泥石流危险性研究现状与发展趋势分析
泥石流地质灾害评估报告
泥石流地质灾害评估读书报告摘要：近年来，世界各地频繁出现各种地质灾害现象，其中泥石流灾害也日益严重，各国政府都高度重视其发展和防治。
本文将讲述泥石流灾害动态的预测预报现状以及国际和区域性的泥石流灾害的防治计划出发，分析了时间预报、空间预报和泥石流强度预报等成熟理论的研究和应用现状，从而开展泥石流预报研究来客观的分析我国的泥石流地质现状。
关键词：泥石流地质灾害研究预测预报一、前言泥石流是山区沟谷中，由暴雨、冰雪融水等水源激发的，含有大量的泥砂、石块的特殊洪流。
其特征往往突然暴发，浑浊的流体沿着陡峻的山沟前推后拥，奔腾咆哮而下，地面为之震动、山谷犹如雷鸣。
自从人类利用、开发山地资源以来就自觉或不自觉地开始了与山地灾害的斗争，但有意识开展山地灾害研究，进行山地灾害的防治，只有几百年的历史。
17世纪阿尔卑斯山脉周边的国家，开始了泥石流灾害的防治研究，成立一些相应的组织；前苏联与日本的泥石流防治也有200年的历史；美国在20世纪初，向西部山区移民逐渐遭到泥石流的严重危害，开始了较大规模的泥石流治理研究。
而我国泥石流、滑坡等山地灾害形成起步较晚，有近50年的历史，但与国外研究态势相比，国内研究仍存在一定差距。
加上近年国内泥石流灾害频繁，促使我国必须加快研究预测预防的步伐。
二、泥石流国外研究发展及国内研究现状1、国外泥石流研究发展态势第二次世界大战以后，随着各国经济的复苏和发展，加大了山区资源开发的力度，公路和铁路修进了山区，矿山和工厂在山区兴起，泥石流和滑坡等山地灾害危害日益突出。
为了有效、合理的防治山地灾害，前苏联、美国、日本和欧洲的一些山地国家，逐渐加强了对泥石流、滑坡等山地灾害的研究，到20世纪50年代一大批有关泥石流、滑坡研究的论文和专著先后问世。
1957年由M·A维利康诺夫等著的《泥石流及其防治法》一书出版，该书集合了当时苏联科学家在泥石流方面的各种研究成果，其中M·A莫斯特科夫提出的粘性泥石流力学模型；M·A维里康诺夫进行的泥石流分类；C·M伏列什曼所研究的粘性泥石流体的顶托能力与起始抗剪强度τ0和粘度η之间关系；C·T卢斯塔莫夫提出的泥石流治理分布规律，不仅当时具有很高的水平，并一直影响到现代研究。
我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势
第37卷第5期2023年10月水土保持学报J o u r n a l o f S o i l a n d W a t e rC o n s e r v a t i o nV o l .37N o .5O c t .,2023收稿日期:2023-03-07资助项目:国家自然科学基金项目(U 20A 20110 01);中国地质调查局地质调查项目(D D 20221746) 第一作者:杨昶(1997 ),男,硕士,主要从事泥石流数值模拟技术研究㊂E -m a i l :y a n g c h a n g21@m a i l s .u c a s .a c .c n 通信作者:铁永波(1979),男,博士,教授级高级工程师,博士生导师,中国地质调查局杰出地质人才, 重点地区特大地质灾害链调查评价 工程首席专家,主要从事地质灾害评价与防治研究㊂E -m a i l :t y b 2009@q q.c o m 我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势杨昶1,2,铁永波2,3,4,张宪政2,3,4,向炳霖2,3,4,5(1.中国地质科学院,北京100037;2.中国地质调查局成都地质调查中心(西南地质科技创新中心),成都610081;3.自然资源部地质灾害风险防控工程技术创新中心,成都611734;4.自然资源部成都地质灾害野外科学观测研究站,成都610000;5.重庆交通大学河海学院,重庆400074)摘要:针对泥石流流变特性和动力学过程复杂的特点,在系统收集国内泥石流数值模拟研究相关文献的基础上,按初步探索㊁逐渐完善和成熟多元3个阶段对我国泥石流数值模拟研究的历程及现状进行了总结㊂根据物质组成和动力学特征来看,泥石流的动力学模型可划分为连续介质㊁离散介质和混合介质模型,通过分析不同模型的特点及应用场景,对比总结各类模型和数值计算方法的适用性及不足,在此基础上针对当前泥石流模拟存在的难点,对泥石流数值模拟的发展进行了展望,旨在为泥石流数值模拟研究及应用软件开发提供参考㊂关键词:泥石流;动力学模型;数值模拟;研究综述中图分类号:P 694 文献标识码:A 文章编号:1009-2242(2023)05-0001-11D O I :10.13870/j.c n k i .s t b c x b .2023.05.001R e s e a r c hH i s t o r y a n dD e v e l o pm e n t T r e n do fN u m e r i c a l S i m u l a t i o no fD e b r i s F l o w i nC h i n aY A N GC h a n g 1,2,T I EY o n g b o 2,3,4,Z HA N G X i a n z h e n g 2,3,4,X I A N GB i n gl i n 2,3,4,5(1.C h i n e s eA c a d e m y o f G e o l o g i c a lS c i e n c e s ,B e i j i n g 100037;2.C h e n g d uC e n t e r o f Ch i n a G e o l o g i c a lS u r v e y (S o u t h w e s tG e o l o g i c a lS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y I n n o v a t i o nC e n t e r ),C h e n gd u 610081;3.Te c h n o l o g y I n n o v a t i o nC e n t e rf o rR i s kP r e v e n t i o na n d M i t ig a t i o no f G e oh a z a r d ,Mi n i s t r y o f Na t u r a l R e s o u r c e s ,C h e n g d u 611734;4.Ob s e r v a t i o na n dR e s e a rc hS t a t i o no f C h e n gd uGe o l o g i c a lH a z a r d s ,M i n i s t r y o fN a t u r a lR e s o u r c e s ,C h e n g d u 610000;5.H e h a iC o l l e g e ,C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g 400074)A b s t r a c t :A i m i n g a t t h e c o m p l e x c h a r a c t e r i s t i c s o f r h e o l o g i c a l p r o p e r t i e s a n d d yn a m i c p r o c e s s o f d e b r i s f l o w ,o n t h eb a s i s o f s y s t e m a t i c a l l y c o l l e c t i n g re l e v a n t l i t e r a t u r e s o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nof d e b r i s f l o wi nC h i n a ,t h e h i s t o r y a n d c u r r e n t s i t u a t i o no f n u m e r i c a l s i m u l a t i o no f d e b r i s f l o w i nC h i n a a r e s u mm a r i z e d a c c o r d i ng t o th r e es t a g e s :p r e li m i n a r y e x p l o r a t i o n ,g r a d u a li m p r o v e m e n t a n d m a t u r i t y .A c c o r d i n g t o t h e m a t e r i a l c o m p o s i t i o na n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ,t h ed y n a m i c m o d e lo fd e b r i s f l o wc a nb ed i v i d e d i n t oc o n t i n u o u s m e d i u m ,d i s c r e t e m e d i u m a n d m i x e d m e d i u m m o d e l .B y a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d a p pl i c a t i o n s c e n a r i o s o f d i f f e r e n tm o d e l s ,t h e a p p l i c a b i l i t y a n d s h o r t c o m i n gs o f v a r i o u sm o d e l s a n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n m e t h o d s a r e c o m pa r e d a n d s u mm a r i z e d .O n t h i sb a s i s ,i n v i e wo f s o m e d i f f ic u l t i e s i n t h ede b r i sf l o ws i m u l a t i o n ,t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t o f d e b r i s f l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n i s p r o s p e c t e d ,a i m i ng t o p r o v i d i n g r e f e r e n c e f o r d e b r i s f l o wn u m e r i c a l s i m u l a t i o n r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n s o f t w a r e d e v e l o p m e n t .K e y w o r d s :d e b r i s f l o w ;d y n a m i cm o d e l ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ;r e v i e w 泥石流是一种常见于山区由重力作用驱动的典型自然灾害,具有突发性强㊁流动速度快和破坏能力显著的特点㊂随着我国经济水平的不断发展,人们开始投身于山区的开发利用,与之而来的泥石流灾害问题也进入人们的视野[1]㊂早期对泥石流的研究过程通常为野外观测ң数据采集ң经验总结[2]㊂但这一思路通常只能对某些问题进行定性的分析,无法定量说明泥石流运动过程中的特有现象,如阵性来流㊁高Copyright ©博看网. All Rights Reserved.速低阻等[3]㊂为深入研究泥石流的运动规律㊁侵蚀堆积过程及冲击破坏能力,我国学者着眼于宏观和细观尺度,采用相应的数值技术对泥石流开展从单尺度到多尺度㊁从连续介质模型到耦合模型的研究历程,推动泥石流的研究体系逐步由定性向定量转变㊂泥石流的数值模拟最初采用单流体模型和多流体模型㊂单流体模型是指将泥石流视为整体,建立单一组分的动力学模型㊂多流体模型考虑泥石流固液两相之间的相互作用关系,通过两相动量间的动量交换建立起多组分的动力学模型㊂常用的单流体模型有B i n g h a m 模型[4]㊁V o e l l m y模型[5]和膨胀体模型[6],多流体模型有库伦混合流模型[7]和广义两相流模型[8]㊂单流体模型虽然计算参数少㊁计算量小且使用方便,但其假设具有局限性,即认为泥石流体的固㊁液两相之间速度基本一致,忽略两相间的相对运动㊂这在黏性泥石流中大致成立,但对稀性泥石流和水石流则明显与实际不符㊂因此,为研究固㊁液两相之间的相互作用关系,有学者借鉴水和细颗粒泥沙的两相流模型,提出浆体和粗颗粒泥沙/石块的结构两相流模型,并进一步对高浓度和低浓度的泥石流运动机理进行分析[9-12]㊂该模型考虑固液两相之间的动量交换,采用两组分的流体动力学方程进行描述,相比于单流体模型更加适用于黏性泥石流,本质上结构两相流模型是多流体模型的一种㊂随着研究的深入,学者们发现无论是单流体模型还是多流体模型,对固相的处理都存在不足,尤其是对宽级配泥石流体的粗颗粒组分难以进行定量分析㊂尽管多流体模型将固㊁液两相分别采用2组方程进行描述,但连续介质模型从本质上来说并不适用于对粗颗粒物质进行描述[13]㊂因此,适用于宽级配固相颗粒的基于离散介质模型的数值计算方法引起广泛关注㊂离散介质模型大体可分为从微观角度出发建立的离散元模型和基于介观建立的动力学模型,常用的数值计算方法有离散单元方法(D E M)[14-17]㊁格子玻尔兹曼方法(L B M)[18-19]和元胞自动机方法(C A M)[20]㊂离散元模型适用于颗粒流和碎屑流的动力学机理研究,动力学模型适用于固液碰撞和多孔渗流等问题的研究㊂总体来讲,2种模型均适用于细 微观尺度下的动力学研究,但针对的研究问题各有侧重㊂对宏观尺度的流动问题,因计算效率和收敛性等原因,通常采用连续介质模型进行处理㊂为了兼顾连续介质模型和离散介质模型的优点,混合模型由此产生㊂这一模型不仅解决连续介质模型在描述粗颗粒及相间作用力上的困难,同时也避免离散介质模型对宏观流动问题计算效率的不足㊂相比于前2类模型,混合模型更为符合泥石流的物理本质,目前已有的混合模型计算方法有S P H-D E M[21]㊁L B M-D E M[22]和C F D-D E M[23]㊂尽管混合模型在物理上更符合泥石流的特性,但在实际使用过程中存在较多难点,比如,各相间相互作用力难以精确量化㊁宽级配泥石流体的多尺度问题及耦合算法的界面信息传递等问题,其理论和计算方法都有待进一步完善㊂本文从我国泥石流数值模拟的研究历程出发,聚焦不同类型的泥石流动力学问题,对比分析不同数值模拟方法的优缺点,总结目前取得的成果,并对下一步的研究提出建议,旨在为快速㊁全面了解泥石流动力学模型和数值计算方法提供参考㊂1研究历程1.1初步探索阶段国内对泥石流数值模拟的研究始于20世纪90年代㊂这一时期,由于人类经济和社会的快速发展,所面临的自然灾害问题也日益严重㊂了解泥石流的运动规律㊁分析其冲出堆积过程㊁预测其危险程度是当时亟待解决的科学问题㊂为研究上述问题,唐川等[24-26]基于守恒定理推导出一维非定常流的控制方程,进而将其扩展至二维㊂通过引入隐式剖开算子,对方程组进行求解,并结合云南怒江的芭蕉河泥石流进行实例验证㊂数值和实测结果表明,这一方法能有效模拟泥石流的冲出堆积过程(图1)㊂基于上述的数值结果,以泥深和流速为评价指标,提出泥石流堆积扇的危险度评价体系,开创性地采用数值模拟手段进行泥石流堆积区危险性评价㊂图1芭蕉河泥石流泛滥的模拟范围与实际范围比较[24]泥石流由高浓度的粗颗粒和水或浆体组成,其内部存在由粗颗粒运动导致的碰撞和摩擦力,粗颗粒和浆体之间的湍流力,孔隙流体或颗粒和浆体混合物的黏性力,以及两相之间相对运动产生的作用力[27-29]㊂随着流体中平均粗颗粒体积浓度(C)的变化,其主要作用力不同,结合雷诺数㊁B a g n o l d数和相对深度,可以对流体进行相应划分[27](图2),其流变特性及相应的力学模型见表1㊂2水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.注:附图修改自参考文献[27]㊂图2 固液两相流体运动形式判据表1 不同流体的剪切力模型流体本构模型模型名称模型方程式方程编号水流牛顿流变模型τ=μγ[30-31](1)挟沙水流低含沙水流采用公式(1)[32]高含沙水流采用公式(2),但需要对μ进行修正[33]B i n g h a m 模型τ=τ0+μγ[34-35](2)V o e l l m y 模型τ=σf +ρg v 2ξ[36-37](3)泥石流膨胀模型τ=τ0+μγ+ξγ2[38-39](4)H e r s c h e l -B u l k l e y 模型τ=τ0+μγn [40-41](5)双线性流变模型τ=τ0+μγ+τ0γ0γ+γ0[40-41](6)库伦混合流模型τ=c +σt a n φ+μγn [42](7) 注:τ为剪切力;τ0为屈服应力;μ为黏性系数;γ为剪应变;γ0为临界剪应变;σ为正应力;f 为摩擦系数;φ为内摩擦角;ρ为密度;g 为重力加速度;v 为流向速度;ξ为湍流系数;n <1㊂ 泥石流动力学方程大多采用不可压缩流体的N S 方程,或将N S 方程在深度上平均简化后得到S a i n t -V e n a n t 方程㊂上述方程组的求解过程可以借鉴不可压缩流体C F D 的计算思路,通过有限差分/有限体积法/有限元方法对N S 方程进行离散,而后采用S I M P L E /P I S O /P I M P L E 算法求解计算区域的流场和压力场㊂基于上述思路,可以分析出不同边界条件下,泥石流区别于水流和挟沙水流的物理特性及流场差异,有助于理解泥石流的运动特点[43]㊂单流体模型便于使用且应用广泛,但其假定泥石流固液两相之间强耦合,不具有相对流动速度,忽略泥石流的固㊁液两相流特征㊂一种更为合理的方法是将泥石流视为一种特殊的结构两相流体,固相由粗颗粒部分组成,液相由细颗粒和水组成[9-10]㊂在此基础上针对泥石流运动堆积过程的特点,将其简化为平面二维流动㊂泥石流的停止是重力势能转化为阻力做功的结果,并忽略密度在流动过程中的沿程变化和动量扩散影响,假定速度在垂向上变化很小,可忽略,两相之间的相互作用通过阻力项进行描述,进而体现相间动量交换过程,最后可以得到结构两相流的动力学方程组,并用于重现1991年沙湾大沟泥石流的运动堆积过程(图3)[44-46]㊂上述的结构两相流方程不仅可以模拟泥石流的运动堆积过程,通过特定的简化和采取合适的阻力模型,结合P I C 算法可模拟稀性和黏性泥石流的阵性运动和堆积过程[47-48],也可用于分析不同流量补给条件下的泥石流堆积特点[49]㊂初期泥石流的数值模拟从动力学模型到数值求解方法,基本上沿袭水力学和计算流体力学2个学科的思路,对泥石流物理模型上的认知更多处于单流体和多流体模型阶段,即总体上认为泥石流的运动以液相运动为主,符合连续介质假设㊂尽管单流体和多流体模型无法描述以固相颗粒运动为主的泥石流体,但其简化方便㊁容易理解,从实际使用效果来看,足以满足工程实践的需求,直至今日仍广泛应用㊂以上工作在我国泥石流数值模拟发展的初期起到奠基作用,对泥石流的动力学方程及其计算方法进行了有益探索㊂3第5期 杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图31991年沙湾大沟泥石流运动堆积过程的数值重现[46] 1.2逐渐完善阶段从2000年开始,三峡库区及震区的灾害防治理论与技术研究,极大地推进防灾减灾技术的发展[50]㊂基于长期的实践经验发现,泥石流的运动过程难以用简单的流动ң堆积进行概述㊂由于不规则地形的影响,泥石流的运动过程常伴随着汇聚与分流㊁滞留与侵蚀等复杂现象[51]㊂其运动过程包含启动㊁沿程运动(侵蚀放大㊁颗粒分选)和汇流3个阶段(图4),因此需针对各阶段的特点进行相应研究㊂注:(a)修改自参考文献[52];(b)修改自参考文献[53];(c)修改自参考文献[54];(d)修改自参考文献[55]㊂图4泥石流启动到入汇主河的动力学过程示意泥石流的启动通常与地震和降雨密切相关,其触发过程通常可以用驱动力(地震㊁降雨㊁人类活动等)和抗力(土体的抗剪强度)的相互作用来描述[56]㊂泥石流的启动机理通常可按土力和水力两类泥石流进行研究㊂土力泥石流多为降雨入渗下,土体饱和失稳液化形成的一类泥石流,其启动因子为土体水分饱和度和孔隙水压力(图4c);水力泥石流是受水流作用控制的一类泥石流,由地表径流对沟道物源进行冲刷形成,启动因子为流体的冲击力和拖拽力[57]㊂土力泥石流的数值研究方法通常采用离散元方法,通过研究不同含水率和降雨强度条件下的泥石流启动过程发现,土体失稳时的含水率往往在饱和含水率附近[54,58-59]㊂水力4水土保持学报第37卷Copyright©博看网. All Rights Reserved.泥石流的启动则可参考沟道侵蚀过程㊂泥石流沿沟道运动过程中,常伴随着颗粒分选和沿程侵蚀过程㊂泥石流在沟道中的运动过程可以用明渠流进行类比㊂已有研究[11-12]表明,管道和明渠中的固液两相流在近壁区存在显著的滞后现象,为探究其深层原因,有学者从动理学角度出发,采用F o k k e r-P l a n c k扩散模型描述湍流与颗粒间的相互作用,进一步引入修正的B G K模型对颗粒的碰撞效应进行近似处理,采用C h a p m a n-E n s k o g展开将复杂的动力学方程转化为线性方程形式,并建立描述颗粒相运动的动力学模型㊂采用上述模型,对高/低浓度的固液两相流进行研究发现,颗粒脉动能与作用在颗粒上的外力是影响颗粒运动的主要影响因素[11-12,60-61]㊂上述研究表明,泥石流在运动过程中存在颗粒分选效应,粗颗粒逐渐向泥石流浅表层及前缘聚集,细颗粒则迁移至泥石的下层及底部(图5b和图5c),前者是粗颗粒的向上分选过程,后者为细颗粒的向下筛分过程,最终形成泥石流的堆石垄结构(图5a)[16,62-63]㊂此外,Z h o u等[64]将泥石流视作二元颗粒流结合C F D-DE M方法提出颗粒分选模型,研究完全浸没在不同环境流体中的颗粒流分选情况表明,黏性流体的存在有效地降低颗粒分选效应,但并非直接进行影响,而是通过降低剪切速率和压力的形式表现㊂注:(a)修改自参考文献[62];(b)和(c)修改自参考文献[63];箭头方向指标重力方向㊂图5运动泥石流形成堆石垄过程中的颗粒分选机理泥石流的沿程侵蚀过程(图4d)常被描述为 滚雪球 效应[65],如何考虑泥石流在运动过程中由于侵蚀作用导致的体积放大效应是一大难点㊂解决上述问题,通常有3种思路:(1)基于试验结果和自然物理现象(例如,一次泥石流事件发生前后的体积变化)总结得到的经验公式;(2)基于平衡状态假设推导得出的侵蚀模型;(3)基于守恒方程推导得出的侵蚀模型㊂例如,较多研究[66-73]基于上述思路开发出的侵蚀模型,更多国内外学者提出的不同侵蚀模型见表2㊂在复杂地形条件下,局部的地形变化可能对侵蚀作用产生显著的影响㊂已有研究[74-76]表明,地形起伏强烈影响着流体的运动,主要表现为剪切作用和动量传递过程在地形阻碍或重定向运动的地方存在突变,其本质是复杂地形引起的垂直加速度和曲率效应的影响[77]㊂总体趋势为地形整体起伏变化较小,流体速度越高,侵蚀越强;地形整体起伏变化较大,流体能量耗散率越高;速度越小,更易堆积在沟谷中[78-79];另一大难点是数值算法的稳定性,解决这一问题通常可采用激波捕捉格式的有限体积格式对复杂地形的流动过程进行模拟[80-82]㊂泥石流的入汇是十分复杂的动力学过程,涉及固相颗粒的运移及水流对泥石流的多场耦合作用,在计算过程中需确定泥石流和水流的相界面㊂采用常规的数值计算方法难以解决这一问题㊂基于上述考量,可从流体力学理论出发结合非牛顿流体的本构关系得出泥石流与水流交汇区的统一方程㊂进一步考虑交汇区流体存在从牛顿体向非牛顿体转变的过程,结合前人研究成果,采用经验关系式求出浆体屈服应力,最后通过标志网格法(MA C)求解交汇区的控制方程,得到泥石流堵江的动态过程[93]㊂泥石流的堆积过程通常伴随着流体的体积质量减少和能量损耗[46]㊂在控制方程组中通常作为源项进行描述,源项为正表示侵蚀作用,源项为负表示堆积作用㊂表示堆积作用的源项通常以阻力为主的形式出现在方程右侧[24,26,46,94-95];也可以采用由现场资料得出的经验公式,如假定泥石流体积与沟谷横截面积和平面堆积面积存在关系,结合非定常明渠流理论得到的L A H A R Z模型[96]㊂对于颗粒流的堆积过程,可采用离散单元法对泥石流的堆积过程进行研究,得到有源和无源条件下的固体颗粒运移过程[14]㊂这一阶段主要将初期简化的流动ң堆积过程进行更为深入的考虑,将泥石流的流动过程细化为启动ң沿程运动(侵蚀放大㊁颗粒分选)ң汇流 固体物质运移㊁堆积㊂对固相颗粒动力学机理的研究中引入离散介质模型(D E M㊁L B M),对泥石流的物理建模更为充分且能够捕捉到颗粒在整个过程中的运移机制,为深入研究泥石流的动力学机理开拓了新的思路㊂5第5期杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright©博看网. All Rights Reserved.表2 侵蚀率公式的总结及说明[83]来源侵蚀率公式备注文献[42]E =α1c e -c c *-c e h 1u 1d ,i f (c <c e )α2c e -c c *h 1u 1d,e l s e ìîíïïïï(8)基于流体的泥沙浓度(c )和平衡浓度(c e )的对比得到文献[84]E =c *u 1t a n (θ-θe )(9)基于平衡状态下的坡度(θe )和实际环境坡度(θ)的对比得到文献[85]E =αu 21+v 21,i f (τ1z x b o t ȡτt h r e s h o l d )0,e l s e{(10)考虑侵蚀与流速线性相关的经验公式文献[66,86-89]E =φθ-θc h 1u 1d -0.2,i f (θȡθc )0,e l s e {(11)考虑溃坝洪水对河床侵蚀响应的经验公式文献[71]∂z b∂t=E M h 1u 21+v 21E M =l n (V f /V 0)/S(12)基于侵蚀前后体积变化求得平均侵蚀率并采用类似公式(11)思想得到的经验公式文献[90]E =σ2t o p -σ1t o pρw 1(z b ),i f (σ2t o p >σ1t o p )0,e l s e{(13)基于守恒方程推导得出的描述雪崩对基底侵蚀的公式文献[83]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o p ρu 1-u 1σ2t o p -σ1b o t τ1b o t -τ2t o p (14)不考虑河床地形影响的侵蚀率通用形式文献[91]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 1τ1b o t =ρs C f u 1u 1τ2t o p =t a n (φ2)(σz -p )u 1/u 1(15)不考虑河床地形及剪胀影响的侵蚀率通用形式文献[92]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 21+v 21τ1b o t 可用B i n g h a m ,H e r s c h e l -B u l k e y ,或V o e l l m y 模型τ2t o p =c +h 1ρg (1-λ)c o s θt a n φ2(16)公式(16)的变式文献[73]-∂z b ∂t =τ1b o t -τ2t o pρu 21+v 21τ1b o t =m a x [(ρg h t a n φ+(u 2+v 2)/C 2z ),(ρ(1-s )g h t a n δ)]τ2t o p =c +h 1ρg (1-λ)c o s θt a n φ2(17)公式(16)的变式 注:α1和α2为经验系数;c *为静止河床的泥沙浓度;C f 为无量纲摩擦系数;d 为粒径;φ为经验侵蚀系数;V a 和V f 为侵蚀发生前后的体积;h 为层厚;u ㊁v ㊁w 分别为速度沿x ㊁y ㊁z 的分量;下标1,2分别表示移动的上层流体和静止的下层基底㊂1.3 成熟多元阶段泥石流的动力致灾过程具有空间尺度大㊁时间跨度长的特点,因而传统的计算流体力学(C F D )和离散元(D E M )技术难以解决这一问题㊂我国学者在此基础上,提出广义深度积分模型[97]㊂考虑流动在流向和垂向上的巨大差异,对垂向进行深度积分,进而将三维流动问题简化为伪三维流动问题,因而大大缩短计算时间,提高计算效率㊂由于泥石流固㊁液两相流的特点,使得单一的连续介质模型或离散介质模型都不能很好地体现其物理本质,故发展结合两者优势的混合模型㊂构建混合模型普遍采用的方法是对一定粒径范围内的细颗粒和流体描述为泥石流液相浆体部分,对超出临界粒径的固体颗粒描述为泥石流的固相部分,固相部分采用离散介质模型,液相部分采用连续介质模型来刻画[98-100]㊂混合模型适用于固 液两相作用形式复杂,固相颗粒间作用力无法忽略的泥石流体,通常的技术手段是对液相部分用N S 方程进行模化,固相部分采用D E M 进行描述,通过一定的耦合技术可以实现泥石流对拦挡物的实时动力过程监测,如冲击破坏[98,101]和坝体截留[99]等㊂然而,在C F D D E M 耦合中,流体与颗粒之间的相互作用基于一个粗糙的网格,该网格无法精确地描述单个颗粒周围的流动或微尺度的流动,因此,有学者采用L B M D E M 的6水土保持学报 第37卷Copyright ©博看网. All Rights Reserved.耦合形式,以更加精细地模拟流㊁固两相之间的动力作用过程[22,102]㊂求解混合模型的难点在于如何耦合流体与固体部分的计算,若考虑固体变形对流体的影响则称为双向耦合,反之则为单向耦合[103](图6)㊂流固耦合技术的难点在于界面信息的传递,已有的流固耦合技术通过协调网格法(c o n f o r m i n g -m e s h m e t h o d s )或浸入边界/域(i mm e r s e db o u n d a r /d o m a i n m e t h -o d)的方法来实现流㊁固之间的信息传递㊂然而,协调网格的流固耦合技术在流体 固体界面的数据处理困难及迭代收敛性问题上存在问题,目前更多采用浸入式方法[104]㊂ 注:附图修改自参考文献[103]㊂图6 流固耦合的2种计算流程与前2个阶段研究成果相比,该阶段整体上体现我国泥石流的数值研究已整体迈入世界先进行列㊂对泥石流的动力致灾机理及物理性质理解更为深入,采用的建模方式更具有针对性和科学性,数值计算方法也更为稳定㊁高效㊂通过3类模型(连续介质模型㊁离散介质模型㊁耦合模型)可以对各种性质的泥石流进行物理描述,进而采用合理的数值计算方法研究泥石流在不同尺度下的实际问题㊂2 讨论经过近30年的发展,我国泥石流的数值模拟研究取得系统性的研究成果,体现在从宏观到微观㊁从灾后反演到临灾预报㊂随着计算机技术的发展,后处理技术由原先的平面二维可视化演变为如今的时空四维可视化,进而结合G I S 平台为我国大型工程项目建设㊁山区城镇规划以及防灾减灾工作实施,提供强有力的科技支撑㊂针对不同的泥石流动力学问题,模型的选取和数值处理方式不尽相同㊂泥石流运动模型的适用性与泥石流剪切率有关,如I v e r s o n 的混合流理论可归结为准静态模型,其应力模型与剪切率无关;T a k a h a s h i 的水石流膨胀体模型可以认为是高剪切率状态下的研究;而中剪切率状态下泥石流应力 应变过程与剪切速率有关㊂数值方法上,连续介质模型适用于宏观流动过程的研究,离散介质模型适用于研究微观颗粒的动力作用和多孔渗流问题㊂通过耦合离散介质与连续介质并且与室内试验相结合,可研究多尺度下的泥石流动力学机理㊂通过数值模拟技术可以更好地帮助研究人员探究各尺度下的泥石流动力学机理㊂根据不同的研究问题,选择合适的模型与方法尤为重要㊂通过对已有文献进行汇总,给出不同泥石流数值模拟方法的优缺点及其适用性(表3)㊂表3 不同数值模拟方法的优缺点及其适用性汇总数值模型计算方法优点缺点适用性有限差分法(F DM )简单且易于构造高精度格式复杂网格处理困难液相作用为主的泥石流有限体积法(F VM )守恒性好,适于处理复杂网格精度不易提高连续介质模型有限元法(F EM )基于变分原理,守恒性好复杂方程不易处理粒子类方法(S PH ㊁MPM 等)无网格依赖性,易于处理复杂外形精度较低㊁计算量大E-L 方法(P I C ㊁MA C 等)易于捕捉界面流动计算量大㊁稳定性较差离散介质模型格子玻尔兹曼法(L BM )并行性好,边界条件处理方便复杂形状问题求解困难,方程推导过程复杂离散单元法(D EM )直接描述颗粒的相互作用,尺度跨度大(n m~m )计算量大㊁参数标定困难固相颗粒作用为主的泥石流混合介质模型C F D-D EM ㊁L BM-D EM ㊁S PH-D EM 等能够处理复杂的流㊁固相互作用问题界面信息交互困难固液两相共同作用的泥石流7第5期杨昶等:我国泥石流数值模拟研究历程及发展趋势Copyright ©博看网. All Rights Reserved.。
泥石流活动及危险性评估
任务：地质灾害危险性程度评估，对建设作出适宜性评估，提出防治或易地建设地建议
泥石流调查表
泥石流沟易发程度的数量化评判
>
<
泥石流沟易发程度的分级标准
泥石流沟易发程度的分级标准
极易发（严重）
总分>114
Y>35
各项影响因素均很活跃，处境严峻有一触即发之势，发生泥石流可能性很大
极危险区
极危险区
1. 洪水，泥石流能直接到达的地区： ①历史最高水位或最高泥位线以下的地区 ②历史泛滥线以内。
2. 河沟两岸已知的及预测可能发生崩坍，滑坡的地区 ①有变形现象的崩坍、滑坡活动区域内 ②滑坡前缘可能到达的区域内。
3. 大河在泥石流堆积的上下游区域：泥石流汇入大河 因为堆积扇发育，而诱发的大河上，下游灾害区： ①因挤压大河后，主流偏移而直接受灾的地区 ②因堵塞造成的上游淹没区，下游因溃坝造成的淹没区。
泥石流危险性一级评估内容
泥石流危险性一级 评估要求
泥石流危险性一级 评估种类及任务
查明
形成地地质条件 地形、地貌条件 水流条件 植被发育状况 人类工程活动影响
现状评估 （对已有地质灾害地危险性评估）
任务：灾害类型规模分部、稳定状态、危险对象的危险性评估
泥石流活动综合致灾能力 泥石流危险程度＝ 泥石流地区地综合抗灾能力 泥石流综合致灾能力由泥石流发生频率、规模及活动强度等因素综合评估确定 泥石流地区地综合抗灾能力根据可能受灾的建筑设施设计标准和受灾体在泥石流活动区内的区位条件等因素综合评估确定
R< 3.1 安全雨情 R≧3.1 可能发生雨情 R= 3.1～4.2 发生几率<0.2 R= 4.2～10 发生几率 0.2 ～0.8 R> 10 发生几率 >0.8
我国泥石流研究现状分析
我国泥石流研究现状分析摘要：泥石流是一种突发性的具有毁灭性的灾害，因其巨大的破坏力及其造成的严重损失，越来越多的学者关注到了泥石流。
本文主要探讨目前泥石流的国内研究现状、形成主要条件及防治措施，以期帮助研究学者、在校大学生及初入工作岗位者初步认识泥石流。
关键词：泥石流；国内研究现状；形成条件；防治措施1泥石流灾害研究现状1.1泥石流简介泥石流是一种突发性的具有毁灭性的灾害，因其巨大的破坏力及其造成的严重损失，越来越多的学者关注到了泥石流。
泥石流形成地地形陡峭，松散堆积物丰富，且伴随突发性、持续性大暴雨或大量冰融水的流出。
其往往属于次生灾害，当暴雨或特大暴雨降临时，由于土体吸收水分，土体自重增加，同时，水的作用使土体的抗剪能力大大下降。
当泥石流所在土体下滑力大于其所能承担的最大剪应力时，含有大量水土沙石的泥浆泥石流将毁灭性的冲向沟谷，使其流经区域遭受巨大影响。
据了解，泥石流多爆发在我国西部山区，其中由于四川地区多山多雨等特殊气象地形地质环境，其灾情尤为严重。
泥石流按照流域形态可分为标准型泥石流、河谷型泥石流及山坡型泥石流。
按照物质状态可分为粘性泥石流和稀性泥石流。
除此之外还有多种分类方法，如按泥石流的成因分类有：水川型泥石流，降雨型泥石流；按泥石流流域大小分类有：大型泥石流，中型泥石流和小型泥石流；按泥石流发展阶段分类有：发展期泥石流，旺盛期泥石流和衰退期泥石流等。
1.2国内研究现状柳春等[1]通过SPH-FEM数值模拟方法再现了泥石流冲击过程现象，认为泥石流浆体的整体冲击力大于局部冲击力，但大块石的集中作用是造成坝体破坏的主要原因。
周明慧等[2]以三眼峪泥石流为工程背景，认为泥石流冲击作用计算可分为整体冲击力和大石块冲击力，并提出了基于泥深的泥石流整体冲击力的简化计算方法。
王东坡等[3]通过室内大比例物理模型试验，研究弗汝德数和雷诺数对泥石流冲击压力的影响。
认为容重相同，稀性泥石流冲击能量远远大于粘性泥石流的冲击能量。
泥石流发展趋势分析与工程勘查要求
泥石流发展趋势分析与工程勘查要求概述:泥石流是一种地质灾害，造成了巨大的人员伤亡和财产损失。
为了减少泥石流带来的危害，相关部门需要对泥石流的发展趋势进行分析，并制定适当的工程勘查要求。
本文将对泥石流的发展趋势以及工程勘查要求进行探讨。
一、泥石流发展趋势分析：1. 气候变化的影响：气候变化对泥石流的发展趋势有着重要影响。
全球变暖导致冰川融化加快，造成了更多的冰川湖泊形成，一旦冰川湖泊破冰，泥石流的威力将会比以往更大。
此外，气候变化还会引发极端降雨事件，加剧了泥石流的发生频率和规模。
2. 土地利用的变化：人类活动的不断发展和扩大，导致了土地利用的变化，也对泥石流的发展趋势产生了深远影响。
过度的森林砍伐、不合理的农田开垦和城市建设等活动，削弱了山地植被的保护作用，导致了泥石流易发的地区面积增加。
3. 地质构造和地形条件：地质构造和地形条件是泥石流发展的基础条件。
具有陡坡、松散岩层、容易滑动的土壤和岩石等地形条件，以及构造运动带来的地震和滑坡等地质作用，都会加剧泥石流的发生。
二、工程勘查要求：1. 地质调查要全面：在进行工程勘查时，必须对地质条件进行全面的调查。
包括地质构造、地层分布、地下水位、岩土性质等，以准确了解地质情况，为泥石流的防治工程提供准确的依据。
2. 气象水文观测要精确：泥石流的发生与气候和水文条件密切相关，所以必须进行准确的气象水文观测。
包括降雨量、降雨强度、融雪情况、地下水位等观测项目，以提前预警并制定相应的防治措施。
3. 工程设计要合理：在进行泥石流防治工程的设计时，必须考虑泥石流的特性和场地的实际情况。
设计中应包括泥石流堰塞物的抵抗能力、泥石流通道的设计和建设、输送能力评估等内容，以确保工程具备有效的预防和控制泥石流的能力。
4. 风险评估要全面：进行泥石流工程勘查时，必须进行全面的风险评估。
包括对人员伤亡和财产损失的影响评估、社会经济影响评估等，以制定适当的预警机制和应急预案。
5. 遥感技术的应用：遥感技术在泥石流工程勘查中具有重要的应用价值。
中国泥石流监测预报研究现状与展望
中国泥石流监测预报研究现状与展望发布时间：2021-09-09T09:00:15.708Z 来源：《建筑实践》2021年第40卷第4月12期作者：董超文郭柃沂[导读] 泥石流是汛期常见的次生灾害，一旦发生就是惊天动地，董超文郭柃沂（深圳市自然资源和不动产评估发展研究中心广东深圳 518000）摘要：泥石流是汛期常见的次生灾害，一旦发生就是惊天动地，不仅会损失大量财产，还会造成人员伤亡。
这些本可以避免，只需做好监测预报工作。
从目前情况来看，效果并不显著。
为此，本文以现有的研究成果为依据，就泥石流的监测预报展开探讨，仅供参考与借鉴。
关键词：泥石流；监测；预报；预警；展望前言泥石流是比较常见的地质灾害，其对山区百姓的生命财产构成很大的威胁。
泥石流所到之处，树木倒塌，房屋受损，人员被埋。
只有等待灾难退却后，方能展开搜救、重建工作。
先不提会造成多少损失，连亲人的最后一面都见不到，想想就心痛。
因为泥石流的形成原因比较复杂，所以很难做到全面治理控制。
不得已，只能优先处理威胁较大的泥石流沟。
在开展此项工作前，需要对泥石流进行深入研究，这样才能确保成效。
一、泥石流监测预报研究现状（一）起动机制研究有学者提出，泥石流在运动过程中，其结构先被破坏，再进行重组，最终达到运动平衡[1]。
可以看出，松散物和水之间存在作用力，必然会伴有能量损失，至于如何变化，将是今后研究的主要内容。
在明晰研究方向后，有学者立即进行实验，结果表明松散物的运动状态有三种，分别是跳跃、滚动、滑动。
在运动中，松散物会受地表径流、流速等因素的影响，以至于粒径存在显著差异。
有学者深刻的认识到，科学研究不能闭门造车，而应盯紧外界动态。
依托他人成果，制定研究方案。
通过积极实验，准确描述出泥石流的启动过程。
泥石流大多始于暴雨，雨水汇聚到一起，对地上物进行侵蚀、冲击，最终导致地上物处于松散状态。
接下来，雨水发挥搬运功能，将松散物送至地势更低的地方。
松散物受重力、水的作用，对所见物体进行破坏。
泥石流地质灾害风险评估研究现状与发展趋势
泥石流地质灾害风险评估研究现状与发展趋势地质灾害对人类社会的影响尤为显著，其中泥石流地质灾害以其破坏性和致命性而备受关注。
泥石流是由降雨、融雪或其他地质因素引起的大规模自然灾害，对居民安全和经济发展造成巨大威胁。
为了更好地预防和减轻泥石流灾害，泥石流地质灾害风险评估成为研究的重点。
本文将探讨泥石流地质灾害风险评估的现状和发展趋势。
首先，泥石流地质灾害风险评估的现状如下。
目前，研究者主要通过对泥石流形成条件、土地利用状况和降雨等因素进行分析，以评估地区的泥石流风险。
同时，地形、地貌和地层的特征也被广泛考虑，这些因素在泥石流形成和发展过程中起着重要作用。
为了对风险进行定量评估，研究者采用了各种可行的模型和方法，包括统计模型、物理模型和数值模拟等。
这些模型和方法有助于研究者更好地理解和预测泥石流的发生概率和危害程度。
然而，泥石流地质灾害风险评估仍然面临一些挑战和不足之处。
首先，数据的获取和处理是评估工作的基础。
然而，由于泥石流地质灾害具有突发性和破坏性，导致数据收集和整理困难重重。
同时，数据的质量和精度也影响着风险评估的准确性和可靠性。
其次，评估方法的选择和应用也需要进一步改进。
目前，大部分评估方法都是基于历史数据和案例研究，这限制了评估结果的普适性和预测性。
此外，新技术和新工具的应用也有待于加强，如遥感技术、地质雷达和无人机等对于数据采集和地质特征分析具有较大的潜力。
针对上述问题，泥石流地质灾害风险评估的发展趋势如下。
首先，数据的获取和处理将更加精细化和自动化。
随着科技的进步，新的数据采集方法和技术将被引入，如无人机和遥感技术的应用将为数据处理提供更多可能性。
其次，评估方法将更加多元化和集成化。
除了传统的统计模型和物理模型，机器学习和人工智能等新方法也将被广泛应用于泥石流地质灾害风险评估中。
这将使评估结果更加准确和普适，并有助于更好地预测和防范地质灾害。
此外，国际间的合作和数据共享也将推动泥石流地质灾害风险评估的发展。
泥石流灾害风险管理现状及对策研究
泥 石 流等 。
１ 泥 石 流 灾 害 研 究 现 状
泥石 流现 象早 就存 在 ， 但 泥 石 流 作 为 一个 独 立 的
研 究对 象 的时 间还不 足 ２ ０ ０ ａ ， 不过 国 内外学者 已经 作 了大量 的工 作 ， 在 理论 研究 和野 外实地 调查 分析 ， 以及 室 内试验 模 拟 、 防治工 程 设 计 和 灾 害评 价 等 方 面 都有 大 量 的成果 。 国际 上 以 日本 高 桥堡 编著 的 《 泥石流》 （ １ ９ ９ １ 年） 一 书为代 表 ， 该 书系统 地总 结论 述 了泥 石 流
类、 泥石 流力学 、 运 动力 学特 征 、 数 学模 型 、 汇流机 理 和
害 防治 研究 工 作就 显得 非 常重要 。 目前针 对 泥石 流 的 防 治措 施 ， 主要 可分 为 硬性措 施 和柔 性措 施两 大方 面 。 硬 性措 施 主要 是 指对 （ 潜在 ） 泥 石 流 区所 采 取 的工 程 治理（ 如拦 砂坝 、 谷 坊坝 等 ） 措施 ， 柔 性 措 施是 指 非 （ 狭 义的） 工 程措 施 ， 如 泥 石 流监 测 工 程 、 生 物 措施 等 。泥
式。
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２— ０ ８— ２ ７
术
、 泥 石 流 勘 查 技 术
等。
、 泥 石 流 危 险 性 评
价¨ 等 。此外 ， 还有 针对 特定 区域 或 专 门性 泥石 流 进
行 的研究 ¨
作者简 介 － 李小雪 ， 女， 硕士研究生 ， 主要 从 事 地 质 工 程 、 工程 地 质 专 业 研 究 。 Ｅ—ｍａ ｉ ｌ ： ｕ ｔ ｏ ｐ ｉ ａ—ｌ ｅ ｅ ＠ｑ ｑ ． ｔ ｏ ｍ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
然对结果的准确性造成较大影响. 学者艾南山
将反映地貌发展形态的 St rahler 面积- 高程分
析法与信息熵原理相结合, 提出侵蚀流域系统 的地貌信息熵理论及其计算方法[ 12, 13] .
H = S- InS- 1
( 2)
其中 H : 地貌系统信息熵; S : St rahler 面积- 高
程积分值. Strahler 面积- 高程曲线法主要选取能反
级的输入, 并输出到下一级. 网络中没有反馈, 其结构包括输入层、隐含层以及输出层[ 16] .
( 3) 学习算法.
一个神经网络的拓扑结构确定后, 为了使
它具有某种智能特性, 还必须有相应的学习算
法与之配合. ( 4) 样本选取及其预处理.
样本选择的好坏对神经网络而言具有重要
的意义. 样本越有代表 性, 网络的 包容范围 越
大, 容错性也越高.
除上述方法外, 对泥石流的危险性评估还 有较多方法, 比如基于数值模拟的泥石流危险 性分区方法[ 17] , 基于正反负矩阵权重分析法的 泥石流发生预测预报[ 18] , 层次分析法[ 19] , 投影 寻踪动态聚类方法[ 20] 等一系列方法.
4 需要进一步探索的问题
泥石流的形成受多种因素的影响, 危险性
评价过程中往往会出现由于选用评 价因子不
同, 同一条泥石流沟被划分成不同的危险性等 级, 其评价结果与实际情况往往有较大差别.
对于单沟泥石流危险性评价, 是根据泥石流危 险性评价的标准物元模型[ 8] , 评价不同泥石流 沟在发育因素组合条件下的危险性. 这需要首
危险系数
灰色集合的基本含义是近似分类概念[ 10] . 对一些基本资料分散、可靠性差, 如何简单处理
等, 依据灰色集合方法对规律( 用 Rule 表示) 的
取样方法进 行说明. 依据灰 色集合方 法, Rule 取样分为 3 个步骤. 步骤 1: 收集众多构成泥石
流的资料, 但收集到的泥石流资料很难判断是
石流是否发生 Rule 进行取样:
r= C/ N
( 1)
式中: C 为整合区域内资料的集合; N 为全部
资料的集合.
该研究在重要因子的选定上, 不同于过去 考虑每个因子对泥石流发生条件分 别进行考
虑; 在全部因子中, 河床及山腹的坡度不仅与泥
石流是否发生有关, 而且与河流方位有密切关
系. 3. 1. 3 泥石流危险度的模糊综合评判
由上可知, 泥石流灾害风险性主要涉及两 大因素, 即发生泥石流的危险性和灾害发生后 建筑物、构筑物对灾害的抗击能力. 两个因素一 个从预防灾害发生方面出发, 一个从建筑物的 抗灾能力出发, 从不同方面研究泥石流灾害, 减 少泥石流灾害的破坏程度. 本文只涉及第一个 因素, 即对泥石流危险性的评价.
3 泥石流灾害危险性评价
网络, 已有的网络模型可以分为前向网络、反馈
网络、自组织网络 3 大类. 泥石流风险评价的目
的是要进行泥石流的风险判别和风险区划, 实 际就是模式识别的问题, 选择前向网络作为泥
石流风险评价的基本模型[ 15] .
( 2) 拓扑结构.
前向网络中的神经元是分层排列的, 每个 神经元只与前一层的神经元相连接, 接受前一
第 21 卷第 1 期 2009 年 3 月
北方工业大学学报 J. NORT H CH INA UNIV. OF T ECH .
Vo l. 21 No. 1 M ar. 2009
泥石流危险性研究现状与发展趋势分析*
姜亭亭 孙世国 王 丹
( 北方工业大学建筑工程学院, 100144, 北京)
摘 要 泥石流灾害是一种常见的地质灾害, 对 其研究的核心问题是对泥石流危 险性的评 价. 本文就其单沟预测方法与区域预测方法进行归纳和总结, 并对其存在的不 足进行分析, 在此 基础上就其发展方向及需要进一步完善的问题进行探索.
A / a, Y = h/ $H ) 组成的直线进行拟合, 得到拟 合效果最好的函数[ 14] :
y = f (x)
( 3)
利用公式( 3) 对流域的面积- 高程曲线 X , Y 轴
88
北方工业大学学报
第 21 卷
之间的面积进行积分:
1
Q S = f ( x ) dx 0
( 4)
即为面积 - 高程分值. 将公式( 4) 代入公式( 2) 即得流域地貌信息熵的计算公式:
收稿日期: 2008- 02- 26 * 北京市教委课题( K M 200710009007) 及北方工业大学重点资助项目 第一作者简介: 姜亭亭, 硕士研究生, 主要研究方向: 岩土工程.
86
北方工业大学学报
度指数) . 概括以上评价灾情方法得出这些方法
的评估思路如图 1 所示.
第 21 卷
图 1 灾情评估思路
关键词 泥石流灾害; 危险性; 评价方法; 探索 分类号 T U 4
1 问题的提出
泥石流是山区常见的一种自然灾害, 它是 由土、石等固体物与水相混合在重力作用下沿 陡峻沟坡运动的饱和流体, 具有爆发突然、历时 短暂、破坏力强等特点. 在世界范围内的山区都 发育、分布有泥石流, 每年在世界各地都会有大 量的泥石流灾害事件发生. 我国是一个多山的 国家, 山地、高原、丘陵占国土面积的 69% . 河 流纵横、沟谷广布, 在大气、地震及人类活动影 响下, 每年都发生大量山崩、滑坡、泥石流等山 地灾害. 我国直接受泥石流灾害威胁的县城有 70 座, 占我国 2 136 个县城的 3% . 1975~ 1984 年 10 年内全国 18 个省、市、区暴发泥石流造成 死亡 2 136 人, 毁田 4. 38 @ 104 公顷, 毁房18. 07 万间; 铁路中断 4 164 小时, 直接经济损失达 16 亿元. 1981 年全国 泥石流 受灾县 达 100 个 以 上. 近年来泥石流灾害不断发生, 在 2003 年 7 月 11 日 22 时四川甘孜州丹巴县发生的特大泥 石流灾害造成 51 人死亡, 并将大金川河阻断, 灾情严重, 对该地区的经济发展和旅游事业造
1
1
Q Q H = f ( x ) dx - ln( f ( x ) dx ) - 1 ( 5)
0
0
3. 2. 2 基于人工神经网络的泥石流灾害危险
性评价
泥石流作为一种山区比较常见的突发性地
质灾害, 其孕灾因素与成灾环境都十分复杂, 地
区差异也较大, 又具有诱发因素的多样性、不确
定性等特征, 增大了风险性评价的难度. 而人工
根据灾情评价时间, 分为灾前预评价、灾中 跟踪评价、灾后总结评价. 灾前预评价是对一个 地区或一个潜在的灾害事件的危险程度和可能 造成的破坏损失程度的预测性评价. 它的目的 除了为减灾决策和防治工程提供依据外, 还可 以对地区经济发展规划、城市建设规划以及土
地资源合理开发利用等提供参考依据. 泥石流因其具有强烈的侵蚀作用, 导致泥
映地貌系统总体演化特征的流域面积和流域的
相对高度为指标, 建立 St rahler 面积- 高程曲 线函数, 通过对曲线的积分便可算出指定流域
的 Str ahler 积分值. 具体的计算方法为: A : 流
域面积; a: 该流域内某条等 高线以上的面 积;
h: 该等高线与流域内最低点的高差; $H : 流域 内最大相对高度; 对直角坐标轴上一系列( X =
否是发生的因子或条件. 为此, 可用灰色集合方
法把资料构成分割成几个区. 步骤 2: 添加 1 个 分类因子, 如将河床的坡度分成 3 个区域, 坡度
0b~ 9. 9b为不发生 Rule; 10b~ 14. 9b为可 能发
生 Rule; 15b~ 19. 9b为容易发 生 Rule, 如 此将
收集到的数据资料分割成 3 种类型区. 步骤 3: 再添加 1 个分类因子, 如添加流域坡度因子( 0b
先选择影响泥石流发育的因素, 即泥石流危险
性评价因子, 之后构建泥石流危险性评价的可
拓模型, 建立关联函数和确定权系数, 计算待评 泥石流沟物元实测数据对各特征元相应类别的
综合关联函数值, 最后根据危险性评价等级集
合的关联度大小进行比较来评定等级. 这种方 法在文献[ 9] 中得到实际应用.
3. 1. 2 应用灰色集合理论预测发生泥石流的
模糊综合判别法是对受多种因素影响的现
象或事物进 行总的评价, 即根据所 给的条 件, 对评判对象的全体, 每个因素都赋予一个评判
指标, 然后择优选择. 对泥石流这一集随机性与
模糊性为一体的事物, 采用模糊数学的方法进
行综合评判. 首先考虑单个因子对危险度等级 的影响, 再综合考虑每个因子的影响作用, 应用
模糊变换原理的最大隶属原则, 最后确定危险 度等级的最终归属[ 11] , 可望得到更切合实际的 结果.
3. 2 区域泥石流危险性评价方法
3. 2. 1 基于流域系统地貌信息熵的泥石流危
险性定量评价
在泥石流研究中, 流域沟谷特征对泥石流
发生起着重要作用, 也是区别于其它地质灾害
的显著特征. 以往研究中大多忽视了将流域地 貌特征作为评价指标参与危险性评价中, 这必
石流沟谷具有比一般侵蚀流域系统更加强烈的 侵蚀作用. 同时, 流域的地貌特征对泥石流的发 育、发展以及衰退都有较强的影响. 流域的相对 高度决定流水势能的大小, 为松散碎屑物质的 起动提供动能; 流域面积及所接受的降水量是 决定沟谷水动力条件的主要参数, 也是泥石流 发生的重要因素. 因此, 通过对沟谷的地貌侵蚀 性态的定量计算, 可以在一定程度上反映泥石 流的发育阶段, 并判断其危险程度.
成很大影响. 为了更有效地采取防治措施, 对泥 石流进行灾情评估和预测尤为重要, 它不仅可 为地区经济发展、产业布局规划提供依据, 而且 还能为布设防灾减灾工程提供决策支持[ 1] . 因 此深入开展泥石流防治与预测具有重要的社会 意义与经济意义.