CN108797510A

CN108797510A - 一种泥石流堵江的早期识别方法

Info

Publication number: CN108797510A
Application number: CN201810597838.1A
Authority: CN
Inventors: 陈昆廷; 陈晓清; 游勇; 胡桂胜
Original assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Current assignee: Institute of Mountain Hazards and Environment IMHE of CAS
Priority date: 2018-06-12
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-11-13
Anticipated expiration: 2038-06-12
Also published as: CN108797510B

Abstract

本发明公开了一种泥石流堵江的早期识别方法。该方法首先获取入汇角、支沟下游平均坡度、主河坡度、主河宽度和主河水深等支沟与主河相关基础参数，然后代入相关公式计算得到支沟泥石流流出体积、主河水流侵蚀体积和泥石流最小堵江体积，最后将支沟泥石流流出体积与主河水流侵蚀体积之差、与泥石流最小堵江体积进行比较，实现泥石流堵江的早期识别。该方法基于支沟泥石流堆积体积及支沟泥石流最小堵江体积的比值关系得到泥石流体积无量纲指标评估方法，能够在泥石流发生前对支沟泥石流在不同降雨重现期距下能否堵江进行早期识别；通过支沟与主河相关的基础参数数据库的建立，可为早期识别大范围山区流域支沟泥石流堵江潜在区域提供科学依据。

Description

一种泥石流堵江的早期识别方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流堵江的早期识别方法，特别是适用于大范围的山区流域，可对不同重现期距降雨条件下、支沟泥石流能否堵江形成堰塞坝进行早期识别评估。

背景技术

泥石流堵江是国内外常见的山地灾害，当山区流域受暴雨作用影响，支沟内的松散固体物质与水、气混合形成泥石流往下游运移，通过运移过程与主河交汇时，可能造成主河堵江形成堰塞湖。堰塞湖的形成往往带来上游的回水灾害，溃坝后形成的洪水或泥石流则会造成下游临近河道的洪涝灾害。为了针对泥石流堵江衍生的次生灾害进行相对应的防灾减灾对策，泥石流堵江的早期识别具有紧急迫切的必要性。

泥石流堵江的早期识别必须先厘清泥石流形成条件，目前国内外研究泥石流堵江形成条件的切入点多有不同，因此所探讨的影响因素也有不同，大致可分为地形特性、泥石流材料物理性质、泥石流体积、泥石流与主河水流动量比、泥石流与主河水流流量比等几项影响因素，基于这些影响因素下，通过统计方法、室内实验方法以及理论分析方法提出相关的泥石流堵江评估方法。但现有技术中的上述方法并未考虑到流域尺度的地形效应(上述方法均是泥石流发生后进行堵江与否的判别，或是通过室内实验结果进行堵江与否的判别，不一定适用扩展到其他区域)且忽略主河水流的侵蚀作用，因此对于泥石流堵江的早期识别存在一定误差。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种泥石流堵江的早期识别方法，该方法基于支沟泥石流以及主河水流的动力条件，分别获取支沟泥石流堆积体积V_D(即支沟泥石流流出体积V_DF与主河水流侵蚀体积V_E之差)及支沟泥石流最小堵江体积并且提出泥石流体积无量纲指标评估方法，能够在泥石流发生前对支沟泥石流在不同降雨重现期距下能否堵江形成堰塞坝进行早期识别；适用于大范围的山区流域，并且能考虑不同重现期距降雨条件下，进行支沟泥石流堵江早期识别的计算，以及识别支沟泥石流堵江的潜在区域，作为泥石流堵江防灾减灾对策的参考。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种泥石流堵江的早期识别方法，其技术思想为：支沟泥石流要能冲进主河并且到达对岸的体积，必须要能大于阻塞主河最小体积才会堵江；相同泥石流流量条件下，随着泥石流流速、主河水流流速、主河水流宽度的不同，不一定能发生堵江；此外，被主河水流携带至下游的泥石流量体也需纳入评估，避免高估泥石流堵江体积。

本发明的相关推导过程如下：首先通过支沟泥石流堆积体积V_D以及支沟泥石流最小堵江体积之间的无量纲化关系，提出体积无量纲指标评估方法定义支沟泥石流能堵塞主河形成堰塞坝；定义支沟泥石流不能堵塞主河形成堰塞坝。

支沟泥石流与主河交汇时，部份的体积会受主河水流侵蚀作用而被携带到下游，不参与支沟泥石流的堆积体积，因此定义支沟泥石流流出体积V_DF为支沟泥石流堆积体积V_D与主河水流侵蚀体积V_E的和，即V_DF＝V_D+V_E；则支沟泥石流堆积体积V_D为：V_D＝V_DF-V_E。

为了实现泥石流堵江的早期识别，需要考虑不同重现期距下的降雨条件在支沟能产生的流出体积，本发明假设支沟泥石流流出体积V_DF为三角锥体，则支沟泥石流流出体积V_DF为

公式一中：L_df—支沟泥石流堆积长度，单位m；α—入汇角，单位°；W_df—支沟泥石流堆积宽度，单位m；Z_df—支沟泥石流堆积最大厚度，单位m。

支沟泥石流堆积宽度W_df与支沟泥石流堆积长度L_df有所关联，支沟泥石流堆积长度L_df又受到入汇角α的影响而有所变化，因此，通过修正匡尚富(1995)的公式确定支沟泥石流堆积宽度W_df为

公式二中：α—入汇角，单位°；θ_df—支沟泥石流堆积坡度，单位°；θ_w—主河坡度，单位°；K—修正系数，通过匡尚富(1995)的泥石流堆积宽度公式确定

支沟泥石流堆积最大厚度Z_df通过修正蔡元芳(1999)的泥石流堆积厚度公式Z_df＝L_dftan(θ_df-θ_d)确定

Z_df＝L_dfsinαtan(θ_df-θ_d) 公式三

公式三中：α—入汇角，单位°；θ_df—支沟泥石流堆积坡度，单位°；θ_d—支沟下游平均坡度，单位°。

将公式二、公式三代入公式一，得到支沟泥石流流出体积V_DF的计算公式为

在主河水流侵蚀作用下能被携带到下游的体积，可以通过以下公式确定主河水流侵蚀体积V_E：V_E＝E_wh_wB_wt_df；式中：E_w—主河水流侵蚀速度，单位m/s；B_w—主河宽度，单位m；t_df—支沟泥石流堆积时间，单位s；h_w—主河水深，单位m。

支沟泥石流最小堵江体积可通过相关规范或前人文献的计算获取，本发明采用匡尚富(1995)的公式确定泥石流最小堵江体积

公式五中：h_w—主河水深，单位m；B_w—主河宽度，单位m；—泥石流最小堆积宽度，单位m，通过公式确定，将其代入公式五，得到泥石流最小堵江体积的计算公式为：

公式六中：h_w—主河水深，单位m；B_w—主河宽度，单位m；K—修正系数，通过匡尚富(1995)的泥石流堆积宽度公式确定α—入汇角，单位°；θ_df—支沟泥石流堆积坡度，单位°；θ_w—主河坡度，单位°。

具体而言，本发明的泥石流堵江的早期识别方法步骤如下：

(一)通过现场调查法、或遥感数据配合高精度DEM数据，确定入汇角α、单位°，支沟下游平均坡度θ_d、单位°，主河坡度θ_w、单位°，及主河宽度B_w、单位m；通过现场调查法、或不同重现期距下的流量计算法、或曼宁公式，确定主河水深h_w、单位m。

(二)通过以下公式计算得到支沟泥石流流出体积V_DF

式中，V_DF—支沟泥石流流出体积，单位m³；

K—修正系数，根据匡尚富的泥石流堆积宽度公式确定；

L_df—支沟泥石流堆积长度，单位m，根据Takahashi and Yoshida(1979)的泥石流运动距离公式确定；

θ_df—支沟泥石流堆积坡度，单位°，根据蔡元芳(1999)公式确定；

α—入汇角，单位°，由步骤(一)确定；

θ_d—支沟下游平均坡度，单位°，由步骤(一)确定；

θ_w—主河坡度，单位°，由步骤(一)确定。

(三)通过以下公式计算得到主河水流侵蚀体积V_E

V_E＝E_wh_wB_wt_df

式中，V_E—主河水流侵蚀体积，单位m³；

E_w—主河水流侵蚀速度，单位m/s，根据Nakagawa and Tsujimoto(1975)公式确定；

h_w—主河水深，单位m，由步骤(一)确定；

B_w—主河宽度，单位m，由步骤(一)确定；

t_df—支沟泥石流堆积时间，单位s，根据Takahashi and Yoshida(1979)公式确定。

(四)通过以下公式计算得到泥石流最小堵江体积

式中，—泥石流最小堵江体积，单位m³；

K—修正系数，根据匡尚富的泥石流堆积宽度公式确定；

h_w—主河水深，单位m，由步骤(一)确定；

B_w—主河宽度，单位m，由步骤(一)确定；

α—入汇角，单位°，由步骤(一)确定；

θ_w—主河坡度，单位°，由步骤(一)确定。

(五)将步骤(二)中得到的支沟泥石流流出体积V_DF与步骤(三)中得到的主河水流侵蚀体积V_E之差、与步骤(四)中得到的泥石流最小堵江体积进行比较；如果则判定支沟泥石流能堵塞主河形成堰塞坝；如果则判定支沟泥石流不能堵塞主河形成堰塞坝。

上述步骤(二)中确定支沟泥石流堆积长度L_df的Takahashi and Yoshida(1979)的泥石流运动距离公式为支沟泥石流与主河交汇时，必须考虑泥石流在水中所受的作用力，因此，式中，U代表修正公式 G代表公式其中：u_df为支沟泥石流流速，单位m/s，通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定；θ_u为支沟上游平均坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；σ为土体密度，单位g/cm³，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；ρ为水的密度，一般取值1g/cm³；C_df为支沟泥石流体积浓度，通过实测法或现场调查法或公式法或历史文献资料确定；K_a为主动土压力系数，一般取值0.249(蔡元芳，1999)；g为重力加速度，一般取值9.8m/s²；h_df为支沟泥石流流深，单位m，通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定；C_D为阻力系数，一般取值0.003(De Blasio et al.,(2004))；x为进入水中的泥石流堆积距离，单位m，堆积距离大于主河宽度B_w时取值等于主河宽度B_w、堆积距离小于主河宽度B_w时采用试误法取值；φ_k为颗粒动摩擦角，一般取值31°(蔡元芳，1999)；θ_d为支沟下游平均坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；h_w为主河水深，单位m，通过现场调查法、或不同重现期距下的流量计算法、或曼宁公式确定。

上述步骤(二)和(四)中确定支沟泥石流堆积坡度θ_df的蔡元芳(1999)公式为式中：C_*为支沟泥石流堆积浓度，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；φ_df为泥石流的内摩擦角，单位°，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；q_df为支沟泥石流单宽流量，单位m²/s，通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定；d₅₀为支沟泥石流平均粒径，单位m，通过现场调查法或筛分法或图像粒径分析法确定；σ为土体密度，单位g/cm³，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；ρ为水的密度，取值1g/cm³；g为重力加速度，一般取值9.8m/s²；C_df为支沟泥石流体积浓度，通过实测法或现场调查法或公式法或历史文献资料确定。

上述步骤(二)和(四)中确定修正系数K的匡尚富的泥石流堆积宽度公式为式中：θ_w为主河坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据；θ_df为支沟泥石流堆积坡度，单位°，根据蔡元芳(1999)公式确定。

上述步骤(三)中确定主河水流侵蚀速度E_w的Nakagawa and Tsujimoto(1975)公式为式中：B_w为主河宽度，单位m，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；θ_w为主河坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；h_w为主河水深，单位m，通过现场调查法或不同重现期距下的流量计算法或曼宁公式确定；σ为土体密度，单位g/cm³，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；ρ为水的密度，取值1g/cm³；g为重力加速度，取值9.8m/s²；d₅₀为支沟泥石流平均粒径，单位m，通过现场调查法或筛分法或图像粒径分析法确定。

上述步骤(三)中确定支沟泥石流堆积时间t_df的Takahashi and Yoshida(1979)公式为式中，U代表修正公式 G代表公式其中：u_df为支沟泥石流流速，单位m/s，通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定；θ_u为支沟上游平均坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；σ为土体密度，单位g/cm³，通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定；ρ为水的密度，一般取值1g/cm³；C_df为支沟泥石流体积浓度，通过实测法或现场调查法或公式法或历史文献资料确定；K_a为主动土压力系数，一般取值0.249(蔡元芳，1999)；g为重力加速度，一般取值9.8m/s²；h_df为支沟泥石流流深，单位m，通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定；C_D为阻力系数，一般取值0.003(De Blasio et al.,(2004))；x为进入水中的泥石流堆积距离，单位m，堆积距离大于主河宽度B_w时取值等于主河宽度B_w、堆积距离小于主河宽度B_w时采用试误法取值；φ_k为颗粒动摩擦角，一般取值31°(蔡元芳，1999)；θ_d为支沟下游平均坡度，单位°，通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定；h_w为主河水深，单位m，通过现场调查法、或不同重现期距下的流量计算法、或曼宁公式确定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于支沟泥石流堆积体积V_D(即支沟泥石流流出体积V_DF与主河水流侵蚀体积V_E之差)及支沟泥石流最小堵江体积的比值关系得到泥石流体积无量纲指标评估方法，基于泥石流运动与堆积理论结合体积无量纲化，能够在泥石流发生前对支沟泥石流在不同降雨重现期距下能否堵江进行早期识别；通过支沟与主河相关的基础参数数据库的建立，可为早期识别大范围山区流域支沟泥石流堵江潜在区域提供科学依据。

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

2013年7月4日，四川省石棉县后沟经历7月2日至7月4日连续降雨过程，在暴雨作用下暴发大规模泥石流，沟道内大量松散堆积物质在水流作用下达到饱和状态并形成泥石流。泥石流固体物源冲出沟口直接阻断G108国道，危及京昆高速公路，并且造成楠桠河的堵塞。

采用本发明的泥石流堵江的早期识别方法，对后沟泥石流堵江进行早期评估，步骤如下：

第一步，通过遥感数据配合高精度DEM数据，确定入汇角α为95°，支沟下游平均坡度θ_d为10°，主河坡度θ_w为2.18°，及主河宽度B_w为53m；通过现场调查法，确定主河水深h_w为0.55m。

通过现场调查法，确定支沟泥石流流速u_df为4.92m/s，支沟上游平均坡度θ_u为18°，土体密度σ为2.65g/cm³，支沟泥石流体积浓度C_df为0.46，支沟泥石流流深h_df为5.25m，进入水中的泥石流堆积距离x等于主河宽度B_w为53m；颗粒动摩擦角φ_k取值31°，水的密度ρ取值1g/cm³，主动土压力系数K_a取值0.249，重力加速度g取值9.8m/s²，阻力系数C_D取值0.003；将上述数据代入计算，得到根据Takahashi and Yoshida的泥石流运动距离公式确定支沟泥石流堆积长度

通过现场调查法，确定支沟泥石流堆积浓度C_*为0.6，泥石流的内摩擦角φ_df为37°，支沟泥石流单宽流量q_df为14.75m²/s，支沟泥石流平均粒径d₅₀为0.08m；将前述得到的数据代入蔡元芳公式进行计算，得到支沟泥石流堆积坡度θ_df为11.49°。

将前述得到的数据代入匡尚富的泥石流堆积宽度公式进行计算，得到修正系数K为9.97。

将前述得到的数据代入Nakagawa and Tsujimoto公式进行计算，得到主河水流侵蚀速度E_w为0.0016m/s。

将前述得到的数据代入Takahashi and Yoshida公式进行计算，得到支沟泥石流堆积时间t_df为27.2s。

第二步，将第一步中得到的数据代入公式计算得到支沟泥石流流出体积V_DF为14301m³。

第三步，将第一步中得到的数据代入公式V_E＝E_wh_wB_wt_df，计算得到主河水流侵蚀体积V_E为1.3m³。

第四步，将第一步中得到的数据代入公式计算得到泥石流最小堵江体积为1567m³。

第五步，将第二步中得到的支沟泥石流流出体积V_DF与第三步中得到的主河水流侵蚀体积V_E之差、与第四步中得到的泥石流最小堵江体积进行比较；则判定支沟后沟泥石流能堵塞主河楠桠河形成堰塞坝。事实证明，采用本发明方法的判定结果与现实吻合。

实施例二

旗山溪那玛夏堰塞湖位在中国台湾地区的高雄市那玛夏区，2009年8月5日～2009年8月10日期间，莫拉克台风在高雄市那玛夏区上游地区降下2000mm以上的雨量，最大时雨量高达94.5毫米，造成旗山溪支沟二溪上游发生多处崩塌，崩塌土石与水混合形成泥石流，泥石流往下游运移堆积于汇流处，阻断旗山溪形成那玛夏堰塞湖。

采用本发明的泥石流堵江的早期识别方法，对支沟二溪泥石流堵江进行早期评估，步骤如下：

第一步，通过遥感数据配合高精度DEM数据，确定入汇角α为90°，支沟下游平均坡度θ_d为0.6°，主河坡度θ_w为1.14°，及主河宽度B_w为40m；通过现场调查法，确定主河水深h_w为5.9m。

通过现场调查法，确定支沟泥石流流速u_df为35.7m/s，支沟上游平均坡度θ_u为17.8°，土体密度σ为2.65g/cm³，支沟泥石流体积浓度C_df为0.45，支沟泥石流流深h_df为1.2m，进入水中的泥石流堆积距离x等于主河宽度B_w为40m；颗粒动摩擦角φ_k取值31°，水的密度ρ取值1g/cm³，主动土压力系数K_a取值0.249，重力加速度g取值9.8m/s²，阻力系数C_D取值0.003；将上述数据代入计算，得到根据Takahashi and Yoshida的泥石流运动距离公式确定支沟泥石流堆积长度

通过历史文献资料，确定支沟泥石流堆积浓度C_*为0.67，泥石流的内摩擦角φ_df为37°，支沟泥石流单宽流量q_df为43.1m²/s，支沟泥石流平均粒径d₅₀为0.02m；将前述得到的数据代入蔡元芳公式进行计算，得到支沟泥石流堆积坡度θ_df为2.74°。

将前述得到的数据代入匡尚富的泥石流堆积宽度公式进行计算，得到修正系数K为50.41。

将前述得到的数据代入Nakagawa and Tsujimoto公式进行计算，得到主河水流侵蚀速度E_w为0.03m/s。

将前述得到的数据代入Takahashi and Yoshida公式进行计算，得到支沟泥石流堆积时间t_df为26.1s。

第二步，将第一步中得到的数据代入公式计算得到支沟泥石流流出体积V_DF为2072061m³。

第三步，将第一步中得到的数据代入公式V_E＝E_wh_wB_wt_df，计算得到主河水流侵蚀体积V_E为186m³。

第四步，将第一步中得到的数据代入公式计算得到泥石流最小堵江体积为11446m³。

第五步，将第二步中得到的支沟泥石流流出体积V_DF与第三步中得到的主河水流侵蚀体积V_E之差、与第四步中得到的泥石流最小堵江体积进行比较；则判定支沟二溪泥石流能堵塞主河旗山溪形成堰塞坝。事实证明，采用本发明方法的判定结果与现实吻合。

Claims

1.一种泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：所述泥石流堵江的早期识别方法步骤如下：

(一)通过现场调查法、或遥感数据配合高精度DEM数据，确定入汇角α、单位°，支沟下游平均坡度θ_d、单位°，主河坡度θ_w、单位°，及主河宽度B_w、单位m；通过现场调查法、或不同重现期距下的流量计算法、或曼宁公式，确定主河水深h_w、单位m；

(二)通过以下公式计算得到支沟泥石流流出体积V_DF

式中，V_DF—支沟泥石流流出体积，单位m³；

K—修正系数，根据匡尚富的泥石流堆积宽度公式确定；

L_df—支沟泥石流堆积长度，单位m，根据Takahashi and Yoshida的泥石流运动距离公式确定；

θ_df—支沟泥石流堆积坡度，单位°，根据蔡元芳公式确定；

α—入汇角，单位°，由步骤(一)确定；

θ_d—支沟下游平均坡度，单位°，由步骤(一)确定；

θ_w—主河坡度，单位°，由步骤(一)确定；

(三)通过以下公式计算得到主河水流侵蚀体积V_E

V_E＝E_wh_wB_wt_df

式中，V_E—主河水流侵蚀体积，单位m³；

E_w—主河水流侵蚀速度，单位m/s，根据Nakagawa and Tsujimoto公式确定；

h_w—主河水深，单位m，由步骤(一)确定；

B_w—主河宽度，单位m，由步骤(一)确定；

t_df—支沟泥石流堆积时间，单位s，根据Takahashi and Yoshida公式确定；

(四)通过以下公式计算得到泥石流最小堵江体积

式中，—泥石流最小堵江体积，单位m³；

其他符号同前面一致；

2.根据权利要求1所述的泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：步骤(二)中确定支沟泥石流堆积长度L_df的Takahashi and Yoshida的泥石流运动距离公式为式中，U代表修正公式 G代表公式其中，u_df为支沟泥石流流速、单位m/s、通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定，θ_u为支沟上游平均坡度、单位°、通过现场调查法或遥感数据配合高精度DEM数据确定，σ为土体密度、单位g/cm³、通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定，ρ为水的密度、取值1g/cm³，C_df为支沟泥石流体积浓度、通过实测法或现场调查法或公式法或历史文献资料确定，K_a为主动土压力系数、取值0.249，g为重力加速度、取值9.8m/s²，h_df为支沟泥石流流深、单位m、通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定，C_D为阻力系数、取值0.003，x为进入水中的泥石流堆积距离、单位m、堆积距离大于主河宽度B_w时取值等于主河宽度B_w、堆积距离小于主河宽度B_w时采用试误法取值，φ_k为颗粒动摩擦角、取值31°，其他符号同前面一致。

3.根据权利要求1所述的泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：步骤(二)和(四)中确定支沟泥石流堆积坡度θ_df的蔡元芳公式为式中，C_*为支沟泥石流堆积浓度、通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定，φ_df为泥石流的内摩擦角、单位°、通过实测法或现场调查法或历史文献资料确定，q_df为支沟泥石流单宽流量、单位m²/s、通过现场调查法或公式法或流量测量计算确定，d₅₀为支沟泥石流平均粒径、单位m、通过现场调查法或筛分法或图像粒径分析法确定，其他符号同前面一致。

4.根据权利要求1或3所述的泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：步骤(二)和(四)中确定修正系数K的匡尚富的泥石流堆积宽度公式为式中符号同前面一致。

5.根据权利要求1所述的泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：步骤(三)中确定主河水流侵蚀速度E_w的Nakagawa and Tsujimoto公式为式中符号同前面一致。

6.根据权利要求1或2所述的泥石流堵江的早期识别方法，其特征在于：步骤(三)中确定支沟泥石流堆积时间t_df的Takahashi and Yoshida公式为式中符号同前面一致。