[发明专利]泥石流灾害险情动态预警方法、精细化分级监测预警方法

摘要

本发明公开泥石流灾害险情动态预警方法。在流域调查与监测系统实时数据基础上，采用二维潜水波方程数值模拟泥石流沿程运动，在DEM栅格水平上预测泥石流淹没范围与淹没深度，通过叠加承灾体数据分析出承灾体遭受危害的程度、安全疏散线路等信息，及时向流域内人群发布。本发明还公开泥石流灾害精细化分级监测预警方法，通过全方位获取分析影响泥石流灾害要素的监测信息，将整个泥石流形成、发生、演进过程视为高度动态过程加以预测监测，通过灾前预测、临灾预警、发灾预警、险情动态预警四级逐步完成泥石流灾害的精细预警。与现有的一步、一指标监测预警技术相比，本发明方法充分结合泥石流灾害的动态性特征与规律，更为科学，减灾实务性更高。

主权项

1.泥石流灾害精细化分级监测预警方法，在实施泥石流灾害险情动态预警前先完成泥石流灾害灾前预测，其特征在于：首先进行流域调查并安装监测系统，在流域调查中，确定泥石流沟道内流通区、危险区范围，在流通区布置监测断面M；现场调查确定监测断面M处坡降I_C、监测断面M宽度B、泥石流沟床糙率系数n_C、监测断面M至泥石流沟道危险区的距离L、危险区内承灾体分布；通过GIS软件进行流域内各断面的基本地形地貌参数调查，提取流域内DEM数据，根据DEM数据确定计算栅格数量、各栅格位置坐标、各栅格面积，确定数值模拟计算采用的网格的面积a，确定形成区径流系数C，在形成区的末端设置监测断面N，调查确定监测断面N以上的流域面积A₁、监测断面N宽度B₁、监测断面N所在处坡降I_c1，根据现场调查取样与现场土力学实验确定形成区堆积物颗粒平均粒径d_m；其次安装监测系统，监测系统包括以无线通信联接的控制中心与监测传感器，监测传感器安装在监测断面M处，包括流速传感器、雨量传感器、监测断面M上方的超声波泥位传感器；然后依如下步骤实施：步骤A、泥石流灾害灾前预测步骤A1、确定流域内泥石流形成的临界水量Q依式8、式9、式10计算泥石流灾害临界水量Q，Q＝qB₁    式8θ＝arctan (I_c1)    式10式中，Q—泥石流灾害形成临界水量，单位m³/s，q—泥石流起动单宽流量，单位m³/s，B₁—监测断面N宽度，单位m，流域调查确定，d_m—形成区堆积物颗粒平均粒径，单位m，流域调查确定，θ—监测断面N纵坡坡度，单位°，I_c1—监测断面N处坡降，单位°，流域调查确定；步骤A2、确定流域内泥石流形成临界降雨阈值i_L依式11计算泥石流形成临界降雨阈值i_L，式中，i_L—泥石流形成临界降雨阈值，mm/h，Q—泥石流灾害形成临界水量，单位m³/s，步骤A1确定，C—形成区径流系数，流域调查确定，A₁—监测断面N以上流域面积，单位ha，流域调查确定；步骤A3、判断泥石流形成条件从气象卫星云图数据中读取流域内未来最大可降雨量i_k，若未来最大可降雨量i_k≥临界雨量阈值i_L，判断流域内出现泥石流发生可能性，发出预警信息，进入步骤D；步骤D、泥石流灾害精细化分级监测预警步骤D1、模拟泥石流沿程运动过程采用二维潜水波方程进行数值模拟，得到泥石流沿程运动方程；其中，运动平衡动量方程依式1、式2，质量守恒方程依式3：式中，g—重力加速度常数，S_fx、S_fy—沟道摩擦坡降，S_ox、S_oy—沟道纵坡降，t—泥石流持续时间，单位s，根据各地《中小流域暴雨洪水计算手册》方法框算确定，u—泥石流在x方向的平均流动速度，单位m/s，流速传感器实时监测确定，h—泥石流流深监测值，单位m，超声波泥位传感器实时监测确定，v—泥石流在y方向的平均流动速度，单位m/s，流速传感器实时监测确定，i—一次降雨强度，单位mm/h，雨量传感器实时监测确定，根据泥石流沿程运动方程确定泥石流最终淤埋区域A、泥石流最终不会淤埋的区域A′、每一栅格内的颗粒数N_i,j、泥石流颗粒体积ΔV、每一栅格中泥石流在x、y方向的速度u、v、每一栅格的动态泥深h'、泥石流密度ρ；步骤D2、确定每个栅格泥石流淤埋深度D_h依式4计算每个栅格(i,j)的泥石流淤埋深度D_h式中，D_h—每一栅格的泥石流淤埋深度，单位m，N_i,j—每一栅格内的颗粒数，步骤D1数值模拟计算确定，ΔV—泥石流颗粒体积，单位m³，步骤D1数值模拟计算确定，A—泥石流最终淤埋区域，单位m²，步骤D1数值模拟计算确定，步骤D3、确定最终淤埋区域A内每个栅格的泥石流最大动能D_e依式5计算最终淤埋区域A内每个栅格的泥石流最大动能D_eD_e＝a·max_t>0[(u²+v²)h′ρ]    式5式中，D_e—每个栅格的泥石流最大动能，单位J，a—步骤D1数值模拟计算采用的网格的面积，单位m²，流域调查确定，t—数值模拟时间，单位s，u、v—每一栅格中泥石流在x、y方向的速度，单位m/s，步骤D1数值模拟计算确定，h'—每一栅格的动态泥深，单位m，步骤D1数值模拟计算确定，ρ—泥石流密度，单位kg/m³，步骤D1数值模拟计算确定；步骤D4、确定最终淤埋区域A内承灾体危险等级系数D依式6计算最终淤埋区域A内承灾体危险等级系数DD＝D_e+D_h    式6D—最终淤埋区域A内承灾体危险等级系数，D_e—每一栅格的泥石流最大动能，单位J，步骤D3确定，D_h—每一栅格的泥石流淤埋深度，单位m，步骤D2确定，根据D判断各承灾体危险程度：若0＜D≤0.4，判断承灾体处于低危险性，0.4＜D≤0.8，判断承灾体处于中危险性，若0.8＜D，判断判断承灾体处于高危险性；步骤D5、确定灾害警示信息确定灾害警示信息，包括疏散时间t′、承灾体危险等级D、潜在危害区域、逃生路线，具体：依式7计算疏散时间t′，t′＝L/V_c    式7式中，t′—疏散时间，单位s，L—监测断面M至泥石流沟道危险区的距离，单位m，流域调查确定，V_c—泥石平均流流速，单位m/s，流速传感器实时监测确定，潜在危害区域是泥石流最终淤埋区域A，由步骤D1数值模拟计算确定，逃生路线是从泥石流最终淤埋区域A内各承灾体至泥石流最终不会淤埋的区域A′的最短路径，采用深度优先搜索方法确定；步骤D6、发送灾害警示信息向流域内人群发送灾害警示信息。