阵性泥石流平均峰值流量与泥石流一次总量计算方法及应用

摘要

本发明公开了阵性泥石流平均峰值流量值和泥石流一次总量计算方法及其应用。针对现有技术中对泥石流一次总量计算准确度和实用性较低，以及缺乏阵性泥石流平均峰值流量计算方法的不足，本发明提供利用现场测量数据计算阵性泥石流平均峰值流量值和泥石流一次总量的计算方法。该计算方法以对1987－2004年间全国现有的所有可靠观测数据分析结果为基础，建立起的阵性泥石流平均峰值流量值计算模型。并以阵性泥石流平均峰值流量值计算为关键步骤，建立阵性泥石流一次总量计算模型和混合性泥石流一次总量计算模型。与现有技术相比，本发明可以通过泥石流现场的测量调访，较准确地计算出泥石流相关流量和总量指标，填补了研究领域空白，特别适合于工程应用需要。

说明书

技术领域

本发明涉及阵性泥石流平均峰值流量和泥石流一次总量计算方法，特别是基于现场调访数据的阵性泥石流平均峰值流量和泥石流一次总量的计算方法与应用。

背景技术

泥石流的一次总量和平均流量是泥石流研究中最重要的特征参数，它们不仅表征了泥石流的强度、规模和性质等特征，而且是泥石流趋势判别的重要依据。在泥石流防治工程中，两参数是泥石流拦挡工程规模确定的基础，决定着防治泥石流工程建筑物的类型、结构和尺寸。

现有的泥石流绝大多数是阵性泥石流，这些泥石流99％以上是无法观测的，被称为“非观测泥石流”。非观测的阵性泥石流一次总量计算方法主要有经验方法和仿真模型两类。两种方法准确度和实用性都受到很大限制。因此现有的计算方法在实际防治工作的应用中存在诸多的问题，主要有4个方面：(1)经验公式的计算方法大部分是不直接的、经验性的、地域性的，计算误差往往很大，但难以确定，因而难以获得准确的计算结果；(2)仿真模型涉及许多直接和间接的参数不容易得到，模型应用十分困难；(3)沿整个沟道的一次泥石流的行流时间和平均峰值流量目前尚无确定方法；(4)泥石流最大峰值流量和平均流量两者之间的关系以及泥石流行流时间和总时间之间的关系未确定，缺乏科学而直接并适用的方法。

归纳而言，阵性泥石流一次总量和平均流量确定存在2个方面的技术难点。一方面体现在在泥石流经历的总时间内既有流体的行流时间又有断流时间，非观测泥石流发生的现场实地调查无法准确确定这2个时间参数；另一方面，一场阵性泥石流发生过程中包括数个到数千个阵次，每一阵次泥石流的流量并不相同，而非观测泥石流发生现场的实地调查又只能确定各阵次中峰值流量的极大值。所以阵性泥石流的研究中存在平均峰值流量准确计算和一次总量准确计算的困难。

泥石流一次总量和平均流量确定方法研究进展困难有诸多的原因，归纳起来有以下几点：(1)由于泥石流一般均会汇入主河，而被主河带走一大部分，所以在有记载的文献中调查和报道有准确阵性泥石流一次的案例十分少；(2)直接观察阵性泥石流过程通常非常困难(除了在像蒋家沟流域这样泥石流研究的重要地点)；(3)泥石流运动过程中，其物质容量、特性、体积等特征指标持续变化；(4)实际中大多数泥石流(除了观测的泥石流)的勘查仅仅能够提供泥石流最大流量和总过程的时间数据，而不能够提供阵性泥石流平均流量和流动时间与断流时间。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的空白，首先提供一种阵性泥石流平均峰值流量的计算方法，再以这个特征指标为关键的中间变量，计算泥石流的一次总量。本技术方案利用泥石流发生现场实际测量参数值计算泥石流流量、总量指标，计算结果值与实际观测值差异较小，计算精度能够满足泥石流勘查设计需要，适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种阵性泥石流平均峰值流量计算方法，其特征在于采用如下步骤计算得出：

(1)确定阵性泥石流流量Q_1/2值和Q_3/4值

通过阵性泥石流峰值流量的极大值Q_max计算Q_1/2值和Q_3/4值，计算公式如下：

Q_1/2＝0.29697Q_max-6     公式1

Q_3/4＝0.50672Q_max-16    公式2

式中，Q_1/2-阵性泥石流流量过程线上的1/2分位点值(m³/s)；

Q_3/4-阵性泥石流流量过程线上的3/4分位点值(m³/s)；

Q_max-阵性泥石流峰值流量的极大值(m³/s)，由现场调查实测确定；

(2)确定参数c和r的值

通过Q_1/2值和Q_3/4值计算计算参数c和r的值，计算公式如下：

$r=\frac{\ln \frac{1}{2}}{\ln \left(\frac{Q_{1/2}}{Q_{3/4}}\right)}$    公式3

$c=\frac{-\ln \left(\frac{1}{2}\right)}{Q_{1/2}^r}$    公式4

式中，Q_1/2、Q_3/4-阵性泥石流流量过程线上的1/2分位点和3/4分位点值(m³/s)，由步骤(1)计算得出；

(3)确定阵性泥石流平均峰值流量值

通过参数c和r的值计算阵性泥石流平均峰值流量值，计算公式如下：

    公式5

式中，-阵性泥石流平均峰值流量(m³/s)；

r、c-由步骤(2)计算得出；

Г(r)表示gammar函数。

上述阵性泥石流平均峰值流量计算方法是以1987～2004年间全国现有的所有可靠观测数据分析结果为基础，通过Weibull分布函数很好地模拟出阵性泥石流的流量分布分析，确定阵性泥石流平均峰值流量计算模型。求解时，由于Weibull分布是一个双参数模型，因此可以通过选取2个流量分布函数的分位点来求解参数c和r，并最终确定阵性泥石流平均峰值流量的计算公式。本技术方案选取了泥石流流量过程线上的1/2分位点和3/4分位点，分别用Q_1/2和Q_3/4表示。此处之所以选取这两个分位点，主要是由于近中部的分位点比近边缘位置的分位点有较好的稳定性。再根据1987～1994年实测数据的整理结果，分别得出阵性泥石流峰值流量的极大值Q_max与Q_1/2值和Q_3/4值间的函数关系，确定Q_1/2值和Q_3/4值的计算公式。

一种阵性泥石流一次总量计算方法，其特征在于以阵性泥石流平均峰值流量为中间量计算一次总量，具体采用如下步骤进行：

(1)确定阵性泥石流的行流总历时T_阵行

通过一场阵性泥石流总历时T_阵计算阵性泥石流的行流历时T_阵行，公式如下：

    公式6

式中，T_阵行-一场阵性泥石流中各阵泥石流的行流总历时(s)；

T_阵-一场阵性泥石流的总历时(s)，由现场调访或查阅降雨过程曲线推算确定。

(2)确定阵性泥石流平均峰值流量

采用前述的阵性泥石流平均峰值流量计算方法计算得出。

(3)确定阵性泥石流的一次总量W_阵c

通过阵性泥石流中阵性泥石流平均峰值流量和阵性泥石流的行流总历时T_阵行2个参数计算阵性泥石流的一次总量W_阵c，计算公式如下：

    公式7

式中，W_阵c-阵性泥石流的一次总量(m³)；

-阵性泥石流平均峰值流量(m³/s)，由步骤(2)计算得出；

T_阵行-阵性泥石流的行流总历时(s)，由步骤(1)计算得出。

上述阵性泥石流一次总量计算方法选取两个决定整个流量过程规律的核心参数为计算中间量，通过对这2个参数值的确定，实现了从现场测量数据直接计算得出泥石流一次总量的目的。其关键在于：第一，阵性泥石流行流时间的确定。阵性泥石流最重要的特征是存在断流现象。一场阵性泥石流通常包含数个到数千个阵次，其间的断流时间内没有任何泥石流流动。在计算阵性泥石流一次总量时，本技术方案首先从一场阵性泥石流的总时间T_阵中剔除断流时间，确定了阵性泥石流的行流总历时T_阵行，即一场阵性泥石流中各阵泥石流的行流时间总和，建立起一场阵性泥石流总时间T_阵与阵性泥石流的行流总历时T_阵行间的函数关系，由此获得的阵性泥石流一次总量的计算模型排除了断流时间对计算结果的干扰。第二，阵性泥石流平均峰值流量确定。阵性泥石流发生过程中，每一次阵性都有一个峰值流量，但能够从泥石流的遗痕中测量的流量为峰值流量的极大值Q_max。本计算方法用Weibull分布函数描述阵性泥石流过程峰值流量及相关阵次出现频率两者之间的关系，根据Weibull分布的数学期望得出用峰值流量的极大值Q_max表达的阵性流体峰值流量的平均值计算模型，再通过选取流量分布函数上的2个分位点来确定模型中的相关参数，从而计算出阵性流体平均峰值流量。由此解决了基于现场测量的峰值流量的极大值Q_max计算阵性流体平均峰值流量的技术问题。

一种含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流的一次总量的计算方法，其特征在于：具体采用如下公式计算：

    公式8

式中，W_混c-含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流的一次总量(m³)；

T_总-一场含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流的总历时(s)，由现场调查实测确定；

T_断-阵性泥石流部分的断流时间(s)，由现场调查实测确定；

-阵性泥石流平均峰值流量(m³/s)，由步骤(2)计算得出；

Q_连c-连续性泥石流峰值流量(m³/s)，由观测数据、经验公式计算得出；

k-与流域面积相关参数，由规范手册得出。

在混合性泥石流中阵性流和连续流通常是交替出现的，因此在计算混合性泥石流一次总量时必须同时考虑阵性流和连续流两部分的特征。如果完全采用连续流一次总量的计算公式，则计算值较实际观测值往往偏大；而如果完全采用阵性泥石流一次总量计算公式，所得结果又往往偏小。考虑到在一场混合性泥石流过程中，泥石流运动总历时T_总是连续流体历时T_连与阵性流体历时T_阵之和，本技术方案提供的含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流一次总量的计算方法，在分别计算阵性泥石流平均峰值流量和连续性泥石流峰值流量Q_连c的基础上，再分别以一场混合性泥石流中阵性泥石流的历时(含流动和断流时间)和连续性泥石流的历时占T_总的比例为2个修正系数，分别修正阵性流一次总量W_阵c和连续流一次总量在一场混合性泥石流一次总量W_混c的比例关系，最终得出一场含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流一次总量W_混c的计算公式。通过对1987～2004年间全国现有的可靠观测数据的统计分析，得出一场含有阵性泥石流和连续性泥石流的混合性泥石流中阵性泥石流的历时T_阵(含流动和断流时间)占一场混合性泥石流运动总历时T_总的59％，连续流的历时占41％。

本技术方案通过确定阵性泥石流平均峰值流量，奠定了计算一次泥石流总量的。在实际工程中，可以应用于通过确定阵性泥石流平均峰值流量与峰值流量极大值的差值，指导泥石流排导槽规模的设计的工程需要。特别适用于目前通常采用以峰值流量60～80％为标准设计泥石流排导槽的工程设计中。本技术方案提供的阵性泥石流平均峰值流量计算方法能够适用于包括泥石流一次总量在内的其它泥石流特征指标的研究计算。一次泥石流总量的计算结果，是泥石流拦挡工程规模确定的基础，也是泥石流评估和监测预警所需要的参数。该数值的确定对于泥石流趋势的判别具有重要的作用。该参数的获得有助于检验和修正基于动量方程的泥石流理论模型，推算主河对泥石流的输沙量和输沙比率。

本发明提供的技术方案应用于我国白鹤滩电站(1200万千瓦，我国第二大电站)大寨沟泥石流防治工程设计研究中，其应用结果在2008年7月份杭州评审中得到评审专家的好评和认可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：以大量观测数据为基础分析了相关变量间的函数关系，并通过建立模型使得泥石流研究中能够对阵性泥石流平均峰值流量、阵性泥石流的一次总量、含有阵性泥石流的混合性泥石流的一次总量进行准确计算。并且在实际应用中，可以通过某一次泥石流的峰值流量和整个过程时间的调访，模算出泥石流的一次总量，填补了现有技术在这一方面的空白，具有十分重要的工程和理论意义。技术方案提供的计算方法步骤简便、计算结果准确，适于工程实际应用。

附图说明

图1是泥石流观测沟段上下断面图。

图2是自记超声波泥位计系统工作框图。

图中标号如下：

1超声波传感器

具体实施方式

下面结合附图，对本发明优选实施方式作进一步描述。

实施例一

阵性泥石流一次总量计算。

如图1、图2所示。

计算金沙江白鹤滩大寨沟在1999年7月15日发生的一场阵性泥石流的一次泥石流总量。

大寨沟位于云南省巧家县境的西北隅，金沙江白鹤滩峡谷右岸，药山山脉的西缘。为滇东北金沙江干流段东岸的一级支流。流域地理位置N27°13′～27°17′；E102°53′～102°57′，大寨沟泥石流为沟谷暴雨型低频特大型粘性阵性泥石流。

1、现场调查测量

野外的观测沟段选择在蒋家沟泥石流的顺直较稳定沟段，设置上下两个断面，间距200m。通过龙头在200m断面内运行的时间确定泥石流流速。在泥石流暴发前后均测量沟道的宽度、深度和断面面积等数值。泥石流暴发过程中采用UL-2型超声波泥位计，进行泥位自动观测记录，通过沟床和泥石流龙头表面高差与超声波泥位计探头的系列连续的距离差，确定泥石流龙头的最大泥深。根据经验公式，通过最大泥深和断面宽度以及平均流速计算得出泥石流的峰值流量的极大值Q_max。现场调查计算得出Q_max＝704.2m³/s

野外的观测沟段选择在大寨沟泥石流的顺直较稳定沟段。，设置上下两个断面，间距200m。通过龙头在200m断面内运行的时间确定泥石流流速。在泥石流暴发前后均测量沟道的宽度、深度和断面面积等数值。泥石流暴发过程中采用UL-2型超声波泥位计，进行泥位自动观测记录，通过沟床和泥石流龙头表面高差与超声波泥位计探头的系列连续的距离差，确定泥石流龙头的最大泥深。根据经验公式，通过最大泥深和断面宽度以及平均流速计算得出泥石流的峰值流量的极大值Q_max，经现场调查确定Q_max＝831.82m³/s。现场调访并结合降雨的激发雨量过程的时间，确定1999年7月15日泥石流过程的总时间为1小时45分钟(1.75小时)，该次泥石流为调访时段百年内最大的一次属百年一遇泥石流。

2、阵性泥石流平均峰值流量值计算

(1)确定阵性泥石流流量Q_1/2值和Q_3/4值

将Q_max＝831.82m³/s代入公式1、公式2，则有，

Q_1/2＝0.29697Q_max-6＝241.03(m³/s)

Q_3/4＝0.50672Q_max-16＝405.50(m³/s)

(2)确定参数c和r的值

将Q_1/2＝241.03，Q_3/4＝405.50代入公式3、公式4，则有，

$r=\frac{\ln \frac{1}{2}}{\ln \left(\frac{Q_{1/2}}{Q_{3/4}}\right)}=1.3325$

$c=\frac{-\ln \left(\frac{1}{2}\right)}{Q_{1/2}^r}=0.00046$

(3)确定阵性泥石流平均峰值流量值

将c＝0.00046，r＝1.3325代入公式5、公式6，则有，

＝220.52(m³/s)

3、阵性泥石流部分的一次总量计算

(1)确定阵性泥石流的行流总历时T_阵行

根据现场调查实测，确定该场阵性泥石流的总时间T_阵为6300s。将T_阵＝6300代入公式6，则有，

(2)确定阵性泥石流的一次总量W_阵c

将T_阵行＝2728，＝220.52代入公式7，则有，

本实施例中计算得出的阵性泥石流一次总量值作为我国白鹤滩电站(1200万千瓦，我国第二大电站)大寨沟泥石流防治工程设计研究的一部分，于2008年7月份在杭州评审中得到好评和认可。计算所得的百年一遇泥石流总量30万立方米(含浆体)的值成为该沟泥石流拦挡和排导工程设计的重要依据。