CN110241773A - 一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，步骤如下：(1)选定暴雨山洪灾害防治沟床断面，确定预警水位；(2)假设沟床被暴雨山洪淹没，计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力，绘制沟床底部压应力与水位变化关系图；(3)在暴雨山洪期间，实时监测沟床底部压应力及沟床断面水位变化，记作标记点(Fp_s,Z_s)，将标记点标记于前述关系图中，根据标记点所处位置判断当前暴雨山洪的类型，根据前述关系图由预警水位确定不同类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围，当实时监测到的沟床压应力达到相应类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围时，即发布不同类型暴雨山洪的实时预警。

Description

一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法

技术领域

本发明属于山区流域暴雨山洪灾害预警领域，涉及一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法。

背景技术

山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等，对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害，具有突发性、水量集中、破坏力大等特点(全国山洪灾害防治规划编制技术大纲，2003)。近几十年来，山洪灾害已成为世界各类自然灾害中的一个主要灾种，其造成的人员伤亡和社会经济损失巨大，引起了各国政府和世界组织的高度关注(孙东亚等，2012)。许多发达国家为了避免山洪造成灾害，常将居民及其他承灾体迁移出致灾区域。由于我国山区面积比重大、人口多，山洪造成的灾害损失往往十分严重，给我国山区国民经济的持续发展造成了严重的影响。在我国2800多个县级行政区中，有1500多个分布于山区，有山洪灾害防治任务的山丘区(即山洪灾害防治区)面积约为463万km²，约占我国陆地面积的48％，居住人口约5.5亿人，占全国总人口的44.2％。山地区域因受降雨、地形及人类活动等影响，频繁发生突发性、局地性极端强降雨引发的山洪灾害，造成的死亡人数占全国洪涝灾害死亡人数的70％以上(全国山洪灾害防治规划简要报告，2005；王光谦，2008；沈盛或，2014)。

山区沟床比降大、暴雨洪水响应时间极短、流速高、冲击力大，对坡地产生极高的坡坏力，挟带大量泥沙向沟床输送，造成沟床淤高、水位陡增，形成漫滩洪水，导致附近的建筑和基础设施被洪水淹没或被泥沙淤埋，造成严重的山洪灾害。

长期以来，暴雨山洪灾害防治研究常以临界降雨特性及洪水量与水位关系为条件判据，例如，实测雨量统计法(全国山洪灾害防治规划领导小组办公室，2003；陈桂亚等，2005)、水位-流量反推法(叶勇等，2008)、暴雨临界曲线法(江锦红等，2010)、临界雨量洪水预警(Le et.al.，2008)、降雨-水位关系预警(吴承卿，2016)等。然而，暴雨山洪过程受泥沙来量的影响，常表现为山洪洪水、山洪泥沙和山洪泥石流，但现有暴雨山洪水位预警方法无法区分暴雨山洪的类型，而不同类型的暴雨山洪所携带的泥沙具有很大差异，这会显著影响沟床监测断面的水位-流量关系，从而制约监测断面水位预警的准确性和有效性，基于单一水位的预警方法会产生的误报和漏报的问题。

举例而言，如图1所示的某山区河流，其暴雨山洪灾害以山洪洪水为主，由图2可知，其水位-流量关系较为稳定单一，根据不同水位与累计人口的关系，可保证水位预警防灾的可靠性和准确性。然而，图3所示的某山区河流，由于洪水期间泥沙大量淤积，导致场次洪水的20年一遇(P＝5％)的暴雨洪水产生了千年一遇(P＝0.1％)的洪水位828.5m，超过了原山洪洪水对应的洪水位(即设计洪水致灾水位825.0m)3.50m，如图4所示，结果导致房屋被淤埋，造成了严重的山洪灾害。由此可见，暴雨山洪挟带泥沙的不同，会显著影响沟床监测断面的水位-流量关系，从而制约了现有暴雨山洪灾害水位预警方法的可靠性和准确性。因此，若能提供在快速识别暴雨山洪类型的基础上，对不同类型的暴雨山洪都能准确实现沟床水位预警方法的方法，为山洪灾害的防治提供更科学、可靠和合理的指导，对于有效减少暴雨山洪造成的人员伤亡和社会经济损失将产生积极的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，以解决现有暴雨山洪预警方法无法区分暴雨山洪类型而造成的容易出现误报和漏报的不足，提高暴雨山洪致灾预警的准确性，为山洪灾害的防治提供更科学和可靠的指导。

本发明提供的适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，步骤如下：

(1)选定沟床平坦的断面作为暴雨山洪灾害防治沟床断面，根据设计防洪水位确定预警水位；

(2)假设沟床被暴雨山洪淹没，根据式(Ⅰ)计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力，然后根据式(Ⅱ)计算沟床断面水位高程，

Fp＝ρ×g×h×10^-3 (Ⅰ)

Z＝Z₀+h (Ⅱ)

式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中，Fp为沟床底部压应力，单位为KPa，g为重力常数，g取9.8N/kg，h为淹没沟床的暴雨山洪的深度，ρ为淹没沟床的暴雨山洪的密度，计算沟床底部压应力时，分别取ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³计算得到三组沟床底部压应力数据；Z为沟床断面水位高程，单位为m，Z₀为沟床断面底部高程，单位为m；

将沟床断面水位高程与计算得到的三组沟床底部压应力数据对应，以沟床底部压应力为横坐标、以沟床断面水位高程为纵坐标作图，得到包括三条沟床底部压应力-水位变化关系曲线的沟床底部压应力与水位变化关系图；

在沟床底部压应力与水位变化关系图中，将ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³对应的沟床底部压应力-水位变化关系曲线依次记作曲线A、曲线B以及曲线C，处在曲线A上的区域为山洪洪水区，位于曲线A及曲线B之间的区域为山洪泥沙区，位于曲线B与曲线C之间的区域以及处在曲线B和曲线C上的区域为山洪泥石流区；

(3)在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装压力传感器，在暴雨山洪灾害防治沟床断面安装水位测量设备，在暴雨山洪期间，实时监测沟床底部压应力及沟床断面水位变化；

将实时测得的沟床底部压应力Fp_s及对应的沟床断面水位Z_s作为标记点(Fp_s,Z_s)，标记于步骤(2)绘制的沟床底部压应力与水位变化关系图中，根据标记点在沟床底部压应力与水位变化关系图中所处的位置，判断当前暴雨山洪的类型，根据沟床底部压应力与水位变化关系图，由预警水位确定不同类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围，当实时监测到的沟床压应力达到相应类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围时，即发布不同类型暴雨山洪的实时预警。

上述预警方法的步骤(3)中，最好是在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装至少1个压力传感器，为了避免压力传感器出现故障的情况，优选在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装2～5个压力传感器，为了提高沟床底部压应力测量的准确性，该步骤在确定标记点时，将各压力传感器在同一时刻测得的有效的沟床底部压应力的平均值作为标记点的横坐标。

上述预警方法的步骤(1)中，所述设计防洪水位通常是已知的，例如在设计城市或城镇时已经确定，通过查阅相关资料即可确定，在没有设计防洪水位的情况下，可根据根据漫滩区保护对象，参照现有方法确定设计防洪水位；预警水位低于设计防洪水位，具体的预警水位需要根据暴雨山洪灾害防治沟床断面所涉及的生命财产安全保护区域进行确定。

上述预警方法的步骤(2)中，计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力时，淹没沟床的暴雨山洪的深度的最大值应保证沟床断面水位高程≥设计防洪水位。

上述预警方法的步骤(3)中，由于沟床底部压应力与水位变化关系图中，只有位于曲线A上的区域是山洪洪水期，也就是说，当暴雨山洪为山洪洪水时，标记点(Fp_s,Z_s)是处于曲线A上的，因此当暴雨山洪的类型为山洪洪水时，确定的沟床底部压应力预警范围是一个点值。

上述预警方法的步骤(3)中，根据沟床底部压应力与水位变化关系图，由预警水位确定不同类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围的方法为：在沟床底部压应力与水位变化关系图中作出预警水位线，将预警水位线与曲线A、曲线B以及曲线C的交点对应的沟床底部压应力值依次记作Fp_A、Fp_B、和Fp_C。当暴雨山洪的类型未山洪洪水时，沟床底部预警压力为Fp_A，当暴雨山洪的类型的山洪泥沙时，沟床底部预警压应力范围为大于Fp_A且小于Fp_B，暴雨山洪的类型的山洪泥石流时，沟床底部预警压应力范围为Fp_B～Fp_C。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种暴雨山洪水位预警的新方法，该方法以沟床底部压应力与水位变化关系图为基础，结合监测断面的底部压应力和水位变化关系，可快速准确地判断当前暴雨山洪的具体类型，山洪灾害防治提供了基础信息，在准确识别暴雨山洪类型的基础上，结合监测断面的山洪预警水位阈值和沟床底部压应力实时过程，可及时发布不同类型暴雨山洪灾害的预警信息，弥补了现有暴雨山洪水位预警方法无法区分暴雨山洪类型(山洪洪水、山洪泥沙、山洪泥石流)的不足，避免了现有采用单一水位预警的方法可能产生的误报、漏报现象的问题。

2.本发明提供的方法不但操作简单，而且适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警，还能提高暴雨山洪致灾预警的准确性，为山洪灾害的防治提供更科学和可靠的指导，有利于更好地实现山洪灾害防治，能有效减少暴雨山洪造成的人员伤亡和社会经济损失。

附图说明

图1是以山洪洪水为主的某河在暴雨山洪期间的照片。

图2是图1所示的河流的某断面的断面水位-人口-流量山洪灾害预警关系图。

图3是以山洪泥沙为主的某河在暴雨山洪期间的照片。

图4是图3所示的河流的某断面的断面水位-流量关系图。

图5是实施例中在选定的沟床断面布置压力传感器和水位计的示意图。

图6是实施例中绘制的沟床底部压应力与水位变化关系图。

图7是实施例中根据沟床底部压应力与水位变化关系图结合预警水位确定预警压应力的示意图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例

本实施例中，适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法的步骤如下：

(1)选定沟床平坦的断面作为暴雨山洪灾害防治沟床断面，根据设计防洪水位将预警水位设定为855.5m。

(2)假设沟床被深度为0.5～5.0m暴雨山洪淹没，根据式(Ⅰ)计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力，然后根据式(Ⅱ)计算沟床断面水位高程，并将沟床断面水位高程与计算得到的三组沟床底部压应力数据对应，列于表1中。

Fp＝ρ×g×h×10^-3 (Ⅰ)

Z＝Z₀+h (Ⅱ)

式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中，Fp为沟床底部压应力，单位为KPa，g为重力常数，g取9.8N/kg，h为淹没沟床的暴雨山洪的深度，ρ为淹没沟床的暴雨山洪的密度，计算沟床底部压应力时，分别取ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³计算得到三组沟床底部压应力数据；Z为沟床断面水位高程，单位为m，Z₀为沟床断面底部高程，单位为m。

表1沟床底部压应力计算表

以沟床底部压应力为横坐标、以沟床断面水位高程为纵坐标作图，具体是以沟床底部压应力为横坐标、以沟床断面水位高程为纵坐标，将表1中的三组沟床底部压应力数据与其对应的沟床断面水位高程标识于同一直角坐标系中，在坐标系中形成三组点，将各组点分别用直线连接，得到包括三条沟床底部压应力-水位变化关系曲线的沟床底部压应力与水位变化关系图。

在沟床底部压应力与水位变化关系图中，将ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³对应的沟床底部压应力-水位变化关系曲线依次记作曲线A、曲线B以及曲线C，处在曲线A上的区域为山洪洪水区，位于曲线A及曲线B之间的区域为山洪泥沙区，位于曲线B与曲线C之间的区域以及处在曲线B和曲线C上的区域为山洪泥石流区，如图6所示。

(3)如图5所示，在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装压力传感器，在暴雨山洪灾害防治沟床断面安装水位计，在暴雨山洪期间，实时监测沟床底部压应力及沟床断面水位变化。

将实时测得的沟床底部压应力Fp_s及对应的沟床断面水位Z_s作为标记点(Fp_s,Z_s)，标记于沟床底部压应力与水位变化关系图中，根据标记点在沟床底部压应力与水位变化关系图中所处的位置，判断当前暴雨山洪的类型。根据沟床底部压应力与水位变化关系图，由预警水位确定不同类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围，由于预警水位为855.5m，如图7所示，曲线A、曲线B和曲线C上，与预警水位855.5对应的沟床底部压应力值分别为39.2KPa、52.9KPa和84.9KPa，因此可确定山洪洪水的沟床底部压应力预警值为39.2KPa，山洪泥石流的沟床底部压应力预警范围为大于39.2KPa且小于52.9KPa，山洪泥石流的沟床底部压应力预警范围为52.9～84.9KPa。

以下举例说明确定暴雨山洪的类型和预警的过程：

比如，在暴雨山洪期间，某一时刻测得的沟床底部压应力Fp_s为22.8KPa，对应的沟床断面水位Z_s为853.5m，将(22.8，853.5)作为标记点标记于沟床底部压应力与水位变化关系图，见图7中的实心五角星形标记点，由于该标记点处于曲线A与曲线B之间的区域中，由此可确定暴雨山洪类型的山洪泥沙，在后续实时监测过程中，标记点(Fp_s,Z_s)始终位于曲线A与曲线B之间的区域中，说明该暴雨山洪的类型未发生变化，始终为山洪泥沙，当压力传感器实时测得的沟床底部压应力值增加到大于39.2KPa且小于52.9KPa这一范围时，即实时发出预警。

又比如，在暴雨山洪期间，某一时刻测得的沟床底部压应力Fp_s为22.8KPa，对应的沟床断面水位Z_s为853.5m，将(22.8，853.5)作为标记点标记于沟床底部压应力与水位变化关系图，见图7中的实心五角星形标记点，由于该标记点处于曲线A与曲线B之间的区域中，由此可确定暴雨山洪类型的山洪泥沙，在后续实时监测过程中，发现某一时刻测得的沟床底部压应力Fp_s为30KPa，对应的沟床断面水位Z_s为853.1m，将(30，853.1)作为标记点标记于沟床底部压应力与水位变化关系图，见图7中的空心五角星形标记点，由于该标记点处于曲线B与曲线C之间的区域中，由此可确定暴雨山洪类型已由山洪泥沙转变为了山洪泥石流，并且在后续的实时监测过程中，发现标记点(Fp_s,Z_s)始终位于曲线B与曲线C之间的区域中，说明该暴雨山洪的类型稳定在了山洪泥石流这一类型上，当压力传感器实时测得的沟床底部压应力值增加到52.9～84.9KPa这一范围时，即实时发出预警。

Claims (4)

1.一种适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，其特征在于步骤如下：

(1)选定沟床平坦的断面作为暴雨山洪灾害防治沟床断面，根据设计防洪水位确定预警水位；

(2)假设沟床被暴雨山洪淹没，根据式(Ⅰ)计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力，然后根据式(Ⅱ)计算沟床断面水位高程，

Fp＝ρ×g×h×10^-3 (Ⅰ)

Z＝Z₀+h (Ⅱ)

式(Ⅰ)和式(Ⅱ)中，Fp为沟床底部压应力，单位为KPa，g为重力常数，g取9.8N/kg，h为淹没沟床的暴雨山洪的深度，ρ为淹没沟床的暴雨山洪的密度，计算沟床底部压应力时，分别取ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³计算得到三组沟床底部压应力数据；Z为沟床断面水位高程，单位为m，Z₀为沟床断面底部高程，单位为m；

将沟床断面水位高程与计算得到的三组沟床底部压应力数据对应，以沟床底部压应力为横坐标、以沟床断面水位高程为纵坐标作图，得到包括三条沟床底部压应力-水位变化关系曲线的沟床底部压应力与水位变化关系图；

在沟床底部压应力与水位变化关系图中，将ρ＝1000kg/m³、ρ＝1350kg/m³以及ρ＝2200kg/m³对应的沟床底部压应力-水位变化关系曲线依次记作曲线A、曲线B以及曲线C，处在曲线A上的区域为山洪洪水区，位于曲线A及曲线B之间的区域为山洪泥沙区，位于曲线B与曲线C之间的区域以及处在曲线B和曲线C上的区域为山洪泥石流区；

(3)在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装压力传感器，在暴雨山洪灾害防治沟床断面安装水位测量设备，在暴雨山洪期间，实时监测沟床底部压应力及沟床断面水位变化；

将实时测得的沟床底部压应力Fp_s及对应的沟床断面水位Z_s作为标记点(Fp_s,Z_s)，标记于步骤(2)绘制的沟床底部压应力与水位变化关系图中，根据标记点在沟床底部压应力与水位变化关系图中所处的位置，判断当前暴雨山洪的类型，根据沟床底部压应力与水位变化关系图，由预警水位确定不同类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围，当实时监测到的沟床压应力达到相应类型的暴雨山洪的沟床底部压应力预警范围时，即发布不同类型暴雨山洪的实时预警。

2.根据权利要求1所述适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，其特征在于，步骤(3)中，在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装至少1个压力传感器。

3.根据权利要求1所述适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，其特征在于，步骤(3)中，在暴雨山洪灾害防治沟床断面底部安装2～5个压力传感器，确定标记点时，将各压力传感器在同一时刻测得的沟床底部压应力的平均值作为标记点的横坐标。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述适用于不同类型暴雨山洪致灾的沟床水位预警方法，其特征在于，步骤(2)中计算当沟床被不同深度的暴雨山洪淹没时的沟床底部压应力时，淹没沟床的暴雨山洪的深度的最大值应保证沟床断面水位高程≥设计防洪水位。