[发明专利]一种泥石流灾害模拟方法及装置

说明书

本发明涉及灾害防治领域，具体涉及一种泥石流灾害模拟方法，获取泥石流所在研究区域的原始数据，根据泥石流的流深和固体物质体积浓度的两种主要效应控制参量：冲蚀沉积运动状态，以及运动过程中的物质交换；根据流速变化的四种效应控制参量：流加速度、流动阻力、总水头、由冲蚀和沉积引起的动量交换，建立体积守恒算法模拟泥石流运动和性质变化，预测泥石流规模与危害范围。

技术领域

本发明涉及灾害防治领域，特别是一种泥石流灾害模拟方法及装置。

背景技术

泥石流的体积会因夹带固体物质而增加，因沉积而减少。由于固体物质浓度的改变，泥石流可能会经历几个流态：由清水流演变为高含沙水流，再演变为发育完全的泥石流，最后在堆积扇上演变为沉积物。如图1是冲蚀和沉积过程。当固体物质体积浓度C_v小于对应沟床坡度的平衡浓度C_v∞，并且剪切应力足够大时，泥石流会从沟床夹带固体物质。当固体物质体积浓度大于对应沟床坡度的平衡浓度，并且泥石流流速太小不足以带走所有固体物质时，一部分物质会从泥石流中分离出来沉积在沟床或堆积扇上。

泥石流性质会随着冲蚀和沉积过程显著变化。如图2a-图2d是固体物质体积浓度的变化。当流动体是清水流时，如图2a，只有一小部分固体物质随着流动体运动；此时的屈服应力可以忽略不计，动力粘度接近水的动力粘度。当固体物质由于冲蚀而被夹带进流动体，流动体可能演变为高含沙水流，如图2b；显著的屈服应力会形成，动力粘度也上升到较高水平。当足够多的固体物质被夹带进流动体后，泥石流会完全形成，如图2c；屈服应力和动力粘度上升到更高的水平。当泥石流运动到平缓的区域，泥石流流速降低，固体物质会沿着流经路径沉积，如图2d；泥石流中的固体物质体积浓度随着沉积过程降低。

从泥石流启动、到运动、再到沉积的整个过程中，泥石流性质会显著变化。现有模型已经对泥石流流深、流速和质量的变化作出了很好的描述。然而一些重要问题依然悬而未决，比如怎样用一个通用的流变模型描述泥石流发展过程中的各种流态(如清水流、高含沙水流和泥石流)，在冲蚀和沉积过程中泥石流的性质(如固体物质体积浓度、剪切应力、动力粘度)怎么变化，这些变化又是怎样影响泥石流的冲出特征。这些问题对泥石流的风险评估非常重要，而现有模型未考虑到这些因素，不能全面反映泥石流运动整个变化过程。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术不能对泥石流的整个变化过程进行模拟的问题，提供一种泥石流灾害模拟方法，能够全面反映泥石流的运动及变化过程。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种泥石流灾害模拟方法，获取泥石流所在研究区域的原始数据，根据泥石流的流深h和固体物质体积浓度C_v的两种主要效应控制参量：冲蚀沉积运动状态，以及运动过程中的物质交换；根据流速变化的四种效应控制参量：流加速度、流动阻力、总水头、由冲蚀和沉积引起的动量交换，建立体积守恒算法模拟泥石流运动和性质变化，预测泥石流规模与危害范围，具体包括以下步骤：

步骤一，将研究区域(泥石流运动区域的研究范围)划分为网格，每个网格作为一个单元，赋予每个单元原始数据信息：包括初始流深、沟床可冲蚀部分的厚度及不可冲蚀部分的高程、曼宁系数；

步骤二，对泥石流运动模拟分析：预设泥石流运动过程的时间长，时间长包括多个时间步，在每个时间步中，根据原始数据信息，首先获取每个单元由冲蚀或者沉积引起的流深和固体物质体积浓度变化；然后获取通过所有单元每个流动边界的流速、流量以及交换物质的密度，得到由单元间物质交换引起的流深和固体物质体积浓度变化，模拟泥石流启动到运动再到最后坡脚沉积的变化过程。