阅读说明：本技术 一种泥石流疏导方法 (Debris flow dredging method ) 是由 董云 于丰泽 胡鹏 岳建国 田华 王首智 韩俊 赵国华 任海波 邓弟平 于 2020-06-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种泥石流疏导方法,包括S1、根据遥感技术、区域历史水文数据和山体区域地形图,构建山体区域三维模型；S2、根据发生泥石流灾害时的历史数据,分别构建各个山体区域的灾害预测模型；S3、根据灾害预测模型中泥石流灾害的概率进行各个山体区域泥石流等级评定,并将评定后的山体区域等级映射于山体区域三维模型中,包括：S4、对在所述山体区域三维模型中标注为黄色、橙色和红色的山体区域进行防护治理。(The invention discloses a debris flow dredging method, which comprises the steps of S1, constructing a three-dimensional model of a mountain area according to a remote sensing technology, regional historical hydrological data and a mountain area topographic map; s2, respectively constructing a disaster prediction model of each mountain area according to historical data when the debris flow disaster occurs; s3, performing debris flow grade assessment in each mountain area according to the probability of debris flow disasters in the disaster prediction model, and mapping the assessed mountain area grade in a mountain area three-dimensional model, wherein the steps comprise: and S4, performing protective treatment on the mountain areas marked with yellow, orange and red colors in the three-dimensional mountain area model.)

一种泥石流疏导方法

技术领域

本发明属于泥石流治理的技术领域，具体涉及一种泥石流疏导方法。

背景技术

南方地区沟谷纵横，沟道两岸通常风化严重，表层岩体破碎，强降雨、地震等作用后，表层破碎的岩土会剥离山体，在沟道发生泥石流。如汶川地震发生之后，四川地区泥石流发生愈加频繁，泥石流对当地造成巨大的损失。

泥石流是携带大量泥砂、石块等物质的特殊洪流，具有暴发突然、来势凶猛、强大的破坏力的特点。

泥石流形成的条件可分为：

1、充沛的水源；2、丰富的松散固体物质；3、有利的流域形态和沟床纵坡。泥石流成因要素中，水动力条件是随环境而变化的因素，松散固体物质和流域条件是相对固定的因素。所以在泥石流的形成过程中，会因携带的泥石而使洪流具有强大的冲刷能力，侵蚀沟道卷入更多的泥石，使泥石流的规模逐渐发展壮大。泥石流包括形成区、流通区和堆积区，泥石流防治工程宜在泥石流的形成区和流通区内。控制泥石流的形成区和流通区的水动力条件，可以有效防止泥石流灾害的发生。

目前的泥石流治理工程主要有截水工程、拦蓄工程、排导工程、护坡工程等，以控制泥石流的发生和造成危害。利用截水等工程控制地表洪水径流，削减水动力条件，需要有利的地形条件，主要适用于大型泥石流沟的治理。拦蓄泥石流固体物质是减少泥石流危害的有效措施，修建谷坊、拦挡坝，蓄泥石流的塘、库或洼地，使松散固体物质不参与泥石流运动，也可以在防护区的范围以外，利用洼地、沟壑、荒滩、湖沼或修建围堤，以足够大的容积将泥石流引入屯蓄起来，使之不产生危害。

拦蓄工程存在的主要问题是工程量大和使用的限制条件多。

排导工程是利用排洪道、渡槽等工程，***泥石流，控制泥石流的危害。由于泥石流的侵入能力强、固体物质丰富，排导槽抗冲刷和抗淤积能力要求很高。

除工程措施外，通过种植乔、灌木、草丛等植物，充分发挥其滞留降水、保持水土、调节径流等功能，从而达到预防和制止泥石流发生或减小其规模，减轻其危害程度的目的。生物措施的特点是投资省、能改善自然环境，但发挥效用的时间长，不能及时防治泥石流灾害发生。

综上，现有的泥石流防护效果不佳，不能有效阻缓冲或者抵御泥石流发生时的强大冲击力和破坏力，进而造成严重的灾害。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种泥石流疏导方法，以解决现有的泥石流防护效果不佳，不能有效阻缓冲或者抵御泥石流发生时的强大冲击力和破坏力，进而造成严重的灾害的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种泥石流疏导方法，其包括：

S1、根据遥感技术、区域历史水文数据和山体区域地形图，构建山体区域三维模型；

S2、根据发生泥石流灾害时的历史数据，分别构建各个山体区域的灾害预测模型；

S3、根据灾害预测模型中泥石流灾害的概率进行各个山体区域泥石流等级评定，并将评定后的山体区域等级映射于山体区域三维模型中，包括：

S3.1、基于灾害预测模型对各个山体区域发生泥石流的概率划分为：安全、危险、较危险和极度危险；

S3.2、根据划分后的山体区域，在山体区域三维模型中采用不同颜色对山体区域进行标注；

S3.3、将等级划分为安全的山体区域标注为绿色，等级划分为危险的山体区域标注为黄色，等级划分为较危险的山体区域标注为橙色，等级划分为极度危险的山体区域标注为红色；

S4、对在所述山体区域三维模型中标注为黄色、橙色和红色的山体区域进行防护治理，包括：

S4.1、在山体区域垂直方向倾斜角度为(30°，90°)的斜坡上开设若干避免径流流量过大截洪槽，并在斜坡底部基于防护子系统减缓泥石流的冲击破坏力，包括：

S4.1.1、将泥石流导入砂石缓冲区，泥石流依次流经交错分布的用于减缓泥石流冲击力的若干沉降斜板，并通过导洪管将部分水量导入河流；

S4.1.2、泥石流依次流经第一堤坝、过滤格栅和第二堤坝，抵挡、过滤泥石流中的大部分泥沙碎石；

S4.1.3、将泥石流中的水分导入导流缓冲区，并依次流经若干个用于减缓流速的缓冲单元，当雨量传感器检测到当前的雨量大于预设阈值时，控制开启引流管上的电磁控制阀，通过引流管将部分水量导入河流中；

S4.1.4、流速减缓后的水分进入沉淀池沉淀杂质、泥沙和碎石，并进入集水池内存储；

S4.2、在山体区域垂直方向倾斜角度为(0°，30°)的缓坡区域上，沿坡向方向分模块种植若干绿植植被，包括：

S4.2.1、根据缓坡区域地形，在缓坡上开设若干纵横交错的引流路径；

S4.2.2、若干纵横交错的引流路径之间形成若干种植模块；

S4.2.3、沿缓坡坡向方向，在缓坡同一高度的所有种植模块内种植防止水土流失的树本植物，在缓坡另一高度的所有种植模块内种植草本植物，即沿缓坡方向，交错种植树本植物和草本植物；

S4.2.4、每根所述引流路均径延伸至山下，并与山下河流、水渠、农田、果园或者鱼塘连通。

优选地，S2中根据发生泥石流灾害时的历史数据，分别构建各个山体区域的灾害预测模型为；

P＝ρ_xD_xρ_yD_y+ρ₁C₁+ρ₂C₂+ρ₃M₁+ρ₄M₂+ρ₅M₃+ρ₆N₁+ρ₇N₂

其中，P为发生泥石流灾害的概率，D_x为降雨强度，D_y为降雨持续时间，C₁为区域主要植被种类，C₂为区域主要植被种类覆盖面积，M₁为山体土壤或岩体主要类型，M₂为土壤或岩体的厚度，M₃为岩体或土壤松散度，N₁为山体垂直方向倾斜角度，N₂为山体水平方向倾斜角度即形成的纵向沟壑深度，ρ_x、ρ_y、ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄、ρ₅、ρ₆和ρ₇为概率因子。

优选地，S2中灾害预测模型的概率因子的求解包括：

S2.1、对若干年发生泥石流灾害时的历史数据进行归一化处理；

S2.2、将归一化处理后的若干数据按照5:2的比例划分为训练集D和测试集C；

S2.3、设定迭代次数n，n＞1000，在训练集上D训练灾害预测模型，得到若干组概率因子；

S2.4、在测试集C上对训练后的灾害预测模型进行评估，得到若干组测试误差，选择误差值最小的概率因子带入，得到误差最小灾害预测模型；

S2.5、随机将训练集D划分为训练集D_train和验证集D_valid；

S2.6、在训练集D_train上训练误差最小灾害预测模型；

S2.7、在验证集D_valid上测试误差最小灾害预测模型的模型概率精度；

S2.8、重复步骤S2.5-步骤S2.7，直至模型概率精度达到预设值为止。

本发明提供的泥石流疏导方法，具有以下有益效果：

本发明根据山体区域三维模型中发生泥石流灾害概率的颜色区分，对易发生泥石流灾害的山体区域进行多层次的防护治理，并对易发生泥石流灾害的山体区域进行陡坡和缓坡的区别防护，以有效减缓泥石流对陡坡的冲击力和破坏力，以及在减少缓坡水土流失的前提下，将缓坡上的水流集中汇流至山下，进行水体的多层次利用。

附图说明

图1为泥石流疏导方法的流程图。

图2为泥石流疏导方法的防护子系统结构图。

图3为泥石流疏导方法砂石缓冲区结构图。

图4为泥石流疏导方法沉降斜板结构图。

图5为泥石流疏导方法缓冲单元结构图。

图6为泥石流疏导方法缓坡疏导示意图。

其中，1、山体斜坡；2、截洪槽；3、砂石缓冲区；4、导流缓冲区；5、沉淀池；6、集水池；7、沉降斜板；8、导洪管；9、第一堤坝；10、第二堤坝；11、引流管；12、过滤格栅；13、缓冲单元；14、沉降滑槽；15、缓冲阶梯；16、矩形引流槽；17、电磁控制阀；18、引流路径；19、缓坡。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1-图6，本方案的泥石流疏导方法，包括：

S1、根据遥感技术、区域历史水文数据和山体区域地形图，构建山体区域三维模型；

S2、根据发生泥石流灾害时的历史数据，分别构建各个山体区域的灾害预测模型；

S3、根据灾害预测模型中泥石流灾害的概率进行各个山体区域泥石流等级评定，并将评定后的山体区域等级映射于山体区域三维模型中，包括：

S4、对在山体区域三维模型中标注为黄色、橙色和红色的山体区域进行防护治理。

根据本申请的一个实施例，以下将对上述步骤进行详细描述。

S1、根据遥感技术、区域历史水文数据和山体区域地形图，构建山体区域三维模型；

其中，遥感技术可以是无人机采集的视频图像信息，也可以是雷达扫描的图像信息。

将图像信息、视频信息和山体区域地形图转换为3DS MAX 3ds max可识别的图像信息，同时将区域历史水文数据作为模型参数输入，基于3DS MAX 3ds max构建山体区域三维模型。

步骤S2、根据发生泥石流灾害时的历史数据，分别构建各个山体区域的灾害预测模型：

P＝ρ_xD_xρ_yD_y+ρ₁C₁+ρ₂C₂+ρ₃M₁+ρ₄M₂+ρ₅M₃+ρ₆N₁+ρ₇N₂

其中，P为发生泥石流灾害的概率，D_x为降雨强度，D_y为降雨持续时间，C₁为区域主要植被种类，C₂为区域主要植被种类覆盖面积，M₁为山体土壤或岩体主要类型，M₂为土壤或岩体的厚度，M₃为岩体或土壤松散度，N₁为山体垂直方向倾斜角度，N₂为山体水平方向倾斜角度即形成的纵向沟壑深度，ρ_x、ρ_y、ρ₁、ρ₂、ρ₃、ρ₄、ρ₅、ρ₆和ρ₇为概率因子。

灾害预测模型的构建和概率因子等参数的确定，具体包括：

步骤S2.1、对若干年发生泥石流灾害时的历史数据进行归一化处理，包括D_x降雨强度，D_y降雨持续时间，C₁区域主要植被种类，C₂区域主要植被种类覆盖面积，M₁山体土壤或岩体主要类型，M₂土壤或岩体的厚度，M₃岩体或土壤松散度，N₁山体垂直方向倾斜角度，N₂山体水平方向倾斜角度即形成的纵向沟壑深度。

步骤S2.2、将归一化处理后的若干数据按照5:2的比例划分为训练集D和测试集C；

其中，训练集D和测试集C的划分比例并不是固定的，可根据实际情况进行改变。

步骤S2.3、设定迭代次数n，n＞1000，在训练集上D训练灾害预测模型，得到若干组概率因子；

迭代次数n可根据实际情况决定其具体次数，用于得到多组概率因子。

步骤S2.4、在测试集C上对训练后的灾害预测模型进行评估，得到若干组测试误差，选择误差值最小的概率因子带入，得到误差最小灾害预测模型；

由于采用的误差值最小的概率因子带入，且已经提前窥见到了测试数据，参数都是围绕更好的拟合测试数据而设定的，误差值最小的概率因子仅仅可能是泛化误差的一个最优估计。而将测试数据多次使用，违背了测试数据仅仅只是用来评估最优函数的泛化性能的原则，故不能采用该模型进行验证模型的泛化性能的验证。

故以下采用训练集进行分类验证：

步骤S2.5、随机将训练集D划分为训练集D_train和验证集D_valid；

步骤S2.6、在训练集D_train上训练误差最小灾害预测模型；

步骤S2.7、在验证集D_valid上测试误差最小灾害预测模型的模型概率精度；

步骤S2.8、重复步骤S2.5-步骤S2.7，直至模型概率精度达到预设值为止。

综上，即为了解决这个问题，在训练集中单独划分出一块验证集D_valid，作为模型选择的依据，这部分数据称为验证集，数据集由之前的训练集和测试集两部分组成变成了训练集，验证集和测试集三部分组成，训练集、验证集和测试集分工明确，各施其职，切不可互相取而代之。

步骤S3、根据灾害预测模型中泥石流灾害的概率进行各个山体区域泥石流等级评定，并将评定后的山体区域等级映射于山体区域三维模型中，包括：

基于灾害预测模型对各个山体区域发生泥石流的概率划分为：安全、危险、较危险和极度危险；

将划分后的山体区域映射于山体区域三维模型中，在山体区域三维模型中采用不同颜色对山体区域进行标注；

将等级划分为安全的山体区域标注为绿色，等级划分为危险的山体区域标注为黄色，等级划分为较危险的山体区域标注为橙色，等级划分为极度危险的山体区域标注为红色。

将灾害预测模型预测得到的各个山体区域发生泥石流灾害的可能性映射于构建的山体区域三维模型中，便于客户端监控人员直观的观测各个山体区域发生泥石流灾害的可能性。

S4、对在山体区域三维模型中标注为黄色、橙色和红色的山体区域进行防护治理，包括：

S4.1、在山体区域垂直方向倾斜角度为(30°，90°)的斜坡上开设若干避免径流流量过大截洪槽2，并在斜坡底部基于防护子系统减缓泥石流的冲击破坏力：

其中，防护子系统，用于根据山体区域三维模型中的山体区域等级即山体区域发生泥石流灾害的概率等级，构建山体区域防护疏导结构，包括：

分布于山体斜坡1上的若干条截洪槽2，以及设置于山体底部、且依次连通的砂石缓冲区3、导流缓冲区4、沉淀池5和集水池6。

截洪槽2，可用于容置部分水量，避免过多的水量一次性的涌入山下，造成巨大的破坏力。

砂石缓冲区3为一个直接接触泥石流的区域，其作用在于缓冲泥石流带来的巨大冲击力，减少设备和基础设施的损坏。

砂石缓冲区3内交错安装若干沉降斜板7，沉降斜板7侧面为三角形，沉降斜板7的最底端靠近斜坡设置，沉降斜板7与砂石缓冲区3水平面所成锐角α为45°-70°；所述沉降斜顶面横向分布若干条沉降滑槽14，沉降滑槽14内为弧形，弧形圆心角为120°，圆心角所对圆形半径为10cm。

即泥石流在流经单个沉降斜板7时，由于沉降斜板7具有一定的坡度，具有减缓泥石流冲击力的作用，且其上的若干条沉降滑槽14，进一步加快泥石流的沉降，减小其冲击力。

除此，将若干沉降斜板7交错分布，可将泥石流的冲击力进行分散，即将其冲击力分散开来，避免冲击力过大，同时，也保护了基础设施。

在砂石缓冲区3的两边边端，均安装有若干根导洪管8，导洪管8入口处设有过滤网，导洪管8可将泥石流中的部分水分导出，减少泥石流的重量，从侧面减小泥石流的冲击力，也减小了其它设施的冲击压力。

在砂石缓冲区3和导流缓冲区4之间设置第一堤坝9和第二堤坝10；第一堤坝9和第二堤坝10之间安装若干过滤格栅12；第一堤坝9和第二堤坝10内均开设若干泄洪孔，且在第一堤坝9和第二堤坝10的顶部均开设溢流口。

本发明将过滤格栅12放置于第一堤坝9后端，传统技术为将过滤装置放置于第一堤坝9前端，如此在泥石流发生时，位于前端的过滤装置直接与泥石流接触，极易造成过滤装置的损坏，而本发明将其放置于第一堤坝9后端，在泥石流缓冲后，再进行过滤，则可极大的减少过滤装置的损坏。

除此，设置第二堤坝10，对泥石流进行再次阻挡，即将过滤后的泥沙阻挡于第一堤坝9和第二堤坝10之间，第一堤坝9和第二堤坝10之间的空间可以足够大，以容纳足够多的泥沙(此处的足够多，并非百分百拦截)。

导流缓冲区4，用于减缓泥石流水流冲击力。

导流缓冲区4包括等间距的分布若干缓冲单元13，缓冲单元13包括两个缓冲阶梯15，缓冲阶梯15呈侧视图为梯形状；两个缓冲阶梯15之间开设矩形引流槽16，引流槽底部与引流管11连通，引流管11上安装电磁控制阀17。

泥石流中的水进入导流缓冲区4，并依次流经缓冲阶梯15以及缓冲阶梯15之间的矩形引流槽16，缓冲阶梯15具有一定坡度，可减缓水流速度，减缓后的水流则进入矩形引流槽16内，矩形引流槽16可容置部分水量，进一步减缓水流速度；开启电磁控制阀17，可将矩形引流槽16内的部分水分导出，进一步减小水流的量，进而减缓水流冲击力量。

其中，导出的水流可引入河流、田地和水渠内。

经过导流缓冲区4后的泥石流水分，已经趋于平缓，将其导入沉淀池5内，沉淀泥沙和杂质，最后导入集水池6内。

其防护方法为：

S4.1.1、泥石流进入砂石缓冲区3内，流经交错分布的若干沉降斜板7，减缓泥石流冲击力，并通过导洪管8将部分水量导入河流；

S4.1.2、泥石流依次流经第一堤坝9、过滤格栅12和第二堤坝10，抵挡、过滤泥石流中的大部分泥沙碎石；

S4.1.3、泥石流中的水分流入导流缓冲区4内，并依次流经若干个用于减缓流速的缓冲单元13，当雨量传感器检测到当前的雨量大于预设阈值时，控制开启引流管11上的电磁控制阀17，通过引流管11将部分水量导入河流中；

步骤S4.1.3中根据相邻缓冲阶梯15的垂直高度差和导流缓冲区4水力坡降构建河床阻力函数M：

其中，β为缓冲阶梯15相对导流缓冲区4所在平面所成锐角；H为矩形引流槽16最大水深；Δh为相邻两个缓冲阶梯15的垂直高度差；I为水力坡降；

设定导流缓冲区4对泥石流的缓冲阻力最大为目标函数Mmax，即计算最大河床阻力函数Mmax：

根据多组试验和模拟计算得到，当河床阻力函数Mmax在范围[0.6，1)时，导流缓冲区4对泥石流的缓冲阻力最大，并根据缓冲阻力最大设计导流缓冲区4相邻两个缓冲阶梯15的垂直高度差、矩形引流槽16最大水深H和缓冲阶梯15相对导流缓冲区4所在平面所成锐角β。

S4.1.4、流速减缓后的水分进入沉淀池5沉淀杂质、泥沙和碎石，并进入集水池6内存储。

S4.2、在山体区域垂直方向倾斜角度为(0°，30°)的缓坡19区域上，沿坡向方向分模块种植若干绿植植被。

S4.2在山体区域垂直方向倾斜角度为(0°，30°)的缓坡19区域上，沿坡向方向分模块种植若干绿植植被，包括：

S4.2.1、根据缓坡19区域地形，在缓坡19上开设若干纵横交错的引流路径18；

S4.2.2、若干纵横交错的引流路径18之间形成若干种植模块；

S4.2.3、沿缓坡19坡向方向，在缓坡19同一高度的所有种植模块内种植防止水土流失的树本植物，在缓坡19另一高度的所有种植模块内种植草本植物，即沿缓坡19方向，交错种植树本植物和草本植物；

S4.2.4、每根引流路均径延伸至山下，并与山下河流、水渠、农田、果园或者鱼塘连通。

本发明疏导方法进行陡坡和缓坡19的双向治理，疏导洪流的同时，也充分利用水资源。

本发明在山体缓坡19区域时，将缓坡19进行区域划分，而传统方法为在缓坡19上直接种植树木草本，并没有进行模块划分，其缺点在于当降雨量过大时，水流不能及时的导向山下，且雨水会在部分区域形成水洼，严重的则会造成泥石流灾害。

而本发在缓坡19上开设了若干条导流路径，每一条导流路径均通向山下，可有效的将雨水导出，且不会形成水洼。且在多条引流路劲之间形成的区域模块内，种植树木植被。

具体为沿缓坡19坡向方向，在缓坡19同一高度的所有种植模块内种植防止水土流失的树本植物，在缓坡19另一高度的所有种植模块内种植草本植物，即沿缓坡19方向，交错种植树本植物和草本植物。

交错种植树本植物和草本植物，其益处在于，树木和草本植物高度不同，对于阳光的需求不同，如此交错间隔种植，即避免了水土流失，也极大的利用树木和植物之间的品种特性。

本发明根据山体区域三维模型中发生泥石流灾害概率的颜色区分，对易发生泥石流灾害的山体区域进行多层次的防护治理，并对易发生泥石流灾害的山体区域进行陡坡和缓坡19的区别防护，以有效减缓泥石流对陡坡的冲击力和破坏力，以及在减少缓坡19水土流失的前提下，将缓坡19上的水流集中汇流至山下，进行水体的多层次利用。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。