文家溝泥石流防治工程監(jiān)測(cè)預(yù)警級(jí)別研究

陳方吾,黃 健,王昌明,毛東升

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610059)

泥石流災(zāi)害一旦發(fā)生,危害很大,如何準(zhǔn)確預(yù)測(cè)預(yù)警泥石流的發(fā)生是國(guó)內(nèi)外的熱門研究話題。研究泥石流的主要方法包括:(1)驗(yàn)證法。通過(guò)分析實(shí)際情況來(lái)確定降雨量和泥石流發(fā)生的雨量大小,并進(jìn)行對(duì)比,得到快要發(fā)生泥石流時(shí)的降雨值,推算有效降雨量和特征雨量之間的關(guān)系式[1-3],確定泥石流將要發(fā)生的降雨量臨界值曲線[4-6]。研究發(fā)現(xiàn)該方法可行,但需要大量的雨量資料和災(zāi)害資料,不適合沒(méi)有長(zhǎng)期雨量資料的地區(qū)。(2)數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。?shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前凑諗?shù)學(xué)的方法推導(dǎo)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)臨界值。

泥石流的發(fā)生與很多因素有關(guān),文家溝地區(qū)具有物源豐富、沖溝坡降大、匯水面積廣、沖溝集中,堆積物膠結(jié)一般等特點(diǎn),在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下較容易發(fā)生泥石流。假定其他條件不變,研究在前期一定歷史數(shù)據(jù)的情況下如何通過(guò)降雨的過(guò)程參數(shù)來(lái)預(yù)警預(yù)報(bào)泥石流的發(fā)生。當(dāng)溝谷內(nèi)小塊碎石土堆積物儲(chǔ)備一定時(shí),坡度也一定時(shí),泥石流的發(fā)生概率主要取決于降雨的一些特征。利用降雨的特點(diǎn)預(yù)測(cè)泥石流的發(fā)生概率是國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用較多的方法,推測(cè)泥石流的發(fā)生雨量臨界值是研究的關(guān)鍵。

1 流域預(yù)警模型

1.1 流域基本情況

(1) 降雨經(jīng)過(guò) 四川省綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝泥石流溝地區(qū)在2010年8月12日發(fā)生強(qiáng)降雨,從12日下午開始降雨,截止到22時(shí)雨量較小,12日22:30—13日01:30降雨變?yōu)楸┯?隨后逐漸減小,至13日3時(shí)左右降雨結(jié)束,總降雨量227 mm左右。降雨持續(xù)時(shí)間短,降雨強(qiáng)度高,降雨量比較大,該次泥石流發(fā)生于8月13日00:30左右,大量的洪水挾帶泥沙塊石沖毀了文家溝的最后一道攔砂壩,形成了潰決型大規(guī)模泥石流[7-10],泥石流一直持續(xù)到降雨結(jié)束。

(2) 文家溝地區(qū)地質(zhì)特征 四川省綿竹市北部龍門山山區(qū)清平鄉(xiāng)文家溝是暴雨型沖溝,受持續(xù)強(qiáng)降雨影響明顯。文家溝全溝面積7.8 km2,文家溝泥石流堆積區(qū)特征為滑源區(qū)滑動(dòng)體積約2 750 萬(wàn)m3,滑源區(qū)下方為韓家大坪主堆積區(qū)1區(qū),面積約2 000 萬(wàn)m3;其次是一個(gè)約280 m高差的陡坎,陡坎下為一個(gè)海拔1 300 m的平臺(tái),平臺(tái)下為一個(gè)碎屑流通堆積區(qū),為主堆積區(qū)2區(qū),面積約3 000 萬(wàn)m3。上游多小沖溝,沖溝為下一次強(qiáng)降雨泥石流發(fā)生奠定了基礎(chǔ)。

研究區(qū)降雨包括2個(gè)過(guò)程:(1)雨量的損失過(guò)程。單位時(shí)間內(nèi)累計(jì)降雨量減去損失部分稱為凈降雨量[5]。降雨轉(zhuǎn)化為凈降雨量的過(guò)程稱為產(chǎn)流過(guò)程,凈降雨量(徑流量)的計(jì)算稱為產(chǎn)流計(jì)算。(2)凈降雨量沿地面和地下匯入河網(wǎng),并經(jīng)過(guò)河網(wǎng)匯集形成流域出口斷面的過(guò)程,稱為匯流過(guò)程,該計(jì)算稱為匯流計(jì)算。二者在一起稱流域產(chǎn)匯流計(jì)算[11]。

1.2 預(yù)警模型

大部分泥石流和滑坡發(fā)生時(shí)間與雨季基本相同。泥石流發(fā)生前的降雨量的總量不變,根據(jù)這個(gè)平衡原理可以得到公式為

L=A-B≤(Imax-P0),

(1)

其中:L是一次降雨過(guò)程平均徑流深度(mm);A是一次降雨平均降雨量(mm);B是一次降雨平均損失量(mm);Imax是降雨流域區(qū)50年內(nèi)的最大蓄水量(mm)(流域Imax一般為常數(shù));P0是降雨前的碎石土含水量(mm),用降雨徑流深度L表示該泥石流溝物源面積內(nèi)的平均徑流深度。

由式(1)得出取右邊最大值時(shí),泥石流發(fā)生的臨界值為

L臨界=(Imax-P0)。

當(dāng)L≥L臨界時(shí),表示將要發(fā)生泥石流,計(jì)算出這時(shí)對(duì)應(yīng)的徑流深度、泥石流發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)的降雨相關(guān)參數(shù),做出發(fā)生概率的預(yù)警。經(jīng)過(guò)反復(fù)對(duì)比分析文家溝區(qū)域過(guò)去的8次泥石流發(fā)生情況得出(Imax-P0)設(shè)為臨界值對(duì)提高預(yù)警精度是可行的,如果該臨界值在不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件、不同物源范圍情況、不同坡度等時(shí)需要做出調(diào)整。

徑流深度L是指在單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)某一過(guò)水?dāng)嗝嫔系膹搅骺偭縒(m3/s)平鋪在斷面積以上流域面積S(km2)上所得到的水層深度,它的常用單位為毫米(mm)。相當(dāng)于該時(shí)段內(nèi)平均分?jǐn)傆谠撁娣e上的水深L(mm),其公式為

其中:W為徑流總量(m3/s);S為流域面積(km2);L為徑流深度(mm)。

累計(jì)1 h徑流深度L1h(mm)為

累計(jì)2 h的徑流深度L2h(mm)為

對(duì)文家溝目前的物源、坡度、降雨、地下水等情況進(jìn)行臨界值確定,由于每次降雨的時(shí)間相對(duì)泥石流的發(fā)生過(guò)程不同,因此降雨需要考慮累計(jì)效應(yīng),用指標(biāo)累計(jì)降雨量和平均降雨強(qiáng)度來(lái)描述,這里利用動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)法,取每一個(gè)連續(xù)1 h雨量進(jìn)行預(yù)警,當(dāng)預(yù)警級(jí)別危險(xiǎn)時(shí)計(jì)算累計(jì)2 h雨量、3 h雨量進(jìn)行綜合泥石流災(zāi)害預(yù)警,提升預(yù)警能力[12]。

研究區(qū)文家溝降雨結(jié)束時(shí)流域區(qū)達(dá)到的最大蓄水量Imax是固定值,反映的是流域下面基巖的蓄水能力,同時(shí)也反映出降雨轉(zhuǎn)化為徑流量的能力,用徑流系數(shù)表示。徑流系數(shù)(C)為一次降雨過(guò)程平均徑流深度與總降雨量的平均徑流深度的比值[13],公式表達(dá)為

所以,1 h未損失的總降雨量Lz(mm)可以通過(guò)C和L求得,即

2 文家溝泥石流預(yù)警過(guò)程

2.1 文家溝水文學(xué)參數(shù)確定

(1) 徑流總量W(m3/s) 文家溝區(qū)域在“5·12”地震前泥石流的發(fā)生頻率不大,缺少水文監(jiān)測(cè)資料[14],研究主要利用《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》中靠近該地區(qū)的四川省113個(gè)站點(diǎn),共有1 797場(chǎng)洪水?dāng)?shù)據(jù),對(duì)西南山區(qū)的降雨分析具有較好的代表性和普適性。通過(guò)采用區(qū)域或相鄰區(qū)域的暴雨洪水手冊(cè)、水文手冊(cè)或其他統(tǒng)計(jì)資料的徑流模型來(lái)計(jì)算流域內(nèi)降雨引發(fā)洪水的參數(shù)。文家溝流域面積7.8 km2,其徑流總量和徑流深度計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 不同降雨頻率的徑流總量和徑流深度

(2) 徑流系數(shù)C綿竹市屬四川盆地中亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū),降水充沛,年降雨量1 500～1 700 mm[15]。徑流系數(shù)綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對(duì)降水-徑流關(guān)系的影響。蒸發(fā)量小于降雨量,所以前期含水量處于濕潤(rùn)或一般濕度狀態(tài),查詢相關(guān)資料獲得研究地區(qū)的徑流系數(shù)C,如表2所列。

表2 不同預(yù)警級(jí)別的泥石流小時(shí)降雨量臨界值

根據(jù)實(shí)際情況分析計(jì)算所得的降雨總量、徑流系數(shù)(C)確定分4個(gè)級(jí)別預(yù)警,分別是Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)預(yù)警級(jí)別。濕潤(rùn)地區(qū)C值大,干旱地區(qū)C值小,文家溝徑流系數(shù)C與流域下地質(zhì)環(huán)境條件、土壤損失系數(shù)、雨量大小、流域面積與產(chǎn)流時(shí)間有關(guān)。地震引起的大量滑坡碎屑流堆積在溝道內(nèi),植被稀少,土層稀薄。地震前為天然林保護(hù)區(qū),水土流失一般。

2.2 降雨總量臨界值

根據(jù)泥石流起動(dòng)分析計(jì)算方法計(jì)算得出降雨徑流特征,確定處于不同預(yù)警級(jí)別下泥石流啟動(dòng)的降雨量臨界值。計(jì)算過(guò)程中,按照前期土壤濕潤(rùn)、一般濕潤(rùn)(干旱)2種情況分別計(jì)算,由于徑流系數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)降雨量有關(guān),徑流系數(shù)通過(guò)試算法多次計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的降雨量來(lái)確定。

通過(guò)調(diào)查和查閱資料,“8.13”泥石流對(duì)應(yīng)降雨頻率約為50年一遇。在前期濕潤(rùn)條件下,不同預(yù)警級(jí)別泥石流降雨歷時(shí)與降雨強(qiáng)度臨界值計(jì)算和界定結(jié)果如表3所列。

在前期一般濕潤(rùn)(干旱)條件下,不同預(yù)警級(jí)別泥石流降雨臨界值計(jì)算和界定結(jié)果如表4所示。

土壤前期一般濕潤(rùn)時(shí),泥石流啟動(dòng)的降雨臨界值大于前期濕潤(rùn)情況下的降雨臨界值。因?yàn)樵谇捌谝话銤駶?rùn)條件下,需要更多的降雨入滲到土體當(dāng)中才能產(chǎn)生徑流。同時(shí)隨著降雨頻率的逐漸升高,重現(xiàn)周期逐漸減小,1 h內(nèi)降雨量逐漸減小,導(dǎo)致洪峰流量逐漸減小,徑流逐漸減小,所產(chǎn)生的泥石流的啟動(dòng)規(guī)模逐漸減小,泥石流的發(fā)生可能性也逐漸降低。

2.3 文家溝地區(qū)泥石流發(fā)生降雨臨界值曲線

根據(jù)降雨總量一致原則,將單位時(shí)間1 h內(nèi)降雨量進(jìn)行分配,通過(guò)分析文家溝泥石流發(fā)生的實(shí)際情況、爆發(fā)規(guī)模以及不同降雨頻率下的降雨特征,將泥石流預(yù)警級(jí)別分為紅色預(yù)警(Ⅰ級(jí))、橙色預(yù)警

表3 不同預(yù)警級(jí)別泥石流的降雨歷時(shí)對(duì)應(yīng)雨強(qiáng)臨界值(前期濕潤(rùn))

表4 不同預(yù)警級(jí)別泥石流的降雨臨界值(前期一般濕潤(rùn))

(Ⅱ級(jí))、黃色預(yù)警(Ⅲ級(jí))、藍(lán)色預(yù)警(Ⅳ級(jí))4個(gè)級(jí)別。由此繪制出文家溝在前期濕潤(rùn)的情況下不同預(yù)警級(jí)別的降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的關(guān)系,如圖1所示。

圖1 前期濕潤(rùn)在不同預(yù)警級(jí)別降雨歷時(shí)與雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.1 Relationship between rainfall duration and rain intensity at different early warning levels with heavy moisture

當(dāng)前期條件一般濕潤(rùn)(干旱)時(shí),文家溝的不同預(yù)警級(jí)別的降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 前期干旱在不同預(yù)警級(jí)別降雨歷時(shí)與雨強(qiáng)對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2 Relationship between rainfall duration and rain intensity at different early warning levels with medium moisture

通過(guò)圖1和圖2可以看出,降雨前的條件不同,預(yù)警的情況也不同,可看出誘發(fā)文家溝泥石流的主要降雨特征為:(1)降雨強(qiáng)度大、降雨歷時(shí)短的單峰型短歷時(shí)強(qiáng)降雨;(2)降雨強(qiáng)度小、降雨歷時(shí)長(zhǎng)的綿綿細(xì)雨,有時(shí)僅5～8 mm/h也可能引起泥石流的發(fā)生。

3 文家溝歷史發(fā)生泥石流驗(yàn)證分析

由于文家溝比較特殊,“5·12”地震之前并非是泥石流溝,所以歷史上也沒(méi)有泥石流災(zāi)害記載資料。通過(guò)收集2008—2015年發(fā)生泥石流降雨資料總結(jié)歸納了文家溝后期發(fā)生泥石流的降雨數(shù)據(jù),如表5所列,表5中列舉了2008—2015年泥石流的降雨特征及預(yù)警級(jí)別。

表5 文家溝泥石流降雨特征及預(yù)警級(jí)別

從表4和表5中可以看出,2010—2013年期間發(fā)生泥石流災(zāi)害與計(jì)算所得泥石流預(yù)警值吻合度較高,幾乎每次泥石流發(fā)生預(yù)警級(jí)別都在Ⅲ級(jí)以上,說(shuō)明該預(yù)警值能有效對(duì)文家溝泥石流是否發(fā)生提供判斷依據(jù)。2014年和2015年3次預(yù)警級(jí)別達(dá)到Ⅰ級(jí)而沒(méi)有發(fā)生泥石流災(zāi)害是因?yàn)楹笃谥卫砉こ痰耐晟埔约翱蓞⑴c泥石流物源量的減少,這是導(dǎo)致3次降雨沒(méi)有爆發(fā)泥石流的直接原因。

4 結(jié)論

(1) 采用水文學(xué)方法,建立了文家溝小流域在前期含水量濕潤(rùn)和一般濕潤(rùn)2種情況下泥石流的不同預(yù)警級(jí)別的降雨量臨界值。

(2) 將泥石流的發(fā)生劃分為紅色預(yù)警(Ⅰ級(jí))、橙色預(yù)警(Ⅱ級(jí))、黃色預(yù)警(Ⅲ級(jí))、藍(lán)色預(yù)警(Ⅳ級(jí))4個(gè)預(yù)警級(jí)別比較合理,并且主要是降雨強(qiáng)度引起泥石流的發(fā)生。

(3) 通過(guò)分析得出引發(fā)文家溝泥石流發(fā)生的降雨特點(diǎn)為短時(shí)間強(qiáng)降雨和持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的小雨。

(4) 采用的水文學(xué)產(chǎn)匯流的方法來(lái)計(jì)算文家溝泥石流雨量臨界值具有一定適用性,經(jīng)過(guò)后期發(fā)生的幾次泥石流降雨特征值來(lái)檢驗(yàn),結(jié)果基本符合,為文家溝泥石流預(yù)警提供了一定的參考價(jià)值。