨量计、土体含水量计、位移计、红外视频、次声仪监测措施，对降雨量、松散土体的启动和泥石流形成过程进行监测，并进行泥石流预警。

②M区：

布置泥石流拦挡坝和排导槽，使泥石流顺利通过或到达指定的地区，达到保护居民地受灾对象的功能。同时，布置雨量计、泥位计、流速计、红外视频监测措施，对降雨量、泥石流泥位、流速、泥石流运动过程进行监测。

③D区：

D区是泥石流碎屑物质大量淤积的地区，堆积扇也常常是山区人类活动的主要场所所在地，该区设置泥石流停淤场，用来容纳泥石流体。同时对布置雨量计、泥位计、流速计、红外视频监测措施，对降雨量、泥石流泥位、流速、泥石流泛滥淤积过程进行监测，将泥石流的危害降至最低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，其特征在于，包括：

步骤一：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型；计算形成泥石流的松散土体临界集聚量和泥石流暴发时的临界能量；

步骤二：基于泥石流孕育、发生、运动堆积过程动力学模型，通过各模型边界条件的相互耦合，构建由孕育、发生、泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型及其方程；

步骤三：将泥石流运动力学方程进行离散化，计算设计频率降雨条件或场次降雨条件下，松散土体临界集聚量及形成泥石流的规模，作为数值模拟的初始条件；以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量，所述流域空间泥石流特征参量包括：流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围；

步骤四：以步骤一计算的泥石流临界能量作为能谱的初始值；以泥石流运动过程中的动能、势能、耗散能分析泥石流运动过程中能量的分布，绘制泥石流流域能谱图；根据能量分布特征进行泥石流能谱分区，也即U区、M区和D区；根据各个分区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾方法；

步骤一中的泥石流暴发时的临界能量和能量聚集量的计算方法包括：

泥石流暴发时的能量为松散土体的势能和水体的能量；其中，水体的能量通过下式积分计算：

式中，e为雨滴的能量，

m为雨滴的质量，v为雨滴的最终速度；f(e)为雨滴动能的分布密度，

其中，

A₁表示雨滴尺度参数，B₁为雨滴形状参数；

形成泥石流的松散土体临界集聚量计算模型包括第一表达式、第二表达式：

第一表达式：

V＝(b+c)(0.0548Q_c-0.4378) (2)

式中，V为松散物质的积聚量；Q_c为泥石流流量，由同等降雨指标条件下的洪水流量推算求出；b为沟床纵坡系数；c为岩性系数；

第二表达式：

式中，V为松散物质的积聚量；g(x,y)为松散固体物质的空间分布表达式；x,y分别为地面的纵横坐标；a_i为第i个计算单元面积，i＝1,2,3,…,n；n为流域计算单元的数目；h_i为第i个计算单元的起动土体厚度，目前采用无限边坡模型和可移动固体物质判别模型进行计算：

无限边坡模型中，起动土体厚度h为：

式中，c为粘聚力；

为内摩擦角；ψ＝u_a-u_w为土体基质吸力，其中，u_a为大气压力；u_w为水应力；β为坡度；γ_t为边坡土体容重；

可移动固体物质判别模型中的起动土体厚度h的表达式：

式中，γ_w为水容重；θ为表面坡体坡度；γ_sat为坡面碎屑颗粒土体饱和容重；γ_s为土体颗粒容重；n为孔隙度；d₅₀坡体物质的特征粒径；c、

为分别为坡面土体的粘聚力和内摩擦角；H为表面径流深度；

通过式(4)和式(5)计算单元体起动土层的厚度，再通过式(3)计算松散土体的积聚量；在松散土体积聚量计算的基础上，计算松散土体的势能：

式中，H代表松散物质与坡底的相对高程；m表示重量；g为重力加速度；γ为松散土体的容重；V为松散物质的积聚量；

泥石流暴发时的临界能量通过降雨所输入的动能和松散土体的相对势能所确定：

E₀＝E₁+E₂ (7)

式中，E₁为强降雨阶段降雨所输入的动能，通过式(1)计算；E₂为参与泥石流运动的松散土体的势能，通过式(6)计算；

步骤四中，泥石流体的启动是其运动能量的开始，初始总能量通过式(1)、(6)和(7)计算；运动过程中势能和动能转化，并通过能量耗散，最终停止运动；整个过程的能量表达如下所示：

E₁+E₂-E₃-E₄-E₅＝0 (8)

式中，E₁和E₂同上；E₃为泥石流运动过程中摩擦能量消耗量；E₄为泥石流运动过程中颗粒碰撞能量消耗量；E₅为泥石流运动过程中能量粘滞消耗量；以数值模拟的泥石流流速、流深、容重、淹没范围和运动距离为基础，计算泥石流运动过程中的泥石流动能、势能、耗散能，得到泥石流运动过程的能量分布和能谱图；

步骤四中的泥石流能谱分区按照泥石流能量分布特征进行划分：流体势能降低、动能积聚增加的能谱区域定义为动能聚涨区，称为U区，所述动能聚涨区的特点为流体势能大于动能，势能持续转化为动能和耗散能；泥石流运动过程中由于能量转化和耗散，势能继续降低，动能出现极大值的区域定义为动能突变区称为M区，所述动能突变区的特点为动能大于势能，动能增加并出现极大值，随后动能呈现突变减小的趋势；能量继续耗散，动能和势能均急剧下降的区域定义为动能衰减区域，称为D区，所述动能衰减区域的特征为动能和势能均急剧减小，直至耗散为零。

2.根据权利要求1所述的基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，其特征在于，步骤四，根据泥石流能谱分区U、M、D区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于泥石流动力过程和能谱分析的泥石流的防灾减灾综合技术方案：U区：泥石流启动的临界能量要低，通过调整启动的松散物质的势能即调整松散土体的临界积聚量V，达到降低泥石流起动临界能量的目的；综合减灾措施为：通过采取治坡、治沟、护坡措施，以及行政管理和法令措施，对流域实施综合治理，控制水土、恢复生态，达到降低松散土体的积聚量和泥石流起动临界能量的目的；对U区重要的土体积聚量V的来源，还需要采取监测措施，严密监视其位移、运动和发展过程，进行预警预报；

M区：M区势能转化为动能，动能达到最大值，是泥石流集中下泄的必经区域，也是泥石流冲击力最大的区域，该区通过拦挡、调节和排导工程，达到调节泥石流的动能和冲击力的目的，同时调整泥石流路径使泥石流顺利通过或到达指定的地区，达到保护居民地受灾对象的功能；或该区通过增加泥石流路径的粗造度、延长流通路径的方法，达到增加泥石流运动耗能能和降低泥石流动能和冲击的目的；同时，根据数值模拟结果和保护对象属性，选择适宜的监测断面，对泥石流流速、流深运动过程参数进行严密监测，进行泥石流预警；

D区：为耗散过程，势能和动能转化为热能，泥石流最终停滞下来，泥石流冲击能力减弱，以淤埋为主；D区是人类活动场所聚集区，因此D区承担预防和减轻泥石流危害的功能；通过泥石流停淤场、对危险区重要对象采取保护措施工程措施，监测预警非工程措施，使泥石流在泛滥堆积过程中不致引起危害，将泥石流的危害降至最低；D区首先对设计频率下泥石流灾害进行数值模拟，然后对泛滥堆积范围内的建筑物进行摸排，查明其结构、属性、分布；在此基础上，进行建筑物易损度和能谱的全面分析，进行泥石流淤埋风险图的绘制，有效指导防灾减灾和灾害的应急处置。

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