專(zhuān)利名稱(chēng)：泥石流臨界土體體積含水率測(cè)量方法與泥石流預(yù)警方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種泥石流發(fā)生時(shí)的臨界土體體積含水率測(cè)量方法以及一種泥石流發(fā)生預(yù)警方法。
背景技術(shù)：
暴雨引發(fā)泥石流多為流域內(nèi)源區(qū)松散物源在降雨入滲作用下坡面失穩(wěn)，產(chǎn)生徑流并大量匯入溝道而形成。目前，暴雨泥石流預(yù)警方法多以“有效前期雨量一雨強(qiáng)/歷時(shí)”為基本理論模型，也有雨量組合與臨界閾值的形式。但前期有效雨量?jī)H能間接體現(xiàn)泥石流發(fā)生時(shí)期的土體特征，對(duì)土體體積含水率在泥石流形成過(guò)程中的重要作用存在考量不充分的缺陷。細(xì)分析之下，這類(lèi)方法總體上存在下以幾方面不足:一、前期雨量難以精確計(jì)算，且計(jì)算多種計(jì)算方法所得結(jié)果差異較大。計(jì)算有效前期雨量方法主要以泥石流暴發(fā)前某一天的雨量乘以衰減系數(shù)并線(xiàn)性相加的形式，但不同泥石流流域下墊面和物源性狀不同，衰減系數(shù)可能也不一樣，且不同的學(xué)者也有不同的計(jì)算方法；二、預(yù)警模型形式多，物理含義不明確。當(dāng)前的泥石流預(yù)警模型多采用“前期降雨-實(shí)時(shí)降雨”為基本模式，更多的預(yù)警模型采用lh、12h、24h、IOmin雨強(qiáng)等組合形式。預(yù)警模型多以這些雨強(qiáng)指標(biāo)或年均降雨量、月降雨量等作為本底值，將雨量指標(biāo)無(wú)量綱化后的線(xiàn)性相加、冪函數(shù)形式。盡管現(xiàn)有技術(shù)均說(shuō)明這些模型能夠在一定程度上起到預(yù)警作用，但其中涉及的諸多指標(biāo)的物理涵義不甚明確；三、當(dāng)前已有的泥石流預(yù)警模型系統(tǒng)可靠性不高，精度低?，F(xiàn)有技術(shù)中公開(kāi)的泥石流預(yù)警系統(tǒng)多集成降雨指標(biāo)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)為一體的預(yù)警系統(tǒng)，這些預(yù)警系統(tǒng)受泥石流運(yùn)動(dòng)特征(如:大沖大淤，洪水與泥石流運(yùn)動(dòng)因振動(dòng)以及機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的地聲頻譜值差別)和傳感器精度多出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、漏報(bào)等特點(diǎn)，使當(dāng)前的泥石流預(yù)警系統(tǒng)可靠性不高，精度較低；四、預(yù)警模型中的指標(biāo)范圍較窄，不能反映源區(qū)物源某一時(shí)刻的力學(xué)性能和泥石流規(guī)模。當(dāng)前預(yù)警模型大多采用了界定最小值或者“安全閾值”的方法，使用的降雨閾值與降雨密切相關(guān)。但事實(shí)上，在泥石流形成初期，孔隙水壓力，水勢(shì)，地溫都有明顯的變化，而泥石流形成的時(shí)間和規(guī)模與短歷時(shí)雨強(qiáng)密切相關(guān)，因此在未考慮土體體積含水率、基質(zhì)吸力、孔隙水壓力或者地面變形等指標(biāo)的情況下，所得到的預(yù)警模型并不能較全面反映泥石流啟動(dòng)時(shí)刻的物理特征。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種泥石流預(yù)警方法，該方法以泥石流流域中形成區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)生時(shí)候的臨界土體體積含水率測(cè)算方法為核心，通過(guò)對(duì)形成區(qū)當(dāng)前實(shí)時(shí)土體含水率與實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)耦合結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果實(shí)現(xiàn)形成區(qū)泥石流發(fā)生的預(yù)報(bào)預(yù)警。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明首先提供一種泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法，其技術(shù)方案如下:一種泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法，其特征在于:依照如下步驟實(shí)施:
步驟S1、根據(jù)實(shí)地勘查泥石流流域確定研究區(qū)范圍；實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取研究區(qū)土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括土體孔隙率η、土體滲透系數(shù)K、顆粒級(jí)配分布特征參數(shù)d1(l、d30> d60 ；步驟S2、依式I計(jì)算確定臨界土體體積含水率Wa:Wa --l,2x K + 0.47Xii+ 0Λ2χ----0.169 式 I式中，Wa——臨界土體體積含水率，%K——土體滲透系數(shù)，mm/sd10> d30> d60-顆粒級(jí)配分布，mη-土體孔隙率，％。臨界土體體積含水率是指在既定的泥石流研究區(qū)內(nèi)，泥石流發(fā)生時(shí)刻的土體體積含水率。本方法中，通常選擇泥石流流域?qū)嵉乜辈楹蟠_定的泥石流形成區(qū)作為研究區(qū)。在既定泥石流流域內(nèi)，由于形成區(qū)土體內(nèi)摩擦角、粘聚力等物理特征相對(duì)穩(wěn)定，坡面的坡降變化不大，因而，形成區(qū)內(nèi)存在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的土體體積含水率閾值。當(dāng)土體的實(shí)際含水率大于該閾值時(shí)，土體驅(qū)動(dòng)力大于抗剪力，坡面土體啟動(dòng)并形成泥石流。由于在既定泥石流流域內(nèi)，土體實(shí)際含水率越接近該閾值,流域內(nèi)發(fā)生泥石流的危險(xiǎn)性越高,當(dāng)土體體積含水率進(jìn)一步增加達(dá)到該閾值時(shí)，則流域內(nèi)發(fā)生泥石流。因此在實(shí)際泥石流流域勘查工作中，經(jīng)由勘查測(cè)量計(jì)算確定泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率的方法，可以迅速判斷流域形成區(qū)土體是否處于泥石流發(fā)生的臨界狀態(tài)，或者接近臨界狀態(tài)，從而解決迅速判斷泥石流流域內(nèi)是否存在泥石流發(fā)生危險(xiǎn)的技術(shù)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外大量關(guān)于降雨激發(fā)淺表層滑坡、泥石流，以及人工降雨激發(fā)土體失穩(wěn)形成泥石流的研究發(fā)現(xiàn)，土體孔隙率η、土體滲透系數(shù)K，土體顆粒級(jí)配分布值均與泥石流流域中淺表層滑坡啟動(dòng)或泥石流啟動(dòng)時(shí)的含水量之間有非常密切的關(guān)系，但這些指標(biāo)與泥石流發(fā)生時(shí)刻土體臨界狀態(tài)的具 體關(guān)系一直未被公開(kāi)，土體顆粒級(jí)配分布指標(biāo)未被細(xì)化，如何綜合利用這些指標(biāo)表征土體臨界狀態(tài)的具體方法也未被提示。本發(fā)明通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外已有的泥石流形成時(shí)土體體積含水率、土體各種物理指標(biāo)數(shù)據(jù)，并開(kāi)展了相應(yīng)的泥石流啟動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)，確定上述指標(biāo)參數(shù)間的關(guān)系，并用式I表達(dá)。以上述泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法為基礎(chǔ)，本發(fā)明進(jìn)一步提供一種泥石流發(fā)生預(yù)警方法，其技術(shù)方案如下:一種泥石流發(fā)生預(yù)警方法，其特征在于:依照如下步驟實(shí)施:步驟S1、根據(jù)實(shí)地勘查確定泥石流預(yù)警區(qū)范圍；步驟S2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取泥石流預(yù)警區(qū)土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括土體孔隙率η、滲透系數(shù)K、顆粒級(jí)配分布特征參數(shù)d1(l、d3(l、d6(l，土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入控制中心；在預(yù)警區(qū)內(nèi)布置土體含水率傳感器、降雨量傳感器，傳感器獲取的土體含水?dāng)?shù)據(jù)與降雨量數(shù)據(jù)傳輸至控制中心；步驟S3、控制中心依式I計(jì)算確定臨界土體體積含水率Wa并存儲(chǔ):
,I% = —1.2x尺+ 0.47x/i + 0.12x^^——0.169 式 I
d V A 式中，Wa——臨界土體體積含水率，%K——滲透系數(shù)，mm/sd1(l、d3(l、d6。-顆粒級(jí)配分布，mm
η——土體孔隙率，% ；步驟S4、控制中心根據(jù)獲取的實(shí)時(shí)土體含水?dāng)?shù)據(jù)、實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)，依常規(guī)方法循環(huán)計(jì)算預(yù)警區(qū)當(dāng)前土體體積含水率wt，并實(shí)時(shí)循環(huán)計(jì)算確定預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T ;所述預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T是預(yù)警區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)降雨條件下當(dāng)前土體體積含水率Wt達(dá)到或接近臨界土體體積含水率Wa所需要的時(shí)間；步驟S5、控制中心根據(jù)預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T的循環(huán)計(jì)算結(jié)果確定發(fā)出或不發(fā)出泥石流
預(yù)警信息。上述泥石流發(fā)生預(yù)警方法的技術(shù)思想在于:以土力類(lèi)泥石流形成過(guò)程作為理論基礎(chǔ)，將形成區(qū)松散土體失穩(wěn)過(guò)程所需要的含水率與實(shí)時(shí)雨量聯(lián)系起來(lái)，并用臨界土體體積含水率判定形成區(qū)松散物源穩(wěn)定狀態(tài)。在確定此三者關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)時(shí)雨量反饋泥石流形成所需要的雨量與大致時(shí)間。依照該技術(shù)思想，本泥石流預(yù)警方法的基本技術(shù)原理在于:在步驟S1、S2中確定預(yù)警區(qū)范圍與預(yù)警區(qū)土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在利用前述泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法解決泥石流發(fā)生時(shí)刻臨界條件值判斷的技術(shù)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步地，在既定預(yù)警區(qū)內(nèi)只要對(duì)預(yù)警區(qū)內(nèi)傳感器采集的實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)土體體積含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用此二者數(shù)據(jù)循環(huán)計(jì)算檢驗(yàn)當(dāng)前土體體積含水率Wt變化情況，判斷Wt與Wa的關(guān)系，預(yù)測(cè)預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T (即Wt達(dá)到Wa所需的的時(shí)間，或者達(dá)到距離Wa某指定區(qū)間范圍所需的時(shí)間)，便能對(duì)預(yù)警區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)生可能性與發(fā)生時(shí)刻做出判斷與評(píng)估，由此實(shí)現(xiàn)泥石流發(fā)生預(yù)報(bào)預(yù)警。采用此方法對(duì)泥石流流域內(nèi)的泥石流發(fā)生進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，用土體體積含水率這一直接指標(biāo)替代現(xiàn)有技術(shù)中采用的有效前期雨量等間接指標(biāo)表征預(yù)警區(qū)的實(shí)時(shí)土體條件變化，通過(guò)土體體積含水率判定形成區(qū)土體(特別是泥石流形成區(qū)的坡面土體)是否達(dá)到/臨近失穩(wěn)、是否存在泥石流發(fā)生的危險(xiǎn)，因而具備更高的指標(biāo)可靠性與結(jié)果可靠性。在本泥石流預(yù)警方法中，通常選擇對(duì)泥石流流域?qū)嵉乜辈楹蟠_定的泥石流形成區(qū)作為預(yù)警區(qū)。上述方法，步驟SI中，土體含水率傳感器優(yōu)選布置在泥石流形成區(qū)的坡面，原因在于土力類(lèi)泥石流的啟動(dòng)主要開(kāi)始于形成區(qū)坡面淺層土體水分增加而導(dǎo)致的滑移。土體含水率傳感器傳感元件埋置深度一般為5cm 20cm，其原因在于，泥石流發(fā)生多由流域內(nèi)深度20cm以上層的土體流失所致，5cm 20cm處土體含水率數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)論是土體臨界含水率指標(biāo)還是當(dāng)前含水率指標(biāo)都有更為重要的意義。上述方法，步驟S4中，控制中心依常規(guī)方法循環(huán)計(jì)算預(yù)警區(qū)當(dāng)前土體體積含水率Wt的方法是在每一個(gè)循環(huán)計(jì)算的時(shí)間周期內(nèi)，首先通過(guò)傳感器獲取計(jì)算該周期的土體初始含水率Wttl,并計(jì)算臨界土體體積含水率Wa與土體初始含水率Wttl間的差值含水率Λ W，再計(jì)算當(dāng)前降雨強(qiáng)度下，土體體積含水率增量達(dá)到或接近AW的時(shí)間，該時(shí)間即為預(yù)期災(zāi)害時(shí)間Τ。為提高準(zhǔn)確性，本技術(shù)方案對(duì)此步驟技術(shù)內(nèi)容做進(jìn)一步優(yōu)化。具體方法可以是:控制中心依據(jù)獲取的實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)首先計(jì)算出實(shí)時(shí)雨強(qiáng)R，再將實(shí)時(shí)雨強(qiáng)R與土體滲透系數(shù)K進(jìn)行大小斷別。若RS K，說(shuō)明降雨可以全部入滲進(jìn)入土體當(dāng)中，直至土體的當(dāng)前含水率到達(dá)土體臨界含水率，則預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T = Aff/R ;反之，若R > K，則表明土體體積含水率單位時(shí)間內(nèi)的增量為K，預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T = Aff/K0該關(guān)系以式2表示為:
權(quán)利要求
1.一種泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法，其特征在于:依照如 下步驟實(shí)施: 步驟S1、根據(jù)實(shí)地勘查泥石流流域確定研究區(qū)范圍，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取研究區(qū)土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括土體孔隙率η、滲透系數(shù)K、顆粒級(jí)配分布特征參數(shù)d1(l、d30> d60 ； 步驟S2、依式I計(jì)算確定臨界土體體積含水率Wa:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述步驟SI中，選擇泥石流流域?qū)嵉乜辈楹蟠_定的泥石流形成區(qū)作為研究區(qū)。
3.—種泥石流發(fā)生預(yù)警方法，其特征在于:依照如下步驟實(shí)施: 步驟S1、根據(jù)實(shí)地勘查確定泥石流預(yù)警區(qū)范圍； 步驟S2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲取泥石流預(yù)警區(qū)土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括土體孔隙率η、滲透系數(shù)K、顆粒級(jí)配分布特征參數(shù)d1(l、d3(l、d6(l，土體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入控制中心；在預(yù)警區(qū)內(nèi)布置土體含水率傳感器、降雨量傳感器，傳感器獲取的土體含水?dāng)?shù)據(jù)與降雨量數(shù)據(jù)傳輸至控制中心； 步驟S3、控制中心依式I計(jì)算確定臨界土體體積含水率Wa并存儲(chǔ):
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述步驟SI中，選擇泥石流流域?qū)嵉乜辈楹蟠_定的泥石流形成區(qū)作為預(yù)警區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述土體含水率傳感器布置在預(yù)警區(qū)坡面。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于:所述土體含水率傳感器傳感元件埋置深度 5cm 20cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求3 6任一所述的方法，其特征在于:所述步驟S4中，控制中心首先判斷實(shí)時(shí)雨強(qiáng)R與土體滲透系數(shù)K的關(guān)系，并依式2確定預(yù)期災(zāi)害時(shí)間T:
8.根據(jù)權(quán)利要求7任一所述的方法，其特征在于:所述步驟S4中，當(dāng)前土體體積含水率Wt的循環(huán)計(jì)算中，每一個(gè)計(jì)算周期末的土體體積含水率預(yù)測(cè)值依式3計(jì)算確定:
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:所述步驟S4中，實(shí)時(shí)雨強(qiáng)R是短歷時(shí)雨強(qiáng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于:所述短歷時(shí)雨強(qiáng)是歷時(shí)周期 IOmin的雨強(qiáng)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種泥石流發(fā)生時(shí)的臨界土體體積含水率測(cè)量方法以及一種泥石流發(fā)生預(yù)警方法。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中采用的有效前期雨量-實(shí)時(shí)降雨泥石流模式中，存在由于有效前期雨量是間接指標(biāo)，無(wú)法準(zhǔn)確表征預(yù)警區(qū)的實(shí)時(shí)土體條件變化的缺陷，本發(fā)明首先提供一種泥石流發(fā)生臨界土體體積含水率測(cè)量方法，并進(jìn)一步提供一種以泥石流流域中形成區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)生時(shí)候的臨界土體體積含水率測(cè)算方法為核心，通過(guò)對(duì)形成區(qū)當(dāng)前實(shí)時(shí)土體含水率與實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)耦合結(jié)果的實(shí)時(shí)監(jiān)控結(jié)果實(shí)現(xiàn)形成區(qū)泥石流發(fā)生的預(yù)報(bào)預(yù)警的方法。本發(fā)明方法原理可靠，直接利用含水率傳感器獲取真實(shí)的土體含水率，并結(jié)合實(shí)時(shí)降雨變化進(jìn)行泥石流預(yù)警，只需要首先確定臨界土體體積含水率，指標(biāo)簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)。
文檔編號(hào)G08B21/10GK103197046SQ20131011866
公開(kāi)日2013年7月10日 申請(qǐng)日期2013年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月4日
發(fā)明者胡凱衡, 馬超, 崔鵬, 洪勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所