[发明专利]一种基于虚拟水库溃决过程的山洪流量计算方法

说明书

本发明公开了一种基于虚拟水库溃决过程的山洪流量计算方法，基于水动力学、土力学、泥沙动力学的相互耦合关系并结合以往计算中忽略的洼地储水量、土壤含水量等对流量的贡献；该方法通过将坡面每一个水文地貌单元假定为一个虚拟水库，将山洪流量分为坡面径流和虚拟水库溃决泄流，建立了坡面水文过程和泥沙侵蚀过程的综合求解算法，以临界起动流速作为控制条件判别临界状态前后坡面产汇流的状态变化，并通过双曲型冲刷公式计算山洪的坡面侵蚀过程，由此计算泄流量，再叠加坡面水文地貌单元的坡面径流量得到山洪总流量。该计算方法具有明确的物理机制，提高了山洪物理过程研究的科学性和流量计算的准确性，为山洪灾害分析和预警工作提供技术支持。

技术领域

本发明涉及山洪灾害分析评价技术领域，尤其涉及一种诱发滑坡、泥石流的山洪流量分析计算方法。

背景技术

近年来，由于全球气候变化，极端水文事件频发，造成全球范围内山丘区山洪灾害的频次和强度日益突出，由于山洪自身的突发性、水量集中且流速大、冲刷能力强等特点，常常裹挟大量泥沙、石块等形成泥石流和滑坡，对国民经济和人民生命财产安全构成了严重的威胁。

目前，山洪灾害分析计算或基于临界雨量法，利用历史统计资料分析山洪的降雨临界条件；或基于动态临界雨量法，利用水文模型和经典水文学理论分析山洪过程和降雨条件；或基于边坡土力学，进行山洪滑坡的稳定性分析。然而，这些方法往往忽略了山洪突发过程中水动力学、土力学、泥沙动力学的相互耦合关系，尤其忽略了洼地储水量、土壤含水量等水量对山洪流量的贡献，因此造成现有的计算方法可靠性低。

通过准确的确定山洪流量，可更加清楚识别坡面水文过程和山洪诱发的机理，可为山洪灾害预警分析和风险管理提供理论依据。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于虚拟水库溃决过程的山洪流量计算方法，通过建立水文地貌单元虚拟水库溃决和产汇流之间的关系，从而解决现有技术中存在的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于虚拟水库溃决过程的山洪流量计算方法，包括：

1、首先通过野外观测和试验获取研究区基础数据，其中所述基础数据具体包括：研究区地理位置、地形地貌、土壤类型数据；研究区内的降雨历时曲线，对应于每个地形点的每一离散时刻均有对应的降雨强度；研究区内土体的物理及力学参数包括初始含水量θ₀、土壤饱和含水量θ_s、土体中值粒径D₅₀、孔隙率n。

2、对于坡面每一个水文地貌单元，可以假定为一个虚拟水库，虚拟水库的上游来水表示降雨；虚拟水库蓄水表示单元内植被截留、洼地储水和土壤蓄水；虚拟水库的排水相当于坡面径流、壤中流和土壤下渗。

3、对于每一个虚拟水库，坡面山洪的是由于前期降雨使土体含水量达到饱和，土体下岩层裂隙中的压力水体的压力剧增，当遇到暴雨时，能量迅速累积，破坏了原有的土体平衡，土体中的压力水体冲破表面覆盖层，瞬间倾泻形成山洪；即相当于虚拟水库由于前期降雨使水库蓄满，当降雨强度超过某阈值时，虚拟水库溃决。此过程类似于水库漫顶溃决机理，即当水库蓄满后，漫顶水流流速超过坝顶土体的临界起动流速，水库开始发生侵蚀溃决。

4、如前所述，对于坡面的每一个水文地貌单元，若虚拟水库达到总库容，且坡面的水流流速超过了土体的临界起动流速，水流开始携沙运动，逐渐产生泥石流或滑坡。即：

v_泄≥v_c (1)

式中v_泄表示坡面水流流速，v_c为泥沙临界起动流速，与土壤类型、土体中值粒径D₅₀、坡面植被有关，可以通过实验测得，具有明确的物理含义。

5、在坡面流速未达到临界起动流速之前，坡面产流流量计算公式：