CN117829031A - 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法 - Google Patents

考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法 Download PDF

Info

Publication number
CN117829031A
CN117829031A CN202410234086.8A CN202410234086A CN117829031A CN 117829031 A CN117829031 A CN 117829031A CN 202410234086 A CN202410234086 A CN 202410234086A CN 117829031 A CN117829031 A CN 117829031A
Authority
CN
China
Prior art keywords
runoff
debris flow
flow
rainfall
debris
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202410234086.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN117829031B (zh
Inventor
刘威
吴清
曹磊
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Original Assignee
Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS filed Critical Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority to CN202410234086.8A priority Critical patent/CN117829031B/zh
Publication of CN117829031A publication Critical patent/CN117829031A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN117829031B publication Critical patent/CN117829031B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/28Design optimisation, verification or simulation using fluid dynamics, e.g. using Navier-Stokes equations or computational fluid dynamics [CFD]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2113/00Details relating to the application field
    • G06F2113/08Fluids
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

本发明属于流体仿真技术领域,涉及考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,包括构建降雨空间分布模型;构建植被拦截模型;构建土壤入渗耦合模型;确定降雨数据、植被拦截雨水数据、土壤入渗雨水数据;确定剩余雨水数据;获取径流和泥石流的特征数据;基于泥石流对径流的吸水率参数,构建径流和泥石流传播的双层深度平均模型;双层深度平均模型进行空间离散化,得到动力学模型;模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。本发明考虑了降雨、植被拦截、土壤渗透、径流产生和泥石流传播的过程,提出一种描述径流和泥石流动力学的深度平均双层模型,并引入了吸水率参数,利用动力学模型准确有效地模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。

Description

考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法
技术领域
本发明属于流体仿真技术领域,具体而言,涉及考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法。
背景技术
泥石流是一种典型的山地灾害,由于其影响面积大、破坏力大,可造成高伤亡或严重经济损失,了解影响泥石流流动的因素及其影响程度,对于评估灾害风险和制定重建战略至关重要。
泥石流的流动性在传播过程中会发生变化,由于河床沉积物的夹带和径流的吸水导致流量和整体流动行为的变化,泥石流在通过河道传播过程中的流动性可能会发生变化。
迄今为止,关于泥沙夹带如何影响泥石流流动,根据大流量实验发现,湿床沉积物上的泥石流运动速度明显快于固定床上的泥石流,研究人员在六次侵蚀性泥石流事件中测量了河床和水流特性,发现与干河床沉积物相比,当河床沉积物饱和时,泥石流的侵蚀质量也更大。为了定量描述泥沙夹带作用下的泥石流传播,基于深度平均理论,有学者提出了几个基于物理的数值模型将一维泥石流模型与侵蚀公式相结合,该公式考虑了床层材料的极限平衡和过量孔隙水压力。
与深入研究夹带机制及其对泥石流流动性的影响相比,对泥石流传播过程中吸水率的研究很少,泥石流在遇到径流时可以吸收径流中的水分,并稀释其固体浓度,从而降低了基底摩擦阻力,增强了流动性;此外,吸水可以将径流的质量和动量直接传递给泥石流,这与仅将质量从河床传递给泥石流的泥沙夹带不同。对于地形陡峭或降雨量大的集水区,径流具有较大的动能,当它们相遇时可以转移到泥石流中,从而促进泥石流的传播。然而,目前还没有将上述吸水对泥石流传播的影响纳入其中的数值模型,特别是从集水区的角度来看。
降雨强度的空间异质性是山区降雨事件的一个重要特征,它显著影响水文过程,从而增加了对灾害的易感性。由于监测条件恶劣或测量误差,尤其是在高海拔地区,在集水区获得准确的降雨量数据具有挑战性。降雨量的高空间变异性在预测径流产生方面引入了不确定性,包括流量和峰值流量等特征。为了提高流域径流模拟的准确性,使用具有空间变化的降雨数据,该数据是通过插值附近17个气象站的数据获得的。然而,由于这些站点不在集水区内,而且大多数站点都很远,因此得出的降雨量数据可能会失真。目前,采用将降雨强度和高程联系起来的经验公式是提高流域内径流生成和泥石流传播模拟精度的有效方法。不幸的是,很少使用将这种关系公式与泥石流传播模型相结合的数值方法。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提供考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,包括:
构建降雨空间分布模型,用于表征海拔和降雨量之间的关系;
构建植被拦截模型,用于表征植物拦截降雨过程的动力学表达式;
构建土壤入渗耦合模型,用于表征降雨入渗土壤的过程;
根据降雨空间分布模型确定降雨数据,根据植被拦截模型确定植被拦截雨水数据,根据土壤入渗耦合模型确定土壤入渗雨水数据;
根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据;
将径流和泥石流的混合物作为泥石流的组成,获取径流和泥石流的特征数据;
利用径流和泥石流的特征数据,基于泥石流对径流的吸水率参数,构建径流和泥石流传播的双层深度平均模型,用于表征径流和泥石流的质量守恒过程以及河床沉积物的质量守恒过程;
采用具有二阶精度的分数步长方法对径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,得到动力学模型;
利用动力学模型模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。
在上述技术方案的基础上,本发明还可以做如下改进。
进一步,径流和泥石流的特征数据包括径流的深度、泥石流的深度、径流的密度、泥石流的密度、径流的速度、泥石流的速度、深度平均固体体积分数、干土的密度、流入泥石流的流体的密度、河床床面高程、径流与泥石流的密度比、泥石流与径流界面处的剪应力、泥石流剪切应力、径流和泥石流界面边界处的流动速度、泥石流与河床表面之间的侵蚀率。
进一步,根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据,包括:设剩余雨水为参数,初始降雨强度为/>,每时间单位的拦截损失率为/>,每时间单位的渗透损失率为/>,则:
进一步,构建降雨空间分布模型,包括:
为高程,/>为最大降雨强度的海拔高度,/>为/>变大时的参考降雨强度,初始降雨强度为/>,/>、/>为降雨量数据拟合参数,则:
进一步,构建植被拦截模型的过程中,设为累积的降雨拦截损失,/>为累计降雨量,/>为校正因子,/>为叶面积指数,/>是最大冠层储存量;
植物拦截降雨过程的降雨拦截损失动力学表达式为:
进一步,构建土壤入渗耦合模型的过程中,设为距土壤表面的深度,/>为土壤含水量,/>为水力扩散率,/>为每时间单位的渗透损失率,/>为时间,/>为导水率;/>为植物根系的水槽项,/>为根分布函数,/>为蒸腾减少量,/>为最大蒸腾速率,/>为初始土壤含水量,则:
进一步,设为径流的深度,/>为泥石流的深度,/>为径流流体密度,/>为泥石流流体密度,/>为径流的速度,/>为泥石流的速度,/>为干土的密度,/>为流入泥石流的流体的密度,/>,/>为深度平均固体体积分数,/>为床面高程,/>为径流与泥石流的密度比,/>,/>为重力加速度,/>为时间,/>为基底摩擦角,/>为泥石流与径流界面处的剪应力,/>为泥石流剪切应力,/>为泥石流相遇时对径流中水分的吸水率,/>为沉积物孔隙度,/>为泥石流与河床表面之间的侵蚀率,/>、/>为笛卡尔坐标系中坐标轴轴向,为径流和泥石流的交界面,/>为径流沿/>方向上的速度分量,/>为泥石流沿/>方向上的速度分量;
径流的质量守恒方程为:
泥石流的质量守恒方程为:
径流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
径流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流单位体积内的固相体积分数演化控制方程为:
河床沉积物的质量守恒方程为:
进一步,设为泥石流流体密度,/>为泥石流剪切应力,/>为河床抗剪强度,为沉积物材料的内聚力,/>为泥石流的速度,/>为孔隙压力比,孔隙压力比表示河床材料的液化程度,/>为重力加速度,/>为时间,/>为校准的侵蚀系数,泥石流的深度为/>,/>为泥石流内摩擦角,河床抗剪强度为:/>
泥石流与河床表面之间的侵蚀率的值表示为:
进一步,使用Courant Friedrichs-Lewy准则来确定时间步长。
进一步,径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,使用Harten Lax van Leer Contact求解器计算通量项,使用三点中心差分格式计算偏微分项。
本发明的有益效果是:本发明考虑了降雨、植被拦截、土壤渗透、径流产生和泥石流传播的过程,提出一种描述径流和泥石流动力学的深度平均双层模型,并引入了吸水率参数,利用动力学模型准确有效地模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法的原理图;
图2为本发明考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法的原理流程示意图;
图3为滑坡发生后三个监测点的泥石流和径流流量;
图4为采用有吸水和无吸水两种条件的备选梅陇泥石流模拟中总动能和每次侵蚀量的演变;
图5为反映吸水率和最大降雨强度的海拔高度对泥石流流动性影响的指标的模拟结果图,图5中的(a)为所有模拟的峰值动能与峰值总动能的比值,图5中的(b)为泥石流峰值动能与径流峰值动能的比值,图5中的(c)为侵蚀沉积物总体积与侵蚀沉积物峰值总体积的比值。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
作为一个实施例,如附图1所示,为解决上述技术问题,本实施例提供考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,包括:
构建降雨空间分布模型,用于表征海拔和降雨量之间的关系;
构建植被拦截模型,用于表征植物拦截降雨过程的动力学表达式;
构建土壤入渗耦合模型,用于表征降雨入渗土壤的过程;
根据降雨空间分布模型确定降雨数据,根据植被拦截模型确定植被拦截雨水数据,根据土壤入渗耦合模型确定土壤入渗雨水数据;
根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据;
将径流和泥石流的混合物作为泥石流的组成,获取径流和泥石流的特征数据;
利用径流和泥石流的特征数据,基于泥石流对径流的吸水率参数,构建径流和泥石流传播的双层深度平均模型,用于表征径流和泥石流的质量守恒过程以及河床沉积物的质量守恒过程;
采用具有二阶精度的分数步长方法对径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,得到动力学模型;
利用动力学模型模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。
在实际应用过程中,泥石流的流动性在传播过程中会发生变化,这是由于吸收径流中的水导致流量和整体流动行为的变化。
如附图2所示,本发明提出一个双层深度平均模型来描述径流对泥石流传播的影响过程,该模型考虑了降雨、植被拦截、土壤渗透、径流产生和泥石流传播的过程,并在用于描述径流和泥石流动力学的深度平均双层模型中引入了吸水率参数。随着泥石流的吸水率的增加,泥石流的流动性也增加,因为更多的质量和能量从径流转移到泥石流。此外,降雨强度的空间和时间模式可以通过影响径流动力学来改变泥石流的传播速度。
可选的,径流和泥石流的特征数据包括径流的深度、泥石流的深度、径流的密度、泥石流的密度、径流的速度、泥石流的速度、深度平均固体体积分数、干土的密度、流入泥石流的流体的密度、河床床面高程、径流与泥石流的密度比、泥石流与径流界面处的剪应力、泥石流剪切应力、径流和泥石流界面边界处的流动速度、泥石流与河床表面之间的侵蚀率。
在实际应用过程中,通过引入剩余雨水径流的耦合模型来评估集水区吸水对泥石流传播的影响。
假设残余雨水的数量受到降雨模式、植被覆盖率、植被类型、土壤饱和度和类型等因素的影响,在这一假设的指导下,将现有的基于物理的降雨模型结合起来,以定量描述有助于径流的剩余雨水量。
可选的,根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据,包括:设剩余雨水为参数,初始降雨强度为/>,每时间单位的拦截损失率为/>,每时间单位的渗透损失率为/>,则:
由于海拔变化而导致的山区降雨的显著空间异质性,引入一个基于海拔的公式来计算降雨的空间分布。
可选的,构建降雨空间分布模型,包括:
为高程,/>为最大降雨强度的海拔高度,/>为/>变大时的参考降雨强度,初始降雨强度为/>,/>、/>为降雨量数据拟合参数,则:
可选的,构建植被拦截模型的过程中,则设为累积的降雨拦截损失,/>为累计降雨量,/>为校正因子,/>为叶面积指数,/>是最大冠层储存量;
植物拦截降雨过程的降雨拦截损失动力学表达式为:
可选的,构建土壤入渗耦合模型的过程中,设为距土壤表面的深度,/>为土壤含水量,/>为水力扩散率,/>为每时间单位的渗透损失率,/>为时间,/>为导水率;/>为植物根系的水槽项,/>为根分布函数,/>为蒸腾减少量,/>为最大蒸腾速率,/>为初始土壤含水量,则:
可选的,设为径流的深度,/>为泥石流的深度,/>为径流流体密度,/>为泥石流流体密度,/>为径流的速度,/>为泥石流的速度,/>为干土的密度,/>为流入泥石流的流体的密度,/>,/>为深度平均固体体积分数,/>为床面高程,/>为径流与泥石流的密度比,/>,/>为重力加速度,/>为时间,/>为基底摩擦角,/>为泥石流与径流界面处的剪应力,/>为泥石流剪切应力,/>为泥石流相遇时对径流中水分的吸水率,/>为沉积物孔隙度,/>为泥石流与河床表面之间的侵蚀率,/>、/>为笛卡尔坐标系中坐标轴轴向,/>为径流和泥石流的交界面,/>为径流沿/>方向上的速度分量,/>为泥石流沿/>方向上的速度分量;
径流的质量守恒方程为:
泥石流的质量守恒方程为:
径流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
径流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流单位体积内的固相体积分数演化控制方程为:
河床沉积物的质量守恒方程为:
在实际应用过程中,泥石流相遇时对径流中水分的吸水率显著影响了两股水流之间的质量转换,进而影响了泥石流的传播。
可选的,设为泥石流流体密度,/>为泥石流剪切应力,/>为河床抗剪强度,为沉积物材料的内聚力,/>为泥石流的速度,/>为孔隙压力比,孔隙压力比表示河床材料的液化程度,/>为重力加速度,/>为时间,/>为校准的侵蚀系数,泥石流的深度为/>,/>为泥石流内摩擦角,河床抗剪强度为:/>
泥石流与河床表面之间的侵蚀率的值表示为:
径流在x方向上的动量守恒方程与径流在y方向上的动量守恒方程中,右侧项对应于传质、地形和摩擦损失;泥石流在x方向上的动量守恒方程与泥石流在y方向上的动量守恒方程中,右侧项对应于质量传递、相互作用力、地形和摩擦损失。
当碎屑具有高粘度并且仅与径流短暂相互作用时,,径流的质量守恒方程与动量守恒方程以及泥石流的质量守恒方程与动量守恒方程的结构可以被视为典型的双层模型。
首先,考虑了降雨空间分布、植被截留和地表入渗对径流产生的影响,其次,能够同时描述径流和泥石流的传播、径流和泥石流的相互作用以及沉积物的侵蚀效应,利用该数值框架可以获得径流/泥石流演变的特征,如深度、速度、固体体积分数和每个时间步长的相关侵蚀率,因此有助于分析集水区径流特征如何影响泥石流的传播。
可选的,使用Courant Friedrichs-Lewy准则(克朗条件)来确定时间步长。
可选的,径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,使用Harten Lax van Leer Contact(黎曼求解器,简称HLLC)求解器计算通量项,使用三点中心差分格式计算偏微分项。
径流和泥石流传播的双层深度平均模型空间离散化通过矩形网格排列上的有限体积方法实现。采用具有二阶精度的分数步长方法能够保证精度和效率。
根据现场调查和遥感技术解释,海拔差异可能导致集水区内降雨量的显著不均匀分布。主冲沟下部为泥石流的堆积提供了更有利的流动条件。在其传播过程中,由于夹带,泥石流的体积比初始体积增加了几十倍,对位于主冲沟下部的四个侵蚀断面进行了测量,显示平均侵蚀深度约为3.7m。相比之下,由于该地区土层较薄,主冲沟上段的侵蚀深度相对较小。泥石流事件发生前,遭遇持续降雨,从附近的气象站点获得的降雨数据证明了这一点。因此,在大流域面积、高强度降雨和显著土壤饱和的共同作用下,径流迅速产生,汇聚在主冲沟,形成了大流量水流。当滑坡发生时,坍塌的岩体与暴雨径流结合形成泥石流,然后,通过吸收径流中的水和夹带沉积物物质,泥石流的大小会增加,泥石流事件形成。
为了保证计算结果的可靠性,对模型参数进行校准。模拟中使用的参数值汇总如表1所示。使用的数字高程模型(Digital Elevation Model ,简称DEM)分辨率为10m。实验地点的植被类型如森林、草原和耕地的叶面积指数(Leaf Area Index,简称LAI)的空间分布,精度为10m,通过使用250m精度的GLASS数据和数据插值进行遥感解释获得。经验参数,如出现最大降雨强度的海拔高度和侵蚀系数/>,使用试错程序进行校准,以实现与现实密切匹配的情况。气象站的监测数据显示,与冲沟入口高程相同,最大小时降雨强度为11.4毫米/小时。基于这些数据,图5中的(c)显示了海拔为3600m、侵蚀系数为/>的降雨空间分布,对应于冲沟入口处11.4毫米/小时的强度。因此,集水区的最大降雨强度为34.1毫米/小时,与其他记录中观察到的峰值一致。
表1 泥石流模拟中使用的各个参数值
为了验证所提出的在集水区尺度上模拟径流和泥石流传播的模型和数值方法,首先模拟非均匀降雨分布下的径流产生和泥石流传播过程,然后将获得的结果与其他研究和现场观测的结果进行比较,在冲沟上游区域发生浅层滑坡之前,产生的径流在冲沟出口附近表现出约200的高流量,这种排放伴随着12.8%的雨水损失,浅层滑坡发生后,与径流汇合,在冲沟通道内转化为快速推进的泥石流。此外,泥石流通过在饱和床上施加升高的剪切应力来引发沉积物侵蚀。03:08,泥石流到达冲沟中段,最大流深8.6m,最大流速11.8m/s。随后,它在03:18到达冲沟出口,最大流深9.2米,最大流速14.6米/秒,与记录资料数据相同。大量的泥石流物质冲出冲沟,形成了一座大坝,堵塞了河流。该大坝的最大高度为11.3米,与8至12米的观测高度一致。2.87×104/>的撞击面积与观测数据一致。此外,冲沟内约3.36×105/>的沉积物物质被侵蚀,其中很大一部分来自冲沟的下部,泥石流的规模和流动性明显增强。下部冲沟的侵蚀深度范围为0.5至5.7m,平均深度为3.2m,略低于现场观测结果,其中横截面中记录的深度为3.7米。随着泥石流沿其路径前进,固体体积浓度逐渐降低,这种浓度的降低主要是由于径流与泥石流的混合,因此,随着固体物质的浓度降低,泥石流的流动性增加,泥石流到达冲沟入口处后,会发生碎屑堆积,这种堆积主要是由于当地地形限制或阻碍了碎屑的流动。由于这种沉积,碎片体内的固体体积浓度增加,这种增加是由沉积碎片中的水逃逸引起的,导致碎片内固体物质的浓度更高。从模型中获得的计算结果与现有数据非常吻合,表明存在合理的一致性。
泥石流流量持续增加归因于两个主要因素:从径流中吸收水和从河床中夹带沉积物。随着泥石流的发展,它从集水区的径流中吸收水分,这种吸水性有助于增加泥石流的总体排放量,此外,泥石流还从河床中夹带沉积物,进一步增加了流量,随着泥石流的通过,径流流量明显减少。这种减少是泥石流吸水的直接结果,泥石流减少了径流中的水量。此外,随着径流在冲沟中向下游移动,泥石流也从径流中吸收了更多的水,这种对水的额外吸收进一步有助于增加监测点2和监测点3之间泥石流流量。泥石流经过后,三个监测点的径流流量趋于恢复正常,出现这种现象的原因是泥石流停止吸水,集水区恢复正常流动条件。吸水性在泥石流传播的早期阶段起着关键作用,这主要是因为吸水降低了基底剪切应力,为泥石流提供了额外的能量,促进了泥石流从具有蜿蜒通道的主冲沟上部流向冲沟下部。在这一初始阶段,侵蚀对泥石流传播的有益影响很小,主要是因为其规模较小。在没有吸水的有利影响的情况下,泥石流的动能迅速减少,导致侵蚀体积较小,仅为7.68×103 。泥石流一旦进入主冲沟下部,由于有利的地形条件,泥石流的流动性和侵蚀能力增强。了解这些动力学有助于更好地理解泥石流整体行为中吸水和侵蚀之间的相互作用,这些结果也为今后有关泥石流动力学和管理战略的研究和评价提供了对该方法的可行性和可靠性的基础。
使用相同降雨条件但值不同的替代模拟预测了泥石流传播的显著变化。如上所述,由于水和粘性流之间的混合过程过于复杂,因此没有准确的公式来定量描述/>
因此,提出的三个替代值:/>为0.001、0.01和1 m/min。这些数值反映了泥石流的不同流动特性(例如,从弱到强的物质和粘度),这些变化对预测的泥石流跳动距离有相当大的影响。
如附图3所示,附图3为滑坡发生后三个监测点的泥石流和径流流量,横坐标为时间,单位:h,纵坐标为流量,单位:。L1为监测点1处的径流量,L2为监测点2处的径流量,L3为监测点3处的径流量,L4为监测点1处的泥石流流量,L5为监测点2处的泥石流流量,L6为监测点3处的泥石流流量。
附图4为采用有吸水和无吸水两种条件的备选梅陇泥石流模拟中总动能和每次侵蚀量的演变,横坐标为时间,单位:h,纵坐标为流量,单位:,L7为不考虑吸水条件下的泥石流动能,L8为考虑吸水条件下的泥石流动能,L9为考虑吸水条件下的径流动能,L10为不考虑吸水条件下的径流动能,L11为考虑吸水条件下的沟道物质被侵蚀量,L12为不考虑吸水条件下的沟道物质被侵蚀量。
03:18的数值结果为比较跳动距离提供了合适的基础。这是因为在值为0.1m/min的模拟中,泥石流在这个特定的时间到达了冲沟入口。相比之下,/>的较小值与较短的跳动距离相关,而/>的较大值与较长的跳动距离有关。/>为1m/min情况下的跳动距离和沉积物形状几乎与其他研究和现场观测的结果所示的结果相匹配。然而,在这种情况下,相应的侵蚀深度(主冲沟下部最大深度为11.2m,平均深度为5.5m)与观测数据相差甚远(~3.2m)。此外,/>为0.001和0.01m/min的情况之间的差异很小,并且它们都产生了与没有吸水的情况几乎匹配的跳动距离。这可能是由于/>值较小,表明泥石流的粘性较高,很难从径流中吸收水分,最终导致泥石流的固体体积分数变化较小,从而导致流动性。在/>值较大的情况下,泥石流的粘度可能较小,然后在泥石流传播过程中更容易发生固体-流体分离(例如干燥的泥石流前缘),这增强了碎片吸收径流的能力,从而增加了流动性。/>为0.01和0.1m/min的情况下,泥石流的跳动距离存在显著差异,前者的跳动距离仅为后者的一半左右。一方面,吸水性增强了泥石流的流动性和体积,这种影响随着/>的增加而增加,另一方面,局部地形变化(如凹入地形)导致泥石流堆积,直到泥石流体积超过储存量。对于的情况,泥石流中的大部分物质被凹入的地形拦截,从而减缓了泥石流的传播。
模拟利用2200至4600m的值和0.001至0.1m/min的/>值,如附图5中的(a)所示,用于衡量泥石流能量转换效率的一个指标是通过将具有相同/>值的所有模拟的峰值动能除以峰值总动能/>来获得的。描绘/>与/>和/>之间关系的图显示,当/>具有0.01m/min的小值时,/>的变化对泥石流流动性的影响可以忽略不计。这是由于径流转化为泥石流的质量和能量有限。/>和/>变化导致的泥石流流动性差异也导致泥石流峰值动能/>与径流峰值动能/>之比/>出现明显趋势,如附图5中的(b)所示。随着/>和/>值的增加,泥石流的流动性表现出更快的增加。然而,当/>超过3400,/>设置为0.1m/min时,/>的增加速度会减慢。在/>设为1m/min的情况下,没有观察到这种趋势,这种差异归因于吸水率降低了碎片的固体体积分数,从而降低了其侵蚀能力,提高了泥石流的整体流动性,如附图5中的(c)所示,设具有相同/>值的所有模拟的侵蚀沉积物总体积为,具有相同/>值的所有模拟的侵蚀沉积物峰值总体积为/>,侵蚀沉积物总体积与侵蚀沉积物峰值总体积的比值为/>。当大量径流与碎屑混合时,产生的碎屑流转变为固体体积分数较低的流。因此,泥石流的侵蚀能力显著减弱。然而,在/>的情况下,由于与径流混合,泥石流的质量和速度大幅增加。因此,足够的沉积物物质被泥石流侵蚀,从而将其固体体积分数保持在较高水平。虽然与/>的情况相比,泥石流吸收了更多的径流质量,但这最终增强了泥石流的侵蚀能力,/>值很小,泥石流无法获得足够的能量和质量来克服前面提到的局部凹入地形,因此,/>的值随着/>的增加而减小,如附图5中的(b)。在/>值较大的其他情况下,当/>米时,泥石流成功穿过凹形地形并进入主冲沟的下部,因此,更多的沉积物被泥石流侵蚀,从而增加了其能量,因此,/>的值增加。然而,随着/>的增加,/>的增加速率大于/>的增加速率,导致/>的值减小。
本发明提出了一个数值框架来评估吸水对泥石流传播的影响,并以泥石流事件为例进行了模拟和分析。这个数字框架由两部分组成,第一是考虑降雨空间分布、植被截留和土壤入渗的耦合模型,计算对径流贡献的剩余水量。为了考虑降雨的空间特征,采用了基于高程的公式;二是深度平均双层模型,通过引入新的吸水参数来考虑径流和泥石流之间的相互作用,计算径流和泥石流的动力学特征(深度和速度),吸水率使用了恒定值克服径流和碎片之间的吸水机制不清楚的问题。首先模拟了泥石流事件的过程,结果与现场调查和其他模拟结果一致,对于此次泥石流事件,吸水性通过降低基底剪切应力和为泥石流提供额外能量,在泥石流传播的早期阶段发挥了关键作用。采用不同和/>值的交替模拟来研究这些关键因素对泥石流传播的影响。两者都表明,强大的径流动力学增强了泥石流的流动性。此外,研究结果表明,降雨间歇可以通过改变径流动力学来改变泥石流的传播速度。现有的泥石流事件现场数据显示,泥石流的流动性随着集水区面积的增加而增加,这是由于较大集水区的径流动力学容易变得强烈,从而通过吸水影响泥石流的传播。
以上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 (10)

1.考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,包括:
构建降雨空间分布模型,用于表征海拔和降雨量之间的关系;
构建植被拦截模型,用于表征植物拦截降雨过程的动力学表达式;
构建土壤入渗耦合模型,用于表征降雨入渗土壤的过程;
根据降雨空间分布模型确定降雨数据,根据植被拦截模型确定植被拦截雨水数据,根据土壤入渗耦合模型确定土壤入渗雨水数据;
根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据;
将径流和泥石流的混合物作为泥石流的组成,获取径流和泥石流的特征数据;
利用径流和泥石流的特征数据,基于泥石流对径流的吸水率参数,构建径流和泥石流传播的双层深度平均模型,用于表征径流和泥石流的质量守恒过程以及河床沉积物的质量守恒过程;
采用具有二阶精度的分数步长方法对径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,得到动力学模型;
利用动力学模型模拟径流和泥石流的行为与相互作用过程。
2.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,径流和泥石流的特征数据包括径流的深度、泥石流的深度、径流的密度、泥石流的密度、径流的速度、泥石流的速度、深度平均固体体积分数、干土的密度、流入泥石流的流体的密度、河床床面高程、径流与泥石流的密度比、泥石流与径流界面处的剪应力、泥石流剪切应力、径流和泥石流界面边界处的流动速度、泥石流与河床表面之间的侵蚀率。
3.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,根据降雨数据、植被拦截数据与土壤入渗数据确定剩余雨水数据,包括:设剩余雨水为参数,初始降雨强度为/>,每时间单位的拦截损失率为/>,每时间单位的渗透损失率为/>,则:
4.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,构建降雨空间分布模型,包括:
为高程,/>为最大降雨强度的海拔高度,/>为/>变大时的参考降雨强度,初始降雨强度为/>,/>、/>为降雨量数据拟合参数,则:
5.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,构建植被拦截模型的过程中,则设为累积的降雨拦截损失,/>为累计降雨量,/>为校正因子,为叶面积指数,/>是最大冠层储存量;
植物拦截降雨过程的降雨拦截损失动力学表达式为:
6.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,构建土壤入渗耦合模型的过程中,设为距土壤表面的深度,/>为土壤含水量,/>为水力扩散率,/>为每时间单位的渗透损失率,/>为时间,/>为导水率;/>为植物根系的水槽项,/>为根分布函数,/>为蒸腾减少量,/>为最大蒸腾速率,/>为初始土壤含水量,则:
7.根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,设为径流的深度,/>为泥石流的深度,/>为径流流体密度,/>为泥石流流体密度,/>为径流的速度,/>为泥石流的速度,/>为干土的密度,/>为流入泥石流的流体的密度,/>,/>为深度平均固体体积分数,/>为床面高程,/>为径流与泥石流的密度比,/>为重力加速度,/>为时间,/>为基底摩擦角,/>为泥石流与径流界面处的剪应力,/>为泥石流剪切应力,/>为泥石流相遇时对径流中水分的吸水率,/>为沉积物孔隙度,/>为泥石流与河床表面之间的侵蚀率,/>、/>为笛卡尔坐标系中坐标轴轴向,/>为径流和泥石流的交界面,/>为径流沿/>方向上的速度分量,/>为泥石流沿/>方向上的速度分量;
径流的质量守恒方程为:
泥石流的质量守恒方程为:
径流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
径流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在x方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流在y方向上的动量守恒方程的表达式为:
泥石流单位体积内的固相体积分数演化控制方程为:
河床沉积物的质量守恒方程为:
8.根据权利要求7所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,设为泥石流流体密度,/>为泥石流剪切应力,/>为河床抗剪强度,/>为沉积物材料的内聚力,/>为泥石流的速度,/>为孔隙压力比,孔隙压力比表示河床材料的液化程度,/>为重力加速度,/>为时间,/>为校准的侵蚀系数,泥石流的深度为/>,/>为泥石流内摩擦角,河床抗剪强度为:/>
泥石流与河床表面之间的侵蚀率的值表示为:
9. 根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,使用Courant Friedrichs-Lewy准则来确定时间步长。
10. 根据权利要求1所述考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法,其特征在于,径流和泥石流传播的双层深度平均模型进行空间离散化,求解通量项与偏微分项,使用Harten Lax van Leer Contact求解器计算通量项,使用三点中心差分格式计算偏微分项。
CN202410234086.8A 2024-03-01 2024-03-01 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法 Active CN117829031B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410234086.8A CN117829031B (zh) 2024-03-01 2024-03-01 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202410234086.8A CN117829031B (zh) 2024-03-01 2024-03-01 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN117829031A true CN117829031A (zh) 2024-04-05
CN117829031B CN117829031B (zh) 2024-06-18

Family

ID=90515530

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202410234086.8A Active CN117829031B (zh) 2024-03-01 2024-03-01 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117829031B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118014223A (zh) * 2024-04-09 2024-05-10 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 泥石流阻断河流灾害链断裂效应的定量分析方法

Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102902870A (zh) * 2012-06-13 2013-01-30 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法
CN105788180A (zh) * 2016-04-14 2016-07-20 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法
CN106529198A (zh) * 2016-12-13 2017-03-22 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种泥石流全过程数值模拟及数值计算方法
CN107506566A (zh) * 2017-10-16 2017-12-22 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种新型泥石流动力学数值模拟分析方法及系统
CN109345777A (zh) * 2018-10-10 2019-02-15 李潇 基于陡坡汇流和断面流量计算的山洪泥石流预警方法和系统
CN109657322A (zh) * 2018-12-13 2019-04-19 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法
CN111382547A (zh) * 2020-03-16 2020-07-07 中国环境科学研究院 一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置
US20220222393A1 (en) * 2021-01-11 2022-07-14 Institute Of Mountain Hazards And Environment, Chinese Academy Of Sciences Dynamic prediction method and system for initiation volume of debris flow slope source
DE202022107159U1 (de) * 2022-12-21 2023-01-12 Peitong Cong Vorrichtung zum Erkennen der durch kombinierte Parameter gesteuerten Auslösungsbedingungen eines durch starke Regenfälle bewirkten Schlammstroms
US11708676B1 (en) * 2023-02-27 2023-07-25 Southwest Jiaotong University Bottom hole type mudslide blocking dam and dam height calculation method
CN117171861A (zh) * 2023-10-19 2023-12-05 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 一种漫顶溃决水流侵蚀河床形成泥石流的预测方法
CN117409876A (zh) * 2023-10-31 2024-01-16 河北工业大学 极端气候条件下滑坡固液两相混合体的数值模拟方法
CN117491598A (zh) * 2023-11-03 2024-02-02 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 熔体驱动泥石流动态模拟方法、装置及电子设备

Patent Citations (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102902870A (zh) * 2012-06-13 2013-01-30 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 一种基于流域水土耦合的泥石流预报方法
CN105788180A (zh) * 2016-04-14 2016-07-20 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种基于非饱和土体含水量的浅层降雨滑坡预警方法
CN106529198A (zh) * 2016-12-13 2017-03-22 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种泥石流全过程数值模拟及数值计算方法
CN107506566A (zh) * 2017-10-16 2017-12-22 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种新型泥石流动力学数值模拟分析方法及系统
CN109345777A (zh) * 2018-10-10 2019-02-15 李潇 基于陡坡汇流和断面流量计算的山洪泥石流预警方法和系统
CN109657322A (zh) * 2018-12-13 2019-04-19 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法
CN111382547A (zh) * 2020-03-16 2020-07-07 中国环境科学研究院 一维非稳态河流水动力-水质模拟方法和装置
US20220222393A1 (en) * 2021-01-11 2022-07-14 Institute Of Mountain Hazards And Environment, Chinese Academy Of Sciences Dynamic prediction method and system for initiation volume of debris flow slope source
DE202022107159U1 (de) * 2022-12-21 2023-01-12 Peitong Cong Vorrichtung zum Erkennen der durch kombinierte Parameter gesteuerten Auslösungsbedingungen eines durch starke Regenfälle bewirkten Schlammstroms
US11708676B1 (en) * 2023-02-27 2023-07-25 Southwest Jiaotong University Bottom hole type mudslide blocking dam and dam height calculation method
CN117171861A (zh) * 2023-10-19 2023-12-05 中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 一种漫顶溃决水流侵蚀河床形成泥石流的预测方法
CN117409876A (zh) * 2023-10-31 2024-01-16 河北工业大学 极端气候条件下滑坡固液两相混合体的数值模拟方法
CN117491598A (zh) * 2023-11-03 2024-02-02 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 熔体驱动泥石流动态模拟方法、装置及电子设备

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
WEI LIU 等: "A two-layer model for simulating landslide dam over mobile river beds", LANDSLIDES, 3 June 2015 (2015-06-03) *
WEI LIU 等: "Comprehensive modelling of runoff-generated debris flow from formation to propagation in a catchment", LANDSLIDES, 9 March 2020 (2020-03-09) *
刘威;何思明;: "金沙江沃达潜在滑坡诱发灾害链成灾过程数值模拟", 工程科学与技术, vol. 52, no. 02, 30 April 2020 (2020-04-30) *
向文: "基于水文和动力过程的小流域火后泥石流灾害成灾机理和数值模拟研究", 万方学位论文在线出版, 14 September 2023 (2023-09-14) *
王鑫;曹志先;谈广鸣;: "暴雨山洪水动力学模型及初步应用", 武汉大学学报(工学版), no. 04, 28 August 2009 (2009-08-28) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118014223A (zh) * 2024-04-09 2024-05-10 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所 泥石流阻断河流灾害链断裂效应的定量分析方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN117829031B (zh) 2024-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN117829031B (zh) 考虑径流和泥石流相互作用的动力学模拟方法
CN105160193B (zh) 一种基于动力过程的泥石流动态风险分析系统及方法
Cui et al. Real-time observation of an active debris flow watershed in the Wenchuan Earthquake area
CN106971085A (zh) 一种泥石流沟道侵蚀量的计算方法
Pilgrim Radioactive tracing of storm runoff on a small catchment: II. Discussion of results
JP7421831B1 (ja) 土石流チャネル単位幅流出量の計測方法、及びモニタリング早期警報システム
CN109766513A (zh) 一种泥石流断面平均流速的测算方法
Shi et al. Experimental study of hydraulic characteristics on headcut erosion and erosional response in the tableland and gully regions of China
Hou et al. Debris flow hazard assessment of the Eryang River watershed based on numerical simulation
Yan et al. Characteristics and dynamic mechanism of rill erosion driven by extreme rainfall on karst plateau slopes, SW China
CN109063224B (zh) 一种岩溶流域耦合水文模型预测方法
CN113156083A (zh) 雪道融雪的水土流失测量装置及方法
Sun et al. An optimized baseflow separation method for assessment of seasonal and spatial variability of baseflow and the driving factors
Li et al. Elaborate simulations of floods in a karst trough valley basin with the simplified Karst-Liuxihe model
Wang et al. Combining soil macropore flow with formation mechanism to the development of shallow landslide warning threshold in South China
Canfield et al. Studies of scale and processes in hydrologic modeling on the lucky hills watershed
Kailey Debris flows in New Zealand alpine catchments
Leskovar et al. Evaluation of remotely sensed precipitation product in a hydrological model of the Bednja watershed
Yang et al. Analysis of influencing parameters of the improved model for rainfall infiltration in unsaturated tailings soil
CN111101477A (zh) 一种无资料设计流域补充施测时枯水流量的确定方法
Achleitner et al. Hydrological modeling in alpine catchments: sensing the critical parameters towards an efficient model calibration
Wei et al. A coupled hydrological and hydrodynamic modelling approach for estimating rainfall thresholds of debris-flow occurrence
Farhad Hydrological simulation of Silver Creek Watershed using soil and water assessment tool (SWAT)
Constantz et al. Heat as a ground-water tracer at the Russian River RBF facility, Sonoma County, California
CN214585403U (zh) 雪道融雪的水土流失测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant