基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法
阅读：174发布：2022-10-03
专利汇可以提供基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 申请 公开了一种基于降雨 频率 的泥石流淤积危险范围划分方法。方法包括：根据被检测流域的地形图确定泥石流主 沟道 位置 、泥石流初始过流断面M0N0及其初始过流断面的宽度，并确定初始过流断面的 水 力 坡降；根据泥石流的暴发频率，根据历史数据资料，设定降雨频率，计算对应降雨频率下泥石流的峰值流量；根据泥石流的峰值流量、初始过流断面的宽度和水力坡降，计算初始过流断面平均流深h0；在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，i＝1,2,3,…n，n≥2；依次连接MiMi+1，及NiNi+1，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。本申请的泥石流淤积危险范围划分方法具有简捷易行、易于推广实施的特点，且划分出的泥石流淤积危险范围准确性高。，下面是基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法专利的具体信息内容。
1.一种基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法，其特征在于，包括：
根据被检测流域的地形图确定泥石流主沟道位置、泥石流初始过流断面M0N0及其初始过流断面的宽度，并确定初始过流断面的水力坡降；
根据历史数据资料，设定降雨频率，计算对应降雨频率下泥石流的峰值流量；
根据泥石流的峰值流量、初始过流断面的宽度和水力坡降，计算初始过流断面平均流深h0；
在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，i＝1,2,3,…n，n≥2；
依次连接MiMi+1，及NiNi+1，i＝0,1,2,3,…n，n≥2，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算初始过流断面平均流深h0，具体为：
将过流断面概化呈倒立的等腰三角形，通过以下公式计算求得h0，
Q＝L0h0v0，
其中，Q为泥石流峰值流量，单位为m3；L0为沟口过流断面M0N0的宽度，单位为m；h0为沟口对应降雨频率下峰值流量的平均流深，单位为m；v0为泥石流在沟口过流断面M0N0上的平均流速，单位为m/s；m为粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘察规范DA-T0220-
2006》内插确定；R为沟口过流断面M0N0的水力半径，单位为m；I为沟口过流断面M0N0处泥石流水力坡度，单位为‰。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，具体包括：
确定自初始过流断面开始沿泥石流流动方向的等高线ai，泥石流主沟道与等高线ai相交于ci，在ci和ci+1之间确定平均泥深为h0的点oi，在oi点做垂直主沟道的过流断面，与等高线ai相交于Mi、Ni，从而得过流断面MiNi，其中，i＝1,2,3,…n，n≥2。
4.如权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述危险范围在同一横断面上，越靠近主沟，流深越大，越靠近主沟两侧，流深越小。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据过流断面的泥深和单宽流量，确定所述危险范围的危险等级，所述危险等级包括：高、中、低。
基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法
技术领域
[0001] 本申请属于泥石流灾害防治技术领域，具体地说，涉及一种基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法。
背景技术
[0002] 泥石流是山区常见的地质灾害，其暴发突然、来势凶猛、历时短暂，在造成严重灾害的同时，由于其高含沙量，往往在流域下游淤积形成大面积的泥石流滩地。泥石流滩地往往地势平缓、水源充足、热量丰富，是较好的土地资源，具有广阔的开发前景，是山区发展经济和改善生态环境的重要途径。泥石流滩地多分布于泥石流沟口及平坦的沟谷的两侧，由于平坦开阔的地形条件以及相对较好的水热条件，山区居民常常在稳定的滩地上进行各种农业生产、建设村落、修筑道路等活动。但是，泥石流滩地利用面临潜在泥石流灾害的威胁，因此划分泥石流淤积危险范围是防御泥石流风险的重点。
[0003] 目前，有关泥石流淤积危险范围的划分方法主要有两类：①利用海量调查、实验数据统计分析拟合方程，如泥石流冲出距离与一次泥石流冲出量的关系式；②利用数学、物理模型开展数值模拟，通过模拟得到的流速、泥深确定泥石流淤积淤埋危险范围。然而，这两种方法主要存在如下问题：一是基于室内实验数据的数理统计拟合方程得到泥石流最大冲出距离和最大冲出宽度确定的泥石流范围，很难反映泥石流淤积实际情况，同时不能获得淤埋范围的深度、流速，且该类方法很难应用到实际，尤其区域不同，泥石流特征差异较大，导致数理统计的淤埋危险范围差异很大；二是利用数学、物理模型开展的数值模拟参数选取难度较大，且方程求解和模拟过程复杂，而且没有考虑淤积淤埋范围内是否涉及地表固体物质冲刷、侵蚀等加大危险范围的因素。因此，现有技术的泥石流淤积危险范围的划分方法比较复杂，且可靠性不高。发明内容
[0004] 有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法，以提升划分出的泥石流淤积危险范围的准确性，并降低泥石流淤积危险范围划分方法的复杂性。
[0005] 为了解决上述技术问题，所述的方法包括：
[0007] 根据历史数据资料，设定降雨频率，计算对应降雨暴发频率下泥石流的峰值流量；
[0008] 根据泥石流的峰值流量、初始过流断面的宽度和水力坡降，计算初始过流断面平均流深h0；
[0009] 在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，i＝1,2,3,…n，n≥2；
[0010] 依次连接MiMi+1，及NiNi+1，i＝0,1,2,3,…n，n≥2，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。
[0011] 如上所述的方法，其中，所述计算初始过流断面平均流深h0，具体为可以为：
[0012] 将过流断面概化呈倒立的等腰三角形，通过以下公式计算求得h0，
[0013] Q＝L0h0v0，
[0014]
[0015]
[0016] 其中，Q为泥石流峰值流量，单位为m3；L0为沟口过流断面M0N0的宽度，单位为m；h0为沟口对应降雨频率下峰值流量的平均流深，单位为m；v0为泥石流在沟口过流断面M0N0上的平均流速，单位为m/s；m为粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘察规范DA-T0220-2006》内插确定；R为沟口过流断面M0N0的水力半径，单位为m；I为沟口过流断面M0N0处泥石流水力坡度，单位为‰。
[0017] 如上所述的方法，具体的，所述在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，具体包括：
[0018] 确定自初始过流断面开始沿泥石流流动方向的等高线ai，泥石流主沟道与等高线ai相交于ci，在ci和ci+1之间确定平均泥深为h0的点oi，在oi点做垂直主沟道的过流断面，与等高线ai相交于Mi、Ni，从而得过流断面MiNi，其中，i＝1,2,3,…n，n≥2。
[0019] 如上所述的方法，其中，所述危险范围在同一横断面上，越靠近主沟，流深越大，越靠近主沟两侧，流深越小。
[0020] 如上所述的方法，进一步的，根据过流断面的泥深和单宽流量，确定所述危险范围的危险等级，所述危险等级包括：高、中、低。
[0021] 与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：
[0022] 1、本申请的泥石流淤积危险范围划分方法计算简单、简捷易行、易于推广实施，针对山区缺资料地区小流域具有较高的应用价值；
[0023] 2、基于降雨频率，可实现各种爆发频率条件下，快速获取泥石流堆积区灾损土地淤埋风险范围，可广泛应用于泥石流监测预警、乡村规划等方面；
[0025] 此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
[0026] 图1是本申请基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法流程图；
[0027] 图2是本申请实施例的泥石流主沟道及沟口过流断面M0N0的示意图；
[0028] 图3是本申请实施例的泥石流主沟道及过流断面MiNi的示意图；
[0029] 图4是本申请实施例的泥石流主沟道淤积范围的示意图。
具体实施方式
[0030] 以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
[0031] 本申请提供的泥石流淤积危险范围划分方法特别适用于无大比例尺地形图及观测数据的无资料地区的泥石流堆积区，该方法主要以流域所在区域泥石流爆发频率以及地形参数为依据，快速完成由泥石流堆积导致的灾损土地淤埋范围及区划。
[0032] 图1是本申请基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法流程图。如图1示，本实施例的基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法包括以下内容。
[0033] S101：根据被检测流域的地形图确定泥石流主沟道位置、泥石流初始过流断面M0N0及其初始过流断面的宽度，并确定初始过流断面的水力坡降。
[0034] 图2是本申请实施例的泥石流主沟道及沟口过流断面M0N0的示意图。具体的，可以通过现场调查、测绘、勘查的图形资料以及DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)确定泥石流主沟道的地理位置及沟口初始断面位置。
[0035] S102：根据历史数据资料，设定降雨频率，计算对应降雨频率下泥石流的峰值流量。
[0036] S103：根据泥石流的峰值流量、初始过流断面的宽度和水力坡降，计算初始过流断面平均流深h0。
[0037] 初始过流断面平均流深h0是指对应频率和泥石流峰值流量Q条件下流过初始过流断面M0N0的平均流深。具体的，可以将过流断面概化呈倒立的等腰三角形，通过以下公式计算求得h0，
[0038] Q＝L0h0v0，
[0039]
[0040]
[0041] 其中，Q为泥石流峰值流量，单位为m3；L0为沟口过流断面M0N0的宽度，单位为m；h0为沟口对应降雨频率下峰值流量的平均流深，单位为m；v0为泥石流在沟口过流断面M0N0上的平均流速，单位为m/s；m为粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘察规范DA-T0220-2006》内插确定；R为沟口过流断面M0N0的水力半径，单位为m；I为沟口过流断面M0N0处泥石流水力坡度，单位为‰。
[0042] S104：在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，i＝1,2,3,…n，n≥2。
[0043] S105：依次连接MiMi+1，及NiNi+1，i＝0,1,2,3,…n，n≥2，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。
[0044] 图3是本申请实施例的泥石流主沟道及过流断面MiNi的示意图。参照图3所示，在如上所述的方法中，所述在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，具体可以包括：
[0045] 确定自初始过流断面开始沿泥石流流动方向的等高线ai，泥石流主沟道与等高线ai相交于ci，在ci和ci+1之间确定平均泥深为h0的点oi，在oi点做垂直主沟道的过流断面，与等高线ai相交于Mi、Ni，从而得过流断面MiNi，其中，i＝1,2,3,…n，n≥2。依次连接MiMi+1，及NiNi+1，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。图4是本申请实施例的泥石流主沟道淤积范围的示意图。
[0046] 根据已有地形图或DEM生成小流域等高线，或者现场调查、测绘、勘查确定泥石流流域主沟道基本地理地形数据，包括主沟道地理位置、泥石流过流断面M0N0及其宽度L0，并确定初始过流断面M0N0处泥石流水力坡度I。
[0047] 如上所述的方法，其中，所述危险范围在同一横断面上，越靠近主沟，流深越大，越靠近主沟两侧，流深越小。具体的，可以根据过流断面的泥深和单宽流量，确定危险范围的危险等级，危险等级包括：高、中、低。
[0048] 对泥石流堆积区的危险等级的划分往往以泥石流强度为划分依据，常用的特征参数有泥石流流速、泥深、冲击力等。例如，可以在泥石流堆积区淤积范围内，进一步划分过流断面，间隔以等高线间距的1/2～1/5，并确定指定过流断面的水力坡度，从而以泥深和单宽流量为基本参数，将淤积范围进行危险性高、中、低划分，参照表1。
[0049] 表1泥石流淤积危险范围的危险等级表
[0050]泥石流危险等级 说明
高 h≥0.5m或q≥1m2/s
中 0.1m＜h＜0.5m或0.2m2/s＜q＜1m2/s
低 h≤0.1m或q≤0.2m2/s
高 h≥0.5m或q≥1m2/s
中 0.1m＜h＜0.5m或0.2m2/s＜q＜1m2/s
低 h≤0.1m或q≤0.2m2/s
[0051] 具体应用案例：
[0052] 南坝镇为龙门山中央断裂北段途径位置，在该处可见到多处龙门山断裂带的地表破裂区域。窖子沟介于南坝镇和建康村之间，距离南坝镇约5.5km，窖子沟汇入涪江支流，由于断裂带横穿窖子沟流域中下游，造成流域中下部山体破碎，崩塌滑坡现象明显，通过测量，穿越窖子沟的龙门山断裂带距离主河道约750m。目前，窖子沟中下游左岸一滑坡发育程度较高，该滑坡体长约550m，宽350m，由于松散滑坡体挤占主沟道，堵塞较严重，在未来强降雨条件下，暴发泥石流的概率较大，可能造成主河堵塞回水，危及河道上方建康村村落及河道两侧农耕地。利用开源DEM数据，获取流域等高线，划定泥石流淤积范围。
[0053] 本应用案例以窖子沟流域泥石流堆积区灾损土地为例，对该流域淤埋范围及区划进行案例分析。
[0054] (1)确定被检测小流域地理参数
[0055] 通过多次野外实地调查、测量获得流域地形、地物，结合地理空间数据云下载高精度DEM数据，利用ArcGis等软件进行矢量，得到窖子沟流域地形图(主要是堆积区)。从而确定窖子沟主沟道位置、泥石流初始过流断面M0N0及其宽度2L0，可得2L0＝52.78m，确定此过流断面水力坡降I＝252‰。根据走访调查以及窖子沟泥痕调查，得到窖子沟在2010年四川省群发性泥石流暴发中泥石流峰值流量155m3/s，大致相当于泥石流暴发频率为50年一遇的泥石流流量。
[0056] (2)确定被检测小流域不同降雨频率下泥石流峰值流量Q
[0057] 南坝镇窖子沟流域位于四川省中部，根据四川省中小流域水文手册，泥石流暴发频率分别以20年一遇(5％)、50年一遇(2％)、100年一遇(1％)进行设置，泥石流过程为30min，得到窖子沟泥石流流量情况计算表，见表2。
[0058] 表2平武县南坝窖子沟流域泥石流总量计算表
[0059]
[0060] (3)确定初始过流断面平均流深h0
[0061] 得到窖子沟不同频率条件下泥石流峰值流量，从而根据初始过流断面L0＝52.78m和水力坡降I＝252‰，进一步获得初始过流断面不同频率条件下泥石流峰值流量对应的平均泥深，见表3。
[0062] 表3平武县南坝窖子沟流域初始过流断面平均泥深
[0063]
[0064] (4)确定过流断面MiNi的位置
[0065] 由前所知，依据设定频率条件下的平均泥深为标准，假定自初始过流断面以下所有过流断面位置平均泥深均为此值，即20年一遇平均泥深为1.8m，50年一遇平均泥深为2.1m，100年一遇平均泥深为2.7m。
[0066] 从而确定自初始过流断面开始，沿泥石流流动方向的等高线ai，i＝1,2,3，…n。其中，以a1和a2等高线为例，其高差h1-2为10m，泥石流主沟道与等高线分别相交于C1、C2，测量C1和C2间图上距离为C1-2，从C1开始沿泥石流流动方向C1-2段定点O1(该点平均泥深为h0)，其C1至O1间图上距离为C1O1。确定O1点做垂直主沟道过流断面，与等高线a1相交于M1、N1，从而得到第一个过流断面M1N1。
[0067] 进而利用a2和a3等高线，a3和a4等高线，…，确定泥石流主沟道与等高线交汇点C1、C2，…，以及第2、3条过流断面M2N2、M3N3，…，可以参考图3和图4所示。
[0068] (5)确定泥石流堆积区淤积范围
[0069] 依次连接MiMi+1，及NiNi+1，i＝1,2,3,…n，所得范围即为南坝窖子沟设计频率条件下泥石流堆积区淤积范围，可以参考图4所示。
[0070] 通过对比，在泥石流暴发频率为50年一遇情况下，圈定的泥石流堆积区淤积范围与实际窖子沟堆积扇比较一致；当泥石流暴发频率为20年一遇，圈定的泥石流堆积区淤积范围仅分布在堆积扇主沟两侧；当泥石流暴发频率为100年一遇，圈定的泥石流堆积区淤积范围基本全部覆盖堆积扇。
[0071] (6)淤积危险性划分
[0072] 确定泥石流堆积区淤积范围，进一步以淤积范围为依据，可以确定范围内淤积危险等级，在同一横断面上，越靠近主沟，流深越大，越靠近主沟两侧，流深越小。仍然以南坝窖子沟流域50年一遇泥石流暴发频率为例，通过以流深为依据进行说明，窖子沟流域堆积区初始过流断面至主河之间高程范围介于900-750m，以10m高差间隔可确定指定过流断面16个。通过测量各横断面宽度以及计算水力坡度，可求得16个过流断面平均泥深hi，i＝1,
2,3…16。计算结果见表4。
2,3…16。计算结果见表4。
[0073] 表4南坝窖子沟50年一遇泥石流暴发频率过流断面特征参数计算表
[0074]
[0075] 以每一个横断面最大泥深为基本参数，根据前面表3确定每一个横断面的泥石流淤积危害程度。
[0076] 根据表4窖子沟流域泥石流暴发频率在50年一遇的情况下，堆积区主沟道最大泥深介于0.36～0.73m，基本上属于中度和高度危险区。
[0077] 综上所述，本申请提供的基于降雨频率的泥石流淤积危险范围划分方法，根据被检测流域的地形图确定泥石流主沟道位置、泥石流初始过流断面M0N0及其初始过流断面的宽度，并确定初始过流断面的水力坡降；根据泥石流的暴发频率，通过查阅历史数据资料获得对应暴发频率下泥石流的峰值流量；根据泥石流的峰值流量、初始过流断面的宽度和水力坡降，计算初始过流断面平均流深h0；在泥石流主沟道上确定n个平均流深为h0的过流断面MiNi，i＝1,2,3,…n，n≥2；依次连接MiMi+1，及NiNi+1，获得的范围即为对应暴发频率下的泥石流淤积危险范围。本申请的泥石流淤积危险范围划分方法具有简捷易行、易于推广实施的特点，针对山区缺资料地区小流域具有较高的应用价值，且划分出的泥石流淤积危险范围准确性高，可广泛应用于泥石流监测预警、乡村规划等方面。
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