一种冰碛湖溃决的溢流水位预警方法及其应用

本发明涉及到水利工程，尤其涉及一种冰碛湖溃决的溢流水位预警方法及其应用。

背景技术：

1、冰碛湖溃决是一种发生在高山冰川分布区的自然现象。冰碛湖溃决的主要成因类型是冰滑坡或冰崩入湖所致漫溢型溃决。冰滑坡或冰崩入湖使水位上涨形成冰碛堤上的溢流通道内溢流，溢流水位较高时，水流搬运侵蚀溢流通道的粗大块石，再侵蚀粗大块石下面的混杂堆积泥沙，导致溢流通道被侵蚀下切，再向两边扩展，最终形成溢流通道完全侵蚀，便导致冰碛湖溃决。除此之外，滑坡或崩塌造成大量泥沙进入冰碛湖，暴雨或冰雪融化，上游冰湖溃决，也都可能导致冰碛湖水位上涨最终引起冰碛湖溃决。因此，研究冰碛湖溢流溃决的临界水位条件是预测预报冰碛湖溃决灾害的基础。国内外对冰碛湖溃决的临界溢流水深计算研究主要建立在上涨水深与溃决水深相等的假设基础上，即原冰碛湖水位为零的情况，这显然不符合实际。或计算溃决洪水时采用冰碛湖水深代替溢流水深(这两个水深相差约1个数量级)，计算结果有较大误差。(蒋忠信，崔鹏，蒋良潍，冰碛湖漫溢型溃决临界水文条件，铁道工程学报，2004，84(4)：21-26.)。冰崩造成冰蹟湖溃决的诱发因素是气温升高，造成冰碛湖后缘冰川发生冰崩，大块冰体进入冰碛湖，水位陡涨，溢流水位大幅升高侵蚀冰蹟堤溢流口泥沙造成冰蹟堤溃决。水位陡涨是一个直接影响条件，因此可以监测水位的突然变化预警冰碛湖溃决。影响冰碛湖水位的因素较多，一般可以归结为：冰蹟堤坝顶厚度、冰蹟堤背水坡坡度、冰碛湖面积等(中国科学院成都山地灾害与环境研究所，西藏自治区交通科学研究所，西藏泥石流与环境，成都科技大学出版社，1999，79-89.)但水位突然上涨后，在冰蹟堤溢流口处往外溢流的水流会造成上涨水位回落，如果回落较快，还没有完全侵蚀完冰蹟堤的坝顶厚度，水位就回落到不能侵蚀泥沙的水位时，冰碛湖就不会发生溃决。因此，涉及到冰碛湖溃决的临界水位，与冰蹟堤坝顶厚度、冰蹟堤溢流口宽度、蹟堤溢流口的泥沙粒径、冰碛湖面积、冰碛湖湖面形态(平均宽度和长宽比)、冰碛湖岸边斜坡平均坡度等因素有关，必须考虑这些因素才能获得可靠的冰碛湖溃决条件。

2、公开号为cn107749144a，公开日为2018年03月02日的中国专利文献公开了一种冰湖溃决的溢流水位预警方法，包括以下步骤：a、调查测量冰蹟堤坝顶厚度t、溃决口宽度b、冰湖平均宽度w0、冰湖长宽比c、溃决前冰湖岸边斜坡平均坡度β和起动泥沙特征粒径d；b、计算得到冰湖溃决的临界溢流水深h；c、高于溢流口的冰湖水位突然上涨，时间超过30s，且当hcr＜0.6h，冰湖溃决发生概率很小；当0.6h≤hcr＜0.8h，冰湖溃决发生概率小；当0.8h≤hcr＜h，冰湖溃决发生概率中等；当hcr≥h，冰湖溃决发生概率大。

3、该专利文献公开的冰湖溃决的溢流水位预警方法，通过研究冰碛堤溃决的临界水深条件，建立了冰碛湖溃决预警预报模型；全面考虑冰碛湖的溃决口宽度，冰碛湖平均宽度及长宽比，以及冰碛堤上的起动颗粒粒径等地形与特征参数，以定量的方式对冰碛湖溃决进行预报，具有较强的适用性。但是，该方法主要考虑的是冰碛堤的特征参数，如冰碛堤表面粗颗粒作为泥沙起动特征粒径，以及冰碛湖的平均宽度、长宽比等参数，还考虑了溢流口的宽度等参数，是综合考虑水位上涨后的持续侵蚀时间等因素的冰湖溃决预警方法。但引起冰碛湖溃决的关键，并不是冰碛堤，而是冰碛堤上的溢流通道，溢流通道的粗颗粒铠甲层，即表面的粗大块石，有两种被起动破坏的情况：一是在溢流通道的坡度转折点，即缓坡与陡坡的转折点有一个粗颗粒被水流起动，就会引起溢流通道的粗颗粒铠甲层产生连锁反应，引起周围粗颗粒被全部逐渐起动；二是在大坡度条件下，溢流通道陡坡铠甲层被整体起动或称为坡面失稳。这两种情况都会造成铠甲层被破坏，失去了铠甲层粗颗粒保护的冰碛湖溢流口，将被水流进一步侵蚀，向下、向周围侵蚀，最后造成冰碛湖溃决。因此，冰碛湖水位上涨持续时间并不重要，重要的是较高的水位能第一时间起动铠甲层粗颗粒。造成溢流口铠甲层粗颗粒被侵蚀起动是引起冰碛湖溃决的关键因素，而冰碛湖水位在溢流口的溢流水位，就是激发冰碛湖溃决的一个关键条件，该专利文献没有考虑到冰碛湖的溃决实际条件，影响预警精确度。

技术实现思路

1、本发明为了克服上述现有技术的缺陷，提供一种冰碛湖溃决的溢流水位预警方法及其应用，本发明全面考虑了冰碛湖溃决临界溢流水深的影响因素，计算得出的结果更加符合实际情况，极大的提高了预警精确度，具有更好的适用性。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、一种冰湖溃决的溢流水位预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、a、调查测量冰碛湖的溢流通道，测量溢流通道的粗颗粒铠甲层平均中径粒径d，测量溢流通道的缓坡段坡度α和陡坡段坡度β，测量冰碛湖现有水位在溢流口入口段与粗颗粒铠甲层的表面高差h0，若冰碛湖现有水位低于粗颗粒铠甲层的表面，则h0为正，若冰碛湖现有水位高于粗颗粒铠甲层的表面，则h0为负；

5、b、根据溢流通道的陡坡段坡度β，确定溢流通道的粗颗粒铠甲层被起动的破坏模式，再确定冰碛湖溃决临界水位hc；

6、c、在溢流口周围建立冰碛湖水位监测点，测量冰碛湖现有水位，并作为基本水位，根据冰碛湖现有水位进行监测预警；

7、d、划分预警等级，当冰碛湖监测水位h＜0.75hc，冰碛湖溃决发生概率很小，发出绿色安全信号；当冰碛湖监测水位h≥hc，但持续时间小于30s，冰碛湖溃决发生概率小，发出黄色预警信号；当冰碛湖监测水位h≥0.75hc，且持续时间大于30s，冰碛湖溃决发生概率中，发出橙色预警信号；当冰碛湖监测水位h≥hc，且持续时间大于30s，冰碛湖溃决发生概率大，发出红色预警信号。

8、所述步骤b中，当陡坡段坡度β≥25°时，粗颗粒铠甲层被起动的破坏模式为整体起动，冰碛湖溃决临界水位hc通过式1计算；

9、hc＝h0+0.75d         式1

10、当陡坡段坡度β＜25°时，粗颗粒铠甲层被起动的破坏模式为单个起动，冰碛湖溃决临界水位hc通过式2计算；

11、hc＝h0+(2.45-0.1k)d  式2；

12、其中，hc为冰碛湖溃决临界水位；d为溢流通道的粗颗粒铠甲层平均中径粒径；β为陡坡段坡度，k为溢流通道陡坡段坡度与缓坡段坡度的坡度差，k≤20，当k＞20时，k取20；h0为冰碛湖现有水位在溢流口入口段与粗颗粒铠甲层的表面高差。

13、所述步骤d中，冰碛湖监测水位h是指对比当时测量水位后的水位。

14、本发明适用于因冰碛湖水位上涨引起的冰碛湖溃决预警。

15、本发明适用于冰川发生冰崩、滑坡或崩塌进入冰碛湖引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警。

16、进一步的，本发明适用于降雨或冰雪融化引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警。

17、更进一步的，本发明适用于上游冰湖溃决引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警。

18、本发明的基本原理如下：

19、冰碛湖的冰碛堤存在溢流通道，一般在雨季或夏季，冰雪融化的水流进入冰碛湖，再通过溢流口进入溢流通道流到下游。溢流通道由粗大块石覆盖在表面，形成粗颗粒铠甲层保护溢流通道底下的混杂颗粒。当溢流水位不高时，水流无法侵蚀搬运溢流通道的粗大颗粒，溢流通道被粗颗粒铠甲层保护起来，不会被侵蚀，冰碛堤不会发生溃决，冰碛湖处于稳定状态。当冰碛湖的水位上涨，在溢流口的溢流水位也上涨，水流在溢流通道的水位也上涨，此时可能发生两种情况：

20、其一、溢流通道的陡坡段在大坡度，25度及以上条件下，较高水位造成粗颗粒铠甲层整体失稳，粗颗粒铠甲层一起运动到下游；

21、其二、溢流通道的陡坡段坡度在25度以下时，粗颗粒铠甲层不会整体失稳，但在陡坡段与缓坡段的转折点处，由于坡度突然变化，粗颗粒在转折点暴露最多，在较高的水位条件下，个别粗颗粒因为粒径相对较小，或过于暴露，被水流起动，此时该颗粒周围的粗颗粒平衡被打破，其上下游以及两边的粗颗粒也会随之被起动运动到下游；失去了粗颗粒铠甲层保护的溢流通道，迅速被侵蚀，下切，向两边侵蚀，造成冰碛湖的溃决。

22、本发明的基本原理就是冰碛湖水位上涨的水位超出溢流口的临界水位，在溢流通道形成较高水位，就会造成冰碛湖溃决。在此机理研究基础上，通过大量研究与准确的推导与计算，提出本发明的预警方法与判断标准。

23、本发明的有益效果主要表现在以下方面：

24、1、本发明，全面考虑了冰碛湖溃决临界溢流水深的影响因素，计算得出的结果更加符合实际情况，极大的提高了预警精确度，具有更好的适用性。

25、2、冰碛湖溃决的直接原因是冰碛湖水位超过起动侵蚀溢流通道的临界水位，间接原因是温度升高融雪或降雨；发生体积较大的冰崩；较大冰崩体进入冰碛湖，引起水位上涨较多；较大体积的滑坡或崩塌进入冰湖，引起水位上涨较多；冰碛湖上游的冰湖溃决，造成大量水体进入冰碛湖，水位上涨；本发明更直接地将冰碛湖水位上涨这个直接导致冰碛湖溃决的因素考虑为预警指标，没有其他间接影响因素的不确定性，使得预警准确度更高，适应性更强。

26、3、本发明，考虑到冰碛湖水位上涨起动侵蚀溢流通道的粗颗粒铠甲层的不同机理，利用粗颗粒铠甲层整体颗粒起动的机理，在溢流通道陡坡段的大坡度条件下，给出合适的溃决水位条件，因此适用性很强。

27、4、本发明，考虑到冰碛湖水位上涨起动侵蚀溢流通道的粗颗粒铠甲层的不同机理，利用粗颗粒铠甲层单个颗粒起动的机理，在溢流通道陡坡段与缓坡段的转折点，陡坡段25度以下可以形成起动，给出合适的溃决水位条件，增强了适用性。

28、5、本发明，溃决机理是溢流通道粗颗粒铠甲层被起动侵蚀位置的水位上涨，具体就是陡坡段的大坡度段，或陡坡段与缓坡段的转折点水位上涨，但是该位置处设立水位监测非常困难，监测的水位因巨石的影响起伏较大，难于给出正确的监测水位，而采用监测时溢流通道的入口水位，结合当时的冰碛湖水位开展监测预警，就能很好地预警冰碛湖溃决，具有较强适用性。

29、6、本发明，适用于因冰碛湖水位上涨引起的冰碛湖溃决预警；适用于冰川发生冰崩、滑坡或崩塌进入冰碛湖引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警；适用于降雨或冰雪融化引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警；适用于上游冰湖溃决引起冰碛湖水位上涨的冰碛湖溃决预警，具有广泛的适用性。