基于动力过程的泥石流淤埋风险研究

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泥石流淤埋风险是动态的,与降雨过程、土体厚度及性质的时空分布,水土动力匹配,泥石流运动过程等密切相关;本论文在分析总结前人泥石流风险研究成果的基础上,以泥石流的物理过程、动力学机制为主线,提出了基于全动力过程、考虑动边界条件下的泥石流淤埋动态风险分析方法,建立了总体框架模型和子模块算法。查明流域松散固体物质的物性、储量及其分布;以降雨过程为初始条件,分析产汇流过程、水动力时空分布、可移动固体物质时空分布、水土动力匹配过程、考虑动边界条件下的泥石流运动过程,输出泥石流淤埋动态风险分析结果。通过对锅圈岩泥石流流域的实例分析结果,表明本论文的理论方法和计算是合理、可靠的。研究成果可以为泥石流监测预警、防治工程关键设计参数、灾害管理等提供依据,具有重要的理论意义和应用价值。取得的主要成果如下:  1.提出了基于全动力过程的泥石流淤埋动态风险分析总体框架模型  本文以动力学为切入点,以物理过程为主线,提出了基于全动力过程、考虑动边界条件下的泥石流淤埋动态风险分析方法,建立了总体框架模型和子模块算法,实现各种设计频率(监测)降雨过程输入—任意空间泥石流动力过程及特征参量(流速、流深、流量过程等)—结合易损性分析输出3D动态风险图。  2.基于GIS平台,建立了小流域分布式水文模型数据库,对沟坡系统降雨产汇流过程进行了水文模拟,得到了水动力的时空变化特征  降雨过程和流域下垫面的空间差异性,使得流域产汇流及形成的水动力呈现时空变异性。针对锅圈岩沟,本文基于GIS平台,建立了流域分布式水文模型SWAT模型数据库,对2013年锅圈岩沟降雨产汇流过程进行了模拟,根据实测断面径流过程,对水文模拟的地表径流过程进行检验和率定,确定该模型可用于泥石流小流域降雨产汇流计算,并得到了适用于锅圈岩沟分布式水文模型的模拟参数,在此基础上,模拟分析了锅圈岩沟2013年月平均水文参数、各个子流域出口的地表径流过程、土体含水量过程等后续分析需要的关键水动力参数。  3.在查明流域覆盖土层的厚度、物性参数等土动力的基础上,结合计算的水动力过程,计算了可移动固体物质的厚度及分布  流域的下垫面是非常复杂的,流域覆盖土层的厚度、物性参数具有时空变异性。针对锅圈岩沟,本文对地震诱发的滑坡进行了遥感解译,得到了其三维特征参数,测绘了松散固体物质分布的平面、剖面和厚度图,进行室内、室外实验,获取了松散固体物质的容重、孔隙度、特征粒径、粘聚力、内摩擦角等参数;在此基础上,利用可移动固体物质判别模型,计算了可移动固体物质的厚度及分布。  4.基于水土动力匹配新概念与原理,反演计算了泥石流流量和容重过程的沿程变化,并用实测断面的数据,对流量过程进行了验证  在流域水动力和土动力过程研究的基础上,开展水土动力匹配的研究,提出了水土动力匹配的概念及算法,用以计算泥石流容重和流量过程的沿程变化。利用物理机制的分布式水文模型反演复杂下垫面和降雨条件下,流域沟坡系统降雨产汇流及形成的水动力大小,将水文模型划分的子流域进行分带,按面积权重计算分带的水动力大小和水动力作用下可移动固体物质的厚度;在此基础上,利用泥石流的汇流计算式,反演计算了分带及子流域出口的泥石流容重和流量过程。以锅圈岩沟2013年7.26”泥石流为例,计算得到了监测断面的流量过程,并用野外监测断面的实测峰值流量对计算的峰值流量进行了验证。  5.设计了动边界算法,运用FLOW-3D模型对泥石流运动、堆积过程进行了动态模拟,与实际情况吻合良好;基于泥深、保护对象的属性和空间分布,对锅圈岩沟承灾体的易损性和泥石流淤埋风险进行分析,绘制了百年一遇的泥石流淤埋动态风险图  泥石流的运动、堆积过程,主要考虑沟床的侵蚀和淤积,设计动边界算法,以FLOW-3D模型为平台,对泥石流的运动、堆积过程进行了动态模拟,得到了淤埋的深度、范围等特征参量;根据泥深结果,结合保护对象的属性和空间分布,定义了泥石流淤埋风险指标,建立了淤埋风险定量分析模型。针对锅圈岩沟,通过编程,建立了包含保护对象的三维数字高程模型和动床冲淤模型;泥石流运动过程考虑动边界算法,对2013年“7.09”泥石流运动过程进行了数值模拟,并将模拟的结果和野外实测结果进行了对比,验证了模型参数和动边界算法的合理性;在此基础上,根据泥深,对锅圈岩沟泥石流危险范围内承灾体(居民建筑物、公路、排导槽和绿地)的易损性进行了分析,根据建立的淤埋风险定量分析模型,绘制了百年一遇的泥石流淤埋动态风险图。
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