一种江河崩岸预警方法及系统

1.本发明涉及水文预警技术领域，尤其是指一种江河崩岸预警方法及系统。


背景技术：

2.江河崩岸是一种危害性较大的自然灾害，严重影响沿江堤防的防洪安全和河势稳定，对沿江生态环境保护、建设现代化经济体系意义重大。根据外观形态不同，崩岸可分为洗崩、条崩和窝崩。其中，条崩在长江中下游河段尤为常见。
3.目前对于条崩型崩岸的研究大多从河道历史演变，水沙条件变化和崩岸时空分布规律入手，崩岸的力学机理尚不完全清晰，缺少可靠的预报预警方法。现有的崩岸预警方法大多基于临界崩塌高度、崩塌临界坡度、以及崩岸临界启动流速等单一参数来评定崩岸预警段等级。然而，条崩型崩岸涉及多学科内容，从机理上可分为两个阶段: 岸壁下部水流冲刷引起的边壁侵蚀（水力学过程），以及岸壁上部土块自重引起的边壁坍塌（土力学过程）。现有的预警方法仅从单一角度着手，无法准确预测水力学和土力学共同作用下的崩岸过程。
4.因此，迫切需要提供一种江河崩岸预警方法以克服现有技术存在的上述问题。


技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种江河崩岸预警方法及系统，其耦合土力学和水沙运动力学，建立崩岸拟合公式，可便利地移植至各类主流数学模型中，大大缩短崩岸的模拟预测时间，提供可靠的条崩型崩岸预警方法，进而建立流域尺度的预警平台。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种江河崩岸预警方法，包括：选定崩岸危险段，连续监测崩岸危险段的岸壁高度，近岸流速和水深，并采集崩岸危险段的河岸土样，测量所述土样的土工参数；开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；开展数值模拟，通过模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；根据物理模型实验和数值模拟结果，建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线，以及坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线；基于后退距离的拟合曲线、坍塌贡献率的拟合曲线、岸壁高度和近岸流速计算河岸安全系数；判断所述河岸安全系数是否大于预设的安全系数阈值，若判断结果为是，则进行崩岸预警提示，若判断结果为否，则返回计算河岸安全系数。
7.在本发明的一个实施例中，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离的方法包括：
在岸壁顶部安装拍摄设备，利用所述拍摄设备定时拍摄崩岸过程中的照片，并在岸壁顶部涂刷网格线，在网格线的四个角落放置棋盘格；采用棋盘格对拍摄的照片进行畸变修正，根据网格线在拍摄照片上建立坐标系；描绘崩岸后的岸线，根据坐标系换算，计算崩岸引起的后退距离。
8.在本发明的一个实施例中，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的坍塌贡献率的方法包括：在岸壁附近安装旋桨式流速仪和测深仪，测量近岸水深和中间层流速的实时变化；根据近岸中间层流速计算岸壁侵蚀速率；根据岸壁侵蚀速率计算坍塌贡献率如下：式中，为实验开始至崩岸发生所经历的时间，为近岸水深，为岸壁侵蚀速率，为岸壁高度，表示崩岸引起的后退距离。
9.在本发明的一个实施例中，在开展数值模拟时，分别采用应力-应变分析法和极限平衡法模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率。
10.在本发明的一个实施例中，建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，b和d为拟合系数，dr为崩岸引起的后退距离，hb为岸壁高度、hw为近岸水深。
11.在本发明的一个实施例中，建立坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，a和c为拟合系数，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度，hw为近岸水深。
12.在本发明的一个实施例中，计算河岸安全系数的方法包括：根据崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率，计算引发崩岸所需的侵蚀泥沙体积如下：式中，dr为崩岸引起的后退距离，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度；基于引发崩岸所需的侵蚀泥沙体积计算河岸安全系数如下：
式中，为崩岸预警时长，为近岸水深，为岸壁侵蚀速率。
13.此外，本发明还提供一种江河崩岸预警系统，包括：数据采集模块，所述数据采集模块用于选定崩岸危险段，连续监测崩岸危险段的岸壁高度，近岸流速和水深，并采集崩岸危险段的河岸土样，测量所述土样的土工参数；物理模型实验模块，所述物理模型实验模块用于开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；数值模拟模块，所述数值模拟模块用于开展数值模拟，通过模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；拟合曲线建立模块，所述拟合曲线建立模块用于根据物理模型实验和数值模拟结果，建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线，以及坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线；安全系数计算模块，所述安全系数计算模块用于基于后退距离的拟合曲线、坍塌贡献率的拟合曲线、岸壁高度和近岸流速计算河岸安全系数；预警判断模块，所述预警判断模块用于判断所述河岸安全系数是否大于预设的安全系数阈值，若判断结果为是，则进行崩岸预警提示，若判断结果为否，则返回计算河岸安全系数。
14.在本发明的一个实施例中，所述拟合曲线建立模块建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，b和d为拟合系数，dr为崩岸引起的后退距离，hb为岸壁高度、hw为近岸水深。
15.在本发明的一个实施例中，建立坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，a和c为拟合系数，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度，hw为近岸水深。
16.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：(1) 本发明耦合土力学和水沙运动力学，建立崩岸拟合公式，可便利地移植至各类主流数学模型中，大大缩短崩岸的模拟预测时间，提供可靠的条崩型崩岸预警方法，进而建立流域尺度的预警平台；(2) 本发明综合运用物理模型实验和数值模拟方法得到覆盖范围更广的拟合公式，使得该预警方法对于“高岸-深水”的主河道和“低岸-浅水”的支汊均可适用。
附图说明
17.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
18.图1为本发明实施例所提出的一种江河崩岸预警方法的流程示意图。
具体实施方式
19.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
20.请参阅图1所示，本发明实施例提供一种江河崩岸预警方法，包括以下步骤：步骤s101：选定崩岸危险段，连续监测崩岸危险段的岸壁高度，近岸流速和水深，并采集崩岸危险段的河岸土样，测量所述土样的土工参数；步骤s102：开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；步骤s103：开展数值模拟，通过模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；步骤s104：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线，以及坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线；步骤s105：基于后退距离的拟合曲线、坍塌贡献率的拟合曲线、岸壁高度和近岸流速计算河岸安全系数；步骤s106：判断所述河岸安全系数是否大于预设的安全系数阈值，若判断结果为是，则进行崩岸预警提示，若判断结果为否，则返回计算河岸安全系数。
21.在本发明实施例提出的一种江河崩岸预警方法中，上述步骤s102和步骤s103可以同时进行。
22.本发明所提出的一种江河崩岸预警方法耦合土力学和水沙运动力学，建立崩岸拟合公式，可便利地移植至各类主流数学模型中，大大缩短崩岸的模拟预测时间，提供可靠的条崩型崩岸预警方法，进而建立流域尺度的预警平台。
23.具体地，在步骤s101中，连续监测崩岸危险段的岸壁高度，近岸流速和水深的方法包括：采用rtk载波相位差分技术获取崩岸危险段的岸顶高程h0；采用无人船搭载单波束测深仪，通过rtk-gps动态差分定位原理获取近岸水下地形，参数化后得到近岸水深hw和近岸底高程h1，以此计算出岸壁高度hb= h0‑ꢀ
h1；采用旋桨式流速仪测量近岸表层流速v。
24.具体地，在步骤s101中，采集崩岸危险段的河岸土样，测量所述土样的土工参数的方法包括：采集崩岸危险河段岸壁上部靠近表层、中部以及下部靠近水流的土壤并等量掺混，分别使用粒径分析仪、环刀法、烘干法、变水头法测量土样粒径级配、密度、含水率和渗透系数。
25.具体地，在步骤s102中，开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离的方法包括：s102-11：在岸壁顶部安装拍摄设备（例如相机），利用所述拍摄设备定时拍摄崩岸过程中的照片，并在岸壁顶部涂刷白色网格线，在白色网格线的四个角落放置棋盘格；s102-12：采用棋盘格对拍摄的照片进行畸变修正，根据白色网格线在拍摄照片上建立坐标系；s102-13：描绘崩岸后的岸线，根据坐标系换算，计算崩岸引起的后退距离。
26.具体地，在步骤s102中，开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的坍塌贡献率的方法包括：s102-21：在岸壁附近安装旋桨式流速仪和测深仪，测量近岸水深和中间层流速的
实时变化；s102-22：根据近岸中间层流速计算岸壁侵蚀速率，例如可以根据近岸中间层流速和专利号为zl201910501308.7的发明专利中记载的计算方法计算岸壁侵蚀速率；s102-23：根据岸壁侵蚀速率计算坍塌贡献率如下：式中，为实验开始至崩岸发生所经历的时间，为近岸水深，为岸壁侵蚀速率，为岸壁高度，表示崩岸引起的后退距离。
27.在本发明的一个实施例中，在开展数值模拟时，分别采用应力-应变分析法和极限平衡法模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率，具体包括：沿岸壁前表面至悬臂根部后侧，每隔1厘米选取断面判断岸壁稳定性；岸壁稳定性通过稳定系数判断，由施加在断面上的驱动力矩和抵抗力矩的比值计算，当该比值大于1时，崩岸发生，该断面为破坏面；破坏面至岸壁前表面的距离为崩岸引起的后退距离，若存在多个断面的稳定系数小于1，选择稳定系数最小的断面为破坏面，并计算崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率。
28.具体地，在步骤s104中，建立崩岸后的后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，b和d为拟合系数，dr为崩岸引起的后退距离，hb为岸壁高度、hw为近岸水深。
29.具体地，在步骤s104中，建立崩岸后的坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，a和c为拟合系数，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度，hw为近岸水深。
30.具体地，在步骤s105中，基于后退距离的拟合曲线、坍塌贡献率的拟合曲线、岸壁高度和近岸流速计算河岸安全系数的方法包括：根据崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率，计算引发崩岸所需的侵蚀泥沙体积如下：式中，dr为崩岸引起的后退距离，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度；基于引发崩岸所需的侵蚀泥沙体积计算河岸安全系数如下：
式中，为崩岸预警时长，为近岸水深，为岸壁侵蚀速率。
31.具体地，在步骤s106中，预设的安全系数阈值优选为1，即判断所述河岸安全系数是否大于1，若判断结果为是，则进行崩岸预警提示，若判断结果为否，则返回计算河岸安全系数.本发明所提出的一种江河崩岸预警方法综合运用物理模型实验和数值模拟方法得到覆盖范围更广的拟合公式，使得该预警方法对于“高岸-深水”的主河道和“低岸-浅水”的支汊均可适用。
32.下面对本发明实施例公开的一种江河崩岸预警系统进行介绍，下文描述的一种江河崩岸预警系统与上文描述的一种江河崩岸预警方法可相互对应参照。
33.本发明实施例还提供一种江河崩岸预警系统，包括：数据采集模块，所述数据采集模块用于选定崩岸危险段，连续监测崩岸危险段的岸壁高度，近岸流速和水深，并采集崩岸危险段的河岸土样，测量所述土样的土工参数；物理模型实验模块，所述物理模型实验模块用于开展物理模型实验，根据土工参数重塑岸壁，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；数值模拟模块，所述数值模拟模块用于开展数值模拟，通过模拟崩岸过程，获得不同岸壁高度、近岸水深情况下崩岸引起的后退距离和坍塌贡献率；拟合曲线建立模块，所述拟合曲线建立模块用于根据物理模型实验和数值模拟结果，建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线，以及坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线；安全系数计算模块，所述安全系数计算模块用于基于后退距离的拟合曲线、坍塌贡献率的拟合曲线、岸壁高度和近岸流速计算河岸安全系数；预警判断模块，所述预警判断模块用于判断所述河岸安全系数是否大于预设的安全系数阈值，若判断结果为是，则进行崩岸预警提示，若判断结果为否，则返回计算河岸安全系数。
34.在本发明的一个实施例中，所述拟合曲线建立模块建立后退距离与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，b和d为拟合系数，dr为崩岸引起的后退距离，hb为岸壁高度、hw为近岸水深。
35.在本发明的一个实施例中，建立坍塌贡献率与岸壁高度、近岸水深的拟合曲线的方法包括：根据物理模型实验和数值模拟结果，建立拟合曲线如下：式中，a和c为拟合系数，为坍塌贡献率，hb为岸壁高度，hw为近岸水深。
36.本发明所提出的一种江河崩岸预警系统耦合土力学和水沙运动力学，建立崩岸拟合公式，可便利地移植至各类主流数学模型中，大大缩短崩岸的模拟预测时间，提供可靠的条崩型崩岸预警方法，进而建立流域尺度的预警平台。
37.本实施例的江河崩岸预警系统用于实现前述的江河崩岸预警方法，因此该系统的具体实施方式可见前文中的江河崩岸预警方法的实施例部分，所以，其具体实施方式可以参照相应的各个部分实施例的描述，在此不再展开介绍。
38.另外，由于本实施例的江河崩岸预警系统用于实现前述的江河崩岸预警方法，因此其作用与上述方法的作用相对应，这里不再赘述。
39.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
40.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
41.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
42.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
43.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。