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    泥石流源地坡面土體活動(dòng)隨機(jī)性規(guī)律實(shí)驗(yàn)

    2014-06-06 06:37:32郭曉軍
    關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)

    郭曉軍,李 泳,崔 鵬

    1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

    泥石流源地坡面土體活動(dòng)隨機(jī)性規(guī)律實(shí)驗(yàn)

    郭曉軍1,2,李 泳1,崔 鵬1

    1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,成都 610041 2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

    坡面土體的崩塌活動(dòng)是泥石流形成的初始過程。為了研究降雨條件下該過程中蘊(yùn)含的隨機(jī)性,選擇典型泥石流源地坡面進(jìn)行人工降雨實(shí)驗(yàn),觀測(cè)坡面徑流和坡面土體活動(dòng)特征。結(jié)果表明:坡面徑流的產(chǎn)生與坡面土體的供給是2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過程;坡面產(chǎn)流過程在時(shí)間上具有連續(xù)性,空間上具有均勻性,規(guī)模上具有穩(wěn)定性;即使是在恒定的降雨強(qiáng)度條件下,泥石流的源地土體活動(dòng)也表現(xiàn)為一個(gè)離散的土體崩塌序列,具有時(shí)間上的間歇性、空間上的聚集性、規(guī)模上的隨機(jī)性,且在時(shí)間上服從泊松分布,在規(guī)模上服從規(guī)模-頻率的冪率關(guān)系;坡面的水土過程是不完全同步的,泥石流的形成依賴于坡面土體補(bǔ)給的時(shí)間、空間和規(guī)模分布,這也決定了泥石流陣流的多變和流量的漲落。建立基于土體活動(dòng)特征的隨機(jī)性補(bǔ)給模型,結(jié)合分布式水文模型,是建立科學(xué)的泥石流預(yù)報(bào)模型的有效方法。

    泥石流源地;土體活動(dòng);產(chǎn)流;泥石流陣流

    0 引言

    流域泥石流的形成往往取決于流域源地的產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程,特別是土力類(坡面)泥石流,其物質(zhì)補(bǔ)給主要來自源地的崩塌、滑坡等坡面活動(dòng)[1],因而源地的水、土過程決定著流域泥石流的形成過程。關(guān)于降雨過程中固體物質(zhì)的補(bǔ)給方面,目前國內(nèi)外研究[2-8]多從土體失穩(wěn)的力學(xué)變化出發(fā),通過觀測(cè)降雨與土體表面位移、土體內(nèi)部的孔隙水含量和孔隙水壓力等變化,從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系角度揭示土體破壞的機(jī)理;這些研究從微觀上確立了一定的土體活動(dòng)的臨界條件,但強(qiáng)調(diào)的都是單點(diǎn)(滑坡、崩塌)土體破壞的確定性機(jī)理。而在目前的泥石流流量計(jì)算方法中,Mizuyama等[9]和 Rickenmann[10]通過泥石流的土體供給或通過地貌因子分析來進(jìn)行評(píng)估;常用的配方法[11-16]則是在洪水流量的基礎(chǔ)上計(jì)算泥石流流量,其原理是在洪水峰值流量的基礎(chǔ)上配以放大系數(shù)計(jì)算泥石流峰值流量。這些方法的基本特征是,泥石流的形成過程被視為確定性的伴隨水文產(chǎn)匯流過程的坡面或者溝道固體物質(zhì)的輸運(yùn)過程,因此泥石流規(guī)模間接取決于降水量或者洪水流量。

    根據(jù)在泥石流發(fā)生源地的跟蹤考察可知:泥石流物源補(bǔ)給來自不同的分支,各分支的物源補(bǔ)給在時(shí)間和空間上不一定是連續(xù)和均勻的,因而物質(zhì)供給的中斷或匯流的延時(shí)造成泥石流的時(shí)間間歇,這是泥石流形成陣流的原因;同時(shí),即使在同一場(chǎng)次降雨過程中,各次陣流的性質(zhì)和流態(tài)都各不相同,流量和總量甚至相差3個(gè)數(shù)量級(jí)。這些劇烈的變化特征難以用相對(duì)平穩(wěn)的流域水文過程來解釋,也是雨洪法等傳統(tǒng)計(jì)算方法難以模擬的。

    針對(duì)這一現(xiàn)狀,筆者通過泥石流源地人工降雨實(shí)驗(yàn)考察坡面的徑流產(chǎn)生和土體活動(dòng)過程,重點(diǎn)揭示坡面土體補(bǔ)給泥石流的隨機(jī)性,并結(jié)合水、土過程的聯(lián)系與區(qū)別,揭示泥石流形成過程中的不確定性,以期為泥石流形成過程和流量計(jì)算研究做出貢獻(xiàn)。

    1 實(shí)驗(yàn)

    1.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)裝置

    研究區(qū)域選擇在2008年5月12日Ms8.0級(jí)汶川地震的震中汶川縣映秀鎮(zhèn)牛圈溝(圖1)。牛圈溝流域面積約為10.5km2,位于映秀鎮(zhèn)南側(cè),距離映秀鎮(zhèn)約500m。地震造成牛圈溝以及附近流域內(nèi)崩塌、滑坡大面積分布,因此該區(qū)近幾年發(fā)生過多場(chǎng)泥石流。根據(jù)以往野外考察[17-20],泥石流多為黏性泥石流,容重為1.80~2.10g/cm3,規(guī)模達(dá)(20~120)×104m3。

    根據(jù)降雨資料和泥石流暴發(fā)資料統(tǒng)計(jì),牛圈溝及附近流域的最近幾次泥石流誘發(fā)降雨強(qiáng)度為17.8~81.5mm/h(表1),且泥石流暴發(fā)時(shí)的降雨峰值持續(xù)時(shí)間不超過40min。

    實(shí)驗(yàn)坡面(圖1)位于牛圈溝右側(cè)的一條泥石流支溝,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)寬約8m,高約4m,坡度約30°,坡面土體為花崗巖風(fēng)化形成,顆粒級(jí)配見表2。

    人工降雨設(shè)備包括1個(gè)抽水泵、1個(gè)分水箱和2個(gè)人工降雨器。實(shí)驗(yàn)中,利用抽水泵將河水抽至分水箱,利用分水箱保持2個(gè)降雨器水壓平衡,通過降雨器噴頭型號(hào)來控制降雨強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)分別設(shè)計(jì)18,25,35,45,70和80mm/h 6組降雨強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)編號(hào)分別計(jì)為T-1—T-6,降雨持續(xù)時(shí)間為40min。實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)人工降雨條件下的坡面土體坍塌情況,重點(diǎn)統(tǒng)計(jì)崩塌規(guī)模、崩塌時(shí)間與崩塌位置等參數(shù),同時(shí)利用攝像機(jī)拍攝坡面變化過程,便于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)整理校對(duì)數(shù)據(jù)。

    1.2 數(shù)據(jù)讀取與處理

    在實(shí)驗(yàn)室根據(jù)錄像讀取數(shù)據(jù),包括坡面土體活動(dòng)的時(shí)間、位置和規(guī)模,以及坡面產(chǎn)流現(xiàn)象和過程。時(shí)間可以從視頻中直接讀??;以1m×1m網(wǎng)格覆蓋影像,以坐標(biāo)形式讀取坡面土體活動(dòng)的位置,并估算其規(guī)模,本文崩塌體規(guī)模以10-3m3為單位。對(duì)于規(guī)模較大的崩塌,實(shí)驗(yàn)人員在野外試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)記錄其崩塌時(shí)間和面積、厚度等以輔助室內(nèi)視頻閱讀分析。另外,在土體中不同深度布設(shè)土壤含水量?jī)x器以實(shí)時(shí)關(guān)注降雨條件下崩塌發(fā)生時(shí)土體的含水量,在坡腳處保持天然坡度人造一條溝道,布設(shè)鋼尺以觀測(cè)形成的水流深度和泥石流泥深,用以估算清水和泥石流流量。

    2 坡面水土活動(dòng)的時(shí)空特征

    2.1 坡面水土活動(dòng)過程

    實(shí)驗(yàn)中,崩塌活動(dòng)主要以3種形式呈現(xiàn):1)坡面物質(zhì)在雨滴的沖擊下發(fā)生小規(guī)??逅?,這種方式在各組實(shí)驗(yàn)中都大量存在;2)地表徑流對(duì)坡面的持續(xù)沖刷形成細(xì)溝,導(dǎo)致細(xì)溝兩側(cè)產(chǎn)生連續(xù)的固體物質(zhì)供給,隨水流進(jìn)入溝道形成泥石流;3)由于降雨持續(xù)入滲導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度降低,從而發(fā)生大規(guī)模土體滑動(dòng),在實(shí)驗(yàn)中,這種現(xiàn)象只發(fā)生在降雨強(qiáng)度為70和80mm/h 2組實(shí)驗(yàn)中。

    坡面土體活動(dòng)過程表現(xiàn)為一系列不同規(guī)模的土體崩塌序列。以T-5實(shí)驗(yàn)(降雨強(qiáng)度為70mm/h)為例,坡面土體崩塌過程如圖2。

    圖1 牛圈溝實(shí)驗(yàn)坡面Fig.1 Experiment site in Niujuangou

    表1 映秀鎮(zhèn)附近部分激發(fā)泥石流的降雨條件與泥石流性質(zhì)Table 1 Brief facts about debris flows in the study area

    表2 坡面土體的顆粒級(jí)配Table 2 Grain size distribution of slope soil

    圖2 T-5實(shí)驗(yàn)中土體崩塌序列Fig.2 Collapses series in T-5

    土體崩塌的位置分布見圖3,根據(jù)1m×1m網(wǎng)格賦以崩塌位置坐標(biāo)。T-5中,崩塌總次數(shù)為171次,崩塌時(shí)間間隔為0.0s到幾十秒,平均為15.8 s,并且多次崩塌同時(shí)發(fā)生在不同位置。從實(shí)驗(yàn)過程來看,土體活動(dòng)有2個(gè)崩塌集中段,即第174秒—第840秒(D1段)和第1 729秒—第1 764秒(D2段)。

    D1時(shí)間段,崩塌集中于位置A(圖3b),平均間隔時(shí)間為9.3s。崩塌規(guī)模大小相間,漲落為(3~500)×10-3m3。從第870秒開始,位置A的崩塌間隔時(shí)間逐漸增長,說明穩(wěn)定性逐漸變強(qiáng);至第1 107秒,位置A達(dá)到穩(wěn)定,從此再未發(fā)生過崩塌(圖4)。

    第1 107秒之后,整個(gè)坡面的崩塌情況較為分散,多個(gè)位置相間發(fā)生崩塌,平均間隔時(shí)間為18.3 s,崩塌規(guī)模較小。最大間隔時(shí)間出現(xiàn)在第1 535秒之后,時(shí)間間隔為71.0s,整個(gè)坡面各個(gè)位置同時(shí)達(dá)到短暫的穩(wěn)定。

    D2時(shí)間段,坡面位置B和C再次交替出現(xiàn)大規(guī)模崩塌,在不到60s的時(shí)間內(nèi),連續(xù)出現(xiàn)超過50×10-3m3的崩塌體,累積量超過600×10-3m3。在D2時(shí)間段內(nèi),這2個(gè)位置是坡面土體的主要供給源(圖5)。

    第1 734秒之后,隨著位置B和C穩(wěn)定性逐漸變強(qiáng),整個(gè)坡面的崩塌頻率逐漸減小,時(shí)間間隔明顯加大,多次出現(xiàn)30.0s以上的時(shí)間間隔,其中2次時(shí)間間隔超過50.0s,分別為50.3s和67.1s,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

    其他各組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與T-5基本相似,崩塌頻率和規(guī)模有所不同,見表3。

    圖3 T-5實(shí)驗(yàn)中崩塌位置分布和較大崩塌分布Fig.3 Collapse locations and big collapses in T-5

    圖4 位置A崩塌序列圖Fig.4 Collapse series on location A

    圖5 位置B和C崩塌序列及其對(duì)全坡面崩塌規(guī)模的貢獻(xiàn)Fig.5 Collapse series on location B,C and the whole slope

    T-5實(shí)驗(yàn)中:從第150秒開始,坡面?zhèn)€別地區(qū)有地表徑流產(chǎn)生;自第530秒開始,全坡面有明顯的坡面地表徑流產(chǎn)生,并在個(gè)別區(qū)域有細(xì)溝產(chǎn)生,下游溝道內(nèi)水流流量達(dá)到穩(wěn)定,約為1.3×10-4m3/s。除了T-1和T-2之外,其他各組實(shí)驗(yàn)中坡面產(chǎn)流現(xiàn)象類似,區(qū)別在于產(chǎn)流時(shí)間、流量不同。各組實(shí)驗(yàn)具體產(chǎn)流參數(shù)見表4。

    表3 各組實(shí)驗(yàn)中崩塌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)(部分)Table 3 Part of information of collapses statistics from the experiments

    表4 各組實(shí)驗(yàn)具體產(chǎn)流參數(shù)Table 4 Runoff yield phenomenon in experiments

    2.2 坡面土體活動(dòng)的隨機(jī)性特征

    從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來看,與坡面產(chǎn)流相比,坡面的土體活動(dòng)有以下特點(diǎn)。

    1)時(shí)間的間歇性。自坡面上某一點(diǎn)開始產(chǎn)流之后,該點(diǎn)的產(chǎn)流是連續(xù)的。如T-5實(shí)驗(yàn)中,在位置A,從第150秒產(chǎn)流開始,坡腳有連續(xù)的水流出現(xiàn),并且隨后有細(xì)溝產(chǎn)生,徑流連續(xù)而穩(wěn)定,直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束。而崩塌體的發(fā)生之間具有一定的時(shí)間間隔,量級(jí)為幾秒到數(shù)十秒,并且在某些特定時(shí)間段內(nèi)崩塌相對(duì)頻繁,而在其他時(shí)間段內(nèi)時(shí)間間隔較長(圖1,圖5),如T-5實(shí)驗(yàn)中,D1和D2段內(nèi)崩塌平均時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于其他時(shí)間段,說明在降雨過程中,坡面固體物質(zhì)的供給是不連續(xù)的。

    從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,每組實(shí)驗(yàn)中的時(shí)間間隔序列都是一個(gè)泊松過程,且累計(jì)分布服從指數(shù)分布:

    其中:P(t)為小于時(shí)間間隔t的累積概率;C為系數(shù);k1為指數(shù)。各組實(shí)驗(yàn)的崩塌時(shí)間間隔分布見圖6,參數(shù)見表5。

    表5 各組實(shí)驗(yàn)中崩塌體的時(shí)間間隔分布參數(shù)Table 5 Distribution parameters of time interval of collapse

    2)空間的聚集性。在降雨強(qiáng)度超過入滲強(qiáng)度的3組實(shí)驗(yàn)中,隨著坡面土體發(fā)生變化,雖然會(huì)有細(xì)溝產(chǎn)生,但總體來說,產(chǎn)流在空間上是相對(duì)均勻的,尤其是在降雨強(qiáng)度為70和80mm/h的實(shí)驗(yàn)中,坡面漫流非常明顯。而即使是在同一雨強(qiáng)下,坡面上的崩塌體主要在1至數(shù)個(gè)位置集中發(fā)生(圖3),如在T-5實(shí)驗(yàn)中,A、B、C 3個(gè)位置貢獻(xiàn)了總崩塌規(guī)模的大部分(圖5),說明降雨過程中,泥石流中固體物質(zhì)的來源具有聚集性。

    3)規(guī)模的漲落性。從下游的溝道測(cè)流結(jié)果來看,坡面流量相對(duì)穩(wěn)定;而崩塌體的規(guī)模具有不均勻性,漲落可達(dá)2個(gè)量級(jí)((1~500)×10-3m3),具有極強(qiáng)的隨機(jī)性(圖1,圖4)。每組實(shí)驗(yàn)中的崩塌規(guī)模都符合P-M曲線(式(2),圖7),參數(shù)見表6。

    其中:P(M)為小于某一規(guī)模M的累積概率;k2為系數(shù);n為指數(shù)。

    圖6 各組實(shí)驗(yàn)中崩塌體的時(shí)間間隔分布Fig.6 Distribution of time interval of collapse

    圖7 各組實(shí)驗(yàn)中崩塌體的規(guī)模分布Fig.7 Distribution of magnitude of collapses

    表6 各組實(shí)驗(yàn)中崩塌體的規(guī)模-頻率分布參數(shù)Table 6 Parameters of magnitude distribution of collapses

    2.3 對(duì)溝道泥石流形成的影響

    土體崩塌與徑流的耦合,在溝谷形成泥石流。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于坡面徑流是恒定的,因此泥石流的形成過程主要依賴于崩塌的時(shí)空特征和規(guī)模漲落。坡面土體物質(zhì)垮塌的3種形式對(duì)溝道內(nèi)泥石流的形成影響不同:

    1)小規(guī)模崩塌。實(shí)驗(yàn)中,規(guī)模小于10×10-3m3的崩塌體基本上以單個(gè)塊體落入溝道,這些固體物質(zhì)中黏粒含量較少,基本上不會(huì)被水流帶走形成泥石流,即不參與泥石流活動(dòng)。

    2)中等規(guī)模崩塌。這類崩塌體的產(chǎn)生與坡面徑流關(guān)系密切,規(guī)模集中于(20~70)×10-3m3。由于坡面的不均勻性,坡面徑流的產(chǎn)生容易形成細(xì)溝侵蝕,進(jìn)而造成細(xì)溝兩側(cè)土體失穩(wěn),由于這部分固體物質(zhì)中水量充分,液化程度高,因此一經(jīng)進(jìn)入溝道就即刻形成泥石流匯向溝口。T-5實(shí)驗(yàn)中13次泥石流中有10次都是由該種形式產(chǎn)生。

    3)大規(guī)模崩塌。在實(shí)驗(yàn)中,當(dāng)一次崩塌規(guī)模超過100×10-3m3時(shí),固體物質(zhì)將堵塞河道,在隨后的某一時(shí)刻潰決形成泥石流。該類泥石流一般規(guī)模較大,而且泥石流的形成相對(duì)土體崩塌有明顯的滯后性。坡面從第174秒發(fā)生大規(guī)模崩塌,中斷溝道徑流觀測(cè);在第350秒,該堵塞體發(fā)生潰決并形成泥石流,規(guī)模放大至數(shù)十倍(500×10-3m3);并在第595秒再次潰決,形成規(guī)模為100×10-3m3的泥石流(圖8)。

    圖8 實(shí)驗(yàn)中泥石流陣流序列Fig.8 Debris flow surges discharge in T-5

    3 實(shí)驗(yàn)意義

    3.1 坡面水土過程對(duì)泥石流形成的啟示

    水的產(chǎn)流過程對(duì)滑坡和泥石流的形成關(guān)系密切:一方面,降雨的入滲過程增加土體的含水量,進(jìn)而降低土體的抗剪強(qiáng)度,實(shí)驗(yàn)中,大于10×10-3m3的崩塌體基本上發(fā)生在土體飽和之后即說明此點(diǎn);另一方面,地表徑流的形成對(duì)崩塌或滑坡的發(fā)生至關(guān)重要,當(dāng)降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度時(shí),坡面形成片狀流或細(xì)溝流,前者產(chǎn)生對(duì)土體的拖曳力,后者形成的細(xì)溝侵蝕作用會(huì)造成溝岸兩側(cè)大量固體物質(zhì)失穩(wěn),隨水流進(jìn)入溝道形成泥石流,這一點(diǎn)在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中也極為明顯。

    然而,水、土過程也有現(xiàn)象上的區(qū)別:當(dāng)降雨強(qiáng)度超過土體入滲能力時(shí),全坡面都將產(chǎn)生連續(xù)的、穩(wěn)定的徑流,而固體物質(zhì)的補(bǔ)充則是間歇性的、離散的、不均勻的,其發(fā)生的時(shí)間、空間和規(guī)模都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。因此,從局部的發(fā)生過程而言,土體活動(dòng)具有自發(fā)性和隨機(jī)性,其發(fā)生過程與水文條件如降雨、徑流二者又是相互獨(dú)立的。從這種意義上講,研究坡面土體活動(dòng)在時(shí)間、空間和規(guī)模上的隨機(jī)分布,是研究和建立泥石流形成模型的另外一種思路和手段。

    3.2 坡面水土過程對(duì)泥石流流量過程的影響

    T-5實(shí)驗(yàn)中形成13次泥石流,通過采集泥石流樣品,并測(cè)試分析其顆粒組成,利用小于0.05mm的細(xì)顆粒和大于2.00mm的粗顆粒的體積分?jǐn)?shù)來計(jì)算泥石流容重[21],同時(shí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察溝道堵塞情況,假定堵塞系數(shù),通過線性雨洪法[11-14]來計(jì)算其峰值流量,結(jié)果見圖9。即使除去溝道嚴(yán)重堵塞的數(shù)次陣流,該方法計(jì)算的泥石流峰值流量與實(shí)驗(yàn)中泥石流的陣流流量也偏小,甚至有數(shù)量級(jí)上的差別。

    從過程上講,泥石流峰值流量的時(shí)間與清水洪峰時(shí)間往往不一定是完全同步的。在同一場(chǎng)降雨中,往往洪峰的變化趨勢(shì)與降雨強(qiáng)度的變化趨勢(shì)相同但稍有滯后;而泥石流的陣流則截然不同,即使在同一降雨強(qiáng)度下,各陣流產(chǎn)生的時(shí)間也有其隨機(jī)性。

    由此可見,對(duì)于實(shí)驗(yàn)中特定坡面形成的泥石流來說,泥石流的形成更取決于固體物質(zhì)的供給,而不是溝道洪水流量。正是由于坡面土體活動(dòng)在時(shí)間上的間歇性、空間上的離散性和規(guī)模上的漲落特征,導(dǎo)致土體崩塌形成泥石流的過程也有很強(qiáng)的不確定性和不連續(xù)性;因而在根據(jù)水文過程計(jì)算泥石流流量時(shí),應(yīng)該考慮土體過程的離散和漲落特征。從這種角度來講,以往的通過計(jì)算洪峰流量,進(jìn)而計(jì)算泥石流峰值流量的方法,如雨洪法或者水文模型法或多或少都有其局限性。

    圖9 配方法計(jì)算的泥石流流量與實(shí)際流量對(duì)比Fig.9 Runoff comparison between the observation and calculation by rain-storm and flood method

    3.3 基于水文過程的泥石流流量過程計(jì)算

    以往的研究[22-24]表明,在一些流域的演化特征、幾何特征(尤其是溝道特征,如溝道比較順直,坡降較大,堵塞系數(shù)較?。┖臀镌捶植继卣鞯缺容^確定的流域,其泥石流的形成具有較強(qiáng)的確定性,用傳統(tǒng)的土力學(xué)原理揭示其起動(dòng)機(jī)理,用水文學(xué)中產(chǎn)匯流原理刻畫其匯流特征是可行的。

    而對(duì)于一般流域,在泥石流的形成過程中,泥石流中的固體物質(zhì)并不籠統(tǒng)地取決于全流域的地貌或幾何因子,而依賴于流域的特定源區(qū)及其分布。因此,建立在基于泥石流物源補(bǔ)給特征的分布式單溝泥石流預(yù)報(bào)模型無疑具有明顯的學(xué)科前沿性,也是未來發(fā)展的趨勢(shì)。而這些分支過程是間歇性的,形式和規(guī)模都不斷變化,只有在充分了解流域內(nèi)物源分布、源地土體活動(dòng)特征的基礎(chǔ)上,再結(jié)合可以計(jì)算洪水流量的水文模型,才能建立科學(xué)的分布式泥石流計(jì)算模型。

    4 結(jié)論與討論

    1)降雨條件下,泥石流源地的土體活動(dòng)實(shí)際上是一組不連續(xù)的土體崩塌序列,僅發(fā)生在坡面某些區(qū)域,而且在這些區(qū)域中,土體活動(dòng)是間歇性的,形式和規(guī)模都不斷變化。具體來說,泥石流的源地土體活動(dòng)具有時(shí)間上的間歇性、空間上的聚集性、規(guī)模的隨機(jī)性,且時(shí)間間隔服從泊松分布,規(guī)模服從冪率關(guān)系。

    2)坡面產(chǎn)流過程是連續(xù)和均勻的。從機(jī)理上來說,在降雨過程中,土體活動(dòng)與坡面入滲、地表徑流密切相關(guān);但從宏觀現(xiàn)象上來看,土體的坡面供給與水的產(chǎn)流是完全不同且?guī)缀酹?dú)立的2個(gè)過程。正是由于坡面活動(dòng)和徑流過程的不同特點(diǎn),導(dǎo)致了后續(xù)溝道匯流的隨機(jī)性與滯后性,并且共同決定了泥石流陣流的形成和規(guī)模的漲落。

    從隨機(jī)觀點(diǎn)看泥石流,不僅是為了解釋其形成過程與水流的不同,更重要的是為了揭示其形成過程的局域性和隨機(jī)性。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和野外觀測(cè)都表明:泥石流的源地活動(dòng)僅發(fā)生在一定的分支小流域,而且這些分支過程是間歇性的,形式和規(guī)模都不斷變化;泥石流的流量過程更取決于土體的供給過程,而不是洪水徑流過程。因此,以配方法為代表的通過清水洪峰流量來計(jì)算泥石流流量的方法都有其局限性。從這種意義上來說,建立基于土體活動(dòng)特征的隨機(jī)性補(bǔ)給模型,結(jié)合分布式水文模型,是建立科學(xué)的泥石流預(yù)報(bào)模型的有效方法。

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    Experiment on Random Law of Slope Soil Movement in the Source Area of Debris Flow

    Guo Xiaojun1,2,Li Yong1,Cui Peng1

    1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandLandSurfaceProgress/InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu610041,China
    2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

    The runoff yield and slope failures are the source of debris flows in watersheds.The previous study focuses on the deterministic mechanism formation of slope failures for debris flow initiation and hydrological processes for debris flow runoff calculation.This paper aims to reveal and discuss the randomness process of slope failures.Artificial rainfall experiment was conducted on selected typical debris flow source region to observe the movement features of slope runoff and soil body.Results showed that slope failure and runoff formation are two separated processes.Runoff generation was continuous,evenly and stably distributed on slope.Slope failure presented a sequence of soil body collapse with the features of intermittence in time,aggregation in space,and remarkable fluctuation in magnitude.Slope failures time interval fit the Poisson distribution and its magnitude fit the power-law.The soil and water supplies were unsynchronized,the debris flow initiation depend not only on the flood generation,but also on the spatiotemporal characteristics of the slope failure processes,which leads to high variety and fluctuation of debris flows even under the same rainfall condition.This study contributes the debris flow formation and runoff calculation by taking debris flow formation as a randomness and discontinuous process and revealing the spatial characteristics of slope failures.

    debris flow source region;soil collapses;runoff yield;debris flow surges

    10.13278/j.cnki.jjuese.201404203

    P642.23;X141

    A

    郭曉軍,李泳,崔鵬.泥石流源地坡面土體活動(dòng)隨機(jī)性規(guī)律實(shí)驗(yàn).吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版,2014,44(4):1260-1268.

    10.13278/j.cnki.jjuese.201404203.

    Guo Xiaojun,Li Yong,Cui Peng.Experiment on Random Law of Slope Soil Movement in the Source Area of Debris Flow.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2014,44(4):1260-1268.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201404203.

    2013-10-23

    國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41301008);中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目(KZZD-EW-05-01-02)

    郭曉軍(1985—,男,助理研究員,博士,主要從事水文學(xué)和泥石流方面的研究,E-mail:aaronguo@imde.ac.cn

    李泳(1967—,男,研究員,主要從事自然地理和自然災(zāi)害方面的研究,E-mail:ylie@imde.ac.cn。

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