小流域泥石流灾害早期预警方法、减灾方法

本发明涉及一种泥石流灾害防治技术，特别是涉及一种小流域泥石流灾害早期预警方法与系统，属于地质环境监测、地质灾害防治与监测预警。

背景技术：

1、山丘区小流域由降雨引起的突发性、迅猛的地表径流，由于小流域的流域面积小、沟谷短、，且地表径流常汇于相对狭窄的溪沟河道，以及一些具有周期性用废的水道，因而地表汇流时间短，常表现出暴涨暴落特征。在短时高强度降雨下即可在沟谷内产生较强的水动力条件，松散堆积物在巨大水流冲刷力作用下易于形成泥石流。小流域泥石流具有量多面广的特点，它们多与坡体饱水后的局部滑塌密切相关，具有发生位置隐蔽和成灾迅速的特点，发生后很难成功避险。整体上，小流域因降水引发的地质灾害点多面广，具有明显的多发性、无序的突发性和强烈的破坏性，防御难度很大。在当前的山地环境地质灾害防治思路中，以小流域为单元进行重点治理已成为一种主要方案。

2、由于小流域泥石流灾害首要地取决于降水，其产汇流运动的过程是可采用水文过程模拟的物理过程，因而通过应用水文模型模拟小流域水文过程，获得小流域空间位置上不同重现期不同降雨概率下径流深及径流量可以为小流域泥石流灾害监测预警提供有效的技术支持。然而，现有技术尚缺乏此类技术方案。

3、现有技术“震区泥石流危险性评价及预警减灾系统研究”(夏添，成都理工大学，2013)提供一种将水文模型引入泥石流监测预警技术方案，该方案的主要技术缺陷在于，虽然利用高精度dem和水文模型按照不同集水阈值提取集水单元作为泥石流监测分析输入，但在研究区泥石流形成的动态分析中，对区内地层“集水”特征及其动态变化考虑不足，未能将区内集水存水特征作为泥石流动态监测的分析要素，因而只能回溯性地选择降水指标作为泥石流监测阈值指标。由于降雨过程复杂，单次降雨强度、雨强过程变化、降雨持续性与间隔时间等许多因素，都会影响降雨入渗与地表径流的分配，因而降雨过程与坡体饱和度变化之间不具有线性变化关系。同时，受降雨过程的不确定性制约，预报精度低。由此使得依据降雨监测数据进行泥石流灾害预报的精度存在不可逾越的上限。

技术实现思路

1、本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种小流域泥石流灾害监测预警技术，能够将小流域地表地层的集水存水特征作为监测阈值指标。同时提供基于该监测预警技术的小流域泥石流减灾方法。

2、为实现上述目的，本发明首先提供一种小流域泥石流灾害早期预警方法，其技术方案如下。

3、一种小流域泥石流灾害早期预警方法，其特征在于：

4、步骤s100、监测对象流域现场调查，获取对象流域基础数据，基础数据包括用于构建水文模型的地形地貌与水文数据；布设监测设备采集实时环境监测数据，所述环境监测数据包括蒸发、降雨、径流数据；

5、步骤s200、利用对象流域基础数据构建对象流域gr4j水文模型，利用gr4j水文模型构建由式1-1表达的对象流域存水量s模型。

6、s＝s1+s2式1-1

7、式中，s1、s2－分别是gr4j水文模型中产流水库蓄水量、汇流水库蓄水量，单位mm；

8、步骤s300、基于实时环境监测数据利用存水量s模型获取对象流域初始存水量sint；

9、步骤s400、利用对象流域存水量s模型测算对象流域内径流诱发泥石流的最大存水量smax，

10、smax＝sint+y-z-l+rio    式2

11、l＝4.0 bm1.5/tanθ1.17    式3

12、式中，smax－对象流域内径流诱发泥石流的最大存水量，

13、sint－对象流域初始存水量，单位mm，步骤s300确定，

14、y－gr4j水文模型中流域上的降水量，

15、z－gr4j水文模型中流域上的蒸发量，

16、rio－gr4j水文模型中地下水与流域的交换水量，

17、l－对象流域主沟道最小泥石流启动临界流量，单位m3/s，

18、b—对象流域主沟道宽度，单位m，基础数据确定，

19、m－沟床碎屑粒径平均粒径，单位mm，基础数据确定，

20、θ－对象流域主沟道坡度，单位°，基础数据确定；

21、步骤s500、以降雨数据为存水量s模型的输入，测算s1与s2的动态值更新值s1与s2，以及对象流域实时存水量s(t)，

22、s(t)＝s′1+s′2   式1-2

23、步骤s600、测算对象流域泥石流预警值k，根据k值评估对象流域内泥石流预警内容。

24、k＝s(t)/smax  式4

25、式中，k-对象流域泥石流预警值。

26、本发明上述小流域泥石流灾害早期预警方法的基本构思是，基于小流域水量平衡理论，建立对象流域水量的输入输出平衡模型，进而将对象流域存水量s作为泥石流监测预警的关键性动态观测变量，并将其作为监测阈值指标，从而改变现有技术以降水指标为监测阈值指标的传统思路。为实现述技术构思，本发明方法首先建立以流域降雨、蒸发、径流数据率定gr4j水文模型，再进一步建立对象流域存水量s模型，从而将对象流域存水量直接反映水土环境要素动态变化，由此成为泥石流监测预警的有效监测指标。为了给监测指标配套科学合理的阈值条件，本发明将流域存水量s模型与小流域主沟道最小泥石流启动临界流量l计算模型相联合，解决对象流域内径流诱发泥石流的最大存水量smax测算问题。最后以k值直观体现对象流域泥石流风险程度。由此，完整地建立起一套以对象流域存水量为监测评价指标的泥石流灾害监测预警技术方案。

27、本发明进一步提供一种改进gr4j水文模型，从而对上述小流域泥石流灾害早期预警方法加以优化。改进gr4j水文模型包含两项不必然同时或先后实施的内容。

28、在改进gr4j水文模型中，s1、s2的动态更新值s′1、s′2分别依式5-1、式5-2测算。

29、s′1＝(s1-zs+ys)aβtan i   式5-1

30、s′2＝(s2-r)a tanη   式5-2

31、式中，zs-gr4j水文模型中产流水库蒸散发量，

32、ys-gr4j水文模型中补充产流水库的降水量，

33、a-对象流域面积，m2，依基础数据确定，

34、i-对象流域坡体平均倾角，°，依基础数据确定，

35、β-对象流域含水层平均给水度，依基础数据确定，

36、r-gr4j水文模型中汇流水库蓄水量中间量，

37、η-对象流域主沟道倾角，°，依对象流域基础数据确定。

38、在改进gr4j水文模型中，产流水库蒸散发量zs由式6表达。

39、

40、式中，w1-gr4j水文模型中产流水库蓄水容量，单位mm，

41、zn-gr4j水文模型中剩余蒸散发能力，单位mm，

42、ψ-对象流域植被蒸发因子，依基础数据确定。

43、除通过改进gr4j水文模型优化上述基础技术方案外，本发明上述小流域泥石流灾害早期预警方法的优化还包括如下方案。

44、在步骤s400中，将对象流域基础数据代入存水量s模型，测算对象流域初始存水量sint。

45、步骤s400中，sint是以时序监测数据训练gr4j模型所得流域存水量。

46、步骤s500中，输入存水量s模型的降雨数据是预报降雨数据或实时监测流域水文更新数据。

47、本发明还提供根据k值评估对象流域内泥石流预警内容的具体方案，包括：k≥0.98为红色预警，0.98>k≥0.95为橙色预警，0.95>k≥0.90为蓝色预警。

48、本发明小流域泥石流灾害早期预警方法由于解决对象流域实时存水量及与其匹配的评价阈值测算问题，提升了小流域水量动态变化在小流域泥石流灾害防治中的价值。由此，在灾害防治中，通过人工手段增加对象流域水量输出，则能建立起一种可量化与科学评估的减灾方案。基于此，本发明的另一目标是提供如下的小流域泥石流减灾方案。

49、一种小流域泥石流减灾方法，利用上述小流域泥石流灾害早期预警方法实现，其特征在于：在对象流域内增加人工排水措施，利用人工排水措施分流对象流域径流量，加速对象流域存水量释放，依式7获取排水渠调控的s(t)，在步骤s500后不执行步骤s600，

50、sad(t)＝s(t)-tq(t)/a  式7

51、式中，sad(t)-人工排水措施调控的s(t)，单位mm，

52、q(t)-人工排水措施实时分流水量，单位m3/s，

53、a-对象流域面积，单位m2，依基础数据确定，

54、t-人工排水措施分流时间，单位s，依监测数据确定。

55、上述小流域泥石流减灾方法是利用人工排水措施分流对象流域径流量，加速对象流域存水量释放，提高对象流域的灾害容忍能力，提高临界存水量，降低流域现阶段存水量。人工排水措施，例如生物治理，增加植树造林可以使得植物蒸腾与蒸发能力提高，从而提高临界蓄水量；再例如，在流域主沟道内设置人工排水渠、坡面排水、坡体内部排水等排水设置，均可启到降低流域存水量的效果。

56、本发明进一步提供一种利用排水渠调控的减灾方法，具体是：人工排水措施是修筑v型底排水渠，排水渠进水口布置在小流域主沟道上游的松散堆积物集中区域，出水口布置在远离松散堆积物分布区，q(t)是排水渠实时分流水量，依式8测算。

57、

58、式中，n－排水渠粗糙系数，排水渠结构参数确定，

59、j－排水渠水力坡降，％，排水渠结构参数确定，

60、h(t)－排水渠内实时水位高程，单位m，监测设备实时采集，

61、α－排水渠三角形截面倾角，°，排水渠结构参数确定。

62、上述排水渠调控的减灾方法可以采用反演方式完成排水渠结构参数设计。具体是，首先确定泥石流减灾设计目标，泥石流减灾设计目标可以是sad(t)与s(t)的关系，或者可以是分别由sad(t)与s(t)表达的k值的关系，再利用式7、式8反演计算完成排水渠结构参数设计。结构参数包括α或n或j。

63、本技术中所称现场调查，包括了针对规划方案所在小流泥石流沟道现场的各种地质勘察、踏勘、测绘、测量工作，以及领域内现有模拟实验、测试实验、观测实验、分析实验，以及历史灾害记录获取，以及相关技术规范，以及有参照借鉴作用的经验方法及数据获取等。由现场调查获取的数据统称为本技术方案的基础数据。

64、与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)尽管现有研究认识到，降水引起的小流域地表径流汇流、土体含水存水变化是小流域泥石流灾害首要诱因，然而现有技术由于无法解决以小流域存水量为泥石流灾害监测评价指标的技术问题，因而在基于水文模型的泥石流监测预警技术方案中只能退求选择流域降水指标作为监测指评价标。这类技术方案必然受到降雨过程的不确定性的制约。本发明以流域水量平衡理论为基础，通过流域降雨、蒸发、径流数据率定水文模型参数，实时计算流域存水量数据。再以流域存水量为评价指标，气象数据为输入参数，流域泥石流启动临界流量为基准实现灾害监测预警。小流域水量平衡是指一个流域、地区或一个水体在任一时段内(如时、日、月、年等)输入水量(即来水)扣除输出水量(即出水)等于该范围的蓄水变量。从水量平衡出发实现小流域泥石流监测预警是本发明有别于现有技术的全新技术构思。(2)本发明技术方案中，流域存水量s是关键性指标，包含地下水位的埋深以及水位线以上岩土体的含水量与流域沟道径流总水量，因而可以用于衡量流域降雨入渗的累积程度。该指标反映了坡体的饱水状态和地质灾害易发程度，其值越高，表明坡体的饱和程度越高，未来降雨诱发地质灾害的可能性越大。由于相较于小流域降水指标，小流域存水量指标更直观地反映了小流域水土条件的变化，因而针对性克服了现有技术在监测指标选择上的技术缺陷，具有更科学的泥石流灾害监测预警原理。同时，基于流域存水量的监测预警能够在区内水土耦合变化发生前显示泥石流灾害风险，因而是更为有效直接的早期预警方案。(3)为优化本发明小流域存水量s模型，本发明提供了改进gr4j水文模型。改进gr4j模型在流域存水量变化公式中考虑了流域面积、含水层给水度、流域坡体与主沟道倾角等地质参数，并将植被种类影响因子考虑进流域蒸散发公式中。流域地质参数的加入，便于探究不同流域大小、含水层地质条件、流域坡度倾角、流域植被等参数改变对流域临界存水量变化的影响。(4)基于小流域水量平衡原理，只要增大小流域水量输出，即促进小流域向流域外排水，便能从而提高流域的灾害容忍能力，提高临界存水量，降低流域现阶段存水量，延缓甚至防范泥石流灾害发生。尽管这一技术思想科学合理、实现手段简单易行，然而，由于现有技术一直未解决小流域存水量量化的问题，因而现有技术无法真正考虑将这一概念，引入到泥石流灾害防治领域。本发明由于解决了对象流域实时存水量模型计算，以及与其匹配的评价阈值测算问题，提升了小流域水量动态变化在小流域泥石流灾害防治中的价值。由此，本发明提供的小流域泥石流减灾方案能够突破经验总结层面，成为一种科学计量的技术方案。本发明提供的排水渠调控的减灾方法能够为小流域减灾的数学模型模拟研究提供基础。