CN110766270B - 基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，步骤如下：①选定山区河流的支流与主流的交汇区作为目标河段，并且目标河段具有防灾保护对象；②测量交汇区的主流和支流的河宽，分别记作B_主、B_支，测量交汇区的主流和支流的河床比降，分别记作J_主、J_支；③根据式

计算交汇区的支流与主流的动量比M^*，若交汇区的支流与主流的动量比M^*≥1，则该交汇区为山洪泥沙灾害易灾区。该方法可快速识别山区河流交汇区的山洪泥沙灾害易灾区，为山区河流交汇区沿岸人类活动区安全规划及山洪泥沙灾害防治提供科学、可靠的指导。

Description

基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾 害易灾区识别方法

技术领域

本发明属于山区流域山洪泥沙灾害防治领域，涉及基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法。

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，以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。山洪灾害已成为世界各类自然灾害的主要灾种，频繁引起重大人员伤亡和财产损失。据国际气象组织的调查，在139个国家中将山洪灾害损失排第一、第二位的有105个。我国山洪灾害防治区463万km²，占陆地面积48％，山区居住人数约有5.5亿人，占全国总人口的44.2％。山区河流交汇区是人口密集居住以及工农业生产的重要区域。近年来，受极端降雨、地震以及超量来沙条件等因素的影响，山区河流交汇区山洪泥沙灾害频繁发生，图1为山区河流交汇区典型山洪泥沙灾害的照片。

众多研究表明：山区河流支流的河床比降大，坡面及沟道粗颗粒量丰富，在暴雨洪水条件下，支流洪水挟沙能力巨大，而主流比降一般远小于支流，且交汇区水流顶托混掺后，输沙能力骤降，导致交汇区泥沙淤埋突出、河床比降进一步减小、水位陡增淹没致灾显著。Best(1988)通过水槽试验分析及天然河道观测，指出交汇区河流形态受河道交汇角和干支汇流比控制。刘建新等(1996)认为干支流汇流比是交汇区水面比降、输沙率变化的主要因素。刘同宦等(2006)通过30°交汇角试验表明，不同汇流比和支流水沙条件都会影响交汇区冲淤发展。Billi(2011)通过分析典型山洪事件资料，指出大比降河流的山洪过程具有突出的强输沙特征。强来沙过程剧烈调整河床并诱发灾害(Owczarek,2008；Tarolli,2009；Huang et al.2013)。张原锋等(2013)利用野外观测资料，分析了黄河上游河段支流洪水挟带的大量泥沙在干支流交汇区域淤堵特性，表明发生淤堵的原因是交汇区的输沙能力，且与干支流汇流比和支流来沙量相关。王海周等(2015)通过分析交汇河流水位的沿程变化，认为水位变化也与主支来流比关系密切。Long(2017)阐明了暴雨山洪较大程度增加了山溪性河流的泥沙来量。

由此可见，山区河流交汇区的水沙运动及其成灾特性主要受主支来流来沙及河流形态的变化的影响，大比降支流来沙更容易造成交汇区主河淤堵，由此极易造成水位陡增引发淹没灾害。长期以来，暴雨山洪灾害预报预警理论及防治技术研究多以降雨-径流-水位分析为主，以临界降雨/水位阈值条件为判据，但对于山区河流交汇区而言，现有方法由于未考虑主支来流来沙及河流形态的变化等造成的泥沙淤堵的影响，难以真实揭示山洪泥沙共同致灾机制，也无法准确识别山区流域的干支流交汇区的山洪泥沙灾害易灾区，难以起到有效的山洪泥沙灾害减灾作用。因此，有必要专门针对山区河流交汇区提出山洪泥沙易灾区识别方法，为山区河流交汇区的人类活动区安全规划及山洪泥沙灾害防治提供科学、可靠的指导。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，以解决现有技术存在的难以准确识别山区河流交汇区山洪泥沙灾害易灾区的不足，快速识别山区河流交汇区的山洪泥沙灾害易灾区，为山区河流交汇区沿岸人类活动区安全规划及山洪泥沙灾害防治提供科学、可靠的指导。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，步骤如下：

①选定山区河流的支流与主流的交汇区作为目标河段，目标河段具有防灾保护对象；

②测量交汇区的主流和支流的河宽，分别记作B_主、B_支，测量交汇区的主流和支流的河床比降，分别记作J_主、J_支；

③根据式(1)计算交汇区的支流与主流的动量比M^*，

式(1)中，M^*为交汇区的支流与主流的动量比，M_主,M_支分别为交汇区的主流和支流的动量，B_主,B_支分别为交汇区的主流和支流的河宽，J_主,J_支分别为交汇区的主流和支流的河床比降；

若交汇区的支流与主流的动量比M^*≥1，则该交汇区为山洪泥沙灾害易灾区。

上述技术方案中，所述目标河段具有防灾保护对象是指目标河段具有已建防灾保护对象或者拟规划建设的防灾保护对象。

山地区域受地形地貌条件影响，适于人类活动区域较少。山区河流的支流与主流交汇发育丰富，交汇口常出现较为宽阔的滩地，是山区村民、集镇等人类活动较为密集区。由于支流坡降大，输沙能力强，而主流相对较宽，受支流超量来沙和交汇区水沙运动影响，常在交汇区形成淤堵、淹没成灾，尤其是90°交汇最为突出。本发明的方法主要适用于交汇角约为90°的主支交汇河流，为更适应天然河道的实际情况，可适当放宽交汇角度的限制，本发明的方法适用于交汇角在90°左右的交汇河流，通常适用于交汇角为90°±10°的山区交汇河流。

上述技术方案中，对于山区河流的支流而言，一般是顺直河段，支流的河宽差异不明显，式(1)中的交汇区的支流的河宽B_支可取支流的平均河宽，受现场勘测条件的限制，难以测得支流的平均河宽时，可采用支流某一段的平均河宽或者某一处的河宽，支流的河床比降的差异也不明显，式(1)中的干支流交汇区的支流的河床比降J_支可取支流的平均河床比降，受现场勘测条件的限制，可采用支流某一段的平均河床比降或某一处的河床比降；对于山区河流的主流而言，一般在交汇汇口上下游一千米以内的河宽和河床比降的差异较小，式(1)中的交汇区的主流的河宽B_主、主流的河床比降J_主可取在交汇汇口上下游一千米以内的任意河宽和河床比降。

为了让本领域技术人员对本发明有更深入的了解，以下对本发明的技术方案的获得过程作以下说明。

首先，基于室内概化试验，讨论交汇区的水沙运动致灾特性，揭示河流交汇区淹没淤埋成灾机制，并通过河流动力学基础知识，分析交汇区主支流动量变化特性及定量计算方法；然后，以交汇引起分离区变化和交汇区典型成灾案例分析，总结交汇区山洪泥沙灾害易灾区的判别方法，为山区河流交汇区的山洪灾害防治提供技术支持。更详细的过程如下：

1)山区河流交汇区水沙运动致灾机理分析

山区河流交汇处，受主支流来水来沙特性影响，其水沙运动致灾主要体现在两个方面，其一是主支来流相互顶托，常在交汇区上游形成壅水区、在交汇区下游形成水流分离区，如图2所示，容易产生泥沙淤积，同时缩小过水断面，降低过流能力，造成交汇区上游水位抬高，引发淤堵、淹没灾害；其二，在支流比降大、来沙超量的条件下，会导致交汇区淤堵和淹埋，形成重大山洪泥沙灾害。

对于第一点，我们通过实验室水槽试验和数值模拟的方法证实了在主支交汇河流水流顶托作用下，易在交汇区形成水流分离区，并发生水位壅高的现象，如图3所示，图3的(A)图是水槽试验的照片，图3的(B)图是数值模拟的结果。对于第二点，我们通过现场勘测和物理模型试验证实了在支流超量来沙的条件下，在干支流交汇区会诱发泥沙淤堵和淹埋，如图4所示，图4的(A)图是文家沟入汇绵远河在支流超量来沙条件下诱发的泥沙淤堵和淹埋的现场照片，图4的(B)图是模拟文家沟入汇绵远河在支流超量来沙条件下诱发的泥沙淤堵和淹埋的物理模型的照片。

基于河流动力学知识，大比降强输沙特性主要取决于河道水流的动量变化，主流和支流的水流动量参数可表示为式(2)～(3)：

M_主＝ρ·Q_主·V_主 (2)

M_支＝ρ·Q_支·V_支 (3)

流量计算采用谢才公式表示，如式(4)所示：

假定水力半径与平均水深近似相等，则交汇区的支流与主流的动量比如式(5)所示：

式(2)～(5)中，M^*为交汇区的支流与主流的动量比，M为动量，ρ为水流密度，B为河宽，V为平均流速，h为平均水深，R为水力半径，J为河床比降，n为糙率系数，Q_主,Q_支分别为主流和支流的流量，V_主,V_支分别为主流和支流的平均流速，M_主,M_支分别为交汇区的主流和支流的动量，B_主,B_支分别为交汇区的主流和支流的河宽，J_主,J_支分别为交汇区的主流和支流的河床比降，h_主,h_支分别为交汇区的主流和支流的平均水深，n_主,n_支分别为交汇区的主流和支流的糙率系数。

2)主支流动量比变化下的交汇区流场特性

从山区河流的主支流发育及交汇区的成灾特征来讲，直角交汇(支流与主流的交汇角为90°)引起的泥沙淤堵最为严重，而主支流动量变化是泥沙输移的关键动力。为此，采用数值模拟方法分析不同主支流动量变化下的流场特性。

采用Fluent计算软件，计算概化的直角交汇河段流场。为考虑泥沙淤积作用和山区河流的比降特性，以主流河床比降为0.01，支流河床比降为0.02，主流长度1000m，主流宽度80m，支流长度300m，支流宽度50m主流道交汇处上游长400m为例，构建模型进行数值模拟计算，模型采用四边形网格划分，每隔5m一个网格，整个模型共生成3800个规则四边形网格，如图5所示。模型边界条件采用主支流进口为速度进口，出口为自由出流，边壁为无滑移固壁条件。

在不同的交汇区的支流与主流的动量比M^*条件下，交汇水流相互顶托作用强弱不一，交汇区的分离区大小与流速分区存在显著差异，从而影响泥沙的淤积位置。数值模拟采用7组不同的支流与主流的动量比进行数值试验，主支来流量见表2，主流与支流的动量采用式(2)～(3)计算，式中的流速为各来流条件的数值计算平均流速，支流与主流的动量比M^*分别取0.07、0.16、0.28、0.40、0.63、1.11、1.74。

图6为不同支流与主流的动量比M^*条件下交汇区平面二维流场及流线图，由图6可知，不同的支流与主流的动量比时，交汇区出现了不同范围的低流速区。当M^*较小时，低流速区范围较小，形成的回流区域很小，此时分离区很小；当M^*逐渐增大时，低流速区范围扩大，回流区越来越明显，形成的分离区逐渐变大。即分离区随着M^*的增大而增大，也就是泥沙淤堵区域随M^*增大而增大。

采用流线法定义水流分离区，即分离区最外层的一条流线至接触固壁时X方向(主流方向)的长度为分离区长度L，此流线与Y方向(垂直于主流方向)的最大距离为分离区宽度b，如图7所示。表1为不同支流与主流的动量比M^*条件下的分离区特征，图8为不同支流与主流的动量比M^*条件下的分离区宽度变化曲线，由图8可知，当M^*≥1时，分离区宽度约占主流河宽的30％以上，M^*＝1时，分离区宽度约占主流河宽的30％。该步骤的数值模拟的是主流与支流均未输沙的情况，在未输沙的情况下，M^*＝1时，分离区宽度已经约占主流河宽的30％，由于支流的河床比降大，在支流有输沙情况下，若分离区宽度占主流河宽的30％以上，分离区容易发生显著的泥沙淤积，在支流强输沙条件下，若分离区宽度约占主流河宽的30％以上，分离区会发生更为严重的泥沙淤积，出现山洪泥沙灾害。

表1不同支流与主流的动量比条件下的分离区特征

在支流超量来沙进入交汇区时，泥沙会严重淤堵主流河槽，此时支流和主流的水深基本相同，当忽略交汇区主流与支河的流糙率系数变化时，式(5)可简化为式(6)：

由于山区河流交汇区的主流与支流的河流形态参数较易获取，结合式(6)和数值模拟的分离区特征分析，可快速识别交汇区山洪泥沙灾害易灾区。

3)山区河流交汇区山洪泥沙灾害的主流与支流的动量比变化分析案例

选取大量典型山区河流交汇区山洪泥沙灾害的案例，通过野外调查分析这些交汇区发生山洪泥沙灾害时的

的值，发现这些典型山区河流交汇区山洪泥沙灾害的案例的共同规律均为

以下给出几个典型山区河流交汇区山洪泥沙灾害案例作为示例。

①典型案例一

三眼峪沟入汇白龙江交汇区：2010年8月7日晚甘肃省甘南藏族自治州舟曲县受局地强降雨影响，于当日23:40分左右县城后山三眼峪沟及罗家峪沟突发大规模泥石流，支沟超量泥沙沿程淤埋和淤堵白龙江河道。据调查(余斌等，2010；尹成戌，2011；胡向德等，2011)，在此次山洪泥沙灾害中，三眼峪沟泥沙来量在100万m³以上，堆积物总量约65万m³，包括堆积扇区40万m³，主流汇口段及下游河段约25万m³，三眼峪沟入汇白龙江并形成回水长3km的堰塞湖，县城一半被淹，造成重大的生命财产损失。结合干流与支流的河流形态参数，计算此次山洪泥沙灾害支流与主流的动量比：

②典型案例二

麻柳沟入汇龙溪河交汇区：2010年8月13日，岷江支流龙溪河的龙池镇经历极端暴雨，最大1h降雨量达75mm(时间为16:00～17:00)，最大2h降雨量达128.3mm(时间为16:00～18:00)，连续3h降雨量达到150mm(时间为15:00～18:00)，麻柳沟在约17:00左右暴发了泥石流(余斌等，2011)。堆积区位于东岳村1组龙溪河右岸，该次山洪泥沙灾害，损害居民房6栋40间，泥沙淤堵龙溪河，淤埋公路130m(薛强等，2014)。结合干流与支流的河流形态参数，计算此次山洪泥沙灾害支流与主流的动量比：

③典型案例三

炉房沟入汇牛栏江交汇区：2010年7月12日22时至13日10时的12小时内，云南巧家小河镇荞麦地河大村雨量站12日22时～13日9时，11小时降雨量50.5mm；牛栏江小河水文站13日2～8时降雨量35.4mm。7月13日凌晨4时许，云南省巧家县小河镇因突降暴雨而引发重大山洪灾害共造成19人死亡、26人失踪、43人重伤，受灾人数达1200余人，冲毁房屋16户128间，预计经济损失达1.8亿元。炉房沟南支沟的平均河床比降约0.20，北支沟的平均河床比降约0.19，整体平均比降达0.195。结合干流与支流的河流形态参数，计算此次山洪泥沙灾害支流与主流的动量比：

结合步骤2)的数值模拟分析和步骤3)的典型案例分析，可知受主支流交汇影响，主流河道常产生较大范围的分离区，因而支流大量来沙将在主河淤积，导致交汇区山洪泥沙淤堵、淹没灾害，此时

可采用

作为交汇区为山洪泥沙灾害易灾区的判据，即当

时，该交汇区为山洪泥沙灾害易灾区。

采用本发明提供的方法，通过山区河流交汇区的主流和支流的河宽和河床比降这些河道形态参数，即可识别山区河流交汇区山洪泥沙灾害易灾区，对于目标河段具有已建防灾保护对象是山洪淹没灾害防治而言，可以通过本发明的方法判断山区河流的交汇区是否为山洪泥沙灾害易灾区，在山洪暴发前指导沿岸居民撤离至安全区域；对于山区河流沿岸人类活动区域安全规划而言，通过本发明的方法，可以判断目标河段拟规划建设的防灾保护对象是否处于山洪泥沙易灾区内，指导拟规划建设的防灾保护对象的规划位置的合理选择。

与现有技术相比，本发明的技术方案产生了以下有益的技术效果：

1.本发明基于室内试验、理论分析、数值模拟及野外调查，揭示了山区河流交汇区发生山洪泥沙淤堵淹没灾害关键的水动力特性和河流形态参数，主要包括分离区大小、主支河流河宽、比降变化，结合主支河流交汇区的流场变化及分离区特征，通过数值模拟和典型案例分析，表明河流交汇区发生山洪泥沙淤堵、淹没灾害时，产生淤堵、淹没灾害的易灾区主支动量比M^*≥1.0，考虑分离区变化的影响，以河流形态参数

作为识别山区河流交汇区山洪泥沙灾害易灾区的判据，提出了专门针对山区河流交汇区的山洪泥沙灾害易灾区的识别方法，该方法充分考虑了主支来流来沙及河流形态的变化造成的泥沙淤堵的影响，揭示山洪泥沙共同致灾机制，仅依交汇区主支流的河段的形态参数即可实现山洪泥沙易灾区的快速识别，简单易行，快捷可靠。

2.采用本发明提供的方法可为山区河流交汇区沿岸的人类活动区域的安全规划和山洪泥沙灾害的防治提供可靠的指导，对于目标河段具有已建防灾保护对象是山洪淹没灾害防治而言，可以通过本发明的方法判断山区河流的交汇区是否为山洪泥沙灾害易灾区，在山洪暴发前指导沿岸居民撤离至安全区域，对于山区河流沿岸人类活动区域安全规划而言，通过本发明的方法，可以判断目标河段拟规划建设的防灾保护对象是否处于山洪泥沙易灾区内，指导拟规划建设的防灾保护对象的规划位置的合理选择。本发明的方法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是山区河流交汇区典型山洪泥沙灾害的照片，图中虚线框圈出的地方为泥沙淤积区。

图2是交汇区的流场分区示意图。

图3是实验室水槽试验和数值模拟方法展示的主支交汇河流水流顶托作用下交汇区发生的水位抬高的现象的实验结果，其中，(A)图是水槽试验的照片，(B)图是数值模拟的结果，图中箭头所示方向为水流方向。

图4是现场勘测和物理模型展示的在支流超量来沙的条件下交汇区诱发泥沙淤堵和淹埋情况，其中，(A)图是文家沟入汇绵远河在超量来沙条件下诱发的泥沙淤堵和淹埋的现场照片，(B)图是模拟文家沟入汇绵远河在超量来沙条件下诱发的泥沙淤堵和淹埋的物理模型的照片。

图5采用Fluent计算软件计算概化的直角交汇河段流场的模型计算区域及网格划分示意图。

图6是为不同支流与主流动量比条件下交汇区平面二维流场及流线图。

图7是采用流线法确定分离区大小的示意图。

图8是不同支流与主流动量比条件下的分离区大小的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法作进一步说明。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，以文家沟入汇绵远河交汇区为例，说明基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法。

①选定文家沟入汇绵远河交汇区作为目标河段，该目标河段具有已建的防灾保护对象桥梁、公路、学校、加油站、民房等。

②测量交汇区的主流和支流的河宽，在2010年经过实地勘测，得知支流文家沟的平均河宽约20m，河床比降约0.256，即B_支＝20m、J_支＝0.256，交汇区的主流绵远河的平均河宽约400m，河床比降约0.01，即B_主＝400m、J_支＝0.01。

③结合干流与支流的河流形态参数，计算支流与主流的动量比：

因文家沟入汇绵远河交汇区的支流与主流的动量比M^*＞1，说明该交汇区为山洪泥沙灾害易灾区。

在2010年8月12日18时至13日4时，四川绵竹市清平乡出现强降雨，12日19时至22时，雨量较小，22:30至13日1:30为持续暴雨，12日23:45时清平乡绵远河流域的文家沟开始暴发泥石流，至13日凌晨1时规模最大，13日4时基本结束，持续时间约4小时，超量泥沙冲入绵远河，引发了交汇区山洪泥沙淤堵淹没灾害，现场照片如图4的(A)图所示。

Claims (3)

1.基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，其特征在于，步骤如下：

①选定山区河流的支流与主流的交汇区作为目标河段，目标河段具有防灾保护对象；

②测量交汇区的主流和支流的河宽，分别记作B_主、B_支，测量交汇区的主流和支流的河床比降，分别记作J_主、J_支；

③根据下式计算交汇区的支流与主流的动量比M^*，

上式中，M^*为交汇区的支流与主流的动量比，M_主,M_支分别为交汇区的主流和支流的动量，B_主,B_支分别为交汇区的主流和支流的河宽，J_主,J_支分别为交汇区的主流和支流的河床比降；

若交汇区的支流与主流的动量比M^*≥1，则该交汇区为山洪泥沙灾害易灾区。

2.根据权利要求1所述基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，其特征在于，目标河段具有防灾保护对象是指目标河段具有已建防灾保护对象或者拟规划建设的防灾保护对象。

3.根据权利要求1或2所述基于山区河流形态与主支流动量比变化的交汇区山洪泥沙灾害易灾区识别方法，其特征在于，交汇区的支流与主流的交汇角为90°±10°。

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