CN111733833B - 基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，通过识别流域的凹槽土体分布、凹槽土体的面积、凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积、凹槽土体的平均坡度和凹槽土体的平均厚度，计算凹槽土体的稳定性，就能够判定出流域中的凹槽土体是否处于稳定状态，从而判定出流域中是否存在潜在低频泥石流沟，为低频泥石流沟的预测与防治提供了更有效的理论支持。

Description

基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法
技术领域
本发明属于地质灾害预测技术领域，具体地说涉及一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法。
背景技术
据对世界各国现代泥石流灾害的分析与统计，造成重大人员伤亡的泥石流灾害绝大多数是低频泥石流灾害。低频泥石流具有极强的隐蔽性、群发性、同发性等特点，潜在危害性大，一旦暴发规模较大具有极强的破坏力，对下游沟口附近的居民和建筑物造成巨大灾害损失。因此，低频泥石流沟的判识是国内外地质灾害防治研究最急需解决的难题。
目前对于低频泥石流沟的判识可以通过沟道泥石流暴发历史与泥石流堆积物特征确定。但是这些方法主要判识已经发生过的低频泥石流沟，并且存在很大的区域条件限制，对于植被覆盖率高、区域地质条件稳定、泥石流暴发周期长、沟道特征不明显的沟道，此类方法难以有效判识潜在的低频泥石流沟。
研究发现低频泥石流沟多发育在植被覆盖率高并且岩石相对坚硬的花岗岩、石英砂岩、闪长岩等岩浆岩山区。比如2004年8月浙江乐清北部山区群发性低频泥石流灾害，2015年“5.8”福建泰宁低频泥石流灾害，在加利福尼亚马林县的一个研究区，凹槽沿着斜坡间隔20～60m。即使是较小的凹槽也会产生能够摧毁房屋的低频泥石流，特别是当泥石流中裹挟着粗大树木。研究发现这类低频泥石流是流域中的凹槽土体在极端降雨情况下失稳起动形成的。这里所述的凹槽土体包括两部分内容，即凹槽地貌与凹槽内的堆积土体两部分。所谓的凹槽地貌是山坡上的凹陷部分。凹槽的形成主要为基岩差异风化过程局部形成浅蚀的凹陷地貌，通常作为沟道的延伸部分出现在谷轴线上，其面积可以是数十平方米，也可以几个平方公里面积。凹槽内的堆积土体是指崩塌滑落并堆积与凹槽中，在降雨持续侵蚀作用下形成相对稳定的具有一定厚度的土体。凹槽地形特征对水分的汇集、土水特征曲线、渗流场、径流场等有显著影响，同时，凹槽土体的物理力学特性决定了在多大的渗流力和表面径流拖曳力作用下会发生失稳，其失稳厚度及空间分布决定了可参与泥石流运动的固体物质的总量。
综上所述，凹槽土体是起动形成低频泥石流的重要物源，凹槽土体的稳定性决定了低频泥石流暴发的难易程度。因此，通过识别流域中凹槽土体的分布，计算凹槽土体的稳定性，建立基于凹槽土体特征判识潜在低频泥石流沟的方法是可行的。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，本发明通过识别流域的凹槽土体分布，计算凹槽土体的稳定性，就能够判定出流域中的凹槽土体是否处于稳定状态，从而判定出流域中是否存在潜在低频泥石流沟，为低频泥石流沟的预测与防治提供了更有效的理论支持。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇，计算出凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a：
Figure GDA0003283882690000021
其中，a为面积比值；S汇为上游潜在补给水源的汇水区面积，单位m2；S凹槽为凹槽土体面积，单位m2；
(2)当a≥15、凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000022
和凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000023
时，根据凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000027
和凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000024
计算出稳定系数Fs，
Figure GDA0003283882690000025
其中，Z0＝0.48808，Z1＝5442.38139，Xc＝5.7389，W1＝0.34731，Yc＝31.32319，W2＝26.04616；
当Fs＜1.0时，表明凹槽土体处于不稳定状态，判定流域为潜在低频泥石流沟。
所述凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000028
根据测量计算得出：
Figure GDA0003283882690000026
其中，
Figure GDA0003283882690000029
为凹槽土体的平均坡度，单位度；J为凹槽土体的平均比降，单位为％；Hi为凹槽土体取值点高程，单位m；H0为凹槽土体起点的高程，单位为m；li为相邻两取值点的水平距离，单位m；L为凹槽土体的总长度。
所述凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000031
根据测量计算得出：
Figure GDA0003283882690000032
其中，Lp为凹槽土体的平均宽度，单位m；
Figure GDA0003283882690000033
为凹槽土体的平均坡度，单位度；K为修正系数，K＝0.1～1。
所述凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000034
果用现场测量及模拟计算法计算得出。
所述凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇均通过基于GIS平台的遥感影像测出或现场测量的方式测出。
所述凹槽土体的分布采用遥感影像或现场调查方式确定。
采用本发明的优点在于：
1、本发明通过识别流域的凹槽土体分布，计算凹槽土体的稳定性，就能够判定出流域中的凹槽土体是否处于稳定状态，从而判定出流域中是否存在潜在低频泥石流沟，为低频泥石流沟的预测与防治提供了更有效的理论支持。
2、本发明将凹槽土体的面积、凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积、凹槽土体的平均坡度和凹槽土体的平均厚度作为判定可能起动泥石流的基础条件，具有判定方法较为简单和准确性高等优点。
3、本发明采用遥感影像或现场调查方式来确定流域中凹槽土体的分布，采用基于GIS平台的遥感影像测出或现场测量的方式测量凹槽土体的面积和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积，将智能化测量手段与现场调查方式相结合，能够快速确定流域中凹槽土体的分布，具有准确性高等优点。
附图说明
图1为本发明中凹槽土体的说明图。
图2为本发明中稳定系数厚度坡度关系图。
图3为本发明中采用遥感影像确定凹槽土体分布的流程图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，包括以下步骤：
(1)采用高分辨率的遥感影像或现场调查的方式确定流域中的凹槽土体分布，然后通过基于GIS平台高分辨率的遥感影像或现场测量的方式，测量出凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇，然后通过凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇，计算出凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a：
Figure GDA0003283882690000041
其中，a为面积比值；S汇为上游潜在补给水源的汇水区面积，单位m2；S凹槽为凹槽土体面积，单位m2。
(2)当a≥15、凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000042
和凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000043
时，根据凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000049
和凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000044
计算出稳定系数Fs，
Figure GDA0003283882690000045
其中，Z0＝0.48808，Z1＝5442.38139，Xc＝5.7389，W1＝0.34731，Yc＝31.32319，W2＝26.04616；
当Fs＜1.0时，表明凹槽土体处于不稳定状态，判定流域为潜在低频泥石流沟，如图2所示。
本发明中，所述凹槽土体的平均坡度
Figure GDA0003283882690000046
根据现场测量并计算得出：
Figure GDA0003283882690000047
其中，
Figure GDA0003283882690000048
为凹槽土体的平均坡度，单位度；J为凹槽土体的平均比降，单位为％；Hi为凹槽土体取值点高程，单位m；H0为凹槽土体起点的高程，单位为m；li为相邻两取值点的水平距离，单位m；L为凹槽土体的总长度。
本发明中，所述凹槽土体的平均厚度
Figure GDA0003283882690000051
采用现场测量及模拟计算法计算得出：
Figure GDA0003283882690000052
其中，Lp为凹槽土体的平均宽度，单位m；
Figure GDA0003283882690000053
为凹槽土体的平均坡度，单位度；K为修正系数，K＝0.1～1，根据现场实际情况确定。
本发明采用遥感影像或现场调查的方式确定流域中的凹槽土体的分布，通过基于GIS平台高分辨率的遥感影像或现场测量的方式测量出凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇。其中，采用遥感影像测量的方式为现有常规技术，例如，按如图3所示即可确定出流域中凹槽土体的分布。而现场测量则为到流域现场收集凹槽土体的特征，如位置、坡度、厚度等。
目前基于凹槽土体起动形成泥石流的研究，我们发现凹槽土体的厚度、坡度和后端的汇水区面积是泥石流起动的重要基础条件，而区域内三者关系的稳定系数则是泥石流的主要因素。在非干旱的山区，一般数年内均会有满足凹槽土体起动泥石流的条件，因此将凹槽土体的厚度、坡度和后端的汇水面积作为低频泥石流沟判识的基础条件，进行易发性分类是可行的。具体可以将凹槽土体的厚度、坡度和后端的汇水面积指标绘于坐标图上。据研究确定临界坡度为36°、平均厚度大于1.6m和后端汇水面积大于凹槽土体面积增大汇水面积15倍以上，当这三个指标同时满足的情况下，凹槽土体处于失稳状态并形成泥石流，为低频泥石流沟的判识和防灾减灾提供了重要依据。
下面对本发明所述判识方法进行验证：
2016年5月8日受强降雨影响，福建省泰宁县开善乡8个(DF1-DF8)小流域暴发了泥石流，其中DF1-DF4号沟分布在左岸，DF5-DF8号沟分布在右岸。根据现场调查，这些泥石流沟的规模具有很大的差异，左岸泥石流的规模大于右岸的。其中以DF3号芦庵坑沟规模最大，DF3泥石流直接将位于沟口位置的池潭电站办公大楼(宽43m，高12m)的和2个工棚摧毁，摧毁县级公路100m，桥梁一座，灾害共导致36人死亡失踪。DF1沟摧毁房屋一座，DF2沟摧毁公路30m，DF4沟摧毁公路50m。由于右岸没有村民居住，因此DF5～DF8没有造成人员伤亡和建筑物毁坏。
事后，根据现场测量得出DF1-DF8各号泥石流沟的具体情况，如下表：
Figure GDA0003283882690000054
Figure GDA0003283882690000061
现分别将上表中的相应参数导入本发明判识方法中，可得出：
DF1号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为23，稳定系数Fs为0.984644。
DF2号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为15，稳定系数Fs为0.881276。
DF3号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为21，稳定系数Fs为0.934331。
DF4号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为29，稳定系数Fs为0.937586。
DF5号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为25，稳定系数Fs为0.974746。
DF6号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为28，稳定系数Fs为0.986638。
DF7号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为22，稳定系数Fs为0.948187。
DF8号沟：凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a为20，稳定系数Fs为0.923257。
上述验证结果中DF1-DF8的稳定系数Fs均小于1，与实际发生的泥石流沟相符，证实本发明所述方法能够有效判识流域中是否存在潜在低频泥石流沟。

Claims (6)

1.一种基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)通过凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇，计算出凹槽后端汇水面积与凹槽土体面积的比值a：
Figure FDA0003283882680000011
其中，a为面积比值；S汇为上游潜在补给水源的汇水区面积，单位m2；S凹槽为凹槽土体面积，单位m2；
(2)当a≥15、凹槽土体的平均坡度
Figure FDA0003283882680000012
和凹槽土体的平均厚度
Figure FDA0003283882680000013
时，根据凹槽土体的平均坡度
Figure FDA0003283882680000014
和凹槽土体的平均厚度
Figure FDA0003283882680000015
计算出稳定系数Fs，
Figure FDA0003283882680000016
其中，Z0＝-0.48808，Z1＝5442.38139,Xc＝-5.7389，W1＝0.34731，Yc＝-31.32319，W2＝26.04616；
当Fs＜1.0时，表明凹槽土体处于不稳定状态，判定流域为潜在低频泥石流沟。
2.如权利要求1所述的基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于：所述凹槽土体的平均坡度
Figure FDA0003283882680000017
根据测量计算得出：
Figure FDA0003283882680000018
其中，
Figure FDA0003283882680000019
为凹槽土体的平均坡度，单位度；J为凹槽土体的平均比降，单位为％；Hi为凹槽土体取值点高程，单位m；H0为凹槽土体起点的高程，单位为m；li为相邻两取值点的水平距离，单位m；L为凹槽土体的总长度。
3.如权利要求1或2所述的基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于：所述凹槽土体的平均厚度
Figure FDA0003283882680000021
根据测量计算得出：
Figure FDA0003283882680000022
其中，Lp为凹槽土体的平均宽度，单位m；
Figure FDA0003283882680000023
为凹槽土体的平均坡度，单位度；K为修正系数，K＝0.1～1。
4.如权利要求3所述的基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于：所述凹槽土体的平均厚度
Figure FDA0003283882680000024
采用现场测量及模拟计算法计算得出。
5.如权利要求1所述的基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于：所述凹槽土体的面积S凹槽和凹槽土体上游潜在补给水源的汇水区面积S汇均通过基于GIS平台的遥感影像测出或现场测量的方式测出。
6.如权利要求1所述的基于凹槽土体特征的低频泥石流沟判识方法，其特征在于：所述凹槽土体的分布采用遥感影像或现场调查方式确定。
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