CN108446525A - 山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法，步骤如下：①选定需要进行山洪泥沙灾害易灾区识别的山区河流河段作为目标河段，选出目标河段的陡缓衔接河段，陡缓衔接河段由上游河段和下游河段组成，上游河段的沟床比降J_0,上大于下游河段的沟床比降J_0,下；②计算选出的各陡缓衔接河段中的的值，选出的陡缓衔接河段进行下一步操作；③计算步骤②中选出的各陡缓衔接河段中的的值，的陡缓衔接河段即为山区流域山洪泥沙灾害易灾区。本发明解决了现有现有技术无法准确识别山洪灾害防治区的不足，提高了山洪泥沙灾害防治区识别的准确性，可为山洪泥沙灾害防治提供更科学和可靠的指导。

Description

山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法

技术领域

本发明属于山洪泥沙灾害防治领域，涉及一种山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法。

背景技术

山洪灾害是指由于降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等，对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害，具有突发性、水量集中、破坏力大等特点(全国山洪灾害防治规划编制技术大纲，2003)。在我国2800多个县级行政区中，有1500多个分布于山区，有山洪灾害防治任务的山丘区(即山洪灾害防治区)面积约为463万km²，约占我国陆地面积的48％，居住人口约5.5亿人，占全国总人口的44.2％。山地区域因受降雨、地形及人类活动等影响，频繁发生突发性、局地性极端强降雨引发的山洪灾害，造成的死亡人数占全国洪涝灾害死亡人数的70％以上(He et al 2018)。

近年来，山区流域受暴雨洪水产输沙作用，重大山洪灾害事件极为突出。2001年7月28日因特大暴雨山洪，受交汇水流顶托及沟床比降的变缓影响，四川省马边县的挖黑河与先家普河汇合口处波罗电站水位陡增，大量泥沙于交汇处淤积，堆高厚度约5.0～7.5m，电站厂房全部淹没，经济损失2.0亿多元。2010年8月7日晚，甘肃舟曲县城突降暴雨引发北山多条沟道产沙输移约5km，平均宽度300米，沟床淤高5m，堵塞嘉陵江上游支流白龙江，造成1700余人死亡。2010年8月12～14日，四川省出现强降雨过程，绵竹市清平乡、汶川县映秀镇等地震重灾区多处发生特大山洪，河床淤高、洪水位突涨，导致71人死亡、失踪，直接经济损失11.6亿元。2010年8月18日，云南省怒江州贡山县普拉底乡东月各河暴发特大山洪灾害，泥沙淤堵恕江水位上升6米，灾害造成死亡10人，失踪82人，直接经济损失1.4亿元。2011年6月6日，贵州省望谟县望谟河流域上游打易镇降363.5毫米特大暴雨，因泥沙淤堵水位激增致灾，造成21死亡、31人失踪，直接经济损失17.1亿元。2012年5月10日，甘肃省岷县山洪灾害，现场查勘表明，山洪裹挟大量沙石淤堵河道，水位陡涨6m，造成人员伤亡50余人，直接经济损失68.4亿元。2013年7月10日，受持续暴雨作用，四川省都江堰市中兴镇三溪村五里坡发生山洪泥沙淤埋，造成了40余人死亡。2015年8月16～17日，四川省泸州叙永县遭受强降雨袭击，致使全县13个乡镇受灾，居民房屋被山洪冲毁及泥沙淤埋，20余人死亡，直接经济损失3.2亿元。2017年8月8日，四川省凉山州普格县荞窝镇耿底村因局地强降雨引发山洪泥沙灾害，造成20余人死亡。

从近年频发的重大山洪灾害事件分析可知：暴雨洪水与泥沙的共同作用，会加剧沟床局部淤堵调整，水位陡增，引发大范围的淤埋、淹没及冲毁，从而造成重大人员伤亡和财产损失。何秉顺等(2014)认为局地山洪灾害突发性强，破坏力大，引发的灾害经常是毁灭性的。曹叔尤等(2016)等指出，来沙变化是重大山洪泥沙灾害的主要诱因。由此可见，成灾区的泥沙淤堵与否是重大山洪泥沙灾害易灾区识别的重要的依据。然而，当前暴雨山洪灾害防治研究常以临界降雨参数及流量与水位关系为条件判据，例如，水位-流量反推法(叶勇等，2008)、降雨-水位关系预警法(吴承卿，2016)，即暴雨-流量-水位关系反推山洪灾害防治区，由于未考虑泥沙淤堵的影响，难以真实揭示山洪泥沙共同致灾机制，也无法准确识别山区流域山洪泥沙灾害易灾区，难以起到有效的山洪灾害防洪减灾作用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法，以解决现有现有技术无法准确识别山洪灾害防治区的不足，提高山洪泥沙灾害防治区识别的准确性，为山洪泥沙灾害防治提供更科学和可靠的指导。

本发明提供的山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法，包括以下步骤：

①选定需要进行山洪泥沙灾害易灾区识别的山区河流河段作为目标河段，根据目标河段的沟床比降，选出目标河段的陡缓衔接河段，陡缓衔接河段由上游河段和下游河段组成，上游河段的沟床比降大于下游河段的沟床比降，将各陡缓衔接河段中的上游河段的沟床比降记作J_0,上，将各陡缓衔接河段中的下游河段的沟床比降记作J_0,下；

②计算选出的各陡缓衔接河段中的的值，选出的陡缓衔接河段进行下一步操作；

③计算步骤(2)中选出的各陡缓衔接河段中的的值，若某陡缓衔接河段的则该陡缓衔接河段则为山区流域山洪泥沙灾害易灾区。

为了让本领域技术人员对本发明有更深入的了解，以下对本发明的技术方案的获得过程作以下说明。首先基于理论分析，揭示陡缓衔接河段输沙能力变化特性，泥沙淤堵及水位陡增致灾规律；其次，通过调查典型山洪灾害现场沟床比降变化与易灾区域，验证上一步骤理论分析结果；再次，通过大量的水沙灾害数据，总结山洪泥沙灾害易灾区的判别条件。更详细的过程如下：

(1)陡缓衔接河段的输沙能力变化与水位陡增致灾分析

基于泥沙动力学基本理论，山区河流推移质输沙能力计算方法可表述为：

g_b＝k(τ₀-τ_c)^3/2 (1)

τ＝ρgRJ (2)

式(1)～(2)中，g_b为河道单宽输沙率，k为经验常数，τ₀为床面切应力，τ_c为泥沙起动切应，ρ为水流密度，g为重力加速度，R为水力半径，J为河段能坡比降。

对于陡缓衔接河段，其上游河段与下游河段的输沙能力比值可表示为：

式(3)中，g_b,上为上游河段的河道单宽输沙率，g_b,下为下游河段的河道单宽输沙率，ρ为水流密度，g为重力加速度，R_上,R_下分别上游河段和下游河段的水力半径，J_上,J_下分别为上游河段和下游河段的能坡比降。

假使陡缓衔接河段的上游河段与下游河段的水力半径近似相等，且能坡比降以沟床比降代替，则上游河段与下游河段的输沙能力比值关系可进一步简化为：

式(4)中，J_0,上,J_0,下分别为上游河段和下游河段的沟床比降。

由河流动力学输沙理论，在饱和来沙条件下，若上游河段的输沙能力大于下游河段的输沙能力时，将会导致下游河段淤积，抬高河床及水位陡增，同时减缓下游沟床比降，进一步扩大上游河段和下游河段输沙能力的差距，产生更为严重的淤积和水位壅高，在此过程中易造成淤埋和淹没的山洪泥沙灾害。

(2)陡缓衔接河段来沙淤堵水位壅高试验分析

基于前一步骤对陡缓衔接河段泥沙输移分析，采用变坡比降水槽进行来沙淤堵水位壅高试验，水槽由相互衔接的上游段和下游段两部分所组成，上游段比降大于下游段的比降，通过加沙设备向上游段加泥沙，结果表明：上游段比降较大、水流输沙能力高，泥沙快速进入下游段，由于上游输沙能力大于下游输沙能力，泥沙会逐渐淤高河床，抬高水位。这说明前一步骤的分析是合理的，山区流域山洪泥沙灾害容易发生在陡缓衔接河段。

(3)陡缓衔接河段山洪泥沙灾害与沟床比降调查分析

在前述两个步骤的基础上，对发生山洪泥沙灾害的山区流域的成灾区域进行实地调查，实测河段深泓线高程变化，结合发生的山洪泥沙的集中灾害区的位置发现，山洪泥沙成灾区处于陡缓衔接河段区域。

(4)水沙灾害区沟床比降变化特征分析

基于上述理论推导、试验再现及灾害现场调查分析可知，山洪泥沙灾害与输沙能力骤降密切相关，而沟床比降的变化是输沙能力的关键因子，因此通过汇集大量山洪泥沙灾害和江河洪水灾害的山区流域的陡缓衔接河段的上游河段和下游河段的沟床比降数据，并进行系统研究，揭示山洪泥沙易灾区的特征和存在条件，从而得出本发明的山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明提供了一种山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法，该方法基于理论分析、室内试验和野外调查，揭示了陡缓衔接河段沟床比降突变引发的泥沙淤堵与水位陡增是山洪泥沙灾害的发生关键要素，在此基础上，结合大量水沙灾害资料进行系统研究，揭示了山洪泥沙易灾区的特征和存在条件，进而得出本发明的技术方案，由于该方法结合了沟床比降地貌因子、充分考虑了泥沙淤堵对山洪泥沙灾害易灾区的影响，能更加真实和准确地揭示山洪泥沙共同致灾机制，解决了现有现有技术以临界降雨参数及流量与水位关系为条件判据难以准确识别山洪灾害防治区的不足，提高了山洪泥沙灾害防治区识别的准确性，可以为山洪泥沙灾害防治提供更科学和可靠的指导。

2.本发明提供的方法的操作简单，可快速识别一般洪水灾害和山洪泥沙灾害易灾区，能为山区流域人类活动区域优选和水沙灾害防治提供理论支持，有利于更好地实现山洪灾害的防洪减灾，可有效减少山洪造成的人员伤亡和社会经济损失。

附图说明

图1是实施例采用变坡比降水槽进行来沙淤堵水位壅高试验的装置示意图。

图2是实施例中变坡比降水槽的下游段的泥沙淤堵水位壅高情况的照片，其中图(A)和(B)是从不同的角度拍摄的，分别展示了泥沙淤堵和水位壅的情况。

图3是实施例中岷江支流龙溪河深泓线高程变化与山洪泥沙灾害成灾区分布图。

图4是陡缓衔接河段的水沙灾害-沟床比降关系图。

具体实施方式

下面结合附图通过实施例对本发明提供的山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法作进一步说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例

本实施例中，山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法包括以下步骤：

①选定需要进行山洪泥沙灾害易灾区识别的山区河流河段作为目标河段，根据目标河段的沟床比降，选出目标河段的陡缓衔接河段，陡缓衔接河段由上游河段和下游河段组成，上游河段的沟床比降大于下游河段的沟床比降，将各陡缓衔接河段中的上游河段的沟床比降记作J_0,上，将各陡缓衔接河段中的下游河段的沟床比降记作J_0,下；

②计算选出的各陡缓衔接河段中的的值，选出的陡缓衔接河段进行下一步操作；

③计算步骤②中选出的各陡缓衔接河段中的的值，若某陡缓衔接河段的则该陡缓衔接河段则为山区流域山洪泥沙灾害易灾区。

上述山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法是通过以下过程得到的：

(1)陡缓衔接河段的输沙能力变化与水位陡增致灾分析

基于泥沙动力学基本理论，山区河流推移质输沙能力计算方法可表述为：

g_b＝k(τ₀-τ_c)^3/2 (1)

τ＝ρgRJ (2)

式(1)～(2)中，g_b为河道单宽输沙率，k为经验常数，τ₀为床面切应力，τ_c为泥沙起动切应，ρ为水流密度，g为重力加速度，R为水力半径，J为河段能坡比降。

对于陡缓衔接河段，其上游河段与下游河段的输沙能力比值可表示为：

式(3)中，g_b,上为上游河段的河道单宽输沙率，g_b,下为下游河段的河道单宽输沙率，ρ为水流密度，g为重力加速度，R_上,R_下分别上游河段和下游河段的水力半径，J_上,J_下分别为上游河段和下游河段的能坡比降。

假使陡缓衔接河段的上游河段与下游河段的水力半径近似相等，且能坡比降以沟床比降代替，则上游河段与下游河段的输沙能力比值关系可进一步简化为：

式(4)中，J_0,上,J_0,下分别为上游河段和下游河段的沟床比降。

由河流动力学输沙理论，在饱和来沙条件下，若上游河段的输沙能力大于下游河段的输沙能力时，将会导致下游河段的淤积，抬高河床及水位陡增，同时减缓下游沟床比降，进一步扩大上游河段和下游河段输沙能力的差距，产生更为严重的淤积和水位壅高，在此过程中易造成淤埋和淹没的山洪泥沙灾害。

(2)陡缓衔接河段来沙淤堵水位壅高试验分析

基于前一步骤对陡缓衔接河段泥沙输移分析，采用变坡比降水槽进行来沙淤堵水位壅高试验。设计如图1所示的边坡比较水槽，水槽由相互衔接的上游段和下游段两部分所组成，上游段和下游段的水槽宽度均为20cm、高度均为30cm，上游段的长度为3.2m，比降为5％，下游段的长度为4.5m，比降为1％，上游段和下游段的比降比值为5.0。试验时，向上游段通入水流并通过加沙设备向上游段加泥沙，上游段比降较大、水流输沙能力高，加泥沙后发现泥沙快速进入下游段，泥沙会逐渐淤高河床，抬高水位。图2是变坡比降水槽的下游段的泥沙淤堵水位壅高情况的照片，其中图(A)和(B)是从不同的角度拍摄的，分别展示了泥沙淤堵和水位壅的情况。这说明前一步骤的分析是合理的，山区流域山洪泥沙灾害容易发生在陡缓衔接河段。

(3)陡缓衔接河段山洪泥沙灾害与沟床比降调查分析

2010年8月13日受持续强降雨天气影响，岷江支流龙溪河发生大规模的山洪泥沙灾害，大量泥沙进入龙溪河主河道致使河床淤高，洪水漫滩，危害到当地交通、防洪设施、居民房屋建筑等，造成了严重的经济损失和人员伤亡。2015年10月，本申请的发明人对龙溪河河段成灾区进行了实地调查，并实测了河段深泓线高程变化，如图3所示。对比图3的深泓线高程变化，结合发生的重大山洪泥沙两个集中灾害区(水厂和龙池镇)可知，成灾区均发生于陡缓衔接河段。其中，水厂山洪泥沙灾害区河段比降变化为11％衔接5.5％，上游河段和下游河段的河床比较比值为2.0，龙池镇山洪泥沙灾害区河段比降变化为4.7％衔接1.6％，上游河段和下游河段的河床比较比值为2.87。该步骤的实地调查分析也表明山洪泥沙成灾区处于陡缓衔接河段区域。

(4)水沙灾害区沟床比降变化特征分析

基于上述理论推导、试验再现及灾害现场调查分析可知，山洪泥沙灾害与输沙能力骤降密切相关，而沟床比降的变化是输沙能力的关键因子，因此通过汇集大量多年研究工作中积累的山洪泥沙灾害和江河洪水灾害的山区流域的陡缓衔接河段的上游河段和下游河段的沟床比降数据，如表1所示，并进行系统研究，揭示山洪泥沙易灾区的特征和存在条件。

表1水沙灾害区沟床比降变化特征分析

结合制约上游河段输沙能力的沟床比降，以及上游河段和下游河段输沙能力变化的关系，点绘关系，如图4所示。基于当前掌握水沙灾害资料，以及沟床比降变化与灾害特点，归纳出山洪泥沙灾害易灾区特征主要表现在：的陡缓衔接河段，同时考虑上游河段的强输沙特性，上游河段的沟床比降应满足

Claims (1)

1.一种山区流域山洪泥沙灾害易灾区识别方法，其特征在于包括以下步骤：

①选定需要进行山洪泥沙灾害易灾区识别的山区河流河段作为目标河段，根据目标河段的沟床比降，选出目标河段的陡缓衔接河段，陡缓衔接河段由上游河段和下游河段组成，上游河段的沟床比降大于下游河段的沟床比降，将各陡缓衔接河段中的上游河段的沟床比降记作J_0,上，将各陡缓衔接河段中的下游河段的沟床比降记作J_0,下；

②计算选出的各陡缓衔接河段中的的值，选出的陡缓衔接河段进行下一步操作；

③计算步骤②中选出的各陡缓衔接河段中的的值，若某陡缓衔接河段的则该陡缓衔接河段则为山区流域山洪泥沙灾害易灾区。