基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王 琳()女副教授博士主要从事溃决机理及灾害链效应研究:.通讯作者:钟启明()男教授级高级工程师博士主要从事溃决机理及灾害链效应研究:.文章编号:()./.基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究王 琳苑鹏飞钟启明胡 亮单熠博薛一峰(.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室陕西 西安 .南京水利科学研究院江苏 南京.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室江苏 南京 .陕西省水利电力勘测设计研究院 陕西 西安)摘 要:堰塞湖发生后极易形成溃决灾害链亟需构建基于有限数
2、据包的溃决快速定量风险评估方法 通过快速获取堰塞湖影响区域的三维地理信息构建溃决致灾的快速定量评估模型 基于堰塞湖坝体颗粒级配组成实现精细化、简单化的稳定性快速评价基于冲蚀特性和崩塌过程溃决机理实现溃口流量变化过程分析与洪水演进过程模拟(内)基于极限学习机网络模型建立风险人口与生命损失的函数实现了生命损失评估预警明晰了溃决致灾的灾害链效应 将其应用于唐家山堰塞湖实例发现:研究方法能够较好地预警溃决灾害链开挖引流槽可降低堰塞湖的溃口峰值流量、最大流速、溃口宽度和溃决库容但无法防止溃决发生若不开挖引流槽溃决库容将达到.溃口峰值流量达到./溃口顶宽增大到.开挖引流槽可使溃口峰值流量减少.溃决库容减少
3、.降低了堰塞湖的溃决风险当提前预警时间超过 后及时疏散下游淹没范围内的居民可使生命损失率降低为 研究方法可实现堰塞湖应急处置时的快速定量风险评估并为其应急处置决策提供技术支撑关键词:堰塞湖稳定性溃决过程生命损失风险评估唐家山中图分类号:文献标识码:(.):.().自 然 灾 害 学 报第 卷 ./.:引言堰塞湖是受地震活动、气候变化、人类活动等影响的一种典型地质灾害 据统计的堰塞湖在 内溃决在 内溃决在 个月内溃决 其一旦溃决将形成溃决致灾灾害链威胁下游沿岸的工程设施及人民群众生命财产安全 目前我国堰塞湖溃决灾害频发例如:年 月易贡堰塞湖形成 月溃决溃决时峰值流量达到 /年最具代表性的唐家山和
4、小岗剑堰塞湖溃决洪峰分别达到、/使接近百万人的生命财产安全受到威胁 年白格堰塞湖更是 次堵塞金沙江上游干流溃决洪峰流量分别达到、/月 日形成的堰塞湖更是在 内就发生溃决 月 日堰塞湖溃决导致下游在建的苏洼龙水电站围堰拆除在建的叶巴滩、拉哇和巴塘等水电站工程延期 堰塞湖应急处置易受到基础资料收集困难、周边环境危险、分析研究时间紧和溃决灾害扩大效应强等因素制约由此导致应急处置难度极大 因此考虑其致灾灾害链效应基于极其有限的数据信息建立堰塞湖溃决风险快速、定量评估方法是目前应急处置亟需解决的难题目前堰塞湖溃决风险评估研究主要分为两类:统计分析和定量分析 统计分析是基于堰塞湖统计信息评估溃决灾害损失划
5、分不同类型灾害风险等级代表性的有水利部行业标准/堰塞湖风险等级划分与应急处置技术规范 该标准规定可根据堰塞湖坝体规模、物质组成和高度运用查表法和模糊数学法将其风险划分为极高、高、中和低 级 崔鹏等和 等基于汶川地震堰塞湖溃决实例根据堰塞湖坝体高度、库容和物质组成 项指标提出风险等级划分建议 等采用模糊数学方法对红石岩堰塞湖的风险等级进行了评估 定量分析模型多基于堰塞湖溃决洪水淹没情况与损失之间的关系构建评估模型 代表性的有石振明等、等构建的综合考虑人员疏散情况、生命损失和溃决参数等因素的定量分析模型以上两类评估方法均可实现溃决风险评估 第一类方法主要是基于经验的定性分析对堰塞湖风险快速评估具有
6、较好的指导作用但其主要考虑堰塞湖坝体地貌学特征未考虑坝体的物质组成结构 而目前不同诱因导致堰塞湖坝体级配特征存在极大差异若未合理考虑其物质组成结构将无法准确评估堰塞湖风险 第二类方法虽然综合考虑了水力学参数和灾害损失但其风险评估过程中并未开展坝体稳定性快速评价无法快速实现稳定性的量化评估也并未考虑到溃决机理对溃决特征值变化的影响机制导致其溃决致灾的灾害链效应尚未明晰本文构建了一套堰塞湖溃决致灾的快速定量评估方法实现快速定量风险评估 本方法基于极其有限的数据信息构建考虑了堰塞湖和坝体相关物理力学指标、下游河道和影响区地形数据、人口分布情况实现了考虑颗粒级配组成的稳定性快速评价、基于冲蚀特性和崩塌
7、过程的溃口流量变化过程分析、洪水演进过程模拟、生命损失评估预警明晰了溃决致灾的灾害链效应 该方法包括五部分:三维地理信息模块、稳定性快速评价模块、溃口流量快速定量分析模块、溃决洪水演进模块和生命损失快速评估模块将该方法应用于拥有完整溃决及演进过程实测资料的唐家山堰塞湖案例一方面验证了本文模型的可行性同时也为堰塞湖的风险评估和应急处置提供技术参考堰塞湖溃决快速风险评估方法堰塞湖溃决快速定量风险评估方法主要包括:信息收集稳定评价溃决洪水分析风险评估损失第 期王 琳等:基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究预警五部分 详细步骤如下:运用 插件快速获取研究区域的三维地形数据建立坝体和河道的三维地
8、理信息模块实现信息快速收集基于逻辑回归算法建立考虑堰塞湖坝体形态特征、物质组成和上游堰塞湖水动力条件的稳定性快速评价模块实现堰塞湖坝体稳定性快速评价基于堰塞湖溃决机理开发基于物理机制并可在 内快速计算溃决洪峰流量、溃口崩塌过程、溃决时间和溃决库容等数据的溃决洪水分析模块实现溃决参数变化过程快速预测将三维地理信息数据和溃决洪水定量分析数据导入 软件构建溃决洪水演进计算模块开展风险评估在地理信息系统()中构建可视化溃决洪水淹没范围图实现风险快速评估预警揭示溃决洪水影响区域内的生命损失分布特征.三维地理信息模块基于中科院地理空间数据云(:/.)获取堰塞湖区域范围内的高程数据运用插件快速获取溃决及演进
9、范围的三维地理信息 主要步骤如下:基于中科院地理空间数据云平台获取堰塞湖具体的经纬度信息及其等高线数据图高程数据精度越高数据量几何倍增加数据处理效率越低因此在实际应用时应根据具体工程实际选择所需数据精度 对于堰塞湖规模、下游河道信息和周边城镇地区等数据使用精度 的高程数据可满足应用需求 对于坝体高度、宽度和坝体体积等数据可在堰塞湖所在经纬度范围内使用精度为 的高程数据 运用 插件在 平台将河道数据、高程数据和其它三维地形信息数据直接导入并叠加实现图像数据和数字数据的转化 迅速获取堰塞湖的几何特征、下游影响区域等关键数据(内)堰塞湖实际应急处置时间非常紧迫例如唐家山堰塞湖在 个月内溃决 月 日形
10、成的白格堰塞湖更是在 内发生溃决 应急处置面临着基础资料收集少、分析研究时间紧的困难在满足精度的要求下快速处理三维地理信息能够为后续稳定性评价溃决洪水分析等一系列工作提供数据支持.稳定性快速评价模块本模块采用的稳定性快速评价方法考虑了堰塞湖坝体级配特征、物质组成以及上游的水动力条件而现有评价方法多未考虑堰塞湖坝体物质组成 该方法可根据应急处置时获取的级配特征(如块石、砾石、粗细颗粒等)实现精细化和简化稳定性快速评价 具体表达式为().().().().()式中:()为堰塞湖坝体稳定性评价指标当()时堰塞湖坝体可判定为稳定/其中 为堰塞湖坝体高度 为堰塞湖坝体宽度即顺河向距离为堰塞湖坝体体积为堰
11、塞湖流域面积为颗粒特征参数的取值方法在文献中具体阐述该稳定性快速评价方法的绝对准确率、保守准确率、判错率分别为:.、.、.同时与国内外同类方法比较(法、法、法和 法)结果表明该方法具有可靠性与优越性 其具体比较过程已在文献中详细说明文中不再进行赘述.溃口流量快速定量分析模块堰塞湖溃决风险评估方法中的溃决洪水定量分析模块多基于历史上的溃决资料未考虑溃决机理 虽然参数模型可利用较短计算时间完成溃决洪峰流量的模拟但无法获取溃决流量过程且未考虑土水耦合作用机制和冲蚀破坏过程 溃决洪水快速定量分析是风险评估和应急处置方案制定的基础 因此构建基于溃决机理考虑坝体材料冲蚀特性和溃口崩塌过程的快速、定量溃决过
12、程计算模型是提高堰塞湖溃决洪水风险评估准确性的必然需求本文针对 世纪以来典型的唐家山、易贡、小岗剑、红石岩和白格等堰塞湖的实测溃决数据进行梳理并在此基础上提出了基于物理机制的溃决洪水分析模型(:/./)免费下载使用如图 所示 为水库水位()为时间()为库容()为溃口宽度()为跌落系数 为溃口底高程()为水深()为流量系数(/)、为双曲线侵蚀模型系数、分别为流速和初始流速(/)为容重(/)为黏聚力()为摩擦角()、为双曲线倾角扩展系数、分别为溃口倾角和初始倾角()此模型采用宽顶堰公式计算溃决流量基于圆筒型冲蚀试验设备()的试验数据提出双曲线形式的冲蚀本构模型在计算溃口崩塌时基于总应力法采用双曲线
13、图表形式快速确定和模拟溃口崩塌过程 当溃口不断被冲深时发生侧向破坏可通自 然 灾 害 学 报第 卷过溃口边坡稳定分析逐级确定临界坡面和滑裂面 溃决分析程序可保证工程师在 内完成目标工况计算在堰塞湖应急处置时可快速应用图 堰塞湖溃决洪水分析模型().().洪水演进模块将 插件中构建的河道断面三维模型导入 软件构建河道模型将其分为左漫滩、中心区域和右漫滩 个区域 确定不同区域的曼宁系数以及演进计算的上下游边界确定溃决及演进区域的中心线、河岸线、行洪区线、区域面积和糙率等数据 溃决演进计算采用开源的 .软件的非恒定流模型计算实现溃决洪水演进的快速准确模拟 基于非恒定流的方程采用差分法进行求解通过划分
14、河道断面、水流路径等模拟河道信息水位流量关系为边界条件时间步长设置为 基于四点隐式差分法进行迭代计算非恒定流模拟是基于水流的连续方程与动量方程展开的其连续方程为()()式中:为液体密度 为流速动量方程为 ()式中:为质量力 为压力 为运动黏滞系数.基于学习机网络模型的生命损失评估模块堰塞湖溃决产生的洪水会对下游地区造成严重损失其中以生命损失最为重要 溃决洪水造成生命损失的致灾环境复杂亟需在堰塞湖应急处置时开展预警计算溃决可能造成的损失及时撤离群众目前的生命损失评估方法多存在参数量化过程不统一影响因素定义模糊评估精度不高等问题 本文方法基于极限学习机网络模型建立风险人口与生命损失间的函数关系考虑
15、了主要影响因素与次要影响因素间第 期王 琳等:基于溃决机理的堰塞湖溃决快速风险评估方法研究的作用关系与影响程度并通过对生命损失影响因素的统一量化结合前文计算的溃决洪水定量分析数据与地理信息数据获取溃决洪水深度、淹没面积和水位变化过程绘制淹没范围图确定溃决洪水到达城镇时间以及淹没水深和淹没范围在堰塞湖灾害所造成的生命损失中风险人口和人口密度等人口统计学变量常作为关键参数参与生命损失模型的计算如王志军等的模型 在实际运用中由于城镇的人口分布通常较为集中在城镇中心区域的人口密度通常较大其他区域人口密度较小对生命损失计算影响较大 在本模型中通过溃口流量与洪水演进模块所计算出的下游淹没水深能够快速预估出
16、下游淹没范围并将该范围作为生命损失模块的计算起始条件 在这个范围内根据人口密度将受灾区域进一步划分为高密度区域、低密度区域不同密度区域中的修正系数、取值不同 在计算过程中根据式()对各区域分别计算求和最终获得淹没范围内的生命损失 为 ()()式中:为生命损失 为主要因素修正系数 为次要因素修正系数 为人口密度参数 取.案例分析.唐家山堰塞湖溃决过程概述 年 月 日受汶川.级地震影响四川通口河右岸发生特大滑坡堵塞河流形成唐家山堰塞湖 其距下游北川县城 绵阳市 下游有将近 万人民还有宝成铁路、输油管道等重要基础设施如图 所示 为减少唐家山堰塞湖溃决带来的巨大灾害应急处置开挖了宽为 、深为 、总长为
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