[发明专利]泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流动力过程数值模拟方法及应用

说明书

本发明公开泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流动力过程数值模拟方法及应用。方法从物源起动角度对物源侵蚀过程进行分析，基于分布式水文模型计算坡面汇流过程，将具有时空变异性的坡面汇流合理地分配于沟道之中，以浮力和拖曳力表征固液两相间作用，将来流流体、被侵蚀的沟床物源与坡面汇流合理耦合，建立综合考虑沟床侵蚀效应与坡面汇流效应的泥石流多流体动力学模型，可以实现对泥石流动力过程的数值模拟。方法还包括泥石流沟床侵蚀物源补给测算的优化。本发明还提供动力过程数值模拟方法在泥石流过程可视化中、在泥石流监测预警中的应用。本发明方法能够准确还原泥石流动力过程，为进行流域风险评估与防治工程规划设计等提供依据。

技术领域

本发明涉及一种泥石流降雨汇流水源补给测算方法、泥石流沟床侵蚀物源补给测算方法、泥石流动力数值模拟方法，特别是涉及一种考虑坡面汇流补给与物源侵蚀补给条件的泥石流动力过程的数值模拟方法，属于电数字数据处理技术、运动多相流体测量技术、山地灾害监测与防治技术领域。

背景技术

泥石流是极具破坏力的山区地质灾害类型，其破坏力与其运动过程中的动力变化相关，因而对泥石流动力过程的研究是泥石流防治研究的基础与重点。例如，泥石流是一种形成于坡面或沟谷上的由泥砂、石块和水体组成的固液两相流体，在运动过程中会不断侵蚀沟床物源，同时受到沟道两侧坡面的汇流补充，流体运动状态会不断改变。如果能够根据流域沟道所具备的物源条件确定其在流域极端降雨条件下沟道流体的动力过程，则能够对进行泥石流灾害预测预报和防治工程规划设计提供理论基础。早期对泥石流动力过程的研究主要借助实验手段，关注影响泥石流动力过程的各因素及其作用的探讨。随着计算机处理能力的扩展，通过建立泥石流动力学模型实现对整个动力过程的描述成为重要研究方法。

泥石流流体动力学模型包括单流体模型与多流体模型两类。多流体模型从泥石流由固液两相物质在山区坡地上或沟道内的相互作用发展而形成的基本认识出发，是在考虑了固液两相动量交换情形后建立的两组分的流体动力学方程组，其中每一组分都有各自的质量、动量和能量守恒方程。相较于单流体模型将泥石流视为一组单组分的流体，因而当泥石流两相速度差显著且存在较强相间相互作用时，会出现研究结果与实验和观测结果偏差很大的缺陷，多流体模型更为合理，也逐渐更受研究者重视。多流体模型的关键问题是处理各组分与环境的相互作用以及多组分间的相互作用，在建模过程中需要处理的实际条件极为复杂，加之目前尚未有比较可靠的泥石流相间作用力的公式，因而整个方程组的封闭和数值计算存在较大的困难。

申请公布号CN 109657322A的中国专利申请公开了一种固液多相适用于泥石流的动力学数值模拟方法。方法假设多相介质方程中的不同介质充分掺混且单独定义泥石流固相和液相的受力条件；同时引入多种相互作用力的模型，将两相介质通过流体静力学浮力和多种流体动力学力(托曳力、抬升力、虚拟质量力)耦合在一起，较为准确的模拟出固相和液相在运动过程中，因为受力条件不同而出现相对速度效应进而出现因浓度占比时空演变下的不同的流态演变和动力学特征，形成基于固液多相的泥石流动力过程的形成-运动-堆积数值模拟方法，最终建立固相颗粒及液相浆体的质量方程与泥石流固液两相动量守恒方程。方法的缺陷在于仅考虑了组分间相互作用力，但没有考虑泥石流作为复杂环境中的多相组分流体在运动过程发生的两种效应：其一是坡面汇流效应。泥石流往往是与大规模降雨过程同时发生的，降至地表的雨水会根据地形条件以坡面汇流的形式从不同沟道段汇入泥石流体作为水源补给不断改变泥石流组分特征，从而改变泥石流运动学特征；其二是泥石流中含有固体组成会不断与沟床摩擦产生侵蚀作用裹挟沟床固体物质成为固体物质补给加入泥石流体，同样不断改变泥石流组分特征并改变泥石流运动学特征。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种基于泥石流多流体模型实现的泥石流动力过程数值模拟方法及其应用，该方法能够考虑泥石流流体运动过程中侵蚀与汇流两类主要效应的影响。

为实现上述目的，本发明首先提供一种泥石流降雨汇流水源补给测算方法，其技术方案如下：