CN116384266B - 一种基于断波原理的泥石流演进预测方法 - Google Patents

一种基于断波原理的泥石流演进预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，包括将泥石流流量过程划分为若干断波元波，获取每个断波元波实时参数；其中，实时参数包括：上游断面几何参数、泥石流下游断面几何参数、泥石流流道参数和控制计算参数；采用宾汉流体本构模型对实时参数进行流量过程计算，并生成流量过程线图；通过流量过程线图，推算演进泥石流下游的流量过程起始时刻。本发明的方式在具体实时的时候，模型参数比较少，所以便于进行参数采集，而且各种物理参数意义是非常明确的，在进行计算的时候计算的速度快，且精度比较高。

Description

一种基于断波原理的泥石流演进预测方法
技术领域
本发明涉及泥石流预测技术领域，特别涉及一种基于断波原理的泥石流演进预测方法。
背景技术
目前，泥石流监测预警技术方案实际包含两部分：一是利用硬件实现各类监测数据采集，二是在监测数据基础上借助预警模型进行数据分析得出预测结果。为了使对泥石流发生可能性高低的预测结果尽量准确且有更高利用价值，新近的泥石流监测预警方案逐渐转向将多种要素监测集成于一体，并在其基础上借助预警模型实现泥石流发生预测。
现有的泥石流下游演进计算方法主要是基于连续介质模型，不能反映突发性、阵流等泥石流流动特性。
发明内容
本发明一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，包括：
将泥石流流量过程划分为若干断波元波，获取每个断波元波实时参数；其中，
实时参数包括：上游断面几何参数、泥石流下游断面几何参数、泥石流流道参数和控制计算参数；
采用宾汉流体本构模型对实时参数进行流量过程计算，并生成流量过程线图；
通过流量过程线图，演进泥石流下游的流量过程起始时刻。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
确定泥石流的实时场景；
通过实时场景，确定泥石流的分析模式；其中，
分析模式包括泥石流溃口至泥石流下游断面的演进分析和两个泥石流断面的演进分析；
溃口至泥石流下游断面的演进分析时，上游断面几何参数为：泥石流溃口的底部高程、底宽、溃口边坡坡比；
两个泥石流断面的演进分析时，上游断面几何参数为：泥石流上游断面的底部高程、底宽、河道边坡坡比。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流下游断面几何参数包括：泥石流底部高程、底宽、河道边坡坡比。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流流道参数包括如下确定步骤：
搭建泥石流的恒定流连续性方程；
计算每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量；
计算每个断波元波的初始流速和波高；
将初始流速和波高作为基础泥石流流道参数，并通过泥石流平均流量和泥石流总流量，确定泥石流的持续时间；
通过泥石流的持续时间，进行等时间间隔的泥石流断波元波划分。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流的恒定流连续性方程包括如下搭建步骤：
通过定坐标对泥石流进行质量守恒分析，确定断波元波的断波参数；其中，
断波参数包括：断波波峰未影响的区域流速为v0、相应的断面面积为A0、断波波峰影响后的区域流速为v、相应的断面面积为A和断波波速为w；
通过断波参数，生成恒定流连续方程：
(v-w)A＝(v0-w)A0
vA-v0A0＝w(A-A0)
通过恒定流连续方程，确定泥石流波流量：
Q-Q0＝w(A-A0)
其中，Q-Q0＝w(A-A0)为波流量；ζ为波高；
通过泥石流波流量和断波元波个数，确定每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过恒定流连续方程和断波参数，构建泥石流流向的恒定流动量方程：
v0表示断波波峰未影响的区域流速；表示A0相应的断面面积；v表示断波波峰影响后的区域流速；A表示泥石流断面面积；w表示断波波速。
作为本发明的一种实施例：所述断波波速包括如下计算步骤：
获取连续性方程和动量方程，确定如下波速公式：
其中，v0表示断波波峰未影响的区域流速；ΔP表示断面泥石流压力。
作为本发明的一种实施例：所述控制计算参数包括设置泥石流演进的初始时间间隔、演进距离和阻力系数；其中，
初始时间间隔为泥石流断波元波的时间间隔；
演进距离为泥石流断面至泥石流溃口/泥石流上游断面至泥石流下游断面的轴线长度；
阻力系数如下式：
其中，Ji为元波i的泥石流坡降；L为演进距离；wi为元波i的波速；Ri为元波i的泥石流半径；n′为阻力系数，hfi为第i个断波元波的沿程泥石流水头损失。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过流量过程线图，以泥石流流域作为监测区，记为M，完成M现场调查；
在M内物源区布置雨量站，在M内雨量站下游设置泥位监测断面P，泥位监测断面P布置泥位计；
根据M现场调查数据测算M内降雨量指标与泥石流发生概率对应关系Rr、测算断面P处泥位指标与泥石流发生概率对应关系Rn；
根据实时降雨数据/预报降雨数据与对应关系Rr测算实时降雨/预报降雨条件下泥石流发生概率pr，根据实时/预报泥位数据与对应关系Rn测算实时/预报泥位条件下泥石流发生概率pn；
依多要素协同概率规则确定M的出山口泥石流发生概率ph、流域泥石流发生协同概率pob。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过流量过程线图，
获取待监测泥石流发生边坡的坡体上游数据，监测待监测泥石流发生边坡顶部边缘位置的边坡位移；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡体下游数据，在所述待监测泥石流发生边坡底部的泥位深度变化情况；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡顶开阔处数据，接收边坡位移和泥位深度变化数据，并发送至上位机进行泥石流预演预警。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
获取泥石流溃口和下游监测站的场景图像，并通过场景图像确定下游监测站的梯形断面；
获取泥石流溃口到下游监测站的地形数据，并确定地形糙率和演进距离；
在泥石流溃口设置和下游监测站设置监测装置，通过监测装置获取的实际泥石流洪峰量和阻力系数；
将地形糙率、演进距离、实际泥石流洪峰量和阻力系数导入预设的反演模型，对泥石流下游演进过程进行模拟，并获取每一时刻的模拟预测结果。
本发明的技术效果在于：
本发明的方式在具体实时的时候，模型参数比较少，所以便于进行参数采集，而且各种物理参数意义是非常明确的，在进行计算的时候计算的速度快，且精度比较高，进而可以反映突发性、阵流等泥石流流动特性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中一种基于断波原理的泥石流演进预测方法的方法流程图；
图2本发明实施例中泥石流计算系统界面图；
图3本发明实施例中泥石流计显示界面图；
图4本发明实施例中第一观测站计算参数图；
图5本发明实施例中第一观测站计算结果图；
图6本发明实施例中第二观测站计算参数图；
图7本发明实施例中第二观测站计算结果图；
图8本发明实施例中第三观测站计算参数图；
图9本发明实施例中第三观测站计算结果图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，包括：
将泥石流流量过程划分为若干断波元波，获取每个断波元波实时参数；其中，
实时参数包括：上游断面几何参数、泥石流下游断面几何参数、泥石流流道参数和控制计算参数；
采用宾汉流体本构模型对实时几何参数进行流量过程计算，并生成流量过程线图；
通过流量过程线图，演进泥石流下游的流量过程起始时刻。
上述技术方案原理在于：
在现有的技术上，水力学中的N-S方程的连续介质模型在溃坝洪水和泥石流演进模拟计算中存在广泛的应用。但是，N-S方程是在恒定渐变流的基础上推导得出的，溃坝发生时，因为流量在较短的时间内发生较大的变化，所以引发的必然是非恒定急变流。溃坝波是典型的不连续波，即断波，但是如何将断波原理应用于溃决洪水演进，并没有具体的方式。
如附图1所示，本发明基于断波原理进行泥石流的演进计算，在已知泥石流流量过程的情况下，模拟下游各断面的泥石流的流量过程。如附图2所示，本发明生成的系统在具体实时的时候包括三个步骤参数输入、绘图、计算数据。然后通过具体的界面显示的整体演进数据，进而可以反映突发性、阵流等泥石流流动特性。
上述技术方案的技术效果在于：
本发明的方式在具体实时的时候，模型参数比较少，所以便于进行参数采集，而且各种物理参数意义是非常明确的，在进行计算的时候计算的速度快，且精度比较高。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
确定泥石流的实时场景；
通过实时场景，确定泥石流的分析模式；其中，
分析模式包括泥石流沟口至泥石流下游断面的演进分析和两个泥石流断面的演进分析；
溃口至泥石流下游断面的演进分析时，上游断面几何参数为：泥石流溃口的底部高程、底宽、溃口边坡坡比；
两个泥石流断面的演进分析时，上游断面几何参数为：泥石流上游断面的底部高程、底宽、河道边坡坡比。
上述技术方案的原理在：
在本发明的实施过程中，会通过监测站的形式实施采集泥石流发生地点的场景地形，通过场景地形的状况来实现泥石流演进，在这个过程中，分析模式表示需要在分析泥石流，确定分析的数据，这些数据包括断面，溃口，坡度，也就是整体泥石流的预期路径的路径地形信息，通过这些地形信息作为参数进行演进分析。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流下游断面几何参数包括：泥石流底部高程、底宽、河道边坡坡比。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流流道参数包括如下确定步骤：
搭建泥石流的恒定流连续性方程；
计算每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量；
计算每个断波元波的初始流速和波高；
将初始流速和波高作为基础泥石流流道参数，并通过泥石流平均流量和泥石流总流量，确定泥石流的持续时间；
通过泥石流的持续时间，进行等时间间隔的泥石流断波元波划分。
上述技术方案的原理在：
断波是不连续波，如涌潮、水电站水轮机输入流量的改变而在渠道中产生的涌波、溃坝后向下游传播的涌波等。在本发明中断波元波就是泥石流在不同时间下持续的涌波，能够实现基于泥石流持续时间以及不同的流速和波高，从而实现断波元波的划分，进而实现演进计算。
作为本发明的一种实施例：所述泥石流的恒定流连续性方程包括如下搭建步骤：
通过定坐标对泥石流进行质量守恒分析，确定断波元波的断波参数；其中，
断波参数包括：断波波峰未影响的区域流速为v0、相应的断面面积为A0、断波波峰影响后的区域流速为v、相应的断面面积为A和断波波速为w；
通过断波参数，生成恒定流连续方程：
(v-w)A＝(v0-w)A0
vA-v0A0＝w(A-A0)
通过恒定流连续方程，确定泥石流波流量：
Q-Q0＝w(A-A0)
其中，Q-Q0＝w(A-A0)为波流量；ζ为波高；
通过泥石流波流量和断波元波个数，确定每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量。
上述泥石流的恒定返程，用于确定每个断波中，泥石流的恒定流量，波高和波流量，可以判断泥石流的平均流量和泥石流总量。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过恒定流连续方程和断波参数，构建泥石流流向的恒定流动量方程：
v0表示断波波峰未影响的区域流速；表示A0相应的断面面积；v表示断波波峰影响后的区域流速；A表示泥石流断面面积；w表示断波波速。
通过上述泥石流的恒定流动量方程，可以对泥石流的流向进行预测模拟，也进而实现泥石流的动态演化估算。
作为本发明的一种实施例：所述断波波速包括如下计算步骤：
获取连续性方程和动量方程，确定如下波速公式：
其中，v0表示断波波峰未影响的区域流速；ΔP表示断面泥石流压力。
作为本发明的一种实施例：所述控制计算参数包括设置泥石流演进的初始时间间隔、演进距离和阻力系数；其中，
初始时间间隔为泥石流断波元波的时间间隔；
演进距离为泥石流断面至泥石流溃口/泥石流上游断面至泥石流下游断面的轴线长度；
阻力系数如下式：
其中，Ji为元波i的泥石流坡降；L为演进距离；wi为元波i的波速；Ri为元波i的泥石流半径；n′为阻力系数，hfi为第i个断波元波的沿程泥石流水头损失。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过流量过程线图，以泥石流流域作为监测区，记为M，完成M现场调查；
在M内物源区布置雨量站，在M内雨量站下游设置泥位监测断面P，泥位监测断面P布置泥位计；
根据M现场调查数据测算M内降雨量指标与泥石流发生概率对应关系Rr、测算断面P处泥位指标与泥石流发生概率对应关系Rn；
根据实时降雨数据/预报降雨数据与对应关系Rr测算实时降雨/预报降雨条件下泥石流发生概率pr，根据实时/预报泥位数据与对应关系Rn测算实时/预报泥位条件下泥石流发生概率pn；
依多要素协同概率规则确定M的出山口泥石流发生概率ph、流域泥石流发生协同概率pob。
作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
通过流量过程线图，
获取待监测泥石流发生边坡的坡体上游数据，监测待监测泥石流发生边坡顶部边缘位置的边坡位移；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡体下游数据，在所述待监测泥石流发生边坡底部的泥位深度变化情况；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡顶开阔处数据，接收边坡位移和泥位深度变化数据，并发送至上位机进行泥石流预演预警。
作为本发明的一种实施例：作为本发明的一种实施例：所述方法还包括：
获取泥石流溃口和下游监测站的场景图像，并通过场景图像确定下游监测站的梯形断面；
获取泥石流溃口到下游监测站的地形数据，并确定地形糙率和演进距离；
在泥石流溃口设置和下游监测站设置监测装置，通过监测装置获取的实际泥石流洪峰量和阻力系数；
将地形糙率、演进距离、实际泥石流洪峰量和阻力系数导入预设的反演模型，对泥石流下游演进过程进行模拟，并获取每一时刻的模拟预测结果。上述技术方案是在实际实施的时候，本发明根据泥石流溃口和监测站的地形数据，即：地形糙率和演进距离，实际泥石流洪峰量和阻力系数等等数据，在具体数据不断采集的过程中，不断的在不同的监测站之间，监测泥石流的模拟预测结果。
采用所开发的程序反演计算泥石流演进，在泥石流下游7km处的设置第一观测站、33.5km设置第二观测站、77km设置第三观测站；测得了流量过程，作为模型计算的依据。
(1)泥石流溃口至第一观测站
计算时根据溃口和第一观测站断面实际情况取为梯形断面，糙率根据实测地形对比与经验取为0.035，演进距离为7km，初始时间间隔取为300s，各项参数具体取值如所示。经反演分析，当阻力系数取值为0.00007时，计算结果与实测结果符合较好，见所示。第一观测站实测泥石流流量为6540m3/s，通过计算得到泥石流流量6434.24m3/s，泥石流到达时间也比较一致。
第一观测站至第二观测站
计算时根据第一观测站断面和第二观测站断面实际情况取为梯形断面，糙率根据实测地形对比与经验取为0.035，演进距离为33.5km，初始时间间隔取为300s，各项参数具体取值图6所示。经反演分析，当阻力系数取值为0.00007时，计算结果与实测结果符合较好，见图7所示。通口站实测泥石流流量为6210m3/s，通过计算得到泥石流流量6560.15m3/s，泥石流到达时间也比较一致。
第二观测站至第三观测站
计算时根据第二观测站断面和第三观测站断面实际情况取为梯形断面，糙率根据实测地形对比与经验取为0.035，演进距离为77km，初始时间间隔取为300s，各项参数具体取值如所示。经反演分析，当阻力系数取值为0.00007时，计算结果与实测结果符合较好，见图9所示。第三观测站实测泥石流流量为6100m3/s，通过计算得到泥石流流量6106.27m3/s，泥石流到达时间也比较一致。
采用所开发的程序泥石流演进过程进行模拟计算，结果表明当阻力系数为0.00007时，计算结果与实测数据较为符合，对比所示，说明模型能够较好的模拟整个演进过程。
泥石流演进计算结果分析
在本发明中泥石流基于Microsoft Excel平台编制，界面简洁易操作，模型参数少、物理意义明确，计算速度快，结果稳定性好、精度较高，对实际工程有较好的应用价值。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，包括：
将泥石流流量过程划分为若干断波元波，获取每个断波元波实时参数；其中，
实时参数包括：上游断面几何参数、泥石流下游断面几何参数、泥石流流道参数和控制计算参数；断波元波是泥石流在不同时间下持续的涌波；
采用宾汉流体本构模型对实时参数进行流量过程计算，并生成流量过程线图；
通过流量过程线图，推算演进泥石流下游的流量过程起始时刻；
所述将泥石流流量过程划分为若干断波元波包括如下步骤：
搭建泥石流的恒定流连续性方程；
计算每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量；
计算每个断波元波的初始流速和波高；
将初始流速和波高作为基础泥石流演进参数，并通过泥石流平均流量和泥石流总流量，确定泥石流的持续时间；
通过泥石流的持续时间，进行等时间间隔的泥石流断波元波划分；
所述泥石流的恒定流连续性方程包括如下搭建步骤：
通过定坐标对泥石流进行质量守恒分析，确定断波元波的断波参数；其中，
断波参数包括：断波波峰未影响的区域流速为v0、相应的断面面积为A0、断波波峰影响后的区域流速为v、相应的断面面积为A和断波波速为w；
通过断波参数，生成恒定流连续方程：
(v-w)A＝(v0-w)A0
vA-v0A0＝w(A-A0)
通过恒定流连续方程，确定泥石流波流量：
Q-Q0＝w(A-A0)
其中，Q-Q0＝w(A-A0)为波流量；ζ为波高；
通过泥石流波流量和断波元波个数，确定每个断波元波的泥石流平均流量和泥石流总流量。
2.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定泥石流的实时场景；
通过实时场景，确定泥石流的分析模式；其中，
分析模式包括泥石流溃口至泥石流下游断面的演进分析和两个泥石流断面的演进分析；
溃口至泥石流下游断面的演进分析时：
上游断面几何参数为：泥石流溃口的底部高程、底宽、溃口边坡坡比；
泥石流下游断面几何参数包括：泥石流底部高程、底宽、河道边坡坡比；
两个泥石流断面的演进分析时：
上游断面几何参数为：泥石流上游断面的底部高程、底宽、河道边坡坡比。
3.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过恒定流连续方程和断波参数，构建泥石流流向的恒定流动量方程：
v0表示断波波峰未影响的区域流速；A0表示相应的断面面积；v表示断波波峰影响后的区域流速；A表示泥石流断面面积；w表示断波波速；
其中，γ为泥石流的重度；g为重力加速度，取9.8m/s2。
4.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述断波波速包括如下计算步骤：
获取连续性方程和动量方程，确定如下波速公式：
其中，v0表示断波波峰未影响的区域流速；ΔP表示断面泥石流压力。
5.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述控制计算参数包括设置泥石流演进的初始时间间隔、演进距离和阻力系数；其中，
初始时间间隔为泥石流断波元波的时间间隔；
演进距离为泥石流断面至泥石流溃口/泥石流上游断面至泥石流下游断面的轴线长度；
阻力系数如下式：
其中，Ji为元波i的泥石流坡降；L为演进距离；wi为元波i的波速；Ri为元波i的泥石流水力半径；n′为阻力系数，hfi为第i个断波元波的沿程泥石流水头损失。
6.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过流量过程线图，以泥石流流域作为监测区，记为M，完成M现场调查；
在M内物源区布置雨量站，在M内雨量站下游设置泥位监测断面P，泥位监测断面P布置泥位计；
根据M现场调查数据测算M内降雨量指标与泥石流发生概率对应关系Rr、测算断面P处泥位指标与泥石流发生概率对应关系Rn；
根据实时降雨数据/预报降雨数据与对应关系Rr测算实时降雨/预报降雨条件下泥石流发生概率pr，根据实时/预报泥位数据与对应关系Rn测算实时/预报泥位条件下泥石流发生概率pn；
依多要素协同概率规则确定M的出山口泥石流发生概率ph、流域泥石流发生协同概率pob。
7.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过流量过程线图，
获取待监测泥石流发生边坡的坡体上游数据，监测待监测泥石流发生边坡顶部边缘位置的边坡位移；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡体下游数据，在所述待监测泥石流发生边坡底部的泥位深度变化情况；
获取所述待监测泥石流发生边坡的坡顶开阔处数据，接收边坡位移和泥位深度变化数据，并发送至泥石流沟口位置进行泥石流预演预警。
8.如权利要求1所述的一种基于断波原理的泥石流演进预测方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取泥石流溃口和下游监测站的场景图像，并通过场景图像确定下游监测站的梯形断面；
获取泥石流溃口到下游监测站的地形数据，并确定地形糙率和演进距离；
在泥石流溃口和下游监测站设置监测装置，通过监测装置获取实际泥石流洪峰量和阻力系数；
将地形糙率、演进距离、实际泥石流洪峰量和阻力系数导入预设的反演模型，对泥石流下游演进过程进行模拟，并获取每一时刻的模拟预测结果。
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