[发明专利]基于陡坡汇流和断面流量计算的山洪泥石流预警方法和系统

权利要求书

1.一种基于陡坡汇流和断面流量计算的山洪泥石流预警方法，其特征在于，包括步骤：

S101、通过对泥石流单沟及其所在流域的高精度DEM地形数据和遥感数据进行处理，依据典型地形地物特征对研究区域进行网格划分，得到各网格单元的散点高程与坡度；

S102、根据不同泥石流沟的地形地貌特征，计算不同地质条件下水流的下渗以及不同植被条件下地表的汇流，结合长历时降雨数据，得出各网格单元的下渗量及汇流量；

S103、采用基于陡坡汇流的计算方法，对研究区域内的地表汇流进行水动力过程模拟，基于所述的步骤S101和S102，计算泥石流沟及其所在流域的地表汇流；

所述步骤S103中，采用基于网格的水动力陡坡汇流计算方法，在溃坝大比降陡变水面水流计算模式的基础上，采用有限体积Riemann通量计算格式，建立基于网格的水动力陡坡汇流计算模型：

其中，h为水深；u为局部坐标x方向的流速；q_e为源汇项；α为地形坡度；φ为降雨角度；g为重力加速度；S₀为底坡比降；S_f为阻力项；σ为风应力；ρ为空气密度；p为降雨强度；v_m为雨滴降落速度；d为下渗强度；i为蒸发强度；

所述基于网格的水动力陡坡汇流计算方法，从三维流体力学的N-S方程出发，沿水深方向积分后获得二维浅水方程，所述二维浅水方程包括连续方程和运动方程，其中：

连续方程：

运动方程：

其中，h为水深，z为水位，z＝z₀+h，z₀为底高程，u，v分别为x和y方向的平均流速，q_e为源汇项，g为重力加速度，n为糙率；

令H＝h，Q_x＝hu，Q_y＝hv；选择任意形状的网格，在网格中心处计算水深H；网格周边的边线相当于容器的边壁，称为通道，水体通过通道流入单元，在网格通道处计算流量Q；时间上采取水位-流量交错的计算方式；

所述连续方程，用矢量表示流动速度分量：

其中，表示单位宽度流量；

所述连续方程也可以表示为：

其中，A_i为第i个控制体的面积，m为控制体的通道个数，Q_ij为控制体i的第j个通道上的单宽流量；L_ij为控制体i的第j个通道长度；

所述连续方程的离散形式为：

其中，H_pk为第k个管道计算断面的水深或压力水头；A_pk为第k个管道计算断面的过流面积；A′_pk第k个管道计算断面的等效底面积，即管段中自由水面的面积；

所述运动方程，用矢量表示流动速度分量：

或者，所述运动方程表示为：

所述运动方程的离散形式为：

其中，Q_pk为第k个管道计算断面的单宽流量；Z_k2与Z_k1分别为计算断面k两侧网格中的水深；dx_k为计算断面k两侧网格形心到断面中心的距离之和；

所述运动方程的离散形式适用于水深较大的单元通道；

S104、通过在泥石流沟的流通区范围内选取一个或多个过流断面，作为预警计算的标准参考断面，计算所述标准参考断面在降雨过程中的流量值，并形成所述标准参考断面流量随降雨及预报过程中时间变化的流量曲线；依据村庄、公路和/或桥梁设施位置，设置参考断面下游的不同预警级别的淹没范围，当所述标准参考断面流量计算值达到一个特定值，使得其下游的水流淹没范围达到预警淹没范围且水深达到某一预先设定值时进行相应级别的预警提醒。

2.如权利要求1所述的山洪泥石流预警方法，其特征在于，所述的典型地形地物特征包括：分水岭、沟道和/或河道。