陳方吾,黃 健,王昌明,毛東升

(成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,四川 成都 610059)

泥石流災害一旦發(fā)生,危害很大,如何準確預測預警泥石流的發(fā)生是國內(nèi)外的熱門研究話題。研究泥石流的主要方法包括:(1)驗證法。通過分析實際情況來確定降雨量和泥石流發(fā)生的雨量大小,并進行對比,得到快要發(fā)生泥石流時的降雨值,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害資料,不適合沒有長期雨量資料的地區(qū)。(2)數(shù)學經(jīng)驗模型。數(shù)學經(jīng)驗模型是按照數(shù)學的方法推導一個經(jīng)驗公式來預測臨界值。

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,在持續(xù)強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)的情況下如何通過降雨的過程參數(shù)來預警預報泥石流的發(fā)生。當溝谷內(nèi)小塊碎石土堆積物儲備一定時,坡度也一定時,泥石流的發(fā)生概率主要取決于降雨的一些特征。利用降雨的特點預測泥石流的發(fā)生概率是國內(nèi)外學者使用較多的方法,推測泥石流的發(fā)生雨量臨界值是研究的關(guān)鍵。

1 流域預警模型

1.1 流域基本情況

(1) 降雨經(jīng)過 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)生強降雨,從12日下午開始降雨,截止到22時雨量較小,12日22:30—13日01:30降雨變?yōu)楸┯?隨后逐漸減小,至13日3時左右降雨結(jié)束,總降雨量227 mm左右。降雨持續(xù)時間短,降雨強度高,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)滑動體積約2 750 萬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m3;其次是一個約280 m高差的陡坎,陡坎下為一個海拔1 300 m的平臺,平臺下為一個碎屑流通堆積區(qū),為主堆積區(qū)2區(qū),面積約3 000 萬m3。上游多小沖溝,沖溝為下一次強降雨泥石流發(fā)生奠定了基礎。

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

1.2 預警模型

大部分泥石流和滑坡發(fā)生時間與雨季基本相同。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,泥石流發(fā)生的臨界值為

L臨界=(Imax-P0)。

當L≥L臨界時,表示將要發(fā)生泥石流,計算出這時對應的徑流深度、泥石流發(fā)生時對應的降雨相關(guān)參數(shù),做出發(fā)生概率的預警。經(jīng)過反復對比分析文家溝區(qū)域過去的8次泥石流發(fā)生情況得出(Imax-P0)設為臨界值對提高預警精度是可行的,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、不同坡度等時需要做出調(diào)整。

徑流深度L是指在單位時間內(nèi)流過某一過水斷面上的徑流總量W(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)。相當于該時段內(nèi)平均分攤于該面積上的水深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1 h徑流深度L1h(mm)為

累計2 h的徑流深度L2h(mm)為

對文家溝目前的物源、坡度、降雨、地下水等情況進行臨界值確定,由于每次降雨的時間相對泥石流的發(fā)生過程不同,因此降雨需要考慮累計效應,用指標累計降雨量和平均降雨強度來描述,這里利用動態(tài)統(tǒng)計法,取每一個連續(xù)1 h雨量進行預警,當預警級別危險時計算累計2 h雨量、3 h雨量進行綜合泥石流災害預警,提升預警能力[12]。

研究區(qū)文家溝降雨結(jié)束時流域區(qū)達到的最大蓄水量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],公式表達為

所以,1 h未損失的總降雨量Lz(mm)可以通過C和L求得,即

2 文家溝泥石流預警過程

2.1 文家溝水文學參數(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)測資料[14],研究主要利用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中靠近該地區(qū)的四川省113個站點,共有1 797場洪水數(shù)據(jù),對西南山區(qū)的降雨分析具有較好的代表性和普適性。通過采用區(qū)域或相鄰區(qū)域的暴雨洪水手冊、水文手冊或其他統(tǒng)計資料的徑流模型來計算流域內(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性濕潤氣候區(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 不同預警級別的泥石流小時降雨量臨界值

根據(jù)實際情況分析計算所得的降雨總量、徑流系數(shù)(C)確定分4個級別預警,分別是Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級預警級別。濕潤地區(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)泥石流起動分析計算方法計算得出降雨徑流特征,確定處于不同預警級別下泥石流啟動的降雨量臨界值。計算過程中,按照前期土壤濕潤、一般濕潤(干旱)2種情況分別計算,由于徑流系數(shù)與單位時間內(nèi)降雨量有關(guān),徑流系數(shù)通過試算法多次計算單位時間內(nèi)的降雨量來確定。

通過調(diào)查和查閱資料,“8.13”泥石流對應降雨頻率約為50年一遇。在前期濕潤條件下,不同預警級別泥石流降雨歷時與降雨強度臨界值計算和界定結(jié)果如表3所列。

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

土壤前期一般濕潤時,泥石流啟動的降雨臨界值大于前期濕潤情況下的降雨臨界值。因為在前期一般濕潤條件下,需要更多的降雨入滲到土體當中才能產(chǎn)生徑流。同時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,將單位時間1 h內(nèi)降雨量進行分配,通過分析文家溝泥石流發(fā)生的實際情況、爆發(fā)規(guī)模以及不同降雨頻率下的降雨特征,將泥石流預警級別分為紅色預警(Ⅰ級)、橙色預警

表3 不同預警級別泥石流的降雨歷時對應雨強臨界值(前期濕潤)

表4 不同預警級別泥石流的降雨臨界值(前期一般濕潤)

(Ⅱ級)、黃色預警(Ⅲ級)、藍色預警(Ⅳ級)4個級別。由此繪制出文家溝在前期濕潤的情況下不同預警級別的降雨強度和降雨持續(xù)時間的關(guān)系,如圖1所示。

圖1 前期濕潤在不同預警級別降雨歷時與雨強對應關(guān)系Fig.1 Relationship between rainfall duration and rain intensity at different early warning levels with heavy moisture

當前期條件一般濕潤(干旱)時,文家溝的不同預警級別的降雨強度和降雨持續(xù)時間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 前期干旱在不同預警級別降雨歷時與雨強對應關(guān)系Fig.2 Relationship between rainfall duration and rain intensity at different early warning levels with medium moisture

通過圖1和圖2可以看出,降雨前的條件不同,預警的情況也不同,可看出誘發(fā)文家溝泥石流的主要降雨特征為:(1)降雨強度大、降雨歷時短的單峰型短歷時強降雨;(2)降雨強度小、降雨歷時長的綿綿細雨,有時僅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,所以歷史上也沒有泥石流災害記載資料。通過收集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警級別。

表5 文家溝泥石流降雨特征及預警級別

從表4和表5中可以看出,2010—2013年期間發(fā)生泥石流災害與計算所得泥石流預警值吻合度較高,幾乎每次泥石流發(fā)生預警級別都在Ⅲ級以上,說明該預警值能有效對文家溝泥石流是否發(fā)生提供判斷依據(jù)。2014年和2015年3次預警級別達到Ⅰ級而沒有發(fā)生泥石流災害是因為后期治理工程的完善以及可參與泥石流物源量的減少,這是導致3次降雨沒有爆發(fā)泥石流的直接原因。

4 結(jié)論

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

(2) 將泥石流的發(fā)生劃分為紅色預警(Ⅰ級)、橙色預警(Ⅱ級)、黃色預警(Ⅲ級)、藍色預警(Ⅳ級)4個預警級別比較合理,并且主要是降雨強度引起泥石流的發(fā)生。

(3) 通過分析得出引發(fā)文家溝泥石流發(fā)生的降雨特點為短時間強降雨和持續(xù)時間較長的小雨。

(4) 采用的水文學產(chǎn)匯流的方法來計算文家溝泥石流雨量臨界值具有一定適用性,經(jīng)過后期發(fā)生的幾次泥石流降雨特征值來檢驗,結(jié)果基本符合,為文家溝泥石流預警提供了一定的參考價值。