CN111832959A - 冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法 - Google Patents

冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法 Download PDF

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Abstract

一种冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法，其根据冰湖溃决后湖面水面下降情况、洪水泥石流在沟道内的流动特性，结合沟道内泥位监测数据，可实时监测并计算出各断面处洪水泥石流流速、流量与到达下游的预计时间，再结合下游居民区/重要工程/基础设施的建设位置以及规划好的预警等级表向下游发出预警。该方法在日常情况下可根据常流量及湖面高程变化自行校准并记录日常监测值范围。同时在冰湖溃决后该法还可监测整个洪水泥石流过程的演进状态，记录整个洪水泥石流过程在各断面处的各时刻流速、流量，并根据全程的监测数据估算泥石流的容重。本发明提供的方法实施简便，操作较易，监测较为精确，可有效避免误报及过度预警。

Description

冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法
技术领域
本发明属于泥石流防治工程、水利工程领域，涉及一种冰湖溃决洪水泥石流监测与多级预警方法。
背景技术
山洪泥石流是我国青藏高原地区常见的地质灾害之一，而冰湖溃决洪水泥石流则更是西藏地区典型的灾害类型。其具有突发性强、量级大、强破坏力及危害范围极广的特点。随着山区经济的发展，大量的重要工程、基建设施及居民区修建在了沟口的下游，而近几十年来受人为工程及气候异常导致的冰湖溃决案例逐渐增多，为保证下游居民人身、财产及重要工程、基础设施安全，冰湖溃决洪水泥石流的监测与预警需求越来越旺盛。
目前国内外对泥石流的预警大多针对在降雨型泥石流上，但由于冰湖溃决泥石流和降雨型泥石流启动条件不同，具有历史较短、洪峰流量大，总流量大的特点，前者的预警方法并不能在冰湖溃决洪水泥石流预警中起到较好的作用。现对于冰湖溃决洪水泥石流的监测预警方法较为欠缺，相关的方法多是通过评估危险性、易发性的方法、结合冰湖溃决相关高权重因子作为指标，来预测冰湖溃决泥石流发生的可能性，但由于此类定性分析的方法难以将各致灾因子考虑齐全，且各因子对溃决风险的影响程度难以明晰，导致该预警方法的精度较低。且该类基于危险性分析方法并不能真实的反应冰湖溃决泥石流的性质、动力参数，当溃决洪水泥石流暴发后，无法及时向下游汇报泥石流演进状态及方式、洪水泥石流到达时间及危害程度信息。当下游存在居民区、重要工程、基础设施时，依靠危险性判别的预警方法无法准确的根据泥石流的演进状态判别泥石流是否会对下游造成危险，极易造成误报或过度预警，使下游居民区正常生活及重要工程设施的运行受到影响。且以往的方法多集中于预警，对监测的要求不高，这使得科研及防治工作者因缺乏数据导致难以为事后的泥石流防治、评价及反演提供足够的信息。
发明内容
本发明的目的是针对现有对冰湖溃决型泥石流监测预警方法的不足，提供了一种可以基于冰湖水面高程、沟道内洪水泥石流演进、泥深监测及水力学计算的泥石流分级预警方法。当冰湖溃决后，根据溃决洪水泥石流的头端流量、洪峰流量及到达位置及时发出预警信息。该方法可实时监测并计算整个沟道各监测断面处洪水泥石流特征值随时间的变化，预警可靠性较高，实用性较强且便于维护。
为解决上述问题，作为本发明的一个方面，提供了一种冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法，包括：
步骤1，实地勘察沟道及冰湖，确定湖面面积A：沿沟道由冰湖坝处至沟口分段布置监测断面，将监测断面自下游向上游分别编号为1、2、3…n；在各监测断面布置主监测器及其上下游位置布置副泥位监测器，各监测断面的监测段长度为两副监测器之间的距离lN，确定各监测断面至下游居民区、重要工程、基础设施处的距离LN；在冰湖湖面设置监测仪器，实时监测湖面高程变化情况，根据日常监测数据，确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围及变化速度范围以及沟道流通区各断面监测段内常流量的水深范围；勘察下游居民区/重要工程/基础设施位置，确定其与所在位置处沟道断面宽度Bs、以及与底坡之间的高差最小值Hs；
步骤2，综合考虑洪水泥石流到达时间和洪水泥石流龙头峰值流量建立分级预警级别，到达沟口或重要基础设施位置的时间越短越危险，峰值流量越大越危险，最终确定预警等级分为红色预警、橙色预警、黄色预警及蓝色预警级别，具体分级如下：
Figure BDA0002594908870000031
步骤3，泥石流暴发时，湖面水深出现明显下降，当湖面处监测器监测到的湖面高程骤降，并结合最上游的监测断面n位置的响应数据，做出溃决洪水发生的预报，并计算溃口处各时刻的溃决流量
Figure BDA0002594908870000032
步骤4，将N号监测断面处的主监测仪器监测到泥深骤变或监测信号忽然消失的时刻tN记录为洪水泥石流龙头通过该监测段主仪器下方的时间。根据步骤1中获得的各监测断面处的监测段的长度、洪水泥石流头部通过监测断面N的监测段的最上游泥位监测器和最下游泥位监测器的时间差ΔtN，利用公式
Figure BDA0002594908870000033
计算出洪水泥石流头端通过N断面时的平均流速
Figure BDA0002594908870000034
步骤5，若监测断面处泥位监测仪未被冲毁，进一步结合N监测断面位置的实测的tN时刻溃决洪水泥石流的深度
Figure BDA0002594908870000035
通过公式
Figure BDA0002594908870000036
来计算首波通过N断面的洪水泥石流的峰值流量，利用公式
Figure BDA0002594908870000041
预估N断面监测到的洪水泥石流到达沟口居民区或重要基础设施的所剩时间，利用公式
Figure BDA0002594908870000042
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区、重要工程、基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响，当
Figure BDA0002594908870000043
时认为不构成影响；此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处的时间tN、流量
Figure BDA0002594908870000044
流速
Figure BDA0002594908870000045
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN、预估的洪水泥石流在居民区/重要工程/基础设施处时的泥深
Figure BDA0002594908870000046
进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员。若监测断面处监测仪被冲毁，则跳过该步，进入步骤6；
步骤6，若监测断面处监测仪被冲毁，利用公式
Figure BDA0002594908870000047
预估洪水泥石流从N断面到达沟口居民区或重要基础设施的时间。若断面监测段处的两副监测仪至少有一处未损坏，则采用副监测仪处泥深作为监测断面的泥深
Figure BDA0002594908870000048
再通过公式
Figure BDA0002594908870000049
来计算洪水泥石流头端通过通过N断面时的峰值流量，利用公式
Figure BDA00025949088700000410
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区、重要工程、基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响，当
Figure BDA00025949088700000411
时认为不构成影响；若断面监测段处主副监测仪均被冲毁，则直接认定
Figure BDA00025949088700000412
且会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响；此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处流量
Figure BDA0002594908870000051
流速
Figure BDA0002594908870000052
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN；进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员；
步骤7，监测系统继续监测整个洪水泥石流过程中各监测断面处的泥深。根据公式
Figure BDA0002594908870000053
计算各时刻溃口处流量Q溃口/t；根据公式
Figure BDA0002594908870000054
计算出各个断面在不同时刻的流量，通过监测各断面在不同时刻处的流量，可得出在洪水泥石流暴发过程中包括峰值流量在内的任一时刻各监测断面处流量值，以及任一断面处随时间流量的变化，以此评估各个时刻溃决洪水泥石流的流量是在增大还是减小，并监测后续洪水泥石流流量是否会对下游居民区/重要工程/基础设施的正常运营造成影响；
步骤8，洪水泥石流过程结束后，通过监测整个洪水泥石流过程通过沟口断面处的总流量Q总/沟口＝∫Q沟口/tdt与溃口处洪水总流量Q总/溃口＝∫Q溃口/tdt，可估算得本次洪水泥石流过程冲出的洪水泥石流密度
Figure BDA0002594908870000055
优选地，监测断面位置的选取需满足沟道宽度Bn需与其上下游2ln内平均沟道宽度相差不超过20％，且不能位于沟道纵坡急剧变化的区域，各监测断面之间的距离应在适当均分的基础上，不超过3-5km。
优选地，预警等级的划分需综合考虑冰湖溃决洪水泥石流的峰值流量、流速、以及到达下游保护对象的时间。
优选地，步骤1中的Hs值应为重要工程、居民区、基础设施等所有设施底面距离沟底高差的最小值，当基础设施为桥梁时，取桥面底部距离沟底的最小高差。
优选地，步骤5、6中需实时监测洪水泥石流龙头的最新运动情况，所预报的泥石流到达时间、流量、流速等参数为泥石流龙头最新通过的第N个监测断面时获取的数值。
本发明利用监测仪器实时监测不同点处泥石流泥深，并通过水力学相关计算确定泥石流流量、流速。最终将计算值与下游的反应时间相联，将多级预警信号发送至下游，下游居民区的工作人员根据信号值及泥石流相关参数做出反应来保障安全。
附图说明
图1示意性地示出了本发明的流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明公开了一种冰湖溃决洪水泥石流多级监测预警方法，属于泥石流防治工程、水利工程领域。本发明根据冰湖溃决后湖面水面下降情况、洪水泥石流在沟道内的流动特性，结合沟道内泥位监测数据，可实时监测并计算出各断面处洪水泥石流流速、流量与到达下游的预计时间，再结合下游居民区/重要工程/基础设施的建设位置以及规划好的预警等级表向下游发出预警。该方法在日常情况下可根据常流量及湖面高程变化自行校准并记录日常监测值范围。同时在冰湖溃决后该法还可监测整个洪水泥石流过程的演进状态，记录整个洪水泥石流过程在各断面处的各时刻流速、流量，并根据全程的监测数据估算泥石流的容重。本发明提供的方法实施简便，操作较易，监测较为精确，可以有效避免误报及过度预警。同时该方法可根据实时监测信息记录并推导出大量洪水泥石流过程的相关数据，为科研及防治人员的后续研究提供帮助。
本发明利用监测仪器实时监测不同点处泥石流泥深，并通过水力学相关计算确定泥石流流量、流速。最终将计算值与下游的反应时间相联，将多级预警信号发送至下游，下游居民区的工作人员根据信号值及泥石流相关参数做出反应来保障安全。
下面，对本发明中的一种冰湖溃决洪水泥石流多级监测预警方法进行详细说明。
当冰湖溃决后，大量湖水沿沟道倾泻而下，引发溃决洪水泥石流灾害。此时湖面的下降速度为dh/dt。在此处安置仪器监测湖面高程变化，假设沿垂向湖面面积不变，则冰湖溃决后单位时间内溃口处流量为
Figure BDA0002594908870000071
由于冰湖的溃决是溃口不断增大的过程，故
Figure BDA0002594908870000072
为一沿时间尺度的变化值，故Q也会随时间变化。布置监测仪器后，由于冰湖自身存在一定的库容收支变化，通过日常的监测，可确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围及变化速度范围。对于沟道流通区内某一断面N，在该监测断面处安置主泥位监测仪器并在其上下游布置副泥位监测器，两副泥位监测器之间的距离lN构成断面N处的监测段。通过日常的监测，可确定冰湖正常库容收支平衡状态下，沟道流通区各断面监测段内常流量的水深范围值。当监测到冰湖面下降速率和监测段泥深/水深出现异常时，开始进行溃决洪水泥石流状态计算及预警。
当洪水泥石流首次经过仪器下方时，仪器记录其通过的时刻，利用监测断面N的监测段的距离除以泥石流通过该段的时间，可求得洪水泥石流头端通过断面N处时的平均流速。
Figure BDA0002594908870000081
式中，lN为断面N处监测段的长度，ΔtN为泥石流头部通过断面N处监测段所用的时间。
故泥石流头部通过断面N处的峰值流量为
Figure BDA0002594908870000088
式中，tN指泥石流头部经过监测断面N的时刻；BN为监测断面N处的沟道宽度；
Figure BDA0002594908870000082
为监测断面N处在洪水泥石流头部经过时的泥深。
由式(4)曼宁公式可知，泥石流流量同泥深H的5/3次方成正比
Figure BDA0002594908870000083
故当通过监测仪器确定断面N处泥石流首次通过时的泥深
Figure BDA0002594908870000084
及流量
Figure BDA0002594908870000085
后，根据监测断面处测得的后续的泥深HN/t，可得后续通过断面N处的各时刻泥石流流量为
Figure BDA0002594908870000086
当泥石流头部通过各监测段处时，通过对该断面处泥石流流速的计算，结合主监测断面与沟口的距离LN，可以估算出此时泥石流到达下游居民区及重要设施处的预估时间TN
Figure BDA0002594908870000087
由于沟道内坡度存在变化且存在、蜿蜒曲折段及断面的变化，故式(6)所解出的时间仅为估计时间，断面距沟口越近，计算结果越精确。根据最前端的洪水泥石流流量及预计到达时间，将其划分为多个等级进行洪水泥石流预警。当洪水泥石流逐次经过各监测断面时，最新被经过的监测断面发出最新的预警等级。根据历史冰湖溃决洪水泥石流的记录，本专利中具体分级如下：
Figure BDA0002594908870000091
在泥石流头端经过监测断面后，泥位监测器将记录各监测断面处在后续的整个洪水泥石流过程中的泥深变化情况，进而通过式(5)可计算出整个泥石流过程中各个断面处的流量随时间变化情况。进一步通过积分求得整个洪水泥石流过程中各个断面处通过的洪水泥石流总流量为
QN/总＝∫QN/tdt (7)
洪水泥石流过程结束后，若假设流通区内泥石流未有大量停淤，则可认为流通区内各断面清水流量总量一致。故根据流通区末端或沟口处洪水泥石流总流量及溃口处监测到的溃决总流量，可计算出本次泥石流的容重。
ρw·Qw+ρH·(Qs-Qw)＝ρs·Qs (8)
式中，ρw为清水容重，取1000kg/m3
ρH为泥沙容重，取2650kg/m3
Qw为洪水泥石流中的清水总流量
Qs为洪水泥石流的总流量。
故若认为流通区内各断面清水流量总量一致，则通过式(7)对整个洪水泥石流过程的时间积分，结合式(8)可得流通区末端或沟口处洪水泥石流容重为
Figure BDA0002594908870000101
具体而言，所述的冰湖溃决泥石流预警方法步骤如下：
(一)实地勘察沟道及冰湖，确定湖面面积A。沿沟道由冰湖坝处至沟口分段布置监测断面，监测断面自下游向上游进行编号1、2、3…..n。在各监测断面布置主监测器及其上下游位置布置副泥位监测器，各监测断面的监测段长度为两副监测器之间的距离lN，确定各监测断面至下游居民区/重要工程/基础设施处的距离LN。在冰湖湖面设置监测仪器，实时监测湖面高程变化情况，根据日常监测数据，确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围及变化速度范围以及沟道流通区各断面监测段内常流量的水深范围。勘察下游居民区/重要工程/基础设施位置，确定其与所在位置处沟道断面宽度Bs、以及与沟道底坡之间的高差最小值Hs。
(二)综合考虑洪水泥石流到达时间和洪水泥石流龙头峰值流量建立分级预警级别，到达沟口或重要基础设施位置的时间越短越危险，峰值流量越大越危险。最终确定预警等级分为红色预警、橙色预警、黄色预警及蓝色预警级别。具体分级如下：
Figure BDA0002594908870000102
(三)泥石流暴发时，湖面水深出现明显下降。当湖面处监测器监测到的湖面高程骤降，并结合最上游的监测断面n位置的响应数据，做出溃决洪水发生的预报，并计算溃决流量
Figure BDA0002594908870000111
(四)将监测段N的主仪器监测到泥深骤变或监测信号忽然消失的时刻tN记录为洪水泥石流龙头通过主仪器下方的时间。根据(一)中获得的各监测断面处的监测段的长度、洪水泥石流头部通过监测断面N的监测段的最上游泥位监测器和最下游泥位监测器的时间差ΔtN，利用公式
Figure BDA0002594908870000112
计算出洪水泥石流头端通过N断面时的平均流速
Figure BDA0002594908870000113
(五)若监测断面处泥位监测仪未被冲毁，进一步结合N监测断面位置的实测的tN时刻的溃决洪水泥石流的深度，通过公式
Figure BDA0002594908870000114
来计算首波洪水泥石流头端通过N断面时的峰值流量。利用公式
Figure BDA0002594908870000115
预估tN时刻经过N断面的洪水泥石流头端到达沟口居民区或重要基础设施的剩余时间。利用公式
Figure BDA0002594908870000116
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区/重要工程/基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区/重要工程/基础设施运行造成影响，当
Figure BDA0002594908870000117
时认为不构成影响。此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处的时间tN、流量
Figure BDA0002594908870000118
流速
Figure BDA0002594908870000119
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN、预估的洪水泥石流在居民区/重要工程/基础设施处时的泥深
Figure BDA00025949088700001110
进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员。若监测断面处监测仪被冲毁，则跳过该步，进入第(六)步。
(六)若监测断面处监测仪被冲毁，利用公式
Figure BDA0002594908870000121
预估洪水泥石流从N断面到达沟口居民区或重要基础设施的所剩时间。若断面监测段处的副监测仪至少有一处未损坏，则采用副监测仪处泥深作为监测断面的泥深
Figure BDA0002594908870000122
再通过公式
Figure BDA0002594908870000123
来计算洪水泥石流通过N断面时的流量，利用公式
Figure BDA0002594908870000124
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区/重要工程/基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区/重要工程/基础设施运行造成影响，当
Figure BDA0002594908870000125
时认为不构成影响。若断面监测段处主副监测仪均被冲毁，则直接认定
Figure BDA0002594908870000126
且会对居民区/重要工程/基础设施运行造成影响。此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处流量
Figure BDA0002594908870000127
流速
Figure BDA0002594908870000128
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN；进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员。
(七)监测系统继续监测整个洪水泥石流过程中各监测断面处的泥深。根据公式
Figure BDA0002594908870000129
计算各时刻溃口处流量Q溃口/t；根据公式
Figure BDA00025949088700001210
计算出各个断面在不同时刻的流量，通过监测各断面在不同时刻处的流量，可得出包括洪峰流量在内的洪水泥石流暴发过程中任一时刻各监测断面处流量值，以及任一断面处随时间流量的变化。以此评估溃决洪水泥石流的流量是在增大还是减小，并监测后续洪水泥石流流量是否会对下游居民区/重要工程/基础设施的正常运营造成影响。
(八)洪水泥石流过程结束后，通过监测整个洪水泥石流过程通过沟口断面处的总流量Q总/沟口＝∫Q沟口/tdt与溃口处洪水总流量Q总/溃口＝∫Q溃口/tdt，可计算得本次洪水泥石流过程冲出的洪水泥石流密度
Figure BDA0002594908870000131
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法通过对湖面及沟道的联动监测，实现了对洪水泥石流自暴发至冲出沟道的全程监测与预警。并且根据监测到的泥石流流动情况将预警信号进行了多级划分，随着泥石流的运动不断发出最新的预警信号。该预警方法除了预警播报为下游提供反应时间外，还可精准的记录泥石流在沟道内的整个流动过程，记录洪水泥石流沿沟道流动过程中物质、能量的变化。特别是在洪水泥石流流速及重度测定上更为精准，有效避免了套用曼宁公式求解时糙率系数选取不当而造成误差的现象，以洪水泥石流事件后采取土样套用经验模型求解容重造成误差的现象出现。
实施例一
某小流域经评估存在冰湖溃决型泥石流暴发风险，该小流域流域面积为30.8km2，小流域沟长16km。小流域下游存在一铁路桥梁横跨沟道。拟采用本专利中的泥石流预警方法保护居民区的安全。所述冰湖溃决洪水泥石流预警方法步骤如下：
第一步：通过实地勘测，确定冰湖湖面面积为0.9km2，拟定在沟道设置五个断面监测，分别距居民区3km、6km、9km、12km、15km处设置监测断面。自上游至下按5、4、3、2、1编号各监测断面。在各监测断面处布置主泥位监测器并在其前后300m处布设副泥位监测器，构成各监测断面处的ln＝600m监测段。量测监测断面宽度后得到B1＝18.5m、B2＝21.3m、B3＝22.5m、B4＝17.4m、B5＝19.7m。根据日常监测，确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围为(-0.4m，0.5m)，高程下降速度最大值为0.1m/s，沟道各断面处常流量最大水深/泥深分别为0.33m、0.22m、0.24m、0.30m、0.29m。现场测量得到下游铁路桥梁横跨处沟道宽Bs＝24m，桥梁距沟底高差为Hs＝10.4m。
第二步：综合考虑洪水泥石流到达时间和洪水泥石流头端峰值流量建立分级预警级别，到达沟口或重要基础设施位置的时间越短越危险，流量越大越危险。最终确定预警等级分为红色预警、橙色预警、黄色预警及蓝色预警级别。具体分级如下：
Figure BDA0002594908870000141
第三步：各处泥位监测器保持实时监测。在实际冰湖溃决后，当湖面水深出现明显下降，下降速率明显超过日常范围峰值，最上游5号断面处监测到泥深陡增至4.7m，开始预报发生了溃决洪水；
第四步：当洪水泥石流头端经过断面5监测段时，监测到洪水泥石流通过断面5监测段用时ΔtN＝58s，反算得到洪水泥石流通过断面5时的流速为
Figure BDA0002594908870000142
第五步：此时断面5处泥位监测器监测到洪水泥石流泥深为HN/tN＝4.7m，故断面5处监测仪器并未被冲毁。计算得到洪水泥石流头端通过断面5时的峰值流量为
Figure BDA0002594908870000143
计算得到泥石流预计到达下游的时间为
Figure BDA0002594908870000144
计算得到洪水泥石流在t5时刻洪水泥石流头端首次到达断面5时，预计在此量级下在下游铁路桥梁处造成的泥深为
Figure BDA0002594908870000151
故不会对铁路桥梁正常运营造成影响，桥梁可正常运营。结合预警等级表，仅向下游发出黄色预警及洪水泥石流头端的速度、流量、预计到达时间。。
同理，当洪水泥石流头端到达断面4、3、2、1时，预警系统通过计算洪水泥石流流速、流量、预计到达时间、预计在铁路桥梁下方处的泥深，结合预警登记表向下游发出最新预警。
第六步：监测系统继续监测整个洪水泥石流过程中各监测断面处的泥深。根据公式
Figure BDA0002594908870000152
计算各时刻溃口处流量Q溃口/t；根据公式
Figure BDA0002594908870000153
计算出各个断面在不同时刻的流量。并计算各断面各时刻的流量值若以相同流速经过桥梁下方时的水深/泥深
Figure BDA0002594908870000154
是否会超过桥下净空Hs，若超过则向下游发出报告，暂停铁路桥梁运营。
第七步：洪水泥石流过程结束后，通过监测整个洪水泥石流过程通过沟口断面处的总流量Q总/沟口＝∫Q沟口/tdt＝275000m3，溃口处洪水总流量Q总/溃口＝∫Q溃口/tdt＝167500m3，计算得本次洪水泥石流过程冲出的洪水泥石流密度
Figure BDA0002594908870000155
实施例二
某小流域经评估存在冰湖溃决型泥石流暴发风险，该小流域流域面积为80.5km2，小流域沟长25km。小流域下游存在一居民区。拟采用本专利中的泥石流预警方法保护居民区的安全。所述冰湖溃决洪水泥石流预警方法步骤如下：
第一步：通过实地勘测，确定冰湖湖面面积为1.2km2，拟定在沟道设置五个断面监测，分别距沟口的居民区4km、8km、12km、16km、20km、24km处设置监测断面。自上游至下按6、5、4、3、2、1编号各监测断面。在各监测断面处布置主泥位监测器并在其前后300m处布设副泥位监测器，构成各监测断面处的ln＝600m监测段。量测监测断面宽度后得到B1＝15.0m、B2＝17.8m、B3＝20.1m、B4＝17.1m、B5＝18.7m。根据日常监测，确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围为(-0.2m，0.3m)，高程下降速度最大值为0.11m/s，沟道各断面处常流量最大水深/泥深分别为0.27m、0.19m、0.17m、0.22m、0.23m。现场测量得到下游居民区处沟道宽Bs＝16.8m，高程最低的住宅距沟底高差为Hs＝5.8m。
第二步：综合考虑洪水泥石流到达时间和洪水泥石流头端峰值流量建立分级预警级别，到达沟口或重要基础设施位置的时间越短越危险，峰值流量越大越危险。最终确定预警等级分为红色预警、橙色预警、黄色预警及蓝色预警级别。具体分级如下：
Figure BDA0002594908870000161
第三步：各处泥位监测器保持实时监测。在实际冰湖溃决后，当湖面水深出现明显下降，下降速率明显超过日常范围峰值，最上游6号断面处主监测器监测信号消失，开始预报发生了溃决洪水；主监测仪信号忽然消失，说明主监测仪被冲毁。监测到两副监测仪处沟道水深/泥深的平均值为6.7m，故取
Figure BDA0002594908870000162
第四步：当洪水泥石流头端经过断面6监测段时，监测到洪水泥石流通过断面6监测段用时ΔtN＝34s，反算得到洪水泥石流通过断面6时的流速为
Figure BDA0002594908870000171
第五步：结合第三步中的
Figure BDA0002594908870000172
及第四步中的
Figure BDA0002594908870000173
计算得到洪水泥石流头端通过断面6的洪峰流量为
Figure BDA0002594908870000174
计算得到泥石流预计到达下游的时间为
Figure BDA0002594908870000175
计算得到洪水泥石流在t6时刻洪水泥石流头端首次到达断面6时，预计在此量级下在头端在下游居民区处造成的泥深为
Figure BDA0002594908870000176
而下游住宅中距沟底最低的距离为5.8m。故洪水泥石流极可能会对居民住宅造成破坏。结合预警等级表，向下游发出黄色预警及洪水泥石流头端的速度、流量、预计到达时间，并通知住宅高程低于6.0m/0.8＝7.5m的居民立即撤离。
同理，当洪水泥石流头端到达断面5、4、3、2、1时，预警系统通过计算洪水泥石流流速、流量、预计到达时间、预计在居民区下方处的泥深，结合预警登记表向下游发出最新预警。
第六步：监测系统继续监测整个洪水泥石流过程中各监测断面处的泥深。根据公式
Figure BDA0002594908870000177
计算各时刻溃口处流量Q溃口/t；根据公式
Figure BDA0002594908870000178
计算出各个断面在不同时刻的流量。并计算各断面各时刻的流量值若以相同流速经过居民区下方时的水深/泥深
Figure BDA0002594908870000179
超过已有最大估计值时并向下游发出报告，要求住宅高程低于
Figure BDA00025949088700001710
的居民立即撤离。
第七步：洪水泥石流过程结束后，通过监测整个洪水泥石流过程通过沟口断面处的总流量Q总/沟口＝∫Q沟口/tdt＝485000m3，溃口处洪水总流量Q总/溃口＝∫Q溃口/tdt＝267500m3，计算得本次洪水泥石流过程冲出的洪水泥石流密度
Figure BDA0002594908870000181
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种冰湖溃决洪水泥石流多参量、多层级预警方法，其特征在于，包括：
步骤1，实地勘察沟道及冰湖，确定湖面面积A：沿沟道由冰湖坝处至沟口分段布置监测断面，将监测断面自下游向上游分别编号为1、2、3…n；在各监测断面布置主监测器及其上下游位置布置副泥位监测器，各监测断面的监测段长度为两副监测器之间的距离lN，确定各监测断面至下游居民区、重要工程、基础设施处的距离LN；在冰湖湖面设置监测仪器，实时监测湖面高程变化情况，根据日常监测数据，确定冰湖正常库容收支平衡状态下湖面高程的变化范围及变化速度范围以及沟道流通区各断面监测段内常流量的水深范围；勘察下游居民区/重要工程/基础设施位置，确定其与所在位置处沟道断面宽度Bs、以及与底坡之间的高差最小值Hs；
步骤2，综合考虑洪水泥石流到达时间和洪水泥石流龙头峰值流量建立分级预警级别，到达沟口或重要基础设施位置的时间越短越危险，峰值流量越大越危险，最终确定预警等级分为红色预警、橙色预警、黄色预警及蓝色预警级别，具体分级如下：
Figure FDA0002594908860000011
步骤3，泥石流暴发时，湖面水深出现明显下降，当湖面处监测器监测到的湖面高程骤降，并结合最上游的监测断面n位置的响应数据，做出溃决洪水发生的预报，并计算溃口处各时刻的溃决流量
Figure FDA0002594908860000012
步骤4，将N号监测断面处主监测仪器监测到泥深骤变或监测信号忽然消失的时刻tN记录为洪水泥石流龙头通过该监测段主仪器下方的时间。根据步骤1中获得的各监测断面处的监测段的长度、洪水泥石流头部通过监测断面N的监测段的最上游泥位监测器和最下游泥位监测器的时间差ΔtN，利用公式
Figure FDA0002594908860000021
计算出洪水泥石流头端通过N断面时的平均流速
Figure FDA0002594908860000022
步骤5，若监测断面处泥位监测仪未被冲毁，进一步结合N监测断面位置的实测的tN时刻溃决洪水泥石流的深度，通过公式
Figure FDA0002594908860000023
来计算首波通过N断面的洪水泥石流的峰值流量，利用公式
Figure FDA0002594908860000024
预估N断面监测到的洪水泥石流到达沟口居民区或重要基础设施的所剩时间，利用公式
Figure FDA0002594908860000025
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区、重要工程、基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响，当
Figure FDA0002594908860000026
时认为不构成影响；此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处的时间tN、流量
Figure FDA0002594908860000027
流速
Figure FDA0002594908860000028
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN、预估的洪水泥石流在居民区/重要工程/基础设施处时的泥深
Figure FDA0002594908860000029
进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员。若监测断面处监测仪被冲毁，则跳过该步，进入步骤6；
步骤6，若监测断面处监测仪被冲毁，利用公式
Figure FDA00025949088600000210
预估洪水泥石流从N断面到达沟口居民区或重要基础设施的时间。若断面监测段处的副监测仪至少有一处未损坏，则采用副监测仪处泥深作为监测断面的泥深
Figure FDA0002594908860000031
再通过公式
Figure FDA0002594908860000032
来计算洪水泥石流头端通过N断面时的峰值流量，利用公式
Figure FDA0002594908860000033
计算洪水泥石流头端在N断面时的流动情况若出现在居民区、重要工程、基础设施处时的泥深，并与实际位置高度Hs对比，判别洪水泥石流是否会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响，当
Figure FDA0002594908860000034
时认为不构成影响；若断面监测段处主副监测仪均被冲毁，则直接认定
Figure FDA0002594908860000035
且会对居民区、重要工程、基础设施运行造成影响；此后监测系统保持将最新获取的断面监测参数传至系统平台，包括洪水泥石流头部通过各监测断面处流量
Figure FDA0002594908860000036
流速
Figure FDA0002594908860000037
以及预估的洪水泥石流到达居民区或重要基础设施位置的时间TN；进一步结合前期制定的预警等级表自动判断处于何种级别并作出相应的响应，将预警信息传递至相关人员；
步骤7，监测系统继续监测整个洪水泥石流过程中各监测断面处的泥深。根据公式
Figure FDA0002594908860000038
计算各时刻溃口处流量Q溃口/t；根据公式
Figure FDA0002594908860000039
计算出各个断面在不同时刻的洪峰流量，通过监测各断面在不同时刻处的流量，可得出在洪水泥石流暴发过程中包括峰值流量在内的任一时刻各监测断面处流量值，以及任一断面处随时间洪峰流量的变化，以此评估各个时刻溃决洪水泥石流的流量是在增大还是减小，并监测后续洪水泥石流流量是否会对下游居民区/重要工程/基础设施的正常运营造成影响；
步骤8，洪水泥石流过程结束后，通过监测整个洪水泥石流过程通过沟口断面处的总流量Q总/沟口＝∫Q沟口/tdt与溃口处洪水总流量Q总/溃口＝∫Q溃口/tdt，可估算得本次洪水泥石流过程冲出的洪水泥石流密度
Figure FDA0002594908860000041
2.根据权利要求1中所述的一种冰湖溃决洪水泥石流多级预警方法，其特征在于：监测断面位置的选取需满足沟道宽度Bn需与其上下游2ln内平均沟道宽度相差不超过20％，且不能位于沟道纵坡急剧变化的区域，各监测断面之间的距离应在适当均分的基础上，不超过3-5km。
3.根据权利要求1中所述的一种冰湖溃决洪水泥石流多级预警方法，其特征在于：预警等级的划分需综合考虑冰湖溃决洪水泥石流的峰值流量、流速、以及到达下游保护对象的时间。
4.根据权利要求1中所述的一种冰湖溃决洪水泥石流多级预警方法，其特征在于：步骤1中的Hs值应为重要工程、居民区、基础设施等所有设施底面距离沟底高差的最小值，当基础设施为桥梁时，取桥面底部距离沟底的最小高差。
5.根据权利要求1中所述的一种冰湖溃决洪水泥石流多级预警方法，其特征在于：步骤5、6中需实时监测洪水泥石流龙头的最新运动情况，所预报的泥石流到达时间、流量、流速等参数为泥石流龙头最新通过第N个监测断面时获取的数值。
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