基于RAMMS的泥石流动力学模拟分析及治理评估方法

技术领域

本发明涉及泥石流灾害防治的技术领域，特别涉及通过数值模拟进行泥石流动力学分析及治理方案评估的方法。

背景技术

近年来，随着国内外学者对泥石流运动特征研究的逐渐深入，已有多种方法可应用于泥石流运动特征分析中，如数值模拟法、统计经验模型法、GIS与经验模型相结合的预测方法等，其中，数值模拟法较为流行且发展得更加成熟准确。根据模型求解所采用的概念模型，数值模拟法目前基本上可以分为3类：基于粒子、基于条分和基于连续介质的数值模拟方法。在应用于泥石流模拟分析时，基于粒子的数值模拟方法可将泥石流看作大量颗粒组成的介质，其运动特征通过单个粒子的运动特征来表征，其力学特性根据粒子之间的相互作用确定；基于条分的数值模拟方法则将泥石流看作一组相互临近的、形状可变但体积不变的条块，根据条块之间及条块与基底之间的相互作用模拟动能传递过程；基于连续介质的数值模拟方法将泥石流看作非牛顿流体，在保持质量和动量守恒下，通过深度均化的方法推导获得控制方程。

以上各方法对泥石流运动过程的模拟均未考虑流域内物源的分布情况，且模拟结果与理论计算结果通常差异较大。

此外，现有的模拟法中，多以雨洪法计算结果或实测结果作为泥石流流量的输入函数，再基于DEM地形文件模拟泥石流的运动过程，以上方式忽视了泥石流的启动部位和启动过程，仅可展示泥石流的流动过程，无法获得更佳的防治方案。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种基于RAMMS(RapidMassMovement Simulation，快速物质运动模拟)软件的泥石流动力学模拟分析方法及泥石流治理评估方法，该方法充分考虑了流域内的物源分布情况及泥石流启动过程，可对泥石流的动力学过程进行准确地模拟，并可根据模拟模型对泥石流治理方案的有效性进行准确评估。

本发明的技术方案如下：

基于RAMMS的泥石流动力学模拟分析方法，其包括：

基于RAMMS软件，构建泥石流模拟分析模型；

通过所述泥石流模拟分析模型对研究区域的泥石流动力学过程进行模拟分析，获得其模拟动力学参数；

其中，所述泥石流模拟分析模型的构建包括：

S1获得含有现场调查数据且可被RAMMS软件识别的泥石流地理信息文件，所述现场调查数据包括研究区域内的泥石流基础参数和/或泥石流流域内的物源数据，其中，所述物源数据包括物源类型、物源的分布位置、物源的分布范围、物源的静储量厚度、及物源的数量，所述泥石流基础参数包括流域面积、沟道平均纵比降、泥石流容重、沟道糙率系数、沟道堵塞系数、沟道宽度和当地降雨强度值；

S2选取研究区域内的拟建工程位置或沟内重要位置为关键位置，基于所述现场调查数据，通过规范性公式和雨洪修正法获得研究区域内关键位置在不同降雨频率下的泥石流动力学参数，即实测泥石流动力学参数，所述动力学参数包括泥石流在不同降雨频率下的泥深、流速、冲击力、一次冲出方量及一次冲出固体方量；

S3在RAMMS软件中导入研究区域的地理模型并在导入的地理模型上加载所述泥石流地理信息文件，获得研究区域的泥石流RAMMS地理模型；

S4设置泥石流RAMMS地理模型的模拟参数，包括其库仑摩擦系数μ和湍流摩擦系数ξ；

S5在S4确定的模拟参数下，在所述泥石流RAMMS地理模型中设置泥石流启动方式为水力释放启动，获得不同降雨频率下所述关键位置的动力学模拟参数，根据该动力学模拟参数及所述实测泥石流动力学参数，在所述泥石流RAMMS地理模型中设置泥石流启动方式为物源释放启动，通过模型反演，获得所述关键位置在不同降雨频率下物源释放启动所需要的物源量；

S6基于S5得到的关键位置在不同降雨频率下物源释放启动所需要的物源量，通过在所述泥石流RAMMS地理模型中设置泥石流启动方式为物源释放启动，对所述关键位置在不同降雨频率下的泥石流动力学过程进行数值模拟，获得验证后的模拟动力学参数。

根据本发明的一些优选实施方式，所述S1包括：

通过现场调查获得研究区域内的所述物源数据；

通过地形处理软件将所述物源数据中的物源的分布位置和物源的分布范围进行矢量化处理，得到矢量化文件，将所述矢量化文件导入ArcGIS平台；

在ArcGIS平台中，以所述物源数据中的物源的静储量厚度作为初始的物源可启动厚度，并将所得文件转换为RAMMS软件可识别的shapefile文件。

根据本发明的一些优选实施方式，所述地理模型为数字高程模型。

根据本发明的一些优选实施方式，所述S4包括：

将RAMMS软件提供的最大库伦摩擦系数和最大湍流摩擦系数设置为库伦摩擦系数和湍流摩擦系数的初始值；

在初始值的基础上，按梯度调整库伦摩擦系数和湍流摩擦系数的值，获得每次调整后的RAMMS软件模拟结果；

将每次调整后的RAMMS软件模拟结果与基于现场调查数据获得的泥深、流速、堆积范围的情况进行比较，以两者最匹配时对应的库伦摩擦系数和湍流摩擦系数作为最终设置的模拟参数。

根据本发明的一些优选实施方式，所述S5包括：

S51选择上游任一关键位置作为水力释放点，通过所述泥石流RAMMS地理模型模拟该水力释放点在不同降雨频率下的泥石流动力学过程，并对应获得位于该关键位置下游的另一关键位置的模拟动力学参数；

S52将该另一关键位置的模拟动力学参数与其通过S2获得的实测泥石流动力学参数进行对比，根据对比情况确认模拟过程的可靠性；

S53将所述物源数据中物源的静储量厚度乘以不同降雨频率下的厚度折减系数作为物源释放点的物源启动厚度，其中，所述厚度折减系数的获得包括：在任一降雨频率下，设置一个初始厚度折减系数，在该初始厚度折减系数的基础上进行调整，获得每次调整后对应的物源启动厚度即物源调整启动厚度，通过所述泥石流RAMMS地理模型模拟所述物源释放点在所述物源调整启动厚度下的泥石流动力学过程，对应获得任一关键位置的模拟动力学参数，将该模拟动力学参数与该关键位置在同一降雨频率下通过S51获得的的模拟动力学参数进行对比，两者一致时的物源调整启动厚度所对应的厚度折减系数即为该降雨频率下的厚度折减系数；

S54根据获得的所述物源启动厚度，并根据现场调查获得的物源的分布范围，在所述泥石流RAMMS地理模型中对泥石流的动力学过程进行模拟，获得物源释放启动方式下的模拟动力学参数；

S55将多个关键位置获得的所述物源释放启动方式下的模拟动力学参数与其根据S2获得的实测泥石流动力学参数进行对比，根据对比情况对物源厚度进行微调，根据调整后的泥石流RAMMS地理模型获得所述关键位置在不同降雨频率下物源释放启动所需要的物源量。

本发明进一步提供了一种基于RAMMS的泥石流治理评估方法，其通过上述泥石流模拟分析模型获得对泥石流进行防治的治理方案的有效性评估结果。

根据本发明的一些优选实施方式，所述泥石流治理评估方法包括：

S71获得不同有效性程度下的泥石流折减容重和折减堵塞率，所述有效性程度包括局部有效、部分有效和整体有效；

S72根据不同有效性程度下泥石流折减容重和折减堵塞率，在所述泥石流模拟分析模型中采取水力释放启动的方式模拟所述关键位置在不同降雨频率下的泥石流动力学过程，获得其模拟动力学参数；

S73根据所述治理方案调整研究区域的地理模型，获得对应的调整后泥石流RAMMS地理模型；

S74根据S5所确定的关键位置在不同降雨频率下物源释放启动所需要的物源量设置物源启动厚度，在该物源启动厚度下，通过所述调整后泥石流RAMMS地理模型，采取物源释放启动的方式模拟所述关键位置在不同降雨频率下的泥石流动力学过程，获得其模拟动力学参数，根据所得模拟动力学参数与治理方案的设计参数和/或其计算量的对比，确定所述治理方案的有效性。

本发明具备以下有益效果：

(1)本发明的模拟分析方法克服了常规数值模拟方法只考虑泥石流流动状态而忽略了泥石流启动过程缺陷，通过RAMMS中物源释放的方式，更为真实地模拟了泥石流暴发过程中的动力学过程，其不仅考虑了物源启动的方式和体积，而且考虑了各物源分布对治理工程设计的影响。

(2)本发明的评估方法可充分验证和评估如拦挡工程的治理方案的治理效果，其具体可以通过考虑折减后的容重和堵塞系数，采用水力释放的方式验证治理工程的影响，并得到治理工程实施后各关键断面的泥石流动力学特征值，也可通过设置坝体位置采用物源释放的方式验证治理工程的影响。

附图说明

图1为实施例1中基于RAMMS的泥石流动力学模拟分析方法的流程图。

图2为实施例1中关键剖面位置及其主要物源的分布位置和范围示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。

实施例1

本实施例以云南省兰坪县金顶镇境内的练登沟为对象模拟其泥石流动力学过程。参照图1，其所用泥石流动力学模拟分析方法包括以下步骤：

S1、获得含有现场调查数据的泥石流地理信息文件，该文件可被RAMMS软件识别，其具体包括：

通过现场调查确定研究区域内的泥石流基础参数和泥石流流域内的物源数据，所述物源数据包括物源类型、物源的分布位置、物源的分布范围、物源的静储量厚度、及物源的数量，所述泥石流基础参数包括流域面积、沟道平均纵比降、泥石流容重、沟道糙率系数、沟道堵塞系数、沟道宽度、当地降雨强度值，其中，物源是指能参与泥石流活动的松散固体物质。

通过地形处理软件如奥维互动地图将物源的分布位置和物源的分布范围矢量化，将得到的矢量化文件导入ArcGIS；

在ArcGIS中，以物源的静储量厚度作为初始的物源可启动厚度，并将文件转换为RAMMS软件可识别的shapefile文件。

S2、选取拟建工程位置或沟内重要位置为关键位置，各关键剖面位置见图2，基于所述现场调查数据，通过规范性公式及雨洪修正法获得研究区域内关键位置在不同降雨频率下的泥石流动力学参数，即实测泥石流动力学参数，所述动力学参数包括泥石流在不同降雨频率下的泥深、流速、冲击力、一次冲出方量及一次冲出固体方量，其具体包括：

根据研究区域的水文资料、现场实测结果和相关的勘察设计规范(本实施例具体使用了《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》和《泥石流灾害防治工程勘查规范》)计算在不同降雨频率下的泥深、流速、流量、一次冲出规模等泥石流动力学参数，将得到的泥石流动力学参数作为RAMMS模型参数设置的依据。

具体的，以附图2中33#关键位置为例，其泥石流动力学参数计算过程如下：

(1)流速计算

根据现场调查，练登沟泥石流为粘性泥石流，采用《泥石流灾害防治工程勘察规范》(DZ/T0220-2006)推荐的粘性泥石流流速计算公式进行计算：

其中，Vc––泥石流流速；Hc––泥石流平均泥深；Ic––沟床纵坡降；1/n––河床糙率系数，根据表1取值：

表1粘性泥石流沟道糙率n参照表

结合实际调查情况，确定33#剖面泥石流流速如下表：

表2 33#剖面流速计算结果

(2)流量计算

泥石流流量采用雨洪修正法进行计算。采用雨洪修正法计算泥石流峰值流量时，先计算流域暴雨洪峰流量，再计算泥石流峰值流量。

流域暴雨洪峰流量采用《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》推荐的暴雨洪峰流量计算公式：

其中：

ψ＝f(μ,τ

τ

式中：Q

上述公式中参数取值及计算如下：

1)汇流参数m计算：

首先计算流域特征系数θ：

式中：L—沟道长度，km；J—沟道平均纵坡降，‰；F—流域面积，km

其计算结果如表3所示：

表3练登沟33#剖面流域特征参数θ计算结果

根据上表中流域特征参数θ计算结果，查汇流参数m值综合成果表(表4)，采用川西南山区地区计算公式，且θ属于1～30之间，故汇流参数m如下：

m＝0.221θ

表4汇流参数m值综合成果表

通常情况下，考虑到流域特殊的地形地貌，需要对汇流参数进行修正，即：

m′＝Km

式中：m'—修正后的汇流参数；K—汇流参数修正系数。

其中，汇流参数修正系数取值参考表5。

表5汇流参数修正系数K值表

计算的不同剖面汇流参数取值m见表6。

表6练登沟33#剖面汇流参数m计算结果

2)产流参数μ计算

参照《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》产流参数μ综合成果表(表7)，练登沟流域相对高差200m以上，地势较陡，切割较深，植被较好，有部分荒山或坡地，故产流参数μ：

μ＝6F

表7四川省小流域产流参数μ值综合成果表

表8练登沟33#剖面产流参数μ计算结果

3)暴雨参数n及暴雨雨力S计算如下：

S＝H

式中：H

暴雨参数在不同的暴雨历时范围内，计算式不同，见表9。

表9暴雨参数n计算表

根据具体的暴雨历时及暴雨参数，可计算设计频率下的暴雨雨力，见表10。

表10暴雨雨力S计算表

根据《中国暴雨参数统计图集》(2006年版)内的暴雨等值线图，练登沟流域的10min、60min、6h、24h年最大暴雨量平均值H分别为12.00mm、30.00mm、45.00mm、55.00mm，变差系数Cv取0.33。经上述公式计算，练登沟流域暴雨参数n及最大暴雨雨量计算结果见表11，33#剖面雨力S计算结果见表12。

表11设计最大暴雨量及暴雨参数n计算表

表12练登沟33#剖面暴雨雨力S计算结果

4)洪峰径流系数χ计算

①根据上述所得相关值θ、m、S，计算τ

式中：τ

表13练登沟33#剖面剖面τ

②根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》中公式，洪峰径流系数ψ值可按下式计算。33#剖面洪峰径流系数ψ计算结果见表14

表14练登沟33#剖面洪峰径流系数ψ计算结果

5)汇流时间τ计算

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》，汇流时间τ按下式计算，其计算结果见表15。

表15练登沟33#剖面汇流时间τ计算结果

6)暴雨洪峰流量计算

练登沟泥石流沟域暴雨洪峰流量计算结果见表16。

表16根据雨洪法计算不同部位不同降雨频率下暴雨洪峰流量Qp

7)泥石流峰值流量计算

泥石流峰值流量计算根据《泥石流灾害防治工程勘察规范》

(DZ/T0220-2006)，附录I公式：

式中：Q

泥石流堵塞系数取值参考表17。

表17泥石流堵塞系数取值参考

根据堵溃系数取值，分别计算出不同剖面不同降雨频率下泥石流流量，见表18。

表18不同剖面和降雨频率条件下泥石流流量

/>

(3)一次泥石流过程总量

1)一次泥石流过程总量

一次泥石流过流总量按照《泥石流灾害防治工程勘察规范》(DZ/T0220-2006)附录I提供的计算公式进行计算。

Q＝0.264TQ

式中：Q—一次泥石流的总量(m

2)一次冲出固体物质总量

一次泥石流固体冲出物按《照泥石流灾害防治工程勘察规范》

(DZ/T0220-2006)附录I提供的计算公式进行计算：

Q

式中：Q

以关键剖面进行复核，33#剖面一次泥石流过程总量及一次冲出固体物质总量结果见表19。

表19 33#剖面部位一次泥石流过程总量计算

S3在RAMMS软件中导入研究区域的地理模型并在导入的地理模型上加载所述泥石流地理信息文件，获得研究区域的泥石流RAMMS地理模型，具体包括：

通过ArcGIS将练登泥石流沟流域实测等高线(精度为1m的CAD文件)转化为数字高程模型，再转化为ASCII格式文件，导入RAMMS软件，在导入的文件上加载S1得到的shapefile文件。

S4、设置泥石流RAMMS地理模型的模拟参数，包括其库仑摩擦系数(μ)和湍流摩擦系数(ξ)。

库仑摩擦系数(μ)和湍流摩擦系数(ξ)的具体设置方式为：

将RAMMS软件提供的最大库伦摩擦系数和最大湍流摩擦系数设置为库伦摩擦系数和湍流摩擦系数的初始值，如软件给定范围分别为μ：0.05～0.4m/s

在初始值的基础上，按梯度调整库伦摩擦系数和湍流摩擦系数的值，获得每次调整后的RAMMS软件模拟结果；

将每次调整后的RAMMS软件模拟结果与实测的泥深、流速、堆积范围的情况进行比较，以两者最匹配时对应的库伦摩擦系数和湍流摩擦系数作为最终设置的模拟参数。

本实施例中梯度调整的方式为每次改变μ的值±0.01，改变ξ的值±20。最终确定的模拟参数为μ＝0.06m/s

S5、在S4确定的模拟参数下，在RAMMS软件中选择泥石流启动方式为水力释放启动，获得所述关键位置的模拟结果，在该模拟结果下，在RAMMS软件中选择泥石流启动方式为物源释放启动，通过模型反演，获得所述关键位置在不同降雨频率下物源释放启动所需要的物源量。

RAMMS软件为泥石流默认设置了两种启动方式，包括水力释放启动，即基于流量和时间的关系，在给定位置处释放一个流量进行泥石流启动，和物源释放启动，及将泥石流的发生全部归结为物源的转化，通过给定物源分布位置和厚度，启动泥石流，进行模拟。本实施例利用RAMMS内置的两种泥石流启动方式，以水力释放启动泥石流的方式下获得的模拟结果为基础，使用物源释放启动泥石流的方式模拟反演获得练登沟不同降雨频率下物源释放启动所需的物源量。

本实施例具体采用了以下步骤：

S51：考虑到练登沟内物源大多集中在33#剖面上游沟域，且33#剖面本身为设计的关键断面，因此以33#剖面为典型剖面进行物源释放量的确定，以1#、19#剖面位置作为水力释放点，进行不同降雨频率下的的动力学模拟，获得其下游33#剖面位置的模拟动力学参数，包括其泥石流流速、流量、一次过程总量等；

S52：将33#剖面位置的模拟动力学参数与根据S2获得的33#剖面位置的实测泥石流动力学参数进行对比，确认数值模拟结果的可靠性；

S53以现场调查获得的物源的静储量厚度乘以不同降雨频率下的厚度折减系数作为该两个剖面在不同降雨频率下的物源的启动厚度，其中厚度折减系数可初始设置为0.5，其后根据物源启动释放方式下的动力学模拟结果，不断试算并调整厚度折减系数，从而调整物源的启动量，每次调整后，将获得的下游33#剖面位置的模拟动力学参数与其通过S51获得的水力启动释放方式下的模拟动力学参数进行对比，当两者一致时，确定各物源的厚度折减系数；

S54：获得各物源的启动量后，在RAMMS中采用物源启动释放方式对泥石流的动力学过程进行模拟。

S55通过对上游控制性主、支沟的断面依次模拟校核，并与S2中计算结果进行对比，进一步验证各部位物源启动量的合理性，对不合理的物源点厚度进行微调，最终确定不同降雨频率下泥石流流域内各物源启动量及占比，如下表20所示：

表20练登沟沟床及沟床两侧堆积物启动量估算表

S6、基于S5对不同降雨频率下物源释放量的确定，采用物源释放方式模拟不同降雨频率下的泥石流运动过程，记录不同时刻获得的模拟泥石流动力学参数如泥石流的泥深、流速、整体冲击力变化和泥石流影响范围等，如下表21所示：

表21练登沟泥石流治理工程前天然沟道动力学过程特征参数数值模拟结果

注：Qc为泥石流流量，Vc为泥石流流速，Hc为泥石流泥深，F

S7通过S1-S6的构建过程获得泥石流模拟分析模型，通过所得模拟分析模型对治理工程的有效性进行模拟分析，其具体包括：

在治理工程实施后，在模拟分析模型中使用折减的容重和堵塞系数，采取水力释放启动泥石流的方式模拟练登沟泥石流动力学过程，以此来验证治理工程效果，也可在RAMMS里设置拦挡坝，采取物源释放启动泥石流的方式模拟泥石流动力学过程，以此来验证治理工程效果。

在本实施例中，S7具体包括：

S71：确定泥石流折减的容重和堵塞系数，包括：

根据泥石流治理工程的实施情况，可将治理工程有效程度分为局部有效、部分有效和整体有效三种，其中，局部有效指仅对沟中部分小型崩滑体进行防治，物源堵沟的可能性仍较大，针对堵溃的治理工程体系不完整，治理效果一般；部分有效指针对沟道内主要的启动物源，进行了部分固源拦挡，对中、大型崩滑堵沟物源进行有效防治，但沟内仍存在中、小型崩滑物源堵沟的可能，针对堵溃的治理工程体系基本完整，治理效果较好；整体有效指对沟道内可能启动堵沟的大、中、小型崩滑物源进行较为全面的固源拦挡，泥石流发生堵溃的可能性较小，针对堵溃的治理工程体系完整，治理效果良好。三种有效程度治理工程实施后对应的泥石流折减后容重分别为1.60～1.80t/m

S72：使用折减后的泥石流容重和堵塞系数，在RAMMS中采取水力释放启动泥石流的方式模拟33#号剖面不同降雨频率下的泥石流动力学过程，获得其动力学参数如流量、一次过程总量的模拟结果，如下表22所示，根据表22可知，本实施例中治理工程实施后泥石流流量和一次冲出规模明显降低，证明了治理工程的有效性。

表22练登沟泥石流治理工程全面实施前后33#剖面位置结果对比

S73：根据练登沟治理工程的设计规划，确定拦挡坝坝址区域的控制点坐标、坝长、设计高程等基本参数；根据拦挡坝的设计参数，通过修改所选坝址区域的原始等高线和高程点，得到附加拦挡坝的地形数据，再由地形数据生成DEM；将处理好的DEM导入RAMMS软件。

S74：基于S73导入拦挡坝参数后，得到带有拦挡坝数据的地理信息模型，根据S5所确定的物源启动量，在RAMMS中采用物源释放的方式模拟不同降雨频率下的泥石流动力学过程，确定33#剖面处的泥石流一次过程总量，并与拦挡坝库容量进行比较，以此验证治理工程的有效性，经过模拟计算，练登沟拦挡坝治理工程对泥石流有良好的防治效果，满足防治要求。

表23练登沟泥石流治理工程全面实施前后33#剖面位置结果对比

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。