CN112884279B - 一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法 - Google Patents

一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，基于水沙动力学原理，通过构建的土地整治工程暴雨洪水安全风险评估模型，可根据常规的气象、水文和流域特性参数如降雨、流域面积、沟道纵比降、土壤粒径等的基础上，预测不同暴雨条件下沟道土地整治工程损毁量，并给出相应的暴雨洪水安全风险定量评价。表达式物理意义明确，计算便捷，精度较高，适用性较广。可广泛应用于黄土高原及世界其他类似地区的沟道土地整治、梯田修筑和淤满淤地坝损毁的规划设计及暴雨洪水安全的风险评估。

Description

一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法
技术领域
本发明属于沟道土地整治、水土保持及生态环境建设工程技术领域，具体涉及一种世界上上水土流失最严重地区的黄土丘陵沟壑区沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，可用于分析、计算、预测、规划和设计流域沟道梯级土地整治工程暴雨损毁量和前期工程布设。
背景技术
随着黄土高原“治沟造地”、“削山造城”等土地整治工程的实施，在增加了新造耕地资源的同时，有效地解决了区域水土资源高效利用的问题。但随着土地整治工程实施，流域沟道两岸及沟底形成大量的台地、小微型淤积坝地及高陡边坡，若遇特大暴雨，沟道洪水对沟道土地整治工程的新造土地及小微型淤地坝就可能发生逐级损毁如图1所示，俗称“另存整取”现象。这不但造成严重的土地流失，同时也给区域人民生命安全及社会发展带来严重危害。因此，如何评估暴雨对沟道土地整治损毁的程度和风险就是一个重要问题。
土地整治工程实施中，要对多级梯田和小型淤地坝系等工程在暴雨条件下引发实体工程损毁量进行风险评估，关键是对沟道土地整治工程的暴雨损毁量进行预测，但关于土地整治工程暴雨损毁量估算的相关研究目前还鲜有报道。因此，为黄土丘陵沟壑区及世界上类似地区提供沟道土地整治暴雨径流损毁预测及风险评估提供一种新的方法，是亟需解决的课题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，为沟道和流域治理土地整治暴雨损毁量评估提供一种有效方法。
为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：
一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，其特征在于，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示：
V＝K·D·W·C (1)
式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数；其中：
水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：
D＝T(imax-ic) (2)
式中，imax为设计降雨期间最大雨强，mm/h。该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取。T为评估堤坎大于临界流量历时，h；
ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时流量对应的雨强，mm/h。该值由设计降雨期间坝体顶部/或挡墙体顶部表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应临界流量值Qc及相应的雨强值而求得，即为下式(3)：
ic＝Qc/F＝UcBH/F (3)
式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；Qc为临界流量，m3/s；B为堤坎断面宽度，m；H为临界流速所对应的水深，m；Uc为起动流速，m/s；可选用适合该地区的相应起动流速公式进行计算；
流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(4)：
Figure GDA0003790807460000021
式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；J为设计断面主沟道的纵比降值，若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径，m；J’为沟道整地设计断面对应的新造耕地坡降值，若为坡面多级倒坡梯田则该值转换为田埂起动流速对应的临界坡降值；
沟道土地水力特征综合因子C中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(5)：
Figure GDA0003790807460000031
式中，n为曼宁系数；D为整治区域泥沙粒径，在此选用中值粒径，m；γs、γ分别为泥沙和水的重率，t/m3；ν为暴雨洪水的运动黏滞系数，m2/s；g为重力加速度，在此取9.8，m/s2；
根据上述水毁风险因子D、流域特征因子W、沟道土地水力特征综合因子C中得到的相关数据计算复核无误后，分别代入式(1)中，经综合系数K参数调整后，即可求出在本次暴雨条件下沟道各造地区段工程损毁量；
其中，综合系数K：当附近有损毁的梯级整地或多级梯田时，可对公式(1)进行验证取值，若无资料，K值近似取1。
根据本发明，当控制断面内不产流，则说明安全风险为0，即无暴雨洪水损毁风险；当控制断面流量大于0小于其临界流量，说明存在安全风险；大于临界流量，说明该工程处于不安全状态。当工程损毁量大于0时，可对该土地整治工程的损毁程度进行评估。
进一步地，所述工程损毁的形态多为倒锥形体(即漏斗状)。采用冲毁体底部投影面积Fh与造地面积Fz的比值作为水毁程度η＝Fh/Fz，则可给出沟道造地工程不同梯级土地整治工程暴雨洪水的可能损毁程度。
本发明的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，具有如下特点：
①计算方程物理意义明确，理论概化合理。
②适用性较广，即在沟道梯级整地和坡面多级整地等工程项目中均可进行暴雨损毁量的估算预测。
③计算简单，即计算所需要的各基础参数均可以量测获得；
④计算精度较高，依据不同文献对暴雨条件下不同工况现场实测损毁数据与运用本发明估测数据进行比对，复核精度较高。
其技术创新点在于：
1、理论坚实：以暴雨径流能量理论为基础研究，给出了本发明的“沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法”，基于水流输移泥沙的能耗原理，构建理论基础坚实、模型物理意义明确、计算方法简单、计算精度较高。
2、获取参数容易。可充分利用研究地域水文气象和流域自身特性参数进行计算，获取参数容易，便于随时计算应用。
3、应用范围广。可广泛应用于沟道土地整治堤坎或者淤满淤地坝及梯田的规划、设计、风险评估等。
4、应用效益巨大。可根据可能暴雨情况，对已建工程进行风险评估，提前预防以有效降低成灾风险。也可对可能的灾后病险工程的维护和翻修量进行预估，优化工程维护措施，节省人力物力投入。在设计规划方面，可根据不同暴雨情况下各类堤坎工程损毁量预测，明确工程规划设计标准，减轻暴雨损毁损失。优化、改善和推动水利水保工程中相关规划、设计、施工及运行管理。
附图说明
图1是暴雨引发产生沟道土地整治损毁灾害部分实效图，其中，(a)图是暴雨引发流域内淤地坝及梯田遭受破坏图片，(b)图是暴雨引发沟道新造土地损毁图片，(c)图是暴雨引发沟道新造土地坝体损毁图片，(d)图是暴雨引发边坡垮塌图片；(e)图是暴雨引发土地整治工程损毁图片。
图2是极端暴雨条件下的多级梯田、农耕地与土地整治损毁实测资料验证图。
图3是采用本发明的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，在暴雨条件下实体工程案例实施技术路线图；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
具体实施方式
本发明的设计思路是，基于降雨径流侵蚀输沙的能量转化原理，通过构建包含水毁风险因子(D)、流域特征因子(W)和沟道土地水力特征综合因子(C)及堤坎损毁量的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型及计算表达式，在测设降雨期间气象、水文和流域特性参数如流域面积、沟道纵比降、土壤粒径等的基础上，预测不同暴雨条件下沟道土地整治工程损毁量，并给出相应的暴雨侵蚀灾害风险定量评价。其表达式物理意义明确，计算便捷，精度较高，适用性较广。可广泛应用于黄土高原及其他类似地区的沟道土地整治、梯田修筑和淤满淤地坝损毁的规划设计及暴雨水毁的安全风险评估。
本实施例给出一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示。
V＝K·D·W·C (1)
水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：
D＝T(imax-ic)； (2)
式中，imax为设计降雨期间最大雨强，mm/h。该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取；ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时的临界雨强，mm/h。该值由设计降雨期间坝体顶部(或挡墙体顶部)表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应临界流量值Qc及相应的雨强值而求得，由下式(3)进行计算：
ic＝Qc/F＝UcBH/F (3)
其中，F为设计断面控制的流域面积，km2；Qc为临界流量，m3/s；B为堤坎断面宽度，m；H为起动流速所对应的水深，m；Uc为起动流速，可选用适合该地区的相应起动流速公式进行计算，m/s；T为单坝大于临界流量历时，该值由本次降雨期间各整治区域大于临界雨强时段得出，h。
流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(4)：
Figure GDA0003790807460000061
式中，F为设计断面控制的流域面积，km2；J为设计断面主沟道的纵比降值(若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值)；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径，m；J’为沟道整地设计断面对应的新造耕地坡降值(若为坡面多级倒坡梯田则该值转换为田埂起动流速对应的临界坡降值)。
沟道土地水力特征综合因子C中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(5)：
Figure GDA0003790807460000062
式中，n为曼宁系数；D为整治区域泥沙粒径，在此选用中值粒径，m；γs、γ分别为泥沙和水的重率，t/m3；ν为暴雨洪水的运动黏滞系数，m2/s；g为重力加速度，在此取9.8m/s2。
根据上述水毁风险因子D、流域特征因子W、沟道土地水力特征综合因子C中得到的相关数据计算复核无误后，分别代入式(1)中，经综合系数K参数调整后，即可求出在本次暴雨条件下沟道各造地区段工程损毁量；
其中，综合系数K：当附近有损毁的梯级整地或多级梯田时，可对公式(1)进行验证取值，若无资料，K值近似取1。
本实施例中，当控制断面内不产流，则说明安全风险为0，即无暴雨洪水损毁风险；当控制断面流量大于0小于其临界流量，说明存在安全风险；大于临界流量说明该工程处于不安全状态。当工程损毁量大于0时，可对该土地整治工程的损毁程度进行评估。
进一步地，所述工程损毁的形态多为倒锥形体(即漏斗状)。采用冲毁体底部投影面积Fh与造地面积Fz的比值作为水毁程度η＝Fh/Fz，则可给出沟道造地工程不同梯级土地整治工程暴雨洪水的可能损毁程度。
以下是发明人给出的具体实施例。
实施例：
参见图3，本实施例的流域沟道梯级土地整治工程水毁风险评估方法，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示。
V＝K·D·W·C (1)
式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数。
选取陕西省榆林市子洲县牛薛沟治沟造地工程2017年“7.26”暴雨进行研究(东经：109.923618，北纬：37.662953)。该流域平均纵比降0.066，沟道土层土体较均匀。土体的干密度ρd为1.30～1.35g/cm3，天然含水率为14.5％，属于Q3黄土，土样的物理性质指标见表1，流域沟道整地基本情况如表2所示。
流域内于2014年因地制宜利用现有2座淤地坝并沿沟道加修挡土墙9处，共计修筑梯级整地11处，单墙高度3～5m，宽度30～50m，造地3～5亩，留30～50cm堤坎，梯级造地共计38亩，造地平均纵比降0.066，坝地无排水设施。
“7.26”暴雨始于2017年7月25下午18时，止于7月26日上午8时，历时12小时，期间7月26日凌晨2时降雨量达到最大。暴雨属双峰型，总降雨量为214mm，最大30分钟降雨量20mm，平均降雨强度0.29mm/min。
表1：牛薛沟流域沟道土壤物理性质指标
Figure GDA0003790807460000071
表2：牛薛沟流域沟道土地整治工程基础参数
Figure GDA0003790807460000072
Figure GDA0003790807460000081
由以上流域概况及沟道整治基础参数，按照如下步骤进行测设与计算：
步骤1，水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为D＝T(imax-ic)。
式中，imax为设计降雨期间最大雨强(mm/h)，该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取；ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时的临界雨强(mm/h)，该值由设计降雨期间坝体顶部(或挡墙体顶部)表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应流量值及相应的雨强值而求得，由ic＝Qc/F＝UcBH/F进行计算，其中，F为设计断面控制的流域面积(km2)；Qc为临界流量(m3/s)，B为堤坎断面宽度，H为起动流速所对应的水深，Uc为起动流速(m/s)，可选用适合该地区的相应起动流速公式进行计算；T为单坝大于临界流量历时(h)，该值由本次降雨期间各整治区域大于临界雨强时段得出。
步骤2，流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为
Figure GDA0003790807460000082
式中，F为设计断面控制的流域面积(km2)；J为设计断面主沟道的纵比降值(若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值)；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径(m)；J’为沟道整地设计断面对应的新造耕地坡降值(若为坡面多级倒坡梯田则该值转换为田埂起动流速对应的临界坡降值)。
步骤3，沟道土地水力特征综合因子C中各特征值的测设、提取与计算，计算式为
Figure GDA0003790807460000083
式中，n为曼宁系数；D为整治区域泥沙粒径，在此选用中值粒径(m)；γs、γ分别为泥沙和水的重率(t/m3)；ν为暴雨洪水的运动黏滞系数(m2/s)；g为重力加速度，在此取9.8(m/s2)。
步骤4，根据得到的水毁风险因子D、流域特征因子W、沟道土地水力特征综合因子C结果，待对各因子中相关数据计算复核无误后，分别代入式(1)中，经综合系数K参数调整后，即可求出在本次暴雨条件下沟道各造地区段工程损毁量。本研究K＝1。
其中，综合系数K：当附近有损毁的梯级整地或多级梯田时，可对式(1)进行验证取值，若无资料，K值近似取1。
步骤5，当控制断面内不产流，则说明安全风险为0，即无暴雨洪水损毁风险；当控制断面流量大于0小于其临界流量，说明存在安全风险；大于临界流量说明该工程处于不安全状态。当工程损毁量大于0时，可对该土地整治工程的损毁程度进行评估。
步骤6，所述工程损毁的形态多为倒锥形体(即漏斗状)。采用冲毁体底部投影面积Fh与造地面积Fz的比值作为水毁程度η＝Fh/Fz，则可给出沟道造地工程不同梯级土地整治工程暴雨洪水的可能损毁程度如下表3所示。
表3：牛薛沟梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评价
Figure GDA0003790807460000091
表3表明，除10号坝体(或挡墙体)外，其他各坝体(或挡墙体)均有不同程度的水毁，冲毁程度达到13～50％。主要原因为：1～9号各坝/墙体控制区内最大入库流量范围为：0.086～0.398m3/s，均超过其溃坝临界流量0.03m3/s所致。表3还表明，沟道自上而下各坝体(或挡墙体，1～8号)水毁程度整体呈现增大趋势。主要由于虽然1～8号坝/当墙体规模逐渐增大，但都是按沟道土地整治挡土墙的抗冲刷能力进行设计。因此抗冲毁的程度基本一致。这样由于上游坝/挡墙体冲毁时洪水形成叠加效应，导致愈向下游冲刷能力越强，水毁程度越来越大。9号坝/挡墙体造地面积最大，是8号坝/挡墙体控制面积近4倍，容纳水体量大，流速较小，对应的输沙能力较小，因此9号坝/挡墙体的水毁程度较3～8号坝/挡墙体低，水毁程度仅为17％。10坝/挡墙体控制的新造土地面积也较大，长度较长，经9号坝/挡墙体消减洪峰后，水流冲刷力已显著降低。加之9号坝/挡墙体是按淤地坝设计建造，抗冲刷能力强，因此10号坝/挡墙体未见水毁。11号坝/挡墙体因受左岸沟道水流冲击，导致水毁现象发生，但水毁量不大，仅为19％。
为进一步验证本发明的适用范围和精准性，选取黄土高原及世界各地不同年限和地区暴雨条件下坡面多级梯田、农耕地和流域沟道土地整治损毁工程数据进行验证。选取的资料主要有：①日本山区农田整治损毁资料(1996年文献)；②2013和2017年陕北延安市及子州县极端暴雨下流域现场梯田和梯级整地损毁实测数据；③2020年野外小流域实体比尺模型进行人工降雨试验所得验证数据，二者共计9组(即纵坐标对应各值)。图中横坐标为所得对应各实测值的模拟预测值。暴雨损毁量计算值与实测值对比验证结果见图2。图2表明，除梯田及个别点外，98％以上资料表明误差范围在30％左右。考虑到此类问题的复杂性和现场测量精度，本发明的计算精度是满足要求的，说明本发明不但适合于沟道土地整治工程的水毁预测分析，也适用于流域坡面多级梯田、已淤满废弃的淤地坝等工程的水毁量预测与分析。
综上所述，本实施例给出的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，不但可以对不同的设计降雨条件下工程水毁程度和安全风险进行评价，而且可以对不同的极端暴雨对已有工程的水毁量进行估算，从而大大地节省实地量测的费用。因此，采用本实施例给出的沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，对进一步优化、改善和推动水利水保工程中相关规划、设计、施工及运行管理的发展具有重要的实用价值。

Claims (3)

1.一种沟道梯级土地整治工程暴雨洪水安全风险评估方法，其特征在于，所构建的土地整治工程暴雨水毁风险评估模型表达式如下式(1)所示：
V＝K·D·W·C(1)
式中，D为水毁风险因子，W为流域特征因子，C为沟道土地水力特征综合因子，K为综合系数；其中：
水毁风险因子D中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(2)：
D＝T(imax-ic)(2)
式中，imax为设计降雨期间最大雨强，mm/h；该值依照暴雨发生区域现场实测降雨数据或临近雨量站实时降雨数据中分析获取；
T为评估堤坎大于临界流量历时，h；
ic为沟道整治工程堤坎发生损毁时流量对应的雨强，mm/h；该值由设计降雨期间坝体顶部/或挡墙体顶部表面发生漫顶冲刷时泥沙起动流速所对应临界流量值Qc及相应的雨强值而求得，即为下式(3)：
ic＝Qc/F＝UcBH/F(3)
式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；Qc为临界流量，m3/s；B为堤坎断面宽度，m；H为临界流速所对应的水深，m；Uc为起动流速，m/s；可选用适合该地区的相应起动流速公式进行计算；
流域特征因子W中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(4)：
Figure FDA0003790807450000011
式中，F为设计断面控制的流域面积，m2；J为设计断面主沟道的纵比降值，若为坡面多级梯田则该值转换为坡面纵比降值；R为各级沟道整治区域挡墙体/或坝体溃口水力半径，若为坡面多级梯田时则为各级田坎溃口水力半径，m；J’为沟道整地设计断面对应的新造耕地坡降值，若为坡面多级倒坡梯田则该值转换为田埂起动流速对应的临界坡降值；
沟道土地水力特征综合因子C中各特征值的测设、提取与计算，计算式为下式(5)：
Figure FDA0003790807450000021
式中，n为曼宁系数；D为整治区域泥沙粒径，在此选用中值粒径，m；γs、γ分别为泥沙和水的重率，t/m3；ν为暴雨洪水的运动粘滞系数，m2/s；g为重力加速度，在此取9.8m/s2；
根据上述水毁风险因子D、流域特征因子W、沟道土地水力特征综合因子C中得到的相关数据计算复核无误后，分别代入式(1)中，经综合系数K参数调整后，即可求出在本次暴雨条件下沟道各造地区段工程损毁量；
其中，综合系数K：当附近有损毁的梯级整地或多级梯田时，可对公式(1)进行验证取值，若无资料，K值近似取1。
2.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，当控制断面内不产流，则说明安全风险为0，即无暴雨洪水损毁风险；当控制断面流量大于0小于其临界流量，说明存在安全风险；大于临界流量，说明该工程处于不安全状态；当工程损毁量大于0时，可对该土地整治工程的损毁程度进行评估。
3.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述工程损毁的形态多为倒锥形体，即漏斗状；采用冲毁体底部投影面积Fh与造地面积Fz的比值作为水毁程度η＝Fh/Fz，则可给出沟道造地工程不同梯级土地整治工程暴雨洪水的可能损毁程度。
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