降雨頻率與泥石流暴發(fā)頻率關系研究
——以2015年8月西藏扎木弄溝泥石流為例

王偉宇,李 俊,趙苑迪

(四川輕化工大學土木工程學院,四川 自貢 643000)

泥石流暴發(fā)頻率是評估泥石流活躍程度,估算泥石流侵蝕速率以及確立泥石流設防標準的關鍵參數(shù)[1-6]。泥石流頻率的確定有4種方法:第1種方法為通過調(diào)訪老鄉(xiāng)獲取歷史上相同規(guī)模泥石流的間隔時間[7];第2種方法為暴雨頻率與泥石流頻率不一致時,也就是物源量極為豐富的情況,可以通過地震頻率來確定大規(guī)模泥石流暴發(fā)頻率[8];第3種方法是假定暴雨頻率與泥石流頻率一致,通過泥石流流量線性雨洪法與形態(tài)調(diào)查法計算結果,對比得出泥石流暴發(fā)頻率[9-13];第4種方法為暴雨頻率與泥石流頻率不一致時(物源量極為豐富的情況下),例如震后的汶川地區(qū)泥石流溝內(nèi),通過修正雨洪法與形態(tài)調(diào)查法計算結果來確定泥石流暴發(fā)頻率[14]。

汶川地震、蘆山地震和魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后,中國西南山區(qū)泥石流物源普遍激增,泥石流的臨界雨量下降,這導致了降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率極為不一致[15-17]。因而急需探討降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率的關系,但由于缺少典型案例,相關文獻并不多見。而研究所調(diào)查的扎木弄溝(流域面積29.4 km2)是極具代表性的泥石流溝,扎木弄溝物源極為豐富,年均降雨量為1 225.8 mm,年降水量分配不均,降水呈“雙峰型”(5—6月和8—9月雙峰型),溝道比降大,歷史上發(fā)生過多次大規(guī)模泥石流,近10 a泥石流仍然頻發(fā)呈現(xiàn),目前扎木弄溝溝口配有精度高達0.1 mm的降雨量觀測站。因此,基于具有代表性的扎木弄溝泥石流及其降雨量資料,我們研究了降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率的關系。

1 扎木弄溝概況

1.1 自然條件

扎木弄溝位于西藏自治區(qū)波密縣易貢藏布河左岸(見圖1),易貢湖的下游,主溝走向225°,與易貢藏布近似直交。流域最高點海拔為5 616 m,最低海拔2 186 m,相對高差3 430 m。扎木弄溝主溝坡度上陡下緩,上部50°～60°,下部<30°。海拔4 000～5 616 m地帶角峰、幽谷等冰蝕地貌發(fā)育;海拔2 700～4 000 m地帶發(fā)育深切河谷,谷深溝窄,溝谷呈“V”形,溝床的平均縱坡比降達到了20%以上,有利于泥石流的發(fā)育;海拔2 700～2 186 m地帶為泥石流堆積扇、沖洪積扇或坡積裙等地貌單元。

圖1 區(qū)域地理位置Fig.1 Regional geographical location map

1.2 扎木弄溝2015年8月泥石流

據(jù)實地調(diào)查,2015年8月扎木弄溝共發(fā)生4次泥石流,分別為2015年8月16日凌晨3—4點泥石流,2015年8月19日凌晨4—5點泥石流,2015年8月21日早上6—7點泥石流和2015年8月7日泥石流。2015年8月16日和8月21日泥石流暴發(fā)后殘留的堆積物照片如圖2所示。

圖2 泥石流暴發(fā)后殘留堆積物Fig.2 Residual debris after mudslide outbreak

2 泥石流動力學特征參數(shù)

調(diào)查顯示,這4次泥石流的規(guī)模相近,泥石流洪痕高度相差較小。因而采用4場泥石流動力學特征參數(shù)的平均值作為2015年8月扎木弄溝泥石流動力學特征參數(shù)。計算結果顯示,2015年8月扎木弄溝泥石流容重平均值為1.78 t/m3,泥石流流速介于4.05～5.79 m/s,泥石流流量介于538.76～605.17 m3/s。

2.1 容重

現(xiàn)場收集了4次泥石流暴發(fā)后殘留的原樣,采用基于泥石流堆積物組成的容重計算公式計算這4次泥石流容重[18],計算后4次泥石流容重值見表1。這4次泥石流中,2015年8月21日和2015年8月7日的泥石流性質為過渡性泥石流(容重值介于1.80～1.90 t/m3)。另外2次為稀性泥石流(容重值<1.80 t/m3)。將4次泥石流容重值取平均值1.78 t/m3作為2015年8月扎木弄溝泥石流的容重值。此容重值作為研究泥石流流速和泥石流洪峰流量計算參數(shù)之一。

表1 泥石流容重計算Table 1 Calculation of mudslide volume weight

2.2 流速

扎木弄溝為稀性泥石流溝,選取圖3所示的斷面1和斷面2為計算斷面,參照《中國泥石流研究》給出的稀性泥石流流速計算公式計算扎木弄溝泥石流流速[19-21],計算公式為

(1)

a=(1+φcγs)1/2,

(2)

(3)

其中:V為泥石流斷面平均流速(m/s);Hc為泥石流斷面平均泥深(m);Ic為泥石流水力坡度,一般可用溝床縱坡代替;Mc為稀性泥石流溝床的糙率系數(shù);φc為泥石流洪峰流量修正系數(shù);γc為泥石流流體容重,1.78 t/m3;γw為水的容重,1.00 t/m3;γs為泥石流固體物質的容重,2.65 t/m3。

斷面1和斷面2處泥石流流速計算結果如表2所列。計算結果顯示,斷面1泥石流流速為4.05 m/s,斷面2泥石流流速為5.79 m/s。

圖3 扎木弄溝8月泥石流實測洪痕斷面Fig.3 Measured floodmark section of mudslide in Zhamunonggou on August

表2 泥石流流速計算表Table 2 Mudslide flow velocity calculation sheet

2.3 泥石流流量

形態(tài)調(diào)查法計算的斷面1泥石流流量為605.17 m3/s,斷面2的泥石流流量為538.76 m3/s。配方法計算的斷面1百年一遇的泥石流流量為580.37 m3/s,斷面2百年一遇的泥石流流量為553.77 m3/s。

(1) 形態(tài)調(diào)查法確定的泥石流流量 形態(tài)調(diào)查法計算流量的具體表達式[22]為

Qc=AV,

(4)

其中:Qc為泥石流流量(m3/s);A為洪痕斷面面積(m2);V為泥石流斷面平均流速(m/s)。計算結果顯示,斷面1的泥石流流量為605.17 m3/s,斷面2的泥石流流量為538.76 m3/s。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流流量

(2) 配方法確定的泥石流流量 計算結果顯示,斷面1百年一遇的泥石流流量為580.37 m3/s,十年一遇的泥石流流量為239.02 m3/s,五年一遇的泥石流流量為167.05 m3/s,兩年一遇的泥石流流量為99.27 m3/s。斷面2百年一遇的泥石流流量為553.77 m3/s,十年一遇的泥石流流量為227.73 m3/s,五年一遇的泥石流流量為159.01 m3/s,兩年一遇的泥石流流量為94.26 m3/s。

(3) 清水流量 線性雨洪法計算泥石流洪峰流量的基礎數(shù)據(jù)是通過推理公式法計算得出的清水流量。以目前公認的用于小流域設計洪水的推理公式為基礎,進行清水流量計算。參照文獻[23],取用適當?shù)膮?shù)值,計算得出斷面1和斷面2以上流域的清水流量,其結果見表4。

表4 線性雨洪法計算斷面1和斷面2的清水流量

(4) 泥石流流量 不同頻率泥石流流量可采用線性雨洪法計算得出。線性雨洪法假定泥石流與暴雨同時發(fā)生,且頻率相同,清水全部轉化為泥石流。線性雨洪法運用時需考慮溝道的堵塞情況。線性雨洪法計算泥石流洪峰流量Qc的公式為

Qc=φcQbDu,

(5)

其中:φc為泥石流流量修正系數(shù);Qb為清水流量(m3/s);Du為堵塞系數(shù),取值為1.5。線性雨洪法計算得出的扎木弄溝在各個頻率下的泥石流洪峰流量見表5。

表5 不同頻率下泥石流流量計算過程

3 泥石流暴發(fā)頻率

通過研究分析,4種常用的泥石流暴發(fā)頻率確定方法不能確定2015年8月扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率。針對這4次泥石流,通過現(xiàn)場測量洪痕斷面和溝道比降,發(fā)現(xiàn)這4次泥石流在相同斷面位置處的洪痕面積相差較小,計算得出的泥石流洪峰流量差別較小,因此這4次泥石流的暴發(fā)頻率一致。于是,我們嘗試采用前言所述的前2種方法來確定這4次泥石流暴發(fā)頻率。首先2000年扎木弄溝滑坡泥石流發(fā)生后,扎木弄溝2001—2014年泥石流規(guī)模無記錄。所以無法通過調(diào)訪獲取2015年8月扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率。其次2015年8月這4次泥石流規(guī)模介于1×104～10×104m3,根據(jù)泥石流防治規(guī)范,這4次泥石流不屬于大規(guī)模泥石流,所以無法通過地震頻率來判斷這4次泥石流暴發(fā)頻率。第1種方法和第2種方法并不能確定2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。

第3種方法也不能確定2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。形態(tài)調(diào)查法確定斷面1和斷面2的泥石流洪峰流量分別為605.17 m3/s和538.76 m3/s。這2個流量與線性雨洪法計算的各個頻率下泥石流洪峰流量相比,可以得出8月16日泥石流頻率為超百年一遇。但是這個結論明顯不對。因為8月16日泥石流發(fā)生之后,在8月19日和8月21日扎木弄溝也發(fā)生了相同規(guī)模的泥石流,這說明8月16日泥石流頻率沒有超百年一遇。從現(xiàn)場洪痕痕跡可以判識2012—2015年也發(fā)生過相同規(guī)模的泥石流或者是更大規(guī)模的泥石流,這說明8月16日泥石流頻率沒有超百年一遇。

第4種方法不能直接評估2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。采用第4種方法來確定8月16日泥石流暴發(fā)頻率的前提是某地區(qū)需要有泥石流流量放大系數(shù)擬合資料,這樣才能應用修正雨洪法計算的泥石流洪峰流量與形態(tài)調(diào)查法計算結果相對比得出泥石流暴發(fā)頻率。然而易貢周邊地區(qū)并沒有相應的泥石流流量放大系數(shù)擬合資料。

4 降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率關系探討

通過上述分析可知,目前常用的4種泥石流暴發(fā)頻率方法不能確定2015年8月扎木弄溝泥石流的暴發(fā)頻率。為此我們探討降雨頻率與泥石流頻率的關系,嘗試解決如何確定泥石流暴發(fā)頻率問題。解決思路具體如下:通過查找泥石流暴發(fā)時間內(nèi)雨量數(shù)據(jù),來確定泥石流發(fā)生時的實際6 h降雨量。然后通過《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集(2006版)》求出不同頻率下的最大6 h設計暴雨量。將實際6 h降雨量與不同頻率下的最大6 h設計暴雨量相比,得出降雨頻率。進而根據(jù)扎木弄溝溝口10多年堆積的松散固體物質反演2015年8月泥石流可能的暴發(fā)頻率,并求得泥石流洪峰流量放大系數(shù),并對該放大系數(shù)進行分析,最終得出泥石流暴發(fā)頻率。

4.1 2015年8月16日、19日和21日降雨頻率確定

甲中村雨量站在2015年8月16日和21日前6 h的降雨量無記錄,僅有8月19日的小時降雨量。但由于2015年8月16日、8月19日和8月21日泥石流洪峰流量差別較小,所以以8月19日甲中村雨量站6 h降雨5.5 mm作為計算2015年8月降雨頻率的初始參數(shù)。從18日22:00到19日4:00,6 h內(nèi)累積降雨量達到5.0 mm,最大6 h降雨量達5.0 mm。降雨頻率分析首先通過《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集(2006版)》查出易貢地區(qū)最大6 h暴雨量變差系數(shù)CS與最大6 h均值雨量;再從皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)表中查出相應于Cv=3.5CS的不同頻率的KP值,計算出不同頻率情況下設計的暴雨量H6p=KP×24n2-1,其中:n2為1～6小時內(nèi)的暴雨參數(shù);最后通過對比不同頻率下H6p值與5.0 mm的大小,得出降雨頻率。通過查看中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)表得出,該地區(qū)最大6 h暴雨量變差系數(shù)Cs與最大6 h降雨量值分別為0.39 mm、22 mm,并且當頻率為100%時,H6p等于6.33 mm,與此次降雨量5.0 mm相差較小。所以2015年8月泥石流對應的降雨頻率都為一年一遇。

4.2 2015年8月泥石流暴發(fā)頻率分析

據(jù)文獻資料和實際調(diào)查,1902年冰川泥石流和2000年滑坡泥石流發(fā)生之后,扎木弄溝發(fā)生了非常多的中小規(guī)模泥石流[24-26]。由此可判斷出泥石流頻率一般都低于二十年一遇。2000年堰塞壩潰決后,扎木弄溝溝口高程為2 190 m,而2015年溝口高程為2 198 m,泥石流堆積物范圍為0.32 km2,泥石流堆積方量為256萬m3。而2015年8月這4次泥石流平均一次泥石流固體物質總量為1.68萬m3。2000—2015年期間泥石流堆積方量256萬m3除以平均一次泥石流輸沙量再除以15年得出2000—2015年每年類似于8月16日規(guī)模的泥石流平均次數(shù)為10次。這說明2000年滑坡泥石流發(fā)生之后的后續(xù)泥石流暴發(fā)頻率非常高,我們把2015年8月泥石流暴發(fā)頻率定為兩年一遇。

形態(tài)調(diào)查法與配方法計算的泥石流洪峰流量倍數(shù)關系見表6。從表6可知,形態(tài)調(diào)查法計算斷面1和斷面2的泥石流洪峰流量比線性雨洪法計算的兩年一遇泥石流洪峰流量都大6倍左右。而一年一遇的降雨條件下扎木弄溝實際泥石流洪峰流量是兩年一遇洪峰流量(線性雨洪法)的6倍。這是因為扎木弄溝流域內(nèi)目前具有大量的土源。據(jù)統(tǒng)計表明,流域面積為29.4 km2的扎木弄溝目前還殘留著2.7億m3松散固體物質[25],這能夠為泥石流提供非常豐富的松散固體物質,在此情況下暴雨頻率很可能與泥石流暴發(fā)頻率不一致,從而導致扎木弄溝在一年一遇的降雨條件下產(chǎn)生6倍兩年一遇洪峰流量(線性雨洪法)。這表明2015年8月泥石流暴發(fā)頻率定為兩年一遇是有可能且較為合理的。另外高頻率的降雨條件下扎木弄溝產(chǎn)生較大規(guī)模泥石流現(xiàn)象在汶川震后物源量極多的清平溝、紅椿溝和小崗劍泥石流溝也常見。綜上所述,2015年8月扎木弄溝泥石流頻率為兩年一遇,并且一年一遇的降雨條件下可以產(chǎn)生6倍于兩年一遇的洪峰流量(線性雨洪法)。

表6 形態(tài)調(diào)查法與配方法計算的泥石流洪峰流量倍數(shù)關系

5 結論

結合扎木弄溝實地調(diào)查數(shù)據(jù),并對比通過形態(tài)調(diào)查法計算的泥石流洪峰流量與此泥石流暴發(fā)頻率下的洪峰流量(線性雨洪法)之后,分析得出了2015年8月泥石流暴發(fā)頻率為兩年一遇,并且一年一遇的降雨條件下可以產(chǎn)生6倍兩年一遇的洪峰流量(線性雨洪法)。扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率的表述方法能夠更好地表達扎木弄溝泥石流的活躍程度,并且有利于工程設防標準的選取。