CN112907903A - 一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，属于泥石流预警技术领域，包括以下步骤：S1.精细化地形测量，首先用三维激光扫描仪或无人机倾斜摄影等手段精确测量出泥石流沟道地形和治理工程尺寸；S2.泥位计获取实时泥深数据，运用泥石流规范中的经验公式计算出实时流速、实时流量、一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物，如果暴发一次大规模泥石流事件，则需要重新测量地形，校核泥位计初始值和沟道有效库容；S3.定义泥石流淤积程度为一次性泥石流固体冲出物与沟道可停淤体积的比值。根据泥位计测量值计算的一次泥石流固体冲出物，与测量获取的沟道可停淤体积对比，计算出泥石流淤积程度。

Description

一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法

技术领域

本发明属于泥石流预警技术领域，具体涉及一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法。

背景技术

目前泥石流预警方法主要有三类，一类是基于泥石流灾害临界雨量的预警方法，该类方法大多基于历史泥石流事件和降雨数据的统计分析，研究激发泥石流的降雨特征值，从而对降雨量值进行预警；一类是基于泥石流启动机理的预警方法，该类方法从泥石流起动的临界条件出发，建立不同起动临界条件下的预警指标，例如含水率等；最后一类是直接利用预警仪器捕捉泥石流过程，例如泥位计、次声报警仪、断线法接触式报警器等等。目前泥石流泥位监测预警处于初级阶段，基于泥位监测的预警模型鲜见。泥位监测常常作为辅助手段判断泥石流是否发生，或用以观测泥石流沟道内水位面，进而测得泥石流泥位。吴积善等探索通过泥石流泥位换算泥深，结合经验公式计算出泥石流流速，直观地反映泥石流规模大小和可能危害的程度。有学者研究基于泥石流流通区泥位监测部位至沟道威胁承灾体距离，计算泥石流从上游泥位监测处至下游威胁对象的流动时间，通过信号传输与泥石流运动的时间差对下游承灾体进行预警，但尚无具体实施案例。综上，目前尚无有效利用泥石流精细地形和泥位监测进行预警的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，解决现有技术中泥石流一次泥石流固体冲出物计算完全依靠事后现场调查经验公式，与实际泥石流冲出体积存在误差，无法与泥石流沟道停淤能力或泥石流防治工程的拦挡能力对比，难以实现预警的技术问题。

本发明提供了一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，包括以下步骤：

S1.精细化地形测量，首先运用三维激光扫描测量、无人机测量或倾斜摄影等手段精确测量精细化测量方法将每个泥位计处的沟道地形精细测量出来，获取拟布设泥位计处沟道断面地形，如果泥石流修建有拦挡坝，则测量拦挡坝和坝后库区地形，然后校核实测地形，绘制拟布设泥位计处剖面图或建立沟道精细化三维地形模型，最后计算出泥位监测初设值和下游沟道停淤能力或治理工程有效库容；泥位计测量结果要在初始值基础上进行扣除；拦挡坝的有效库容为治理工程能够停淤泥石流体积的上限值，理论上一次泥石流事件超过该值就会产生漫坝溢流。

S2.泥位监测计算泥石流事件特征值，先布设泥位计，在计算泥石流数据之前先结合泥位计初始值进行数据归零，当泥位数据明显增大至超过平时沟内清水水位并且有明显降雨过程时，进行泥石流特征值的计算，运用泥位计测得泥深和S1步骤中测得地形，根据泥石流灾害防治工程勘查规范(T/CAGHP006-2018)推荐的形态调查法经验公式计算出泥石流特征值，包括本次泥石流的实时流速，泥石流流量，本次泥石流的历时、及本次泥石流的一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物。

运用泥位计测得泥深，根据泥深和泥位计处沟道横剖面的地形可以计算出的泥石流的流速、泥石流流量、一次泥石流过流总量和一次泥石流固体冲出物等；

S3.设置预警阈值，定义泥石流淤积程度D为一次泥石流固体冲出物与下游沟道停淤能力或下游治理工程有效库容之比。

D＝V_y/V_k

V_y—一次泥石流固体冲出物，m³；

V_k—下游沟道停淤能力或下游治理工程有效库容，m³。

进一步的，泥石流淤积程度D按照一次泥石流固体冲出物和沟道有效库容之比，划分为四个等级，注意级：0.7<D<0.8，发出蓝色预警；警示级：0.8<D<0.9，发出黄色预警；警戒级：0.9<D<1.05，发出橙色预警；警报级：D>1.05，发出红色预警。

进一步的，如果一次泥石流事件中泥石流冲出方量非常大，对地形造成了较大改变，需要及时进行步骤S1，重新测量最新地形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施方式，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明泥石流预警方法流程图；

图2为本发明实施例格栅坝及沟道地形三维激光扫描点云图；

图3为本发明实施例泥位计NW02处沟道横剖面地形图；

图4为本发明实施例3号泥石流拦挡坝库区地形图；

图5为本发明实施例号2号泥石流拦挡坝库区地形图；

图6为本发明实施例1号号泥石流拦挡坝库区地形图；

图7为泥位计测量泥深原理示意图；

图8为本发明实施例红椿沟泥石流监测数据。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和展示的本发明实施方式的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：四川省汶川县映秀镇红椿沟泥石流

一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，以四川省汶川县红椿沟泥石流现场实际调查和监测数据为例，具体为以下三个步骤：

S1.精细化地形测量

首先将泥位计布设于红椿沟泥石流主沟流通区3号格栅坝后较为稳定的断面处，对该断面进行精细化地形测量，用三维激光扫描仪测得泥位计布设部位地形点云(图2)，由地形点云形成地形线，并测得泥位计布设部位横剖面图(图3)泥位计测量的数值为泥位计到泥石(水)流面距离，需要将其换算为泥深(图4)。泥位计处初始泥深H₀为24.8m(表1)。

H＝H₀-H₁

—H₀(m)，现场实测时泥位计到沟底距离；

—H₁(m)，泥位计实时监测数据；

—H(m)，泥深。

表1实测泥深数据表

另外，现场使用三维激光扫描(图5-7)分别对红椿沟3处拦挡坝后有效库容进行测量，测量得出的3处拦挡坝结构尺寸及坝后库容V_k见表2。

表2红椿沟防治工程结构参数和库容参数表

S2.泥位监测计算泥石流事件特征值。获取泥位计监测的泥深数据，在计算泥石流数据之前先结合泥位计初始值进行数据归零，当泥位数据明显增大至超过平时沟内清水水位并且有明显降雨过程时，进行泥石流特征值的计算，运用泥位计测得泥深(表1)和泥位计处断面图(图3)，根据泥石流灾害防治工程勘查规范(T/CAGHP 006-2018)推荐的的形态调查法经验公式计算出泥石流特征值。

1、泥深换算

案例中在红椿沟流通区中游布设泥位计，野外实时监测获取的泥位数据见表1，根据测得泥位计值扣除初始值，获取换算泥深值(图8)。

扣除泥位初始值之后获取本次降雨过程和之后的泥位监测过程(图5)，现场进行精细化地形测量和泥位计安装时测得泥石流沟道内老泥石流容重为1.80t/m³。

2、泥石流流速和流量

(1)泥石流流速计算

泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一，也是泥石流治理工程设计不可缺少的计算依据。目前对泥石流的流速常用经验和半经验公式进行计算。红椿沟泥石流流速的计算依据该泥石流沟的性质和特点，采用《泥石流灾害防治工程勘查规范(试行)》(T/CAGHP 006-2018)附录J中推荐公式进行粘性泥石流流速计算：

式中：

V_C—泥石流断面平均流速(m/s)；

R—水力半径(m)；

S—纵比降；

g—重力加速度(m/s²)，一般取9.80m/s²；

D₅₀—泥石流中小于50％质量的颗粒粒径(mm)；

D₁₀—泥石流中小于10％质量的颗粒粒径(mm)，泥石流粒径计算的取样为小样，粒径小于100mm。

D₅₀和D₁₀根据现场采集土样进行颗分试验测定，泥石流流速计算的结果列于表3。

表3泥石流流速计算结果表

(2)运用形态调查法计算泥位计处泥石流流量。

Q_c＝W_c·V_c

式中：

Q_c—泥石流洪峰值流量(m³/s)；

W_c—泥石流过流断面面积(m²)；

V_c—泥石流断面平均流速(m/s)，根据上文经验公式计算。

表4红椿沟泥石流过流断面实测数据计算表

3、一次泥石流过流总量

根据监测数据计算出的上述流速结合持续时间可以计算出一次泥石流的总量。

Q＝TQ_c

式中：Q-一次泥石流的总量(m³)；

T-泥石流历时(s)。

表5一次泥石流过流总量计算结果表

4、一次泥石流固体冲出物

一次泥石流冲出的固体物质总量按下式计算：

Q_H＝Q(γ_c-γ_w)/(γ_H-γ_w)

式中：

γ_H—泥石流固体物质比重(t/m³)，红椿沟为灰岩地区取值2.65；

γ_c—泥石流容重(t/m³)；

γ_w—水容重(t/m³)；

计算结果见表6：

表6一次泥石流总量及固体物质量总表

S3.设置预警阈值，定义泥石流淤积程度D为一次泥石流固体冲出物与下游拦挡坝有效库容的比值：

D＝V_y/V_k

V_y—泥石流淤积方量，m³；

V_k—下游拦挡坝有效库容，m³。

根据泥位数据实时预警

注意级：0.7<D<0.8，下游坝总库容将要达到80％，3号格栅坝淤满，2号格栅拦挡坝淤满，1号格栅拦挡坝淤积40％库容以上，泥石流成灾可能性小，但继续淤积将比较危险，发出蓝色预警；

警示级：0.8<D<0.9，下游坝总库容将要达到90％，3号格栅坝淤满，2号格栅拦挡坝淤满，1号格栅拦挡坝淤积70％库容以上，泥石流成灾可能性较小，但继续淤积将溢坝，发出黄色预警；

警戒级：0.9<D<1.05，下游各坝处于临界工作状态，3号格栅坝淤满，2号格栅拦挡坝淤满，1号格栅拦挡坝淤积85％库容以上，泥石流即将溢坝，发出橙色预警；

警报级：D>1.05，3号格栅坝淤满，2号格栅拦挡坝淤满，1号格栅拦挡坝淤满溢坝，1号坝距离红椿沟沟口800m，泥石流溢坝之后有可能冲出沟口，发出红色预警，见表7。

表7分级预警阈值

由上述泥石流监测过程可以算出2012年5月11至12日的泥石流事件共计冲出泥石流267211.96m³，其中固体物质129557.31m³。尚未达到蓝色预警的级别。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.精细化地形测量，将每个泥位计处的沟道地形精细测量出来，获取拟布设泥位计处沟道断面，然后校核实测地形，绘制拟布设泥位计处剖面图或建立沟道精细化三维地形模型，最后计算出泥位监测初设值和泥石流下游沟道的有效库容。

S2.泥位监测计算泥石流事件特征值，先布设泥位计，在计算泥深之前先结合泥位计初始值进行数据归零，当泥位数据明显增大至超过平时沟内清水水位并且有明显降雨过程时，进行泥石流系列特征值的计算，运用泥位计测得泥深和步骤一中测得地形，根据形态调查法经验公式计算出泥石流特征值，所述泥石流特征值包括本次泥石流的泥深、泥石流过流断面面积、泥石流流速、泥石流流量、泥石流历时和本次泥石流的一次泥石流过程总量和一次泥石流固体冲出物。

S3.设置预警阈值，定义泥石流淤积程度D为泥石流一次泥石流固体冲出物与下游沟道停淤能力或下游治理工程有效库容之比。

D＝V_y/V_k

V_y—一次泥石流固体冲出物，m³；

V_k—下游沟道停淤能力或下游治理工程有效库容，m³。

2.根据权利要求1所述的一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，其特征在于，泥石流淤积程度D按照一次泥石流固体冲出物和有效库容之比，划分为四个等级，注意级：0.7<D<0.8，发出蓝色预警；警示级：0.8<D<0.9，发出黄色预警；警戒级：0.9<D<1.05，发出橙色预警；警报级：D>1.05，发出红色预警。

3.根据权利要求1所述的一种结合泥位监测和精细化地形测量的泥石流预警方法，其特征在于，如果一次泥石流事件中泥石流冲出方量非常大，对地形造成了较大改变，需要及时进行步骤S1，重新测量最新地形。

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