李興龍， 卓春英

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院， 重慶 永川 402160)

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公路沿線誘發(fā)泥石流的災害特征與控制技術(shù)模型研究

李興龍， 卓春英

(重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院， 重慶 永川 402160)

對于現(xiàn)代生活中而言，自然災害防御體系的建立越來越重要。以自然災害中泥石流為例，通過分析泥石流發(fā)育分布特征進行泥石流的分類闡釋，在此基礎上建立對泥石流監(jiān)測預警關(guān)鍵參數(shù)分析后，對于利用軟件FLO-2D建立泥石流模型，進行具體的泥石流危險分區(qū)研究。通過以上的整合，泥石流預警減災系統(tǒng)設計與構(gòu)建應用而生。通過對必要模塊的建立和運營，將會對我們在生產(chǎn)和生活中，有效預防泥石流這類的自然災害現(xiàn)象，做到精準預測災害，降低自然災害的破壞率。

泥石流； 數(shù)值模擬； 控制技術(shù)； 災害； 誘發(fā)

1 泥石流發(fā)育分布特征

1.1 泥石流病害類型分類原則與方案

泥石流自然災害頻發(fā)，和地區(qū)氣候環(huán)境、區(qū)域性地形、山體地質(zhì)結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。進一步細致分析，就會發(fā)現(xiàn)：根據(jù)不同地區(qū)環(huán)境和觸發(fā)泥石流發(fā)生的不同因素，需要采取相應有效的防范措施。

根據(jù)研究地區(qū)的氣候環(huán)境，地殼運動和抬升頻率，巖石和沉積物發(fā)育情況，山體山脈走向，這些都是造成泥石流發(fā)生的背景環(huán)境。因素的多樣性也造就泥石流類型的多樣性。目前泥石流的病害類型大致根據(jù)以下幾種因素劃分為：洪水類型、溝谷類型、固體物質(zhì)補給方式、流體特性。

易識性原則、規(guī)模性原則、水破壞性原則、防止針對性是泥石流的分類的四項原則。這四條原則具有現(xiàn)實意義，危害發(fā)生后可以根據(jù)不同的原則，進行搶救措施選取有針對性，便于防災害人員采取有效地防治措施。

1.2 泥石流病害類型劃分

按照洪水類型可將泥石流具體劃分為：暴雨泥石流、雪雨混合型泥石流、冰川泥石流、融雪泥石流這4種類型。

高山地區(qū)的典型泥石流類型中最常見的就是冰川泥石流(見圖1)。由于處于特定的高山冰川地區(qū)，受到氣溫因素控制，冰雪融水一旦積聚到一定量，就易引發(fā)泥石流災害。這種泥石流呈現(xiàn)出沖擊力強、持續(xù)時間長、流通區(qū)和堆積區(qū)有大沖大淤的特點。

圖1 冰川泥石流Figure 1 Glacial debris flow

融雪泥石流：主要是季節(jié)性質(zhì)的冰雪水融化，加之天氣陡然升溫的誘因從而形成洪水。特別是位于低山地帶，泥石流發(fā)生更加容易(見圖2)。融雪徑流的大小和溫度變化、積雪厚度以及低山地區(qū)的降水量有密切關(guān)系。

圖2 融雪性泥石流Figure 2 Snowmelt mudslides

區(qū)域性暴雨洪水可以極大誘導暴雨泥石流災害的發(fā)生，所以兩者聯(lián)系相當緊密。這種區(qū)域性的暴雨形成需要大型環(huán)流氣候背景或大尺度的天氣系統(tǒng)。暴雨性泥石流多發(fā)于中低山區(qū)，明顯特征表現(xiàn)為：規(guī)模較小，持續(xù)時間短，危害程度低(見圖3)。

圖3 暴雨性泥石流Figure 3 Rainstorm debris flow

山區(qū)地區(qū)氣溫回升，積雪融化，如果恰逢暴雨，降水徑流和積雪融水疊加，為泥石流的形成創(chuàng)造了有利的條件。且破壞力更強，持續(xù)時間更長，雨雪性泥石流多發(fā)于5～6月。

溝谷型泥石流、坡面型泥石流是按照泥石流溝谷形態(tài)劃分的2種泥石流類型。

溝谷型泥石流的形成和冰川泥石流有著天然的關(guān)聯(lián)，兩者可以視為同一(見圖4)。溝谷型泥石流形成于不良地質(zhì)現(xiàn)象常發(fā)區(qū)，大多數(shù)情況下游較多發(fā)育完整的各類侵蝕溝谷。在多流經(jīng)呈“V”型的深谷，最后沉積在扇狀地形。

圖4 溝谷型泥石流常發(fā)的地形Figure 4 Gully debris flow often terrain

坡面型泥石流實際上可以認為是溝谷泥石流的發(fā)育階段(見圖5)。坡面整體特點呈現(xiàn)出：陡坡、淺溝、流路段和規(guī)模小等特點。在同一坡面上可能會出現(xiàn)多處發(fā)生泥石流的現(xiàn)象。

圖5 坡面泥石流Figure 5 Slope debris flow

稀性泥石流、過渡性泥石流、粘性泥石流是按照泥石流流變區(qū)分的三種類型。粘性泥石流的固體含量在40%～80%之間，流體整體結(jié)構(gòu)性較強，稠度較大，具備較強的陣性流動特性。稀性泥石流固體物質(zhì)含量小于40%，呈現(xiàn)出：容重低、稠度小、浮托力弱，易出現(xiàn)散流和潛流的現(xiàn)象。并且造就了稀性泥石流破壞性和危害性較小。

1.3 泥石流發(fā)育分布特征

泥石流的發(fā)育分布相對來說比較復雜，受到地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層巖性這2個主要因素的影響。

巖體破碎嚴重，斜坡陡峻，泥石流在該地段得到良好的發(fā)育。這是西南地區(qū)巖漿巖區(qū)段發(fā)育的特征。強降雨作為誘因，泥石流頻發(fā)，規(guī)模大，破壞性強，危害廣泛。西南地區(qū)的變質(zhì)巖區(qū)段植被覆蓋率較高，山體保存相對完整，且多低頻的溝谷和溝口堆積扇體。所以此路段的泥石流多以坡面泥石流為主，泥石流的危害性較小。

2 泥石流監(jiān)測預警關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 泥石流形成過程及預警關(guān)鍵參數(shù)分析

泥石流的形成、運動和成災模式，從這3種模式中研究關(guān)鍵性和可用性參數(shù)，可以實現(xiàn)對于泥石流的預警和災害系統(tǒng)的建構(gòu)。

水體成分由降雨提供，固體物質(zhì)匯集提供水動力，源地周邊的松散物質(zhì)失穩(wěn)，參與泥石流，使得溝床物質(zhì)再次泛起，提供原始的水動力條件。根據(jù)對歷史資料的統(tǒng)計和研究，得出10 min的降雨量和泥石流的發(fā)生關(guān)系最大。雖然具體到各個地區(qū)，還因流域而有所差異，但以10 min強于控制的體系建立且不斷完善的基礎上，這種體系得到了廣泛的認可。

源地斜坡、岸坡土地和溝谷流域內(nèi)滑坡崩塌物質(zhì)以及泥石流二次拖拽物質(zhì)是泥石流流體物質(zhì)的主要三個方面的固體碎屑來源。這些固體物質(zhì)歷經(jīng)源地的土體充水、飽和、液化、和轉(zhuǎn)移，最終形成泥石流。在這復雜而極具爆發(fā)力的過程，經(jīng)過對于土地表層力狀態(tài)的分析，認為泥石流原地土體降雨入滲深度參數(shù)是影響泥石流的關(guān)鍵參數(shù)。

流域內(nèi)的溝道兩側(cè)的滑坡和塌岸將會給泥石流提供天然的物質(zhì)。這些物質(zhì)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄流蓄能，自身的具有強烈的不穩(wěn)定性，可以在積蓄到臨界點的時候，助力造成更大的泥石流發(fā)生。所以說溝道泥位參數(shù)可以實現(xiàn)對溝道堵塞體是否形成具有判斷意義，進一步推出泥石流的規(guī)模大小和發(fā)生與否。

2.2 泥石流運動過程及標志性參數(shù)分析

泥石流在溝道中飽含泥沙類濃稠流體一個運動過程。由于期災害性和數(shù)值的難測性，基本上放棄采用溝床沖淤深度來作為泥石流監(jiān)測預警參數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)泥石流在流動過程中發(fā)出的次聲信號頻率及持續(xù)時間等獨特的性質(zhì)，可以根據(jù)這些特點安裝相關(guān)的采集報警裝置，預警提前量可達10 min。另外一種就是根據(jù)檢測固定溝床斷面泥位來確定泥石流規(guī)模和指定斷面的泥石流運動速度，進行預警。

2.3 泥石流成災過程及標志性參數(shù)分析

根據(jù)以上的分析和研究，泥石流的形成是有多種因素促成，我們目前的研究結(jié)果可以實現(xiàn)，根據(jù)途徑的流域積累的降雨量、溝道泥位次聲波、泥石流原地土體降雨入滲深度和泥石流泥位四個因素作為檢測和預警的核心參數(shù)。

3 FLO-2D模擬泥石流危險分區(qū)研究

3.1 泥石流流變模型概述

泥石流流變的模型分6種：摩擦模型、碰撞模型、摩擦-碰撞模型、廣義牛頓黏性模式、黏塑性模型和粘性-塑性-碰撞模型。

3.2 FLO-2D泥石流模擬模型及應用

FLO-2是一個軟件，這個軟件可以求得泥石流流體運動控制方程，實現(xiàn)具體X方向和Y方向的泥石流流速和深度的數(shù)值測算。不僅能夠完善數(shù)據(jù)的測算，還可以實現(xiàn)對洪水金和泥石流的災害管理、城市淹沒分析、災害的危險性分析制圖、工程效果分析等模擬。FLO-2軟件對于自然災害的預防有著非常積極地意義，但也并不是說它是萬能的，也存在一定的局限性。比如：我發(fā)模擬泥石流對溝道的沖刷，斷面和溝谷的粗糙模擬度都是規(guī)則等等。

其中，蘇立明學者以2000年臺灣花蓮縣大興村發(fā)生的泥石流為研究對象(見圖6)，采用FLO-2軟件行進各種數(shù)據(jù)的模擬和測算。配合其他數(shù)據(jù)對泥石流防災工程進行效益配合，得出結(jié)論地形坡度和泥石流的容重是對泥石流影響較大的參數(shù)。

圖6 花蓮大興村模擬結(jié)果深度圖Figure 6 Hualien daxing village depth map simulation results

蔡志崇對南投縣水里鄉(xiāng)的豐丘村分丘溪進行了關(guān)于FLO-2軟件模擬泥石流。對下游地區(qū)的泥石流堆積扇的模擬范圍與實際的泥石流堆積范圍進行了比較(見圖7)，相似度極高達到了69.1%。

圖7 封丘溪模實際結(jié)果與擬結(jié)果對照Figure 7 FengQiu stream model contrasting fitting result and actual result

3.3 泥石流數(shù)值模擬

使用FLO-2軟件進行泥石流數(shù)據(jù)的模擬，需要提前做好與泥石流相關(guān)的數(shù)字地形和泥石流流體的資料準備工作。

以四川汶川縣映秀鎮(zhèn)的紅椿溝——這條老泥石流溝作為研究的對象，需要了解紅椿溝的交通位置、氣象、水文條件、周邊的地形地貌、底層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、固有的泥石流溝道條件、降雨和植被條件。以這些為基礎的前提下，才可以對紅椿溝泥石流的啟動與堆積特征展開研究。

對于紅椿溝泥石流數(shù)值模擬，參數(shù)的選擇需要有：數(shù)字地面模型、清水流量過程線、實際表示地表粗糙程度的曼寧系數(shù)、流量系數(shù)的統(tǒng)計、泥沙體積濃度和層流阻力系數(shù)的范圍選取(見表1)。

表1 紅椿溝數(shù)值模擬采用的部分參數(shù)Table1 Toongroovepartofthenumericalsimulationoftheparameters參數(shù)名稱數(shù)值參數(shù)名稱數(shù)值泥沙比重2.62α10.812體積濃度/%63α20.00462層流阻力系數(shù)2289β113.69曼寧系數(shù)0.12β211.31

模擬數(shù)據(jù)的分析和輸出之后，根據(jù)歷史資料中航拍獲得解譯數(shù)據(jù)進行分析對比，得到本次泥石流模擬的結(jié)果正確性(見圖8，表2)。只要以泥石流發(fā)生是的堆積范圍與實際堆積范圍結(jié)果的重疊范圍之間的比值關(guān)系來表示這次模擬的準確度。計算得到模擬結(jié)果準確率為69.5%。

圖8 重現(xiàn)周期50年模擬成功(不考慮潰決)Figure 8 Recurrence period of 50 years simulation successful topples(regardless of)

表2 紅椿溝泥石流模擬結(jié)果與實際比較Table2 Toongullysimulationresultscomparedwiththeactual最大泥深/m沖出方量/m3最遠距離/m最大寬度/m堆積扇面積/m2實際情況9.271.1×10447535796501模擬結(jié)果11.967×10440932871894

還可以根據(jù)不同重現(xiàn)周期數(shù)據(jù)分析模擬，對泥石流的重現(xiàn)周期進行可續(xù)和的預測，也將會造福周邊百姓，及時將自然災害的危險性降到最低。

4 泥石流預警減災系統(tǒng)設計與構(gòu)建

泥石流作為破壞性自然災害，將會給人們的社會生活和現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展、基礎設施建設帶來加大的破壞和損毀不良影響，所以，泥石流的預警機減災機制系統(tǒng)的建立將會使社會、群眾受益巨大，是非常有必要的。

泥石流預警減災信息平臺的建立是對泥石流堅持而數(shù)據(jù)的綜合分析和集中有效利用。泥石流采集信息渠道使用現(xiàn)在較為先進的空間數(shù)據(jù)庫及時和無線信息傳輸技術(shù)以及多元數(shù)據(jù)集成技術(shù)等(見圖9)。

圖9 泥石流監(jiān)測預警平臺構(gòu)成示意圖Figure 9 Debris flow monitoring and early warning platform structure diagram

泥石流監(jiān)測預警平臺構(gòu)成需要建立在對數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間信息技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的綜合配合下完成的。所以在平臺運行過程中，需要采用標準化軟件工程建設規(guī)范，并在實際操控過程中要考慮系統(tǒng)界面的簡便易操作的模塊化設計原則，以及便于數(shù)據(jù)的及時傳輸、更新和后臺的維護、升級?，F(xiàn)實的運轉(zhuǎn)過程中還要考慮到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運行效率的兼顧。對泥石流的監(jiān)測需要實現(xiàn)對溝谷的24 h全天候?qū)崟r監(jiān)控，電子地圖的漫游和空間信息定位功能設置完善(見圖10)。

圖10 系統(tǒng)功能模塊劃分Figure 10 System function module division

泥石流預警減災系統(tǒng)設計與構(gòu)建等功能的負載還有待檢驗，同時也需要不斷的完善和調(diào)整。但是我們在現(xiàn)實社會生產(chǎn)和生活中的防災救災過程中，也不能僅僅靠儀器和網(wǎng)絡系統(tǒng)，更需要全方位、立體化監(jiān)測預警手段去保障人民生產(chǎn)生活和物質(zhì)財產(chǎn)。

5 結(jié)論

對于現(xiàn)代生活中而言，自然災害防御體系的建立越來越重要。本文以自然災害中泥石流為例，通過分析泥石流發(fā)育分布特征進行泥石流的分類闡釋，在此基礎上建立對泥石流監(jiān)測預警關(guān)鍵參數(shù)分析后，對于利用軟件FLO-2D建立泥石流模型，進行具體的泥石流危險分區(qū)研究。通過以上的整合，泥石流預警減災系統(tǒng)設計與構(gòu)建應用而生。通過對必要模塊的建立和運營，將會對我們在生產(chǎn)和生活中，有效預防泥石流這類的自然災害現(xiàn)象，做到精準預測災害，降低自然災害的破壞率。

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Along the Road of Debris Flow Hazards Model Characteristics and the Control Technology Research

LI Xinglong， ZHUO Chunying

(Chongqing Water Resoures and Electric Engineering College， Yongchuan， Chongqing 402160， China)

For the modern life，more and more important to establish the system of natural disaster prevention.Based on the natural disasters in the landslide as an example，through the analysis of the classification of landslide development distribution characteristics of debris flow，based on the analysis of key parameters of debris flow monitoring and early warning，for the debris flow model was established based on software FLO-2d，concrete debris flow risk zoning.Through the integration of the above，the debris flow warning and mitigation system design and build applications.Through the establishment of the necessary module and operations，will be for us in production and life，effectively prevent mudslides this kind of phenomenon of natural disasters，do accurately predict disasters，reduce the damage rate of natural disasters.

debris flow disasters induced by numerical control technology

2016 — 06 — 24

2016年重慶水利電力職業(yè)技術(shù)學院科學研究重大項目(D/2016/03/KRC2016x)

李興龍(1983 — )，男，山東郯城人，碩士研究生，講師，研究方向：數(shù)學建模。

U 418.5+6

A

1674 — 0610(2016)05 — 0190 — 05