无资料地区堰塞湖溃决灾害预警体系建立方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于灾害预警技术领域，尤其与一种无资料地区堰塞湖溃决灾害预警体系 建立方法有关。
【背景技术】
[0002] 山体滑坡、崩塌，或泥石流堵塞天然河道断流而形成的"天然水库"称为堰塞湖。其 结构松散，组成成分极不均匀，整体稳定性较差，易因失稳、管涌、漫顶冲刷等溃决。多数堰 塞湖在形成不久后溃决，其中漫顶溢流为主要的溃决形式。
[0003] 由堰塞湖溃决引发的危害显著，主要有：一，堰塞湖水体迅速下泄引发洪涝灾害； 二，溃坝洪水沿河道肆意冲刷，易造成新的滑坡体、崩塌体;三，堰塞坝溃坝后洪水挟砂石下 泄，诱发泥石流。故堰塞湖一旦漫顶溃决，溃坝洪水将严重威胁下游人民的生命财产安全。
[0004] 国内外相关学者对堰塞湖的坝体特征、溃口演化过程、溃坝洪水计算、堰塞湖灾害 治理等进行了研究，提出了相应的理论。其中，溃口流量的计算方法可归纳为三种，分别为 经验模型方法、半经验模型方法和物理模型方法。经验模型方法是基于参数的计算方法，主 要利用一些关键参数(如溃口最终宽度、溃决历时等），通过简单的时间变化过程(如溃口形 状的线性发展过程)来计算溃口的流量过程，Kirkpatrick，Hagen，MacDonald，Froechlich， Costa，Singh，Von Thun，Evens，Webby等提出了相关的研究成果。
[0005] 半模型方法是通过建立库容和坝高等关键参数与溃口形状发展速度、最大溃口流 量之间的回归方程来计算溃口水流过程，主要研究成果有:谢任之公式、黄河水利委员会公 式、白世录公式、铁道科学研究院公式。溃口流量计算的半经验模型之一一一谢任之公式， 是根据后屯、辽河、板桥等水库观测和调查资料，将逐渐溃坝流量过程线概化为三角形，通 过堰流方程和溃口宽度的回归公式计算逐渐溃坝的峰值流量，公式如下：
[0011] 式中，bA峰值流量的溃口宽度(m);WQ为堰塞湖库容(m3);K为冲刷系数;H〇为堰塞 湖洪水深(m);E为坝体横断面面积(m 2);P为土质系数;qm流量为溃口峰值流量(m3/s);A为 谢任之统一流量系数;m~n 6为系数人和比为矩形断面自由出流、溃口至河底、堰宽比为e的 流量系数为非矩形断面形状指数为m的流量系数;g为重力加速度(9.81m/s 2)。
[0012] 洪水演进的水力学计算方法之一--Saint-venant (圣维南)方程组，是在对明渠 非恒定流的客观现象进行概括、抽象、简化的基础上，并依据质量守恒、牛顿第二定律和能 量守恒等基本原理而建立的，也称为明渠非恒定流的基本方程式。它是由连续方程和动量 方程所组成，表征的水流要素与流程坐标和时间t的函数关系。
[0013] 圣维南一维方程组由连续方程和能量方程组成：
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[0015] 式中，X为流程;t为时间（s) ;v为流速(m/s) ;Q为流量(m3/s) ;A为断面面积(m2) ;z为 水位(m)。
[0016] 圣维南方程组实践中常使用数值算法求解。
[0017] 物理模型方法是基于溃口的物理发展过程，综合运用水力学和泥沙动力学原理来 计算溃口流量过程线的计算方法。常用的溃坝模型有DamBrk模型和BREACH模型。另外，溃坝 洪水演进的计算方法可分为两大类:一是水文学的方法，即主要采用实测资料反算出数学 模型中的参数，再来用作洪水演进的预报，例如马斯京根法(Muskingum)、特征河长法等； 二是利用水力学方法，即主要通过Saint-Venant方程组或简化方程组求解洪水的演进过 程。
[0018] 总的来说，碍于资料匮乏、样本局限，关于堰塞湖各个方面的专项研究尚不成熟， 且未能形成成熟的堰塞湖溃坝预警预报体系，不能对堰塞湖溃坝危险作出迅速且准确的反 应。
[0019] 堰塞湖的应急处理措施主要包括工程、非工程两大类。工程措施，主要包括开挖泄 槽、爆破堰塞体、机械排水、疏通下游河道等手段，该措施旨在通过降低水库水位，进而降低 溃坝风险。工程措施在很多排险上颇有成效，但是对无资料地区堰塞湖的处理仍然面对着 以下困难:第一，无资料地区缺乏水文、地质资料，无法设计合理的排险工程措施;第二，汛 期抢险工期要求紧，而工程措施耗时较长;第三，堰塞湖多处于偏僻地区，工程设备容易因 交通条件差而无法进场。而非工程措施，旨在分析可能的受灾区域及其受灾严重性，采用预 警预报、合理疏散居民以降低受灾程度的措施。
[0020] 故考虑到非工程措施的必要性且目前尚无一套成熟的堰塞湖溃决灾害预警体系， 设计构建一套灾害预警体系，对无资料地区堰塞湖进行灾害预测，从而快速有效的发出预 警信号，为决策部门排险或避险方案的定制提供有力的依据，指导下游居民安全避险，对保 护下游百姓的生命财产安全具有重大的意义。
【发明内容】
[0021] 针对上述现有技术中所存在的问题，本发明的目的旨在提供一种可以实现基础资 料输入、预警信号输出的过程，在系统内部进行洪水预报、溃坝预警、洪水演进等分析计算 的无资料地区堰塞湖溃决灾害预警体系及其建立方法。
[0022] 为此，本发明采用以下技术方案:无资料地区堰塞湖溃决灾害预警体系建立方法， 其特征是，灾害预警体系包括洪水预报、下泄流量拟定、溃坝洪水演进、灾害预警四大模块， 具体步骤如下：
[0023] 步骤一:根据堰塞湖形成的区域位置，收集相应流域的基础资料，包括水文气象资 料、数字高程数据DEM和土地覆盖数据；
[0024] 运用ArcGIS的水文分析模块提取水系，主要步骤为:首先，依据流域出口所在的位 置提取研究流域的DEM;其次，对DEM进行填洼处理;再次，利用无洼地DEM以此进行流向分析 及汇流累积量计算;最后，通过详细考察流域的地形地貌，分析已有的测量资料、航测图确 定集水面积阈值，提取符合流域地貌发育规律的河网；
[0025] 步骤二:利用各式水位计等传感器对堰塞湖进行实时水位监测，在监测的同时进 行实时资料的监测收集，为洪水预报提供数据;把距离坝顶lm时的水位定为警戒水位，根据 水位计监测堰塞湖水位;根据之前所监测到的数据预报下一个时段的洪水过程（24h预见 期），若此时能将库区蓄满，则之前所测得24h的累积降水量即是临界条件，拟定这个累积雨 量的一半为临界雨量；当实时监测到该流域出现临界雨量时随即发出溃坝预警;若这一个 时段的洪水过程未将库区填满，则依次向后进行洪水预报，直到达到堰塞湖能够蓄满时刻 为止，取该时刻前24h所测得的累积雨量的一半为临界雨量，同理当实时监测流域累积降水 达到该值时，即刻发布溃坝预警；
[0026]步骤三:发出溃坝预警后，根据堰塞湖的组成成分选择合适的土质系数和流量系 数，运用谢任之土石坝溃决溃口宽度公式和土石坝逐渐溃决的峰顶流量公式，计算出堰塞 湖漫顶溃决的溃口宽度和洪峰流量，谢任之公式如下：
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[0032] 式中，bm为峰值流量的溃口宽度(m);Wo为堰塞湖库容(m3);K为冲刷系数;Ho为堰塞 湖洪水深(m);E为坝体横断面面积(m2);P为土质系数;qm流量为溃口峰值流量(m 3/s);A为 谢任之统一流量系数;m~n6为系数义和氏为矩形断面自由出流、溃口至河底、堰宽比为 e的 流量系数;ftn为非矩形断面形状指数为m的流量系数;g为重力加速度(9.81m/s2);
[0033]步骤4:选取将要进行洪水演进分析的河段，将计算得到的堰塞湖溃决峰顶流量运 用于溃坝洪水的演进公式，计算出堰塞湖溃坝后洪水演进到所选河段始端的最大流量;运 用水动力学软件Surface Water Modeling System的RMA2模块建立洪水演进模型，过程包 括河段网格的划分、地形资料的输入、边界条件的确定、参数的调试;其中糙率、涡粘系数是 该模型中至关重要的两个参数，根据实际资料的情况以及该模型运行的相关经验，直接设 置这两个参数，将所选河段始端的最大流量代入到洪水演进模型中，即可计算出所选河段 各个位置的洪水水位高程；
[0034]溃坝洪水的演进公式如下：
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[0036] 式中QLM为溃坝洪峰流量演进至坝址下游L公里时，在该处可能的最大流量;W为水 库溃坝时的库容;QmS坝址位置的溃坝洪峰流量;L为距坝址的距离;v为河道洪水期断面的 最大平均流速，山区3~5m/s;K为经验系数，山区1.1~1.5;
[0037] 步骤五:将洪水演进过程中淹没的最高高程称之为警戒高程，结合河道的实际地 形资料及居民点的分布，预估下泄洪水的淹没范围以及淹没损失的严重程度，实时拟定发 出撤离、转