泥石流论文.docx
- 文档编号:13372246
- 上传时间:2023-06-13
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:239.44KB
泥石流论文.docx
《泥石流论文.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《泥石流论文.docx(17页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
泥石流论文
泥石流灾害的预测
摘要
泥石流具有突然性以及流速快,流量大,物质容量大和破坏力强等特点。
发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等,造成巨大损失。
舟曲特大泥石流灾害引发了人们对泥石流的关注以及对泥石流发生可能的探究,而能更好的预测泥石流发生的可能,有助于减少泥石流灾难对人们生活,社会发展的影响,所以对泥石流的发生可能的预测就很有必要。
本文通过对云南德钦县全年降水量的分析与预测以及对其地质结构的了解,预测出该地区未来短期内发生泥石流的可能性以及对可能发生泥石流后对该地区产生的破坏性的探究。
关于对云南徳钦县发生泥石流的可能性分析,首先对其地质与地貌条件进行分析研究,然后根据该地区松散物质的来源以及堆积量进行统计,最后统计该地区每年的降雨量以及一年内各个时期的降雨量,根据统计数据利用非线性拟合得出该地区未来降雨量的分布图,从而预测该地区未来的降水量。
根据上述三个条件来判断该地区发生泥石流的可能性。
关于对云南徳钦县发生泥石流时破坏性大小的探究。
泥石流破坏性大小跟诸多因素有关,其中包括泥石流的流速、流量,当地人口的居住情况以及密集度,对发生灾难时采取的防护措施等。
未来达到对泥石流破坏性的探究目的,主要要解决的问题就是泥石流的流速、流量,这是对泥石流破坏性大小的主关键因素。
本文中应用曼宁公式来表达泥石流流速,其中的阻力因子nc实际上是包含泥石流内部及外部的阻力综合因子。
根据泥石流流量连续律,可得泥石流沟单宽流量计算公式。
然后根据流速、流量可以求出泥石流发生时产生的冲击力,从而得出该地区发生泥石流时对当地破坏性程度。
关键词:
泥石流产生原因,非线性模拟,曼宁公式,谢才系数
问题重述
我国是一个泥石流频发的国家,特别是在西南和西北山区,每年雨季由于滑坡泥石流等山地灾害造成的人员伤害及经济损失均十分严重。
2010年8月7日22时许,甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨,县城北面的罗家峪、三眼峪泥石流下泄,由北向南冲向县城,造成沿河房屋被冲毁,泥石流阻断白龙江、形成堰塞湖。
截止8月9日下午2时,山洪泥石流灾害已造成337人死亡,1148人失踪,成功解救受灾群众1242人。
此次特大山洪地质灾害灾情之大、伤亡人数之多、损失之严重在甘肃乃至全国都是少见的。
据网络报道:
云南德钦县地质状态与舟曲类似,位于滇西北横断山脉纵谷区,地质构造复杂,南北间深大断裂发育,岩石破碎,冻融作用加速了岩石破碎和物理风化进程,且三面环山,常见坡体失稳现象,是云南省地质灾害高易发区。
人们担心云南徳钦县会成为另一个甘肃舟曲。
建立模型判断云南徳钦县发生泥石流灾难的可能性。
若该地区发生泥石流灾难,请给出泥石流破坏性的大小。
问题分析
问题一的分析:
对于要预测云南德钦县发生泥石流灾害可能性,必须了解发现泥石流灾害的可能条件,根据发生条件来判断该地区是否能发生泥石流灾害现象。
首先了解云南德钦县的地质结构与地理环境,根据了解到的数据看是否可能符合发生泥石流灾害现象的条件,然后调查该的确地面松散物质的成分跟堆积量,看是否可能引发泥石流灾害现象,最后根据最近几年来该地区的降水量,然后预测该地区短期内的降水量,看是否可能引发泥石流灾害现象。
问题二的分析:
对于判断泥石流灾害的破坏力,首先的了解影响泥石流破坏力的因素,然后根据各个因素建立一个泥石流灾害破坏力的数学模型。
根据了解,影响泥石流破坏力的因素有:
泥石流的流速、流量,当地人口的居住情况以及密集度,对发生灾难时采取的防护措施等,对于当地人口的居住情况以及密集度可以根据当地的统计资料了解到。
影响泥石流破坏力大小的关键因素是泥石流的流速、流量。
建立流速以及流量的数学模型,可以根据曼宁公式来建立流速的数学模型,根据泥石流流量的连续性,得出流量的公式,最后根据流速、流量对泥石流破坏力大小的影响程度得出判断泥石流破坏力大小的数学模型。
模型假设与符号说明
符号说明:
发生泥石流的次数
下雨的天数
泥石流流量
泥石流流速
泥石流流过路段面积
泥石流水面坡度(山的坡度)
泥石流流深(泥石流的水面半径)
泥石流沟粗糙率
谢才系数
重力加速度
泥石流沿程阻力系数
单位体积内泥石流的质量
泥石流流动经过的路径
泥石流的密度
开始形成泥石流时的密度
泥石流密度改变系数
模型假设:
1、在预测时期内该地区不发生特大自然灾害;
2、在预测时期内该地区的地质跟地理环境基本无变化;
3、在预测时期内不考虑人对该地区的破坏;
4、假设泥石流形成后流动过程中的机械能守恒;
5、假设泥石流形成后是一半圆柱状;
6、假设泥石流沟中的松散物质分布均匀。
模型建立与求解
模型一的建立:
根据湘西某地区1990-2004年4-9月发生泥石流灾害及相关气象资料利用线性拟合建立一个泥石流发生可能的次数与一年中雨日的模型:
,
再根据暴雨日与发生次数数据拟合成新的数学模型:
然后根据云南德钦县一年中雨日,暴雨日判断一年中可能发生泥石流的次数以及发生时期。
模型一的求解:
根据湘西某地区1990-2004年4-9月发生泥石流灾害及相关气象资料[2](表一):
表一:
湘西某地区1990-2004年4-9月发生泥石流灾害及相关气象资料
年份
次数
暴雨日(天)
雨日(天)
总暴雨量
总降水量
1990
8
5
105
435.6
1104
1991
2
2
80
183.4
923
1992
3
2
78
256
981
1993
10
6
120
452.4
1195
1994
6
5
95
389.5
1070
1995
5
3
97
367.8
1093
1996
2
2
83
215.2
1007
1997
8
3
89
443.7
1140
1998
12
7
125
524.8
1235
1999
5
4
101
374.5
1085
2000
3
2
87
268.4
956
2001
1
1
85
102.4
943
2002
2
2
92
153.2
948
2003
6
4
103
403.8
1112
2004
4
3
91
357.9
1054
利用spss做出雨日与发生次数的散点图:
根据散点图,可以利用二项式函数拟合成:
即可求出次二项式为:
;从图像中可以看出,发生泥石流的次数基本在二次函数附近,而作残差分析(附录一),发现残差值非常小,所以此函数可以作为预测的模型,有一定的准确性。
再利用spss做出暴雨日跟发生泥石流的次数散点图:
根据散点图,我们可以利用线性函数拟合:
从而得出线性函数模型:
,从拟合图形中可以看出,此函数基本符合实际情况,对发生次数预测有一定的准确性。
作残差分析时(附录二),同样可以看出残差比较小。
模型二的建立:
在水利研究方面计算流速、流量问题通常采用曼宁公式计算,本文在研究泥石流流动过程中,把流动过程看做一般河流的流动过程,所以同样采用曼宁公式来计算泥石流的流速、流量。
根据曼宁公式:
①,
已知在使用曼宁公式时曼宁公式中的谢才系数跟当地的重力加速度有一定关系
②,
因为泥石流沿程阻力系数
跟当地的地质有关,因此
为一定值,假设恒定,所
以根据①式和②式得出泥石流沟的粗糙率
:
③,
一般来说利用曼宁公式来表达泥石流流速[4]为:
④,
再把③式代入④式,可以的出计算泥石流流速的模型:
⑤,
根据以前泥石流爆发的典型泥痕断面现场调查测量的平均流速[3],推测出泥石流断面流量计算公式如下:
⑥,
其中
为泥石流流过路段面积,其计算公式如下:
⑦,
然后根据⑤式,⑥式和⑦式得出泥石流流量的计算公式:
⑧,
对于计算泥石流的破坏性,可以利用机械能守恒来计算当泥石流流动过程中产生的能量大小。
因为泥石流在流动过程中会不断积累松散物质以及水分,在流动过程中根据有关数据显示泥石流的组成成分的密度会不断增大,假定密度该变量恒定为
,且跟水的密度
成正比关系即密度改变公式为:
⑨,
所以泥石流流动过程中在某一横截面的质量为:
⑩,
为了计算泥石流流的破坏力,可以根据机械能守恒算出泥石流在运动过程中的所具有的能量。
首先将泥石流在往下运动过程中所具有的动能
,以及在运动过程中重力势能的改变量
,阻力消耗的能量
,所以可以求得当泥石流流动到某一单位长度时具有的能量公式:
。
根据此能量公式就可计算出某次泥石流产生的能量,从而得出它所具有破坏性的大小。
模型求解:
根据云南德钦县的有关数据就求出当德钦县发生泥石流时所造成的破坏力,
对于云南德钦县发生泥石流时产生的能量利用MATLAB计算,具体结果及程序详见附表五。
结果分析
问题一结果分析:
若无重大自然灾害改变云南德钦县的地质结构,云南德钦县发生重大泥石流灾害的可能性很少。
根据中国知网[1]了解到,产生泥石流的原因有:
1、地形条件:
有足够长度的斜坡地形,且斜坡之坡度必须大于15度;2、松散固体物质条件:
斜坡上或沟谷中必须有足够数量的松散固体物质储备,且能和水混合;3、水源条件:
有足够量的水来源。
云南德钦县位于滇西北横断山脉纵谷区,地质构造复杂,南北间深大断裂发育,岩石破碎,冻融作用加速了岩石破碎和物理风化进程,且三面环山,常见坡体失稳现象,山体坡度均在40°以上,是云南省地质灾害高易发区。
根据数据显示[1],云南德钦县历年来降水量均在640左右,雨期在5到10月,主要集中在7-8月,其中7-8月中有15天左右是雨日,其他月份雨日在7天左右,根据预测模型可判断一年中发生泥石流的次数,以2007-2008年为例,预测值(附录三)与实际值(附录四)比较:
年份
雨日
实际次数
预测次数
2007
95
4
5
2008
110
7
8
利用spss预测出来的次数跟实际次数基本符合,所以该模型对于该地区有一定的适用性。
所以根据资料显示[2]云南德钦县在未来可能每年在雨季会发生泥石流,但是也次数不是很多。
因为德钦县城的山区沟谷都较短小,泥石流形成区以上沟段的汇水面积不大,即便有较大降雨,激发的洪水泥石流规模一般也不会特别大;另外,德钦县城地处地壳强烈隆升区,谷纵坡陡,沟床和沟坡上的松散固体物质易移动、难积累,泥石流频繁而规模较小的特征特别显著,并且根据中国气象局官网[2]了解到云南德钦县每年的年降水量平均在663毫升,每年中的雨季是6-9月,全年中降水量最多的7月也仅有135毫升左右,而当月降雨量超过350毫米时,日降雨量超过150毫米时,才可能发生重大泥石流灾害现象。
所以云南德钦县发生泥石流的可能性非常小,不会发生类似于甘肃舟曲的特大泥石流灾害现象。
对于网友所描述的“5米裂缝”一说,专家组认为是“贡卡冰川U型谷和冰蚀湖”,被网友在卫星图片上误读为“裂缝”,“5米裂缝”一说不存在。
问题二的结果分析:
可以根据云南德钦县曾经发生泥石流的时的各项数据统计,利用该模型计算出该地区下次可能发生泥石流时所造成的破坏力,从而做出相应的防护措施,将灾难减少到最低。
由于缺乏具体相关数据,而若引起其他地区的相关数据,对于云南德钦来说,预测的准确性比较低。
模型评价
对于模型一,该模型计算简单,在地质与地理条件不变的情况下,只考虑降水量就可预测某地区可能发生泥石流的次数,但是该模型只是考虑了降水因素,所以在应用该模型前,必须了解到某地区是否具备发生泥石流可能的其他两个条件即:
有陡峭便于积水集物的适当地形;上游堆积有丰富的松散固体物质。
对于模型二,该模型具有普遍适用性,只要了解到某地区曾经发生泥石流的各项数据,就可预测出该地区以后可能发生泥石流时所具有的能量大小,从而判断出它的破坏性。
但是该模型必须要了解到曾经发生泥石流时的各项数据,不能对某个地区第一次发现泥石流时破坏性的大小做出准确预测。
该模型只考虑了某地区发生泥石流时泥石流所具有的能量,没有考虑该地区居民居住情况,所以无法预测泥石流发生时对人民财产所造成的损失。
参考文献
[1]聂俊丽,杨云保,罗刚,云南省德钦县泥石流特征及成因分析[J].
地球与环境,2005,33.
[2]匡乐红,区域暴雨泥石流预报方法研究[D].中南大学,2007-11-26.
[3]苏延敏,数值模拟在泥石流流量计算中的应用[J].山西建筑,
2010,36(21).
[4]费祥俊,熊刚,泥石流输砂能耗及运动速度与阻力的计算方法[J].
泥沙研究,1995-12,(4).
[5]韦方强,汤家法,谢洪,钟敦伦,区域和河谷相结合的泥石流预报及其运用[J].山地学报,2004,(03).
附录一:
模型一的残差分析(FIT_1是预测值,ERR_1是残差值):
附录二:
暴雨时,残差分析(FIT_1是预测值,ERR_1是残差值):
附录三:
预测数据与实际数据比较:
附录四(摘自迪州人们政府办公室通知):
2007年地质灾害情况
(一)地质灾害主要影响因素
2007年5月上旬至中旬,全州雨季开始,汛期比往年提前,6月至9月进入主汛期,加之全州降雨增加,十分脆弱的地质环境是造成地质灾害的主要原因。
(二)地质灾害事件
1月30日,德钦县佛山乡纳古村纳古小组,因山体坡陡及下方国道214线切坡,诱发中型滑坡,从滑坡地带经过的输电线路及光缆线中断造成经济损失预计200万元。
5月17日,香格里拉县尼西乡汤满村汤满电站,因强降雨,电站出水口被杂草、漂浮物及树枝等堵塞,沟水外流,顺坡而下,带动山坡土体,造成泥石流,预计损失700万元。
5月17日,德钦县升平镇因长时间强降雨,县城周边多处发生小型滑坡、泥石流、崩塌,造成经济损失30万元。
7月20日,香格里拉县格咱乡翁水村翁水下社,因长时间强降雨,发生小型泥石流,造成直接经济损失28.6万元。
7月20日香格里拉县三坝乡东坝村扎日上小组,因强降雨诱发泥石流,预计损失10万元。
7月24—26日,德钦县升平镇因强降雨,发生小型泥石流,造成经济损失约100万元。
7月25日,德钦县拖顶乡左力村,因强降雨,发生小型泥石流,造成经济损失50万元。
7月17日,维西县巴迪乡因强降雨,发生小型泥石流,造成经济损失16万元。
8月23日,德钦县下若月仁村,因降雨发生泥石流,造成经济损失40万元。
8月6日,维西县塔城镇柯那村,山洪暴发发生中型泥石流,造成经济损失312万元。
9月4日,香格里拉县五境乡口下珠村,因持续降雨,发生小型崩塌,造成经济损失25万元。
附录五:
计算泥石流产生能量的MATLAB程序
Functionf=fun()
f=sqrt((32*g^3)/
^3)*h©^(7/2)*I©^(3/2)*
*
(0)*pi*l+
*pi*
(0)*l^2*h©^(5/2)*I©^(1/2)*sqrt(2*g/
)*(sinI©-
);
>>g=10,fun(
h©,I©,
(0),l)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 泥石流 论文