CN113742904A - 一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，它包括如下步骤：步骤1）：构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型；步骤2）：计算出每次泥石流堆积体的下底面面积Si和上底面面积S1i；步骤3）：计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的高度Hi；步骤4）：根据步骤1）中构建的模型、步骤2）中计算出的Si和S1i以及步骤3）中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的体积Vi；步骤5）：将步骤4）中计算出的体积Vi，通过上层堆积体体积减去下层堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi；本发明解决了每一次泥石流发生时沟口处堆积扇体积难以估计的问题。

Description

一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法
技术领域
本发明涉及泥石流预警与防治应用技术领域，具体地指一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法。
背景技术
泥石流是一种在我国西南山区内常见的地质灾害，在地形条件合适、物源补给充足的地区，一旦达到临界的水动力条件，就极易引发泥石流灾害。泥石流灾害具有随机性、偶发性、突发性，在其爆发时，会在短时间内伴随着大量的、高速的流体，冲毁或者淤满沟口的城市建设和交通设施，严重威胁当地人民的生命财产安全。
地震诱发的崩滑灾害，是泥石流物源的主要来源。在大型地震发生后，除会在震区内引起大量同震灾害外，还会在地震活动结束后的很长一段时间内增加当地山体的不稳定性、降低泥石流发生的临界雨量、提高泥石流重度和增大泥石流流量等等影响。因大地震造成的山体不稳定原因而引发的地质灾害，在部分震区甚至5-10年左右才会逐步显现，经过10年左右的时间，崩滑体的活动性才能逐渐衰减至震前水平，因此在大地震发生之后的十多年时间内，震区的泥石流灾害会有所增加。
计算泥石流冲出量是预估泥石流危害性的一种重要手段，现有对于泥石流沟口冲出总量的计算模型也较多。但震区内的泥石流灾害，在地震活动结束后同一流域可能会发生多次，如果想要弄清楚同一流域内，每一次泥石流的冲出方量，现有冲出量计算模型，就不能很好的适用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，解决每一次泥石流发生时沟口处堆积扇体积难以估计的问题，并进行实例运用，为泥石流冲出量的预警和防治提供一种新方法，适用于泥石流防治工程设计的需要。
本发明为解决上述技术问题，所采用的技术方案是：一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，它包括如下步骤：
步骤1)：构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型；
步骤2)：计算出每次泥石流堆积体的下底面面积Si和上底面面积S1i；
步骤3)：计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的高度Hi；
步骤4)：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的体积Vi；
步骤5)：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层堆积体体积减去下层堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi。
优选地，所述步骤1)中构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型为棱台状堆积体模型，其计算公式为：
Figure BDA0003222423550000021
式中Vi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积；Hi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度；Si为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的下底面面积，S1i为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的上底面面积。
优选地，所述步骤2)具体为：获取历次泥石流沟口堆积扇的遥感影像，并通过遥感解译计算出每次泥石流在沟口处的堆积体的下底面面积Si和沟口处距沟高程最高处的堆积体的上底面面积S1i。
优选地，所述步骤3)具体为：通过实地调查开挖断面或遥感数据计算，得出最后一次泥石流爆发后，堆积扇的总高程H1和历次泥石流的厚度Di，并通过总高程H1从上往下减去历次泥石流厚度Di的方式获得每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度Hi。
优选地，所述步骤4)具体为：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi；
优选地，所述步骤5)具体为：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层棱台堆积体体积减去下层棱台堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi；设上层棱台堆积体体积为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi，下层棱台堆积体体积为第i-1次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi-1，则vi为第i次泥石流的冲出方量：
vi＝Vi-Vi-1
本发明的有益效果：
1、本发明从泥石流沟口冲出屋的几何形态和堆积特征多方面入手，构建了基于遥感解译面积和堆积扇厚度参数的堰冲出量算模型，并使用构建的模型对同一流域内多次泥石流的冲出量进行预测；
2、本发明方法适用于同一流域内多次发生泥石流灾害的地区的冲出量预测，与现有技术相比，本发明结合泥石流沟口堆积扇的野外调查、现场测量和理论分析，而现有研究未能考虑到多次泥石流发生地区的堆积扇分层计算问题，通过本模型的计算能更准确的得到流域内不同时期泥石流爆发时的冲出量，为泥石流防治和未来冲出量的预测提供依据；
3、本发明方的法运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。。
附图说明
图1为本发明泥石流沟口堆积扇俯视结构示意图；
图2为图1中1-1处的剖面结构示意图；
图3为图1中2-2处的剖面结构示意图；
图4为图1中第一次泥石流沟口堆积扇的立体结构示意图；
图5为本实施例泥石流沟口堆积扇俯视结构示意图；
图6为图5中1-1处的剖面结构示意图；
图7为图5中2-2处的剖面结构示意图；
图8为图5中第一次泥石流沟口堆积扇的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，它包括如下步骤：
步骤1)：构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型；
步骤2)：计算出每次泥石流堆积体的下底面面积Si和上底面面积S1i；
步骤3)：计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的高度Hi；
步骤4)：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的体积Vi；
步骤5)：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层堆积体体积减去下层堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi。
进一步地，所述步骤1)中构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型为棱台状堆积体模型，其计算公式为：
Figure BDA0003222423550000041
式中Vi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积；Hi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度；Si为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的下底面面积，S1i为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的上底面面积。
本发明的泥石流沟口堆积扇在几何形态方面，如图1至3所示，泥石流堆积扇的底面积形状成扇形且从剖面图来看，形状可以简化成梯形，从剖面图来看形状可以简化成直角梯形，且其上底可以看成一个始终与底面平行的平面，高程保持不变，可以较为真实地还原堆积扇的几何形状；通过将泥石流堆积体简化为棱台状堆积体的形状对其进行体积计算，在简化计算步骤的同时，也能较好还原泥石流的堆积特征。
另外本发明构建的模型公式同时考虑了泥石流堆积扇的几何形态和堆积特征，结合遥感解译结果的泥石流爆发后的实际面积，堆积厚度和堆积形状而对沟口冲出物的固体物质储备量进行定量计算分析，对多次泥石流爆发地区的冲出量预测准确度高，且数据获取方便、计算方式简单，能满足泥石流的快速预防和治理需要。
进一步地，所述步骤2)具体为：获取历次泥石流沟口堆积扇的遥感影像，并通过遥感解译计算出每次泥石流在沟口处的堆积体的下底面面积Si和沟口处距沟高程最高处的堆积体的上底面面积S1i。
进一步地，所述步骤3)具体为：通过实地调查开挖断面或遥感数据计算，得出最后一次泥石流爆发后，堆积扇的总高程H1和历次泥石流的厚度Di，并通过总高程H1从上往下减去历次泥石流厚度Di的方式获得每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度Hi。如图4所示，面ABCDE为遥感解译出的底面，线段HF为堆积体高程最高处，面IJFH平行于面ABCDE且距离始终为H1，面IJFH的面积等于下底面ABGE,图2和图3所示第一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度为H1,第二次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度为H2，第三次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度为H3。
进一步地，所述步骤4)具体为：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi；
进一步地，所述步骤5)具体为：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层棱台堆积体体积减去下层棱台堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi；设上层棱台堆积体体积为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi，下层棱台堆积体体积为第i-1次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi-1，则vi为第i次泥石流的冲出方量：
vi＝Vi-Vi-1
为了验证同一流域多次泥石流冲出方量计算模型的正确性和实用性，选取汶川震区簇头沟为研究对象，其中簇头沟位于岷江右岸，流域面积21.59km2，流域地形呈叶脉状，发育6条支沟，最高峰岭海拔3940m，最低岷江边海拔1188m，主沟长5.44km，流域内最大高差2752m，平均比降312‰。
簇头沟自2008年汶川地震发生以来，共计发生了三次泥石流灾害，时间分别为2013年7月10日、2019年8月20日和2020年8月17日，造成都汶高速双向堵塞，G213国道被冲毁，给当地居民的生产生活安全带来巨大威胁，具体簇头沟流域简图如附图5所示。
为了有效的防治和治理泥石流，计算泥石流冲出量，根据同一流域多次泥石流冲出方量计算模型预测，具体计算方法及步骤如下：
步骤1)：构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型为棱台状堆积体模型，其计算公式为：
Figure BDA0003222423550000051
步骤2)：获取簇头沟历次泥石流沟口堆积扇的2017年9月7日、2019年9月27日和2020年11月10日的哨兵二号遥感影像(精度10m)，并通过遥感解译计算出每次泥石流在沟口处的堆积体的下底面面积Si和沟口处距沟高程最高处的堆积体的上底面面积S1i，结果如下表1所示：
表1簇头沟三次泥石流时间位置及底面面积信息
Figure BDA0003222423550000052
步骤3)：通过对簇头沟的实地调查我们选取合适的开挖断面对三次泥石流堆积体的厚度Di进行测量与计算，并通过实地无人机遥感影像数据，测量出2020年最后一次泥石流爆发后，堆积扇的总高程H1和历次泥石流的厚度Di，并通过总高程H1从上往下减去历次泥石流厚度Di的方式获得每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度Hi。结果如下表2所示：
表2簇头沟三次泥石流堆积体厚度及最大高程信息
泥石流名称 堆积扇厚度D<sub>i</sub>(m) 高程H<sub>i</sub>取值(m)
2013年泥石流 3.2-3.3 6.3
2019年泥石流 2.3-2.5 11.0
2020年泥石流 2.1-2.3 15.1
步骤4)：将步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi带入下列公式，
Figure BDA0003222423550000061
得出每一层棱柱的体积Vi；
步骤5)：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层棱台堆积体体积减去下层棱台堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi；设上层棱台堆积体体积为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi，下层棱台堆积体体积为第i-1次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi-1，则vi为第i次泥石流的冲出方量：
vi＝Vi-Vi-1
得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi，结果如下表3所示：
表3簇头沟三次泥石流的冲出方量
泥石流名称 冲出方量(10<sup>4</sup>m<sup>3</sup>)
2013年泥石流(第一次) 11.50
2019年泥石流(第二次) 11.91
2020年泥石流(第三次) 11.04
为了和现有技术的模型计算结果进行对比，我们找到一篇比较有代表意义的现有技术文献“强震区泥石流堆积物的演化特征与方量估算模型[J].水利学报,2012,43(S2):117-121.”，其在2012年提出了一种关于泥石流堆积扇的计算方法用来计算泥石流堆积量其具体的计算公式为：
V＝(D+B+S)×A/3
式中D为堆积区的后缘宽；B为前缘宽；S为中部最高点宽；A为此三角形的面积；V为泥石流堆积物方量。
根据其设计的计算方法，我们检验了簇头沟地区泥石流的冲出量，具体数据与结果如下表4；
表4根据现有技术文献计算出的簇头沟流域具体数据
Figure BDA0003222423550000071
通过数据对比不难看出，具体泥石流冲出量与本发明计算结果相差不多，但现有技术的计算方式对泥石流形态的简化过程过于彻底，没有考虑泥石流的实际情况，因此造成计算结果相对于本发明结果偏大的现象，本发明从泥石流的具体形态入手，更能精准计算其真实形态。
本实施例方法适用于同一流域内多次泥石流发生地区的泥石流冲出量预测，与现有技术相比，本发明从泥石流沟口冲出屋的几何形态和堆积特征多方面入手，构建了基于遥感解译面积和堆积扇厚度参数的堰冲出量算模型，并使用构建的模型对同一流域内多次泥石流的冲出量进行预测，其运用简单、高效，可满足地质灾害预防需要。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1)：构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型；
步骤2)：计算出每次泥石流堆积体的下底面面积Si和上底面面积S1i；
步骤3)：计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的高度Hi；
步骤4)：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口堆积体的体积Vi；
步骤5)：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层堆积体体积减去下层堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi。
2.根据权利要求1所述一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于:所述步骤1)中构建泥石流沟口堆积扇的几何堆积模型为棱台状堆积体模型，其计算公式为：
Figure FDA0003222423540000011
式中Vi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积；Hi为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度；Si为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的下底面面积，S1i为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的上底面面积。
3.根据权利要求1所述的一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于：所述步骤2)具体为：获取历次泥石流沟口堆积扇的遥感影像，并通过遥感解译计算出每次泥石流在沟口处的堆积体的下底面面积Si和沟口处距沟高程最高处的堆积体的上底面面积S1i。
4.根据权利要求1所述的一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于：所述步骤3)具体为：通过实地调查开挖断面或遥感数据计算，得出最后一次泥石流爆发后，堆积扇的总高程H1和历次泥石流的厚度Di，并通过总高程H1从上往下减去历次泥石流厚度Di的方式获得每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的高度Hi。
5.根据权利要求1所述的一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于：所述步骤4)具体为：根据步骤1)中构建的模型、步骤2)中计算出的Si和S1i以及步骤3)中的Hi分别计算出每一次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi。
6.根据权利要求1所述的一种同一流域内多次泥石流冲出方量的计算方法，其特征在于：所述步骤5)具体为：将步骤4)中计算出的体积Vi，通过上层棱台堆积体体积减去下层棱台堆积体体积的方法，得出同一流域内，每一次泥石流的冲出方量vi；设上层棱台堆积体体积为第i次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi，下层棱台堆积体体积为第i-1次泥石流发生后沟口棱台状堆积体的体积Vi-1，则vi为第i次泥石流的冲出方量：vi＝Vi-Vi-1。
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