[发明专利]一种基于GIS的大范围泥石流数值模拟及数值处理方法

说明书

本发明属于数据处理技术领域，公开了一种基于GIS的大范围泥石流数值模拟及数值处理方法，通过现场观测获得地形数据，建立数值标高模型；采用有限差分法求解泥石流的连续方程和运动方程，利用地球信息系统GIS中的数字高程模型DEM，自动生成地形变量，利用数字高程模型中的栅格网作为有限差分的网格；利用野外试验或实际工程验证模型和进行参数调整；使用基于DEM栅格网的有限差分公式可以实现数值解。本发明在牛顿流体运动模型基础上，推导宾汉流体的连续方程和运动方程，尤其是宾汉流体启动条件，并将其深度积分以适用于有限差分网格模拟计算。并将宾汉流体模型与GIS耦合，便于利用大范围复杂地形的计算。

技术领域

本发明属于数据处理技术领域，尤其涉及一种基于GIS的大范围泥石流数值模拟及数值处理方法。

背景技术

目前，最接近的现有技术：基于牛顿模型和Herschel-Bulkley模型为代表的复杂黏塑性模型进行求解的连续介质计算方法。其中牛顿模型没有考虑泥石流的黏性特征，无法真实地模拟泥石流的运动特点；复杂黏塑性模型通常有过多的变量，通常只能针对某一实例进行模拟，没有普遍适用性。本发明利用了有限差分的宾汉模型对泥石流进行模拟，计算消耗少，并能充分考虑泥石流的黏性特征。此外对于连续介质常用于小尺度范围的局限，本发明与GIS结合起来，巧妙利用DEM栅格网作为有限差分网格进行计算，可以处理大范围复杂地形上的泥石流运移。

泥石流是山区常见的自然灾害，每年在世界各地都造成大量的人员伤亡和财产损失。泥石流的流动距离可能很长，泛滥的范围可能很大，而且在非常平缓的斜坡上也具有较高的速度和传播能力。泥石流灾害在防灾减灾工作中已成为一项亟待解决的问题。

泥石流运动数值模拟方法可以分为连续介质、离散介质和混合介质三大类：

(1)连续介质计算方法，又分为基于网格和基于粒子进行离散化，进而求解计算的方法。其中基于网格的计算方法主要有：有限差分法、有限元法和有限体积法。基于网格是指将计算域划分为网格或者体元，控制方程可以转化为含有节点变量信息的代数方程组。求微分方式的控制方程为有限差分法，求积分方式的控制方程为有限元法和有限体积法。对于不同类型的泥石流常采用不同的流变本构关系。以黏性应力为主的泥石流(通常拜格诺数小于40，且雷诺数小于500)剪胀和湍动特征都不明显，可以基于宾汉模型、Cross模型、Herschel-Bulkley模型以及Voellmy模型等黏塑性本构模型进行求解；而水石流(通常拜格诺数大于450，且相对流深小于10)主要以固体颗粒间的相互作用(碰撞、摩擦)为主，剪胀效应明显，可以采用剪胀体模型进行分析。

(2)离散介质计算方法，主要是离散元法和格子玻尔兹曼法。采用离散元法模拟三维颗粒流动，颗粒间接触力考虑弹黏性和阻尼作用，流体按欧拉法模拟，流固耦合考虑相间力，得到泥石流流动过程中的应力分布和能量变化，提出了DEM模拟泥石流的潜在优势。基于格子玻尔兹曼法，结合泥石流流团模型的特点建立特殊格式的格子玻尔兹曼(LB)模型，可以从平衡和非平衡态分布函数两个层次刻画泥石流复杂的流变关系和运移特征，尤其是泥石流的堆积过程。

(3)混合介质计算方法，是连续介质与离散元耦合的方法。包括混合的计算流体动力学－离散元法(CFD-DEM)、大涡模拟与离散元法的耦合(LES-DEM)，还包括有限差分法、有限体积法、光滑粒子流体动力学、格子玻尔兹曼法与离散元法的耦合。耦合算法涉及的变量多且算法复杂，当模型较大时，每一时步的离散元计算结果与其他算法间交换的数据量很大，对计算机资源的消耗很大。

对于小尺度的泥石流问题，常采用配合模型试验的方法，常用离散元和连续介质耦合方法进行分析。由于这些模型应用了过多的流变参数，在实际应用中受到了限制。离散元的计算速度跟单元体网格划分有很多关系，过多的接触可使计算量变大，花费大量时间，在大范围的泥石流计算中不存在优势。

综上所述，现有技术存在的问题是：(1)现有连续介质方法所采用的本构模型通常无法准确描述泥石流的运动过程或者难以描述所有类型泥石流的运动过程。