本發(fā)明屬于水利工程領(lǐng)域,具體地說,涉及一種冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的計(jì)算方法。
背景技術(shù):
近半個(gè)世紀(jì)以來,隨著全球氣候變化,世界各高山地區(qū)冰磧湖潰決事件頻繁發(fā)生,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡,如喜馬拉雅山、天山、阿爾卑斯山脈、高加索山脈、科迪勒拉山系和斯堪的納維亞山脈等地區(qū)。中國是冰湖分布較多的國家之一,冰磧湖潰決主要發(fā)生在西藏的喜馬拉雅山脈,所形成的洪水和泥石流在該地區(qū)造成嚴(yán)重的危害。同時(shí),前人的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn),冰崩入湖造成湖水涌浪過流漫頂誘發(fā)冰磧壩的失效破壞,是冰磧湖潰決的重要成因機(jī)制。在我國西藏地區(qū),歷史上先后發(fā)生的12次冰磧湖潰決事件,涌浪是導(dǎo)致冰湖潰決最直接的誘發(fā)因素。
目前,國內(nèi)外可以直接應(yīng)用于冰磧湖潰決流量計(jì)算的公式較少,且均未考慮涌浪條件的特征參數(shù)。現(xiàn)有洪峰流量計(jì)算一般借鑒簡單的回歸公式或已有的土石壩潰決模型,計(jì)算方法主要通過已發(fā)生潰決的各種壩體(混凝土和土石水工壩,滑坡壩,泥石流壩,冰川側(cè)磧、冰磧壩等)的壩高和庫容得出潰決峰值流量的回歸公式。如kirkpatrick(kirkpatrick,ga.1977.evaluationguidelinesforspillwayadequacy.intheevaluationofdamsafety,proc.eng.found.conf.,newyork,am.soc.civ.eng.,pp:395-414.)根據(jù)21個(gè)歷史上和假設(shè)的潰決事件中的壩體高度,得出潰決峰值流量的計(jì)算公式:qm=2.297(h+1)2.5,h為壩高,美國水土保持學(xué)會(huì)(劉寧,程尊蘭,崔鵬和陳寧生等.2013.堰塞湖及其風(fēng)險(xiǎn)控制.北京:科學(xué)出版社.pp:141-142.)通過另外的13次潰決將上述公式修訂為:qm=65h1.85,又通過31次壩高在1.8-84m范圍的潰決事件將公式修訂為:qm=48h1.63。實(shí)踐證明,現(xiàn)有此類峰值流量計(jì)算方法很難應(yīng)用于冰磧湖潰決的案例預(yù)測中,歸咎于不同的學(xué)者依據(jù)不同的資料得出不同經(jīng)驗(yàn)公式,且計(jì)算誤差較大,適用性較低。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
有鑒于此,本發(fā)明針對涌浪條件對冰磧湖潰決形成機(jī)制的影響,提高冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測計(jì)算依據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,提供了一種冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的計(jì)算方法,該計(jì)算方法根據(jù)野外案例調(diào)查和室內(nèi)模型試驗(yàn)對冰磧湖潰決形成機(jī)制影響的研究結(jié)果,計(jì)算參數(shù)中包括初始涌浪高度、冰磧湖水深、冰磧湖的長度、冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度和冰磧壩壩體組成物質(zhì)的分選系數(shù)5個(gè)因子,提高冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
為了解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明公開了一種冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的計(jì)算方法,包括以下步驟:
步驟1、測量初始涌浪高度a0、冰磧湖水深h0、冰磧湖的長度l、冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度ld和冰磧壩壩體組成物質(zhì)的分選系數(shù)cu;
步驟2、將各因子進(jìn)行組合并消除量綱,與峰值流量進(jìn)行多元回歸方程分析,確定各因子式的影響系數(shù);
步驟3、根據(jù)各因子式的影響系數(shù),得到冰磧湖潰決洪水峰值流量qm的預(yù)測計(jì)算公式:
式中,qm為冰磧湖潰決洪水峰值流量,m3/s;a0為初始涌浪高度,m;ld為冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度,m;h0為冰磧湖水深,m;l為冰磧湖長度,m;cu為分選系數(shù),表征冰磧壩壩體組成的均勻程度,無量綱。
進(jìn)一步地,步驟2中的將各因子進(jìn)行組合并消除量綱,與峰值流量進(jìn)行多元回歸方程分析,確定各因子式的影響系數(shù)具體為:
步驟2.1、建立峰值流量與諸因素之間的基礎(chǔ)關(guān)系式,根據(jù)基礎(chǔ)關(guān)系式建立初始峰值流量的預(yù)測公式;
步驟2.2、利用多元線性回歸分析對初始峰值流量的預(yù)測公式進(jìn)行求解。
進(jìn)一步地,步驟2.1中的建立峰值流量與諸因素之間的基礎(chǔ)關(guān)系式具體為:
步驟2.1.1、
步驟2.1.2、
步驟2.1.3、
步驟2.1.4、cu:此因子表征壩體組成的均勻程度,揀選系數(shù)cu是過篩質(zhì)量占75%的粒徑d75與過篩質(zhì)量占25%的粒徑d25比值的平方根,其表達(dá)式為cu=(d75/d25)1/2,為無量綱參數(shù);
步驟2.1.5、將上述4個(gè)基礎(chǔ)關(guān)系式,按照其之間的相關(guān)性,列出構(gòu)成涌浪溢流潰壩峰值流量預(yù)測公式的一般表達(dá)式(1):
將公式(1)進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到公式(2):
其中,qm為冰磧湖潰決洪水峰值流量,m3/s;a0為初始涌浪高度,m;ld為冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度,m;h0為冰磧湖水深,m;l為冰磧湖長度,m;cu為分選系數(shù),表征冰磧壩壩體組成的均勻程度,無量綱;a,α,β,γ和δ為經(jīng)驗(yàn)公式未知系數(shù),無量綱;
將公式(2)中各組合式取對數(shù)構(gòu)成直線方程,得式變換式(3)如下:
設(shè)y=logqm,b=loga,
y=b+αx1+βx2+γx2+δx4(4)。
進(jìn)一步地,步驟2.2中利用多元線性回歸分析對建立峰值流量的預(yù)測公式進(jìn)行求解計(jì)算得出b=2.766,α=0.244,β=1.307,γ=0.538和δ=0.592。
進(jìn)一步地,步驟3中根據(jù)各因子式的影響系數(shù),得到冰磧湖潰決洪水峰值流量qm的預(yù)測計(jì)算公式具體為:根據(jù)b=2.766,α=0.244,β=1.307,γ=0.538和δ=0.592,從而得到方程的表達(dá)式(5)如下:
y=2.766+0.244x1+1.307x2+0.538x3+0.592x4(5)
將y=logqm,b=loga,
將公式(6)等式兩邊的各組合式去對數(shù),得到方程轉(zhuǎn)換式(7)如下:
將公式(7)等式兩邊參數(shù)因子合并簡化,得到方程轉(zhuǎn)換式(8)如下:
公式(8)即為涌浪溢流潰壩的峰值流量預(yù)測公式;其中,qm是無量綱峰值流量,其單位與因子式單位一致;
將ld=2e/h0代入公式(8),將指數(shù)小數(shù)點(diǎn)保留2位,得到計(jì)算公式(9):
式中,qm為冰磧湖潰決洪水峰值流量,m3/s;a0為初始涌浪高度,m;ld為冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度,m;h0為冰磧湖水深,m;l為冰磧湖長度,m;cu為分選系數(shù),表征冰磧壩壩體組成的均勻程度,無量綱。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明可以獲得包括以下技術(shù)效果:
1)本發(fā)明通過野外案例調(diào)查和室內(nèi)模型試驗(yàn)對冰磧湖潰決形成機(jī)制影響的研究發(fā)現(xiàn),涌浪是冰磧湖潰決形成的直接原因:當(dāng)初始涌浪高度越大時(shí),潰決發(fā)展速率快,產(chǎn)生的峰值流量偏大;當(dāng)初始涌浪高度越小時(shí),潰決發(fā)展速率慢,產(chǎn)生的峰值流量偏小。基于上述研究分析,本發(fā)明針對涌浪條件對冰磧湖潰決形成機(jī)制的影響,計(jì)算參數(shù)中包括初始涌浪高度、冰磧湖水深、冰磧湖的長度、冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度和冰磧壩壩體組成物質(zhì)的分選系數(shù)5個(gè)因子,提出一種冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的計(jì)算方法。
2)本發(fā)明極大提高了冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測計(jì)算依據(jù)的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
當(dāng)然,實(shí)施本發(fā)明的任一產(chǎn)品并不一定需要同時(shí)達(dá)到以上所述的所有技術(shù)效果。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解,構(gòu)成本發(fā)明的一部分,本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1是本發(fā)明冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測計(jì)算參數(shù)因子簡化模型圖;其中,h0:冰磧湖水深,a0:初始涌浪高度,cu:冰磧壩組成物質(zhì)分選系數(shù),l:冰磧湖長度,ld:冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度;
圖2是本發(fā)明預(yù)測值qm*與實(shí)測值qm對比。
具體實(shí)施方式
以下將配合實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式,藉此對本發(fā)明如何應(yīng)用技術(shù)手段來解決技術(shù)問題并達(dá)成技術(shù)功效的實(shí)現(xiàn)過程能充分理解并據(jù)以實(shí)施。
本發(fā)明公開了一種冰磧湖潰決洪水峰值流量預(yù)測的計(jì)算方法,包括以下步驟:
步驟1、通過室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果中各因子對冰磧湖潰決形成機(jī)制的研究分析,確定影響潰決洪水峰值流量qm的5個(gè)主要因子,分別是:初始涌浪高度a0、冰磧湖水深h0、冰磧湖的長度l、冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度ld和冰磧壩壩體組成物質(zhì)的分選系數(shù)cu;
其中,初始涌浪高度a0:表征冰崩入湖形成涌浪且傳播至冰磧壩壩頂首個(gè)波浪的高度,根據(jù)冰磧湖湖盆邊緣波痕實(shí)地調(diào)查獲取。
冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度ld:根據(jù)冰磧壩實(shí)地調(diào)查測量獲?。籰d=2e/h0,。
冰磧湖水深h0:根據(jù)冰磧壩實(shí)地測量獲取得到的壩體高度,冰磧湖水深取值冰磧壩壩高值。
冰磧湖長度l:根據(jù)冰磧湖實(shí)地調(diào)查或地形圖測量獲取。
冰磧壩組成物質(zhì)分選系數(shù)cu:表征壩體組成的均勻程度,根據(jù)冰磧壩實(shí)地調(diào)查和冰磧物取樣篩分獲取,分選系數(shù)cu是過篩質(zhì)量占75%的粒徑d75與過篩質(zhì)量占25%的粒徑d25比值的平方根,其表達(dá)式為cu=(d75/d25)1/2,為無量綱參數(shù)。
步驟2、將各因子進(jìn)行組合并消除量綱,與峰值流量進(jìn)行多元回歸方程分析,確定各因子式的影響系數(shù);
步驟2.1、建立峰值流量與諸因素之間的基礎(chǔ)關(guān)系式,建立峰值流量的預(yù)測公式;
按照各因素對峰值流量的影響機(jī)制分析,需要對各因子進(jìn)行組合,并達(dá)成無量綱,以達(dá)到經(jīng)驗(yàn)公式應(yīng)用到實(shí)踐的可能。
(1)
(2)
(3)
(4)cu:此因子表征壩體組成的均勻程度,揀選系數(shù)cu是過篩質(zhì)量占75%的粒徑d75與過篩質(zhì)量占25%的粒徑d25比值的平方根,其表達(dá)式為cu=(d75/d25)1/2,為無量綱參數(shù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析,揀選系數(shù)cu是影響壩體的抗沖刷能力主要因子之一,與潰口侵蝕速率和峰值流量關(guān)系密切。其值越大,潰口侵蝕速率越快,峰值流量越大。
將上述四個(gè)組合式(或因子),按照其之間的相關(guān)性,列出構(gòu)成涌浪溢流潰壩峰值流量預(yù)測公式的一般表達(dá)式(1),并把結(jié)果整理成冪次關(guān)系,經(jīng)轉(zhuǎn)換得到表達(dá)式(2):
其中,qm為冰磧湖潰決洪水峰值流量,m3/s;a0為初始涌浪高度,m;ld為冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度,m;h0為冰磧湖水深,m;l為冰磧湖長度,m;cu為分選系數(shù),表征冰磧壩壩體組成的均勻程度,無量綱;a,α,β,γ和δ為經(jīng)驗(yàn)公式未知系數(shù),無量綱;
為了使預(yù)測公式適用于涌浪溢流潰壩,采用模擬實(shí)驗(yàn)中成功潰決的56組涌浪案例的實(shí)驗(yàn)參數(shù),通過統(tǒng)計(jì)分析,建立無量綱峰值流量qm的預(yù)測公式。
將公式(2)中各組合式取對數(shù)構(gòu)成直線方程,得式變換式(3)如下:
設(shè)y=logqm,b=loga,
y=b+αx1+βx2+γx3+δx4(4)
下一步工作即是將56組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式(4),解得多元回歸方程的未知系數(shù)b,α,β,γ和δ。
其中,56組試驗(yàn),試驗(yàn)中改變試驗(yàn)變量中的a0、h0、ld、l、e、cu6個(gè)參數(shù),從而得到不同的qm。a,α,β,γ和δ是根據(jù)這些數(shù)據(jù)得到的一個(gè)回歸系數(shù)。
步驟2.2、多元線性回歸分析求解
本發(fā)明中,多元線性回歸方程的建立采用spss17.0進(jìn)行分析求解。將56實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)化為y,x1,x2,x3和x4后輸入軟件,得到定義模型的輸出結(jié)果如下:
(1)模型概述
列出了模型的r,r2,調(diào)整r2及估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤。r2越大所反映的自變量與因變量的共變量比率越高,模擬與數(shù)據(jù)的擬合程度越好,其輸出結(jié)果如表1所示。
表1模型概述
a預(yù)測變量:(常量),x1,x2,x3和x4
研究定義模型確定系數(shù)的平方根r為0.784,確定系數(shù)r2為0.614,調(diào)整后的確定系數(shù)r2為0.580,估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤為0.069。
(2)方差分析
列出了變異源、自由度、均方,f值及對f值的顯著性檢驗(yàn)。顯著性水平是判別回歸方程的是否有效的重要標(biāo)準(zhǔn),輸出結(jié)果如表2所示。
表2方差分析(anovab)
a預(yù)測變量:(常量),x1,x2,x3和x4
b因變量:y
研究定義模型的回歸平方和為0.341,殘差平方和為0.214,總平方和味0.556,f統(tǒng)計(jì)量的值為17.9263,sig.<0.05,可認(rèn)為所建立的回歸方程有效。
(3)回歸系數(shù)
列出了常數(shù)及回歸系數(shù)的值及標(biāo)準(zhǔn)化的值,同時(shí)對其進(jìn)行顯著性檢驗(yàn),輸出結(jié)果如表3所示。
表3回歸系數(shù)(coefficientsa)
a因變量:y
研究定義模型中因變量y對四個(gè)自變量x1,x2,x3和x4的回歸非標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)分別是0.244,1.307,0.538和0.592;對應(yīng)顯著性檢驗(yàn)的t值分別是2.995,3.293,3.440和4.401;對應(yīng)四個(gè)回歸系數(shù)b的顯著性水平sig.分別是0.004,0.002,0.001和0.000,sig.<0.05,可以認(rèn)為自變量x1,x2,x3和x4對因變量y均有顯著影響。
根據(jù)上述分析結(jié)果,解得公式(4)方程中4個(gè)未知系數(shù),即b=2.766,α=0.244,β=1.307,γ=0.538和δ=0.592。
步驟3、建立預(yù)測公式
根據(jù)b=2.766,α=0.244,β=1.307,γ=0.538和δ=0.592,從而得到方程的表達(dá)式(5)如下:
y=2.766+0.244x1+1.307x2+0.538x3+0.592x4(5)
將y=logqm,b=loga,
將公式(6)等式兩邊的各組合式去對數(shù),得到方程轉(zhuǎn)換式(7)如下:
將公式(7)等式兩邊參數(shù)因子合并簡化,得到方程轉(zhuǎn)換式(8)如下:
公式(8)即為涌浪溢流潰壩的峰值流量預(yù)測公式。其中,qm是無量綱峰值流量,其單位與因子式單位一致。將56組實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入預(yù)測公式進(jìn)行計(jì)算,得到涌浪溢流潰壩產(chǎn)生的峰值流量預(yù)測值,圖2是實(shí)測值與預(yù)測值對比結(jié)果。
將ld=2e/h0代入公式(8),然后指數(shù)小數(shù)點(diǎn)保留2位簡化即可,得到本發(fā)明的計(jì)算公式(9):
式中,qm為冰磧湖潰決洪水峰值流量,m3/s;a0為初始涌浪高度,m;ld為冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度,m;h0為冰磧湖水深,m;l為冰磧湖長度,m;cu為分選系數(shù),表征冰磧壩壩體組成的均勻程度,無量綱。
實(shí)施例1
如圖1所示,藏東南某冰磧湖潰決前水深h0=15m,湖區(qū)長度為l=950m;潰決前冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度l=100m。1988年7月,冰磧湖發(fā)生潰決,形成規(guī)模巨大的泥石流,席卷溝內(nèi)村落及農(nóng)田,堵塞主河,沖毀川藏公路,波及下游縣城,造成斷道堵車一年之久的危害。
采用本發(fā)明提出的計(jì)算方法進(jìn)行事件還原和驗(yàn)證。除已知冰磧湖和冰磧壩的尺寸參數(shù)外,通過實(shí)地測量和牧民調(diào)訪,到達(dá)冰磧壩的初始涌浪高度a0=3m;根據(jù)現(xiàn)場冰磧壩取樣和篩分,得到冰磧壩壩體組成的分選系數(shù)cu=3.53。將5個(gè)計(jì)算參數(shù)因子代入發(fā)明提出的計(jì)算方法,得到此次冰磧湖潰決洪水的峰值流量qm=1483m3/s,相對絕大部分經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)理論公式的值偏小,雖略高但接近的實(shí)測值(1270m3/s),誤差為+17%。
為了檢驗(yàn)預(yù)測公式的合理性,將潰決前的冰湖和冰磧壩特征代入已有的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算對比,計(jì)算結(jié)果如表4所示。
表4光謝錯(cuò)潰決峰值流量經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果
通過表1的計(jì)算結(jié)果對比可以看出,本發(fā)明涉及的預(yù)測方法所計(jì)算得到的峰值流量值(1529m3/s)相對絕大部分經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)理論公式的值偏小,雖略高但接近的實(shí)測值(1270m3/s),誤差僅為+17%。
實(shí)施例2
如圖1所示。藏東南某冰磧湖呈長方形,湖區(qū)長度1.94km,湖區(qū)最大寬度0.63km,平均寬度0.50km。湖面面積0.976km2,平均湖區(qū)水深36m左右,據(jù)估算湖水體積達(dá)到35.71×106m3。一旦冰磧湖發(fā)生潰決,將會(huì)給川藏線和沿江城鎮(zhèn)、村莊的生命財(cái)產(chǎn)造成極其嚴(yán)重的災(zāi)難。
根據(jù)室內(nèi)地形圖測量、現(xiàn)場調(diào)查測量和冰磧壩取樣分析,得到5個(gè)計(jì)算因子分別為:冰磧湖水深h0=36m,湖區(qū)長度為l=1940m,冰磧壩壩體鞍部沿水流方向長度l=182m,到達(dá)冰磧壩的初始涌浪高度a0=5m,冰磧壩壩體組成的分選系數(shù)cu=3.53。將5個(gè)計(jì)算參數(shù)因子代入發(fā)明提出的計(jì)算方法,預(yù)測得到該冰磧湖潰決洪水的峰值流量qm=1806m3/s。
上述說明示出并描述了發(fā)明的若干優(yōu)選實(shí)施例,但如前所述,應(yīng)當(dāng)理解發(fā)明并非局限于本文所披露的形式,不應(yīng)看作是對其他實(shí)施例的排除,而可用于各種其他組合、修改和環(huán)境,并能夠在本文所述發(fā)明構(gòu)想范圍內(nèi),通過上述教導(dǎo)或相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)或知識(shí)進(jìn)行改動(dòng)。而本領(lǐng)域人員所進(jìn)行的改動(dòng)和變化不脫離發(fā)明的精神和范圍,則都應(yīng)在發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。