[发明专利]基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法

说明书

本发明提供了一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。该方法包括：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型，计算形成泥石流的松散土体临界集聚量以及泥石流暴发时的临界能量；基于泥石流动力学模型及方程，模拟计算流域空间泥石流特征参量；对泥石流运动过程中的能量进行分析，基于能量分布和能量聚涨衰减特征，进行泥石流能谱分区；按照各个分区的能谱特征和承担的泥石流防治功能，提出基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾新方法。本发明可广泛应用到防治工程关键参数设计、泥石流综合减灾技术体系、泥石流风险管理等方面，具有重要的理论意义和应用价值。

技术领域

本发明属于自然灾害领域，具体涉及一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。

背景技术

泥石流是一种常见的山地灾害，其活动和危害几乎遍及全球各山区，随着全球气候的变暖和人类活动的日益加剧，泥石流活动日渐活跃，严重威胁山区人居安全、生态安全、山区可持续发展等，防灾减灾刻不容缓。

目前，泥石流的防治主要采取综合治理的方式，主要是在泥石流形成区采取治坡、治沟等措施，对流域进行综合治理，控制水土，改善环境；在泥石流流通区采取拦挡、调节和排导工程，使得泥石流顺利下泄到指定区域，保证保护区不受到危害；在泥石流堆积区采取预防措施，发生过程采取预警措施，使泥石流在活动过程中不致引起严重危害。

但是，目前泥石流分区主要通过地貌的方法由人为来确定，不同分区采取的具体防治措施也是人为来定，防治效果达不到最佳化。如泥石流堆积区范围如果确定太大，势必会增加各类措施的投入，造成浪费；如果堆积区确定太小，又会造成泥石流泛滥，达不到防治的效果。因此，如何正确界定泥石流的分区，使每个分区承担泥石流防治的功能效果达到最大化，是泥石流综合减灾的关键所在。而且，目前泥石流防治工程的关键参数设计主要通过经验公式进行确定，缺乏物理基础和运动过程分析，造成某些设计参数过小(造成防治工程失效，如龙池八一沟、清平文家沟、北川青林湾沟拦挡工程等)或过大(造成人力、物力、财力浪费)，达不到最佳的防治效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法。

本发明基于动力过程及能谱分析的泥石流综合减灾方法，包括：

步骤一：判定泥石流流域的孕灾环境，建立三维泥石流流域模型；计算形成泥石流的松散土体临界集聚量和泥石流暴发时的临界能量；

步骤二：基于泥石流孕育、发生、运动堆积过程动力学模型，通过各模型边界条件的相互耦合，构建由孕育、发生、泥石流运动堆积整个物理过程的动力学模型及其方程；

步骤三：将泥石流运动力学方程进行离散化，计算设计频率降雨条件或场次降雨条件下，松散土体临界集聚量及形成泥石流的规模，作为数值模拟的初始条件；以三维泥石流流域作为数值模拟的边界条件，开展泥石流运动过程数值模拟，得到流域空间泥石流特征参量，所述流域空间泥石流特征参量包括：流深、流速、规模、动能、势能、耗散能、泛滥堆积范围；

步骤四：以步骤一计算的泥石流临界能量作为能谱的初始值；以泥石流运动过程中的动能、势能、耗散能分析泥石流运动过程中能量的分布，绘制泥石流流域能谱图；根据能量分布特征进行泥石流能谱分区，也即U区、M区和D区；根据各个分区承担的泥石流防治功能的不同，提出基于动力过程和能谱分析的泥石流综合减灾方法；

步骤一中的泥石流暴发时的临界能量和能量聚集量的计算方法包括：

泥石流暴发时的能量为松散土体的势能和水体的能量；其中，水体的能量通过下式积分计算：

式中，e为雨滴的能量，m为雨滴的质量，v为雨滴的最终速度； f(e)为雨滴动能的分布密度，其中，A₁表示雨滴尺度参数，B₁为雨滴形状参数；