本發(fā)明涉災(zāi)害預(yù)警技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法和裝置。

背景技術(shù)：

溝谷型泥石流是指發(fā)育在溝谷中，且飽含大量泥、砂、石的固、液相顆粒流體，其形成機理是集中強降雨引發(fā)的大流量洪水強烈沖刷溝道，并起動溝床松散固體物質(zhì)，是山區(qū)環(huán)境中常見的泥石流災(zāi)害類型之一。由于該類泥石流可攜帶大量塊石，且具有運動速度快、暴發(fā)突然等特點，有著極強的沖擊力與破壞力，往往造成巨大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。2013年7月11日，汶川縣七盤溝暴發(fā)特大型泥石流災(zāi)害，持續(xù)時間近1.5小時，造成8人遇難、6人失蹤，沿途房屋、變電站、工礦企業(yè)及防治工程措施等遭到嚴重損毀，直接經(jīng)濟損失達4.15億元。因此，有必要對泥石流進行監(jiān)測預(yù)警，所謂的監(jiān)測預(yù)警是指通過捕捉泥石流起動時的前兆信息，以及泥石流形成后沿溝床運動過程中的動態(tài)信息，進而發(fā)出警報并指導(dǎo)當(dāng)?shù)鼐用癖茏尰蚴枭?，以減少人員傷亡與經(jīng)濟損失。

目前，泥石流監(jiān)測預(yù)警最普遍的方法是以某一降雨量閾值來判定，但事實上泥石流的形成與發(fā)展是一個不斷變化的過程，基于單閾值的預(yù)警，難以捕捉泥石流在孕育形成、運動流通、以及堆積淤埋各階段的特征信息，難以實現(xiàn)泥石流全過程的監(jiān)控與預(yù)警。此外，該預(yù)警方法是一種固定式的、擬靜態(tài)化的初步預(yù)判，泥石流的動力特征與流體特征等監(jiān)測數(shù)據(jù)并沒有得到充分利用，還未在實時預(yù)警過程中動態(tài)獲取泥石流流速、流量及沖擊力等動力參數(shù)，更沒有考慮到不同規(guī)模的泥石流造成的危險性差異情況。因此，該預(yù)警方法的準確率較低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對以上缺陷，本發(fā)明提供一種溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法很和裝置，可以提高預(yù)警準確率。

本發(fā)明提供的溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法包括：

根據(jù)主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

根據(jù)相互作用關(guān)系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關(guān)系；

根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型；

獲取在上游段對各個主控因素的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述判據(jù)模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發(fā)出預(yù)警信號。

可選的，所述方法還包括：

在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)；

根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

根據(jù)所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

可選的，所述方法還包括：

利用數(shù)值模擬軟件，確定在不同泥石流沖出量下的泥石流堆積范圍；

根據(jù)計算得到的所述泥石流沖出量，確定在下游段的泥石流堆積范圍。

可選的，所述根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流沖出量，包括：

根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算泥石流的流速和流量；

根據(jù)所述流速和流量，計算所述泥石流沖出量。

可選的，采用下式計算泥石流的流速：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)為所述流速，n_c為粘性泥石流溝床糙率，h₀為泥石流起動前的泥位初始值，h_t為泥石流在t時刻的泥位，I_c為泥石流水力坡度。

可選的，所述根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流最大沖擊力，包括：

根據(jù)所述流速，計算泥石流的動壓力、沖擊力和沖起高度；

根據(jù)所述動壓力、沖擊力和沖起高度，計算所述泥石流最大沖擊力。

可選的，所述主控因素包括：縱比降、流域面積、巖性、小時降雨強度和/或累積降雨量。

可選的，所述判據(jù)模型為：

C＝R+a*I

其中，I為小時降雨強度，R為累積降雨量，a為根據(jù)縱比降、流域面積、巖性所確定的系數(shù)，C為常數(shù)。

本發(fā)明提供的溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警裝置，包括：

因素確定模塊，用于根據(jù)主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

關(guān)系分析模塊，用于根據(jù)相互作用關(guān)系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關(guān)系；

模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型；

預(yù)警模塊，用于獲取在上游段對各個主控因素的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述判據(jù)模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發(fā)出預(yù)警信號。

可選的，所述裝置還包括：

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)；

第一計算模塊，用于根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

第二計算模塊，用于根據(jù)所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

本發(fā)明提供的溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法和裝置，根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系建立在上游段是否有溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型，可見考慮到了形成溝谷型泥石流的多個主控因素及各因素之間的相互作用關(guān)系，相對于現(xiàn)有技術(shù)中單閾值的預(yù)警方法，可以提高泥石流的預(yù)警準確率。

附圖說明

為了更清楚地說明本公開實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本公開的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些圖獲得其他的附圖。

圖1示出了本發(fā)明一實施例中溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法的流程示意圖；

圖2示出了本發(fā)明另一實施例中溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法的流程示意圖；

圖3示出了本發(fā)明又一實施例中溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法的流程示意圖；

圖4示出了本發(fā)明又一實施例中判據(jù)模型的示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本公開實施例中的附圖，對本公開實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒竟_中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本公開保護的范圍。

本發(fā)明提供一種溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警方法，如圖1、2、3所示，該方法包括：

S101、根據(jù)主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

可理解的是，溝谷型泥石流的形成主要取決于三大條件：地形、地質(zhì)與降水，其中地形條件包括縱比降、溝長、流域面積等，地質(zhì)條件包括巖性、構(gòu)造、風(fēng)化等，降水條件包括前期降雨、累積降雨、降雨強度(小時雨強、10分鐘雨強)等。據(jù)此，可以通過針對典型溝谷型泥石流開展現(xiàn)場調(diào)查，實測獲取形成泥石流的各種控制因素的具體數(shù)據(jù)，利用主成分分析法即PCA，即可分析得到溝谷型泥石流形成的主控因素。通過主成分分析法得到的主控因素一般包括縱比降、流域面積、巖性、小時降雨強度和/或累積降雨量等。

S102、根據(jù)相互作用關(guān)系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關(guān)系；

S103、根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型；

S104、獲取在上游段對各個主控因素的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述判據(jù)模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發(fā)出預(yù)警信號。

本發(fā)明提供的監(jiān)測預(yù)警方法，根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系建立在上游段是否有溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型，可見考慮到了形成溝谷型泥石流的多個主控因素及各因素之間的相互作用關(guān)系，相對于現(xiàn)有技術(shù)中單閾值的預(yù)警方法，可以提高泥石流的預(yù)警準確率。

可理解的是，以上步驟中所確定的判據(jù)模型是針對上游段設(shè)置的，上游段可包括清水區(qū)和形成區(qū)。其中，清水區(qū)位于泥石流溝的源頭，為泥石流的形成提供水源。形成區(qū)也位于泥石流溝的上游段，利于松散碎屑物質(zhì)與水流的匯集。

可理解的是，本發(fā)明可以通過對典型的溝床起動型泥石流災(zāi)害開展現(xiàn)場調(diào)查，利用數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，揭示溝谷型泥石流形成的主控因素及其相互作用關(guān)系。泥石流的形成與發(fā)展是一個復(fù)雜的系統(tǒng)過程，受控因素眾多。因此，利用數(shù)量化原理與數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，深入分析溝谷型泥石流形成主控因素及其相互作用關(guān)系，能夠優(yōu)化溝谷型泥石流的監(jiān)測部署。

在具體實施時，所述判據(jù)模型可以為：

C＝R+a*I

式中，I為小時降雨強度，R為累積降雨量，a為根據(jù)縱比降、流域面積、巖性所確定的系數(shù)，C為常數(shù)。

其中，a一般在6.5～12.5之間，可以通過典型實例實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到。

從上式可以看出，如圖4所示，判據(jù)模型在坐標系中為一直線，在利用該判據(jù)模型進行是否有泥石流起動時，若根據(jù)實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)可知當(dāng)前時刻的累積降雨和降雨強度位于圖中方塊所處的位置，則說明此時降雨未觸發(fā)泥石流，若位于三角所處的位置，則說明此時降雨會觸發(fā)泥石流?？梢?，根據(jù)上述判據(jù)模型則可以判斷是否會觸發(fā)泥石流。

在具體實施時，該方法還可包括：

S105、在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)；

S106、根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

S107、根據(jù)所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

這里，通過泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力，計算安全冗余，便可得知當(dāng)前的泥石流是否有沖出泥石流溝口的可能。

其中，可以通過超聲波泥位計測量探頭距離泥位面的垂直高度，然后換算出泥深。

其中，中游段是指流通區(qū)，是泥石流沖擊造成破壞的主要區(qū)域。

可理解的是，表征泥石流活動特征最為重要的指標包括流速、流量及沖擊力等，為此，以理論推導(dǎo)與現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合，動態(tài)獲取相關(guān)參數(shù)，計算確定安全冗余，實現(xiàn)中游段的動態(tài)跟蹤預(yù)警。

在具體實施時，S106中計算所述泥石流沖出量的具體過程可以包括：

根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算泥石流的流速和流量；

根據(jù)所述流速和流量，計算所述泥石流沖出量。

當(dāng)然，還可以采用其他方式計算泥石流沖出量。

其中，流速的計算可以采用多種方式，其中一種為采用下式計算：

$V\left(t\right)=\frac{1}{n_c}{(h_0-h_t)}^{2/3}{I}_c^{1/2}$

其中，V(t)為所述流速，n_c為粘性泥石流溝床糙率，h₀為泥石流起動前的泥位初始值，h_t為泥石流在t時刻的泥位，I_c為泥石流水力坡度。

其中，S106中計算泥石流最大沖擊力的具體過程可以包括：

根據(jù)所述流速，計算泥石流的動壓力、沖擊力和沖起高度；

根據(jù)所述動壓力、沖擊力和沖起高度，計算所述泥石流最大沖擊力。

當(dāng)然，還可以采用其他方式計算最大沖擊力，對此本發(fā)明不做限定。

其中，根據(jù)泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)計算流量、根據(jù)流量和流速計算泥石流沖出量等也均可以采用多種方式，現(xiàn)有技術(shù)中存在相應(yīng)的計算公式或算法，因此對于具體計算過程不再詳述。

在具體實施時，該方法還可以包括：

S108、利用數(shù)值模擬軟件，確定在不同泥石流沖出量下的泥石流堆積范圍；

S109、根據(jù)計算得到的所述泥石流沖出量，確定在下游段的泥石流堆積范圍。

其中，數(shù)值模擬軟件，例如FLO-2D數(shù)值模擬軟件。

其中，下游段實際上是泥石流的堆積區(qū)，是泥石流堆積物的停淤區(qū)域。

通過上述方法便可以得到泥石流的堆積范圍，進而得知泥石流的危險性大小，至此實現(xiàn)全過程協(xié)同預(yù)警。

綜上所述，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的技術(shù)方案在上游段建立判據(jù)模型，對泥石流的起動進行預(yù)警；在中游段對相關(guān)參數(shù)獲取、計算等過程，確定安全冗余，實現(xiàn)對中游段的實時監(jiān)控；在下游段進行堆積范圍計算，確定危險性大小，從而實現(xiàn)泥石流全過程跟蹤監(jiān)測與協(xié)同預(yù)警機制，不僅僅從技術(shù)方面能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的功能，更能從理論深度上確保構(gòu)建泥石流實時監(jiān)測預(yù)警方法的可靠性與準確性。在該技術(shù)方法的指導(dǎo)下，已在四川、貴州、安徽等省市的泥石流減災(zāi)防災(zāi)應(yīng)用中取得良好效果。

基于相同的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種溝谷型泥石流的監(jiān)測預(yù)警裝置，該裝置包括：

因素確定模塊，用于根據(jù)主成分分析法，確定形成所述溝谷型泥石流的主控因素；

關(guān)系分析模塊，用于根據(jù)相互作用關(guān)系矩陣，分析各個主控因素之間的相互作用關(guān)系；

模型構(gòu)建模塊，用于根據(jù)各個主控因素之間的相互作用關(guān)系，構(gòu)建在上游段所述溝谷型泥石流起動的判據(jù)模型；

預(yù)警模塊，用于獲取在上游段對各個主控因素的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述判據(jù)模型判斷在上游段是否有溝谷型泥石流起動，若是，則發(fā)出預(yù)警信號。

可選的，該裝置還包括：

數(shù)據(jù)獲取模塊，用于在上游段有溝谷型泥石流起動時，獲取中游段的泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)；

第一計算模塊，用于根據(jù)所述泥位監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算所述泥石流沖出量和泥石流最大沖擊力；

第二計算模塊，用于根據(jù)所述泥石流沖出量和所述泥石流最大沖擊力，確定泥石流庫容安全冗余。

可理解的是，本發(fā)明提供的監(jiān)測預(yù)警裝置為本發(fā)明提供的監(jiān)測預(yù)警方法的功能架構(gòu)模塊，其有關(guān)內(nèi)容的解釋、說明、優(yōu)選實施方式、有益效果等內(nèi)容可以參考本發(fā)明提供的監(jiān)測預(yù)警方法中的相應(yīng)部分，在此不再贅述。

本發(fā)明的說明書中，說明了大量具體細節(jié)。然而，能夠理解，本發(fā)明的實施例可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實踐。在一些實例中，并未詳細示出公知的方法、結(jié)構(gòu)和技術(shù)，以便不模糊對本說明書的理解。

以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解；其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。