非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征與峰值流量關(guān)系研究*

王高峰 田運(yùn)濤 高幼龍 樂(lè)琪浪 楊 強(qiáng) 李瑞冬 葉振南 鄧 兵 郭 寧 孫秀娟

(①中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，保定 071051，中國(guó))(②自然資源部三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警野外科學(xué)觀測(cè)基地，重慶 404100，中國(guó))(③甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，蘭州 730050，中國(guó))

0 引 言

泥石流是山區(qū)廣泛發(fā)生的自然災(zāi)害，尤其在我國(guó)西部山區(qū)泥石流災(zāi)害極為嚴(yán)重，典型的2010年8月7日舟曲三眼峪特大泥石流災(zāi)害、汶川震區(qū)多次強(qiáng)降雨群發(fā)性泥石流災(zāi)害及2018年10月17日西藏雅魯藏布江色東普溝堵江事件。為防災(zāi)減災(zāi)，開(kāi)展非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征模型研究，分析其與泥石流流量的關(guān)系具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

泥位和流速作為泥石流三大運(yùn)動(dòng)要素(泥位、流速、沖擊力)的一部分，對(duì)泥石流防治工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)預(yù)警預(yù)報(bào)和災(zāi)害評(píng)估尤為關(guān)鍵，隨著泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警手段的智能化、集成化，對(duì)可監(jiān)測(cè)的泥石流能直接獲取其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如我國(guó)科研人員通過(guò)觀測(cè)分別獲取了隴南白龍江流域泥灣溝、火燒溝等和小江流域蔣家溝泥石流泥位深度和流速的原始資料。當(dāng)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值超過(guò)一定值后，泥石流爆發(fā)過(guò)程無(wú)法監(jiān)測(cè)，其特征值只能靠一些公式來(lái)計(jì)算獲取。例如，可通過(guò)流體模型FLO-2D得出不同規(guī)模的泥石流流速(王高峰等，2019)；采用測(cè)量野外溝道泥痕數(shù)據(jù)推算泥石流流速(Crosta et al.，2001)；在建立科學(xué)分界粒徑模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了我國(guó)非勻質(zhì)泥石流流速計(jì)算公式(舒安平等，2012)。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)無(wú)論在泥石流防災(zāi)減災(zāi)工程設(shè)計(jì)還是理論研究方面，泥石流流速都是基于均勻條件下的曼寧公式來(lái)確定，并在此基礎(chǔ)上建立了許多泥石流流速計(jì)算模式(表1)，得到較好的應(yīng)用效果。但對(duì)于真實(shí)地形上發(fā)生的泥石流，均勻流假設(shè)很難成立，然而此公式是針對(duì)某一泥石流溝道所得出的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停蠖鄶?shù)的溝道都缺乏系列觀察數(shù)據(jù)，限制了曼寧公式的普適性(崔鵬等，2016)。此外，該公式針對(duì)寬淺式溝道泥石流流速計(jì)算效果較為可靠，對(duì)窄深式溝道的情形還有待進(jìn)一步研究。當(dāng)泥石流經(jīng)過(guò)彎道時(shí)表現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的爬高、沖淤等特征，基于此現(xiàn)象提出了彎道超高法，上述公式主要適合于泥石流彎道流體角速度相等的情況，但現(xiàn)實(shí)中彎道不同位置的角速度很難確定。

表1 國(guó)內(nèi)常用的黏性泥石流運(yùn)動(dòng)特征值計(jì)算公式

通常泥位主要與泥石流流量、溝床斷面形態(tài)等有關(guān)，具有“規(guī)模-頻率關(guān)系”的分布特征(李泳等，2004)。目前有關(guān)泥位的研究多集中在監(jiān)測(cè)預(yù)警方面，但針對(duì)泥石流泥位特征值定量評(píng)價(jià)的研究成果卻鮮有報(bào)道。一些專家學(xué)者認(rèn)為高黏性和黏性泥石流的堆積泥位深度與泥石流切應(yīng)力、溝床坡度及容重有關(guān)，當(dāng)溝床表面經(jīng)鋪床“潤(rùn)滑”后，該公式不再適用(吳積善等，1990)；當(dāng)假設(shè)非勻質(zhì)混合相泥石流整體平均流速與某一斷面流速相等時(shí)，在斷面寬度系數(shù)確定后，可計(jì)算得到一定流量條件下的泥位特征值(舒安平等，2012)。國(guó)外學(xué)者認(rèn)為針對(duì)大尺度泥石流的研究，試驗(yàn)得出的公式不能完全得到應(yīng)用(Prochaska et al.，2008)。一些研究者從泥石流流經(jīng)彎道受力平衡、流體靜力學(xué)原理等建立了彎道超高公式(周必凡等，1991；陳寧生等，2009)；也有通過(guò)修正前人公式系數(shù)及考慮爬高效應(yīng)，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證效果較為合理(Hungr et al.，1984；趙晉恒等，2015)。由于泥石流輸移、沖刷或堵塞等運(yùn)動(dòng)特征的不均勻性，導(dǎo)致現(xiàn)有的彎道超高模型計(jì)算結(jié)果仍存誤差，但一些彎道超高模型與泥石流殘留泥痕有很大的相關(guān)性，可經(jīng)過(guò)修正換算確定泥石流泥位特征值(表1)。上述問(wèn)題的存在促使泥石流運(yùn)動(dòng)特征值新方法、新模型的進(jìn)一步探索和試驗(yàn)。

非勻質(zhì)泥石流是一種典型的固液兩相流，通常具有容重大、顆粒級(jí)配寬等特征，其表面泥位深度和流速沿溝道縱橫剖面是不連續(xù)分布的(舒安平等，2013)。實(shí)際上泥石流經(jīng)彎道流動(dòng)時(shí)角速度時(shí)變性強(qiáng)，同時(shí)由于泥石流運(yùn)動(dòng)阻力的存在，泥石流溝床粗糙率難以合理地確定。此外，泥石流流量在充分利用現(xiàn)有小流域暴雨雨洪計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同地區(qū)通過(guò)合理修正流量參數(shù)，可得到較為可靠的不同頻率下泥石流流量預(yù)測(cè)值。因此本文利用隴南泥石流野外觀測(cè)點(diǎn)武都區(qū)泥灣溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征值觀測(cè)資料進(jìn)行整理分析，基于泥石流流量與泥位深度和流速具有較好的冪相關(guān)性，研究非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征與峰值流量關(guān)系，建立了泥石流運(yùn)動(dòng)特征值修正預(yù)測(cè)模型, 并以隴南市禮縣下胡楊溝為例進(jìn)行模擬分析，計(jì)算不同頻率下泥石流流量、流速及泥位的特征值，分析泥石流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，為有效防治泥石流災(zāi)害及監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型構(gòu)建及驗(yàn)證

1.1 模型構(gòu)建

泥石流監(jiān)測(cè)斷面為“V”型，位于流通區(qū)下游海拔高程1155im處，距離出山口920im，斷面寬4.6im，高3im(圖1)，該斷面處溝道順直，溝岸穩(wěn)定。布設(shè)超聲波泥位和流速監(jiān)測(cè)儀，采用長(zhǎng)期觀測(cè)、定期觀測(cè)和山洪泥石流應(yīng)急觀測(cè)相結(jié)合，重點(diǎn)監(jiān)測(cè)泥石流泥位和流速等要素。

圖1 泥灣溝流域概況及觀測(cè)斷面位置關(guān)系圖

泥石流流量資料的獲取采用監(jiān)測(cè)斷面處實(shí)測(cè)泥位深度和流速，利用泥石流流量數(shù)學(xué)模型計(jì)算QC=vA(QC為泥石流流量(m3·s-1)；v為泥石流斷面平均流速(m·s-1)；A為泥石流過(guò)流面積(m2)獲得。由于部分場(chǎng)次泥石流泥位或流速過(guò)小，未到達(dá)觀測(cè)斷面，因而沒(méi)有泥石流泥位或流速記錄，另外，當(dāng)泥石流洪峰流量達(dá)到一定值時(shí)，由于泥石流瞬時(shí)流速過(guò)大，監(jiān)測(cè)儀器存在采集時(shí)間間隔問(wèn)題，導(dǎo)致泥位或流速獲取滯后。

因此，篩選兩者數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且相對(duì)應(yīng)的1998～2008年間爆發(fā)的174場(chǎng)有完整泥位和流速觀測(cè)記錄資料的泥石流進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上采用統(tǒng)計(jì)方法構(gòu)建了泥石流流量(QC)與泥位(h)、流速(v)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

(1)

(2)

式中：h為泥石流溝道泥位深度(m)；v為泥石流流速(m·s-1)；QC為泥石流流量(m3·s-1)。泥石流泥位深度預(yù)測(cè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.9132，泥石流流速預(yù)測(cè)模型的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.8247，對(duì)應(yīng)的冪函數(shù)相關(guān)性高(圖2)。上述構(gòu)建的泥石流運(yùn)動(dòng)要素特征值預(yù)測(cè)的統(tǒng)計(jì)模型經(jīng)過(guò)自檢驗(yàn)誤差分析，均滿足精度要求。

圖2 泥石流流量與泥位、流速的關(guān)系

1.2 模型驗(yàn)證與應(yīng)用

為檢驗(yàn)上述構(gòu)建的非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型的合理性，本文選取了我國(guó)西部白龍江流域、汶川震區(qū)、藏東南山區(qū)、小江流域等泥石流高發(fā)區(qū)域，具有典型性的14條泥石流溝共20次泥石流事件作為預(yù)測(cè)模型驗(yàn)證應(yīng)用的研究對(duì)象(表2)。其中泥石流運(yùn)動(dòng)特征值以及流量值是通過(guò)實(shí)地調(diào)查和研究文獻(xiàn)資料獲取，對(duì)比分析泥石流泥位深度、流速計(jì)算值與實(shí)際值，可得到不同地區(qū)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值的修正系數(shù)，并據(jù)此構(gòu)建更為可靠的預(yù)測(cè)模型。

表2 驗(yàn)證區(qū)14條泥石流溝基本參數(shù)及預(yù)測(cè)模型誤差統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)表2所示驗(yàn)證結(jié)果表明，白龍江流域和汶川地震區(qū)泥石流泥位深度計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在0.49～16.90之間；泥石流流速計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在1.09～24.86之間。模型誤差范圍在該區(qū)較為合理，而且該模型的相對(duì)誤差正負(fù)均有，說(shuō)明該模型對(duì)白龍江流域和汶川地震區(qū)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值的預(yù)測(cè)是均衡的，滿足預(yù)測(cè)要求。另外，小江流域泥石流流速計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在1.72～21.93之間，說(shuō)明模型滿足預(yù)測(cè)要求。但在藏東南地區(qū)和小江流域泥石流泥位深度計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差均大于40，而藏東南地區(qū)泥石流流速計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在28.27～58.49之間，說(shuō)明預(yù)測(cè)模型在該區(qū)不合理。

由圖3和表2可知原因?yàn)椋旱?，小江流域泥石流屬于陣性運(yùn)動(dòng)的高黏性泥石流，在泥石流運(yùn)動(dòng)時(shí)，龍頭的速度顯著增強(qiáng)，隨著固體物質(zhì)的不斷參與，泥石流濃度和流量處于逐漸增加的趨勢(shì)，則會(huì)出現(xiàn)連續(xù)淤積的現(xiàn)象。當(dāng)流量增大至某一臨界值時(shí)或黏性泥石流向稀性泥石流過(guò)渡以及陣性流轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，溝道的淤積層則會(huì)遭到破壞，其運(yùn)動(dòng)速度開(kāi)始逐漸降低，但總體平均速度變化太大。再者，所選取蔣家溝泥位檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，由于測(cè)量斷面寬度較大，泥石流運(yùn)動(dòng)存在向兩側(cè)擴(kuò)散的二維流，且在溝床表面流動(dòng)具有時(shí)變性即表現(xiàn)為床面流(吳積善等，1990)，致使觀測(cè)值與計(jì)算值泥位特征值縮減比例在0.5～0.7之間。第2，藏東南地區(qū)泥石流多屬冰川誘發(fā)型，具有瞬間暴發(fā)、運(yùn)動(dòng)速度快、運(yùn)動(dòng)距離遠(yuǎn)及沖出規(guī)模大等特點(diǎn)。泥石流形成的動(dòng)力過(guò)程為：在流域上游降雪、降水產(chǎn)生大規(guī)模冰崩、滑坡，堵斷溝道形成堆積壩，隨著匯流過(guò)程變形與集中，堆積壩潰決，伴隨著鏟刮、搬運(yùn)溝床冰磧物，使流量瞬間增大；之后泥石流經(jīng)流域中游峽谷段阻擋，長(zhǎng)距離輸移到達(dá)下游寬谷段的逐漸淤積展平，伴隨著沿程溝道輸移和支溝洪峰匯入，使泥石流濃度發(fā)生改變。但是在同等水力條件下，此類泥石流的運(yùn)動(dòng)速度一般小于水流，但超常的運(yùn)動(dòng)速度是由于泥石流發(fā)生堵塞潰決作用，在泥石流活動(dòng)中，隨著固體物質(zhì)的不斷參與，改變了溝床的水動(dòng)力條件，致使流速增大，而實(shí)際中泥石流泥位特征值比計(jì)算值縮減比例在0.5左右、流速特征值縮減比例在0.6～0.8之間。

圖3 泥石流運(yùn)動(dòng)特征值計(jì)算值與實(shí)際值的關(guān)系

為使預(yù)測(cè)結(jié)果更可靠，對(duì)藏東南地區(qū)和小江流域泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了修正。修正后的泥石流運(yùn)動(dòng)特征參數(shù)與峰值流量計(jì)算公式見(jiàn)表3。由修正后的預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果可知(表4)，泥位深度計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在0.49～22.49之間；流速計(jì)算值與實(shí)際值的絕對(duì)誤差在1.09～26.22之間，上述驗(yàn)證結(jié)果表明修正后的泥石流運(yùn)動(dòng)特征值與峰值流量計(jì)算模型能夠滿足預(yù)測(cè)精度要求。

表3 不同地區(qū)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值修正公式

表4 驗(yàn)證區(qū)14條泥石流溝修正后預(yù)測(cè)模型誤差統(tǒng)計(jì)表

2 數(shù)值模擬計(jì)算實(shí)例——以下胡楊溝為例

2.1 流域概況

為了定量評(píng)價(jià)不同流量條件下泥石流運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律，本文以隴南禮縣下胡楊溝為例進(jìn)行模擬分析研究。下胡楊溝位于禮縣縣城西南側(cè)，西漢水左岸，其流域面積0.61ikm2，區(qū)內(nèi)相對(duì)高差422im，主溝道長(zhǎng)1.1ikm，溝床平均縱比降為383.6‰，陡峻的地形條件為泥石流輸移提供了勢(shì)能保障。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量為489.9imm，歷史年平均最大降雨量為965.9imm，日最大降雨量達(dá)116.3imm，每年7～9月份暴雨頻繁，強(qiáng)度大且歷時(shí)短，為泥石流的形成與運(yùn)動(dòng)提供了充足的降水條件。流域出露地層為泥盆系白云質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)板巖、千枚巖，第四系崩坡積物及沖洪積堆積物。EW向禮縣—羅家堡斷裂與NWW向彭家崖—風(fēng)臺(tái)山弧形斷裂在此交匯穿過(guò)，且局部次級(jí)斷裂和小型褶皺集中發(fā)育，及地震活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致流域松散固體物源總量達(dá)99.92×104im3，大量松散物質(zhì)堆積于溝道，為泥石流發(fā)生提供了豐富的物源條件，同時(shí)也增強(qiáng)了泥石流溝床沖刷能力。在流通區(qū)上游伴有溝道堵塞體和卡口的存在，增加了溝道堵塞體瞬時(shí)潰決發(fā)生的可能性。

下胡楊溝是一條高頻泥石流溝，根據(jù)歷史泥石流資料整理分析，下胡楊溝于1964年、1984年、1998年及2013年均暴發(fā)過(guò)泥石流。結(jié)合流通區(qū)不同斷面處堆積物顆粒級(jí)配分析，下胡楊溝泥石流是隴南山地典型的非勻質(zhì)泥石流，其容重在1.83～2.15it·m-3之間，屬于高黏性泥石流?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查表明，該泥石流動(dòng)力過(guò)程為：軟弱千枚巖風(fēng)化形成的淺層松散堆積物啟動(dòng)→沿程溝道侵蝕→堵塞體瞬時(shí)潰決流量放大→更加強(qiáng)烈的彎道沖淤→停淤堆積或堵塞河道，屬典型的溝道侵蝕搬運(yùn)-潰決混合型泥石流。

2.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

FLO-2D模型主要參數(shù)獲取根據(jù)0.5im分辨率DEM數(shù)據(jù)、5組不同斷面處顆粒級(jí)配組成及其他流域特征參數(shù)。結(jié)合泥石流動(dòng)力特征和甘肅省小流域暴雨洪峰模型計(jì)算得出的不同容重1.83it·m-3、1.97it·m-3條件下泥石流流量。實(shí)際調(diào)查中下胡楊溝道嚴(yán)重堵塞，淺層滑坡堰塞體潰決后形成泥石流會(huì)產(chǎn)生一定的放大效應(yīng)，故輸入FLO-2D模型的泥石流流量為計(jì)算得出的泥石流流量乘以體積膨脹系數(shù)。最后將泥石流參數(shù)和泥石流流量(表5)和(表6)輸入FLO-2D模型，整個(gè)過(guò)程未有人為干預(yù)，計(jì)算結(jié)果較為可靠真實(shí)。

表5 FLO-2D數(shù)值模擬參數(shù)及精度分析

表6 下胡楊溝泥石流FLO-2D數(shù)值模擬運(yùn)動(dòng)特征值對(duì)比分析

根據(jù)訪問(wèn)和實(shí)測(cè)斷面泥位深度可按照表3公式反推下胡楊溝不同降水條件下泥石流流量，經(jīng)計(jì)算得出下胡楊溝2%頻率和5%頻率降水條件下泥石流流量分別為103.60im3·s-1、51.63im3·s-1。在50年一遇情景下泥石流流量差異較大，采用本文預(yù)測(cè)值是小流域暴雨洪峰模型計(jì)算結(jié)果的1.23倍，絕對(duì)誤差為23.16%，但是兩種方法求得20年一遇情景下泥石流流量基本一致。從整體驗(yàn)證結(jié)果看本文通過(guò)修正后的泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型具有一定的可靠性和應(yīng)用性。

2.3 不同規(guī)模泥石流運(yùn)動(dòng)特征差異性分析

取下胡楊溝分別暴發(fā)50年一遇(2%頻率)和20年一遇(5%頻率)泥石流泥位和流速動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)據(jù)，分析泥石流運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果繪制50年一遇(2%頻率)泥石流運(yùn)動(dòng)特征曲線、20年一遇(5%頻率)運(yùn)動(dòng)特征曲線(圖4)，可見(jiàn)下胡楊溝泥石流不同頻率條件的規(guī)模不同，其運(yùn)動(dòng)特征亦具有差異性。

圖4 不同頻率條件下泥石流運(yùn)動(dòng)特征曲線

(1)從泥位空間分布特征看，泥位特征曲線整體呈“雙峰”型，在輸移過(guò)程中表現(xiàn)為多組波狀性堆積，5%頻率下出現(xiàn)的峰值泥位較2%頻率下具有滯后性。首次峰值位置處于距離溝口500～550im處的溝道狹窄段，由于溝道兩岸固體物質(zhì)和主溝道右側(cè)支溝流量的匯集，流體運(yùn)移過(guò)程中出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，堆積體厚度迅速增大，淤高增加很快，模擬得出該位置處2%、5%頻率下最大泥位深度分別為1.59im、1.41im。第2次峰值位置在距溝口300～350im處的溝床彎道處下側(cè)，由于彎道爬高效應(yīng)，2%頻率下的泥石流泥位特征值為2.07im，5%頻率下的泥石流泥位特征值為1.77im。5%頻率下的泥石流逐漸向下游運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，因溝床比降變化，泥位堆積加快變薄而呈現(xiàn)“舌狀”堆積特征；由于2%頻率下泥石流瞬時(shí)流量達(dá)到71.4im3·s-1，泥石流堆積向堆積區(qū)兩側(cè)擴(kuò)散，在堆積扇前段出現(xiàn)“壅高”現(xiàn)象。

(2)從沿主溝道縱剖面流速分布曲線來(lái)看，不同頻率下的泥石流流速沿程變化具有差異性。泥石流暴發(fā)前期，較大規(guī)模(2%頻率)的泥石流運(yùn)動(dòng)速度明顯大于規(guī)模較小(5%頻率)的泥石流運(yùn)移速度。在泥石流中期這種特征表現(xiàn)更為明顯，但在泥石流后期，不同規(guī)模泥石流運(yùn)動(dòng)速度在堆積區(qū)縱剖面上的展布基本一致。2%頻率下的泥石流流速出現(xiàn)多個(gè)流速峰值點(diǎn)，這是因?yàn)槭艿匦魏臀镌礂l件的影響，在距離溝口550im處右岸支溝的小陣流不斷匯入主溝，增大泥石流流量，流速達(dá)到最大值4.88im·s-1；位于距溝口450im處溝道卡口處，泥石流從勢(shì)能轉(zhuǎn)為動(dòng)能，流量增大或瞬時(shí)潰決流量放大，此時(shí)流速為4.38im·s-1；距離溝口320im處泥石流過(guò)彎時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的超高特征，流速為4.20im·s-1；之后泥石流流速下降較快，從地形分析，該段溝道阻力增強(qiáng)、溝床比降降低及流量減小所致。而5%頻率下的泥石流流速僅在溝道卡口處出現(xiàn)單個(gè)流速峰值點(diǎn)，反映泥石流規(guī)模越大，泥石流陣流現(xiàn)象越明顯且動(dòng)能也就越大。

(3)根據(jù)表3白龍江流域流速預(yù)測(cè)模型，結(jié)合數(shù)值模擬得到的溝道縱剖面空間分布上不同斷面處的流速值反算泥石流流量，最終生成不同規(guī)模的泥石流流量過(guò)程曲線。

從圖5可以看出峰值流量的沿程變化特征表現(xiàn)為：第1，不同規(guī)模泥石流流量過(guò)程是不連續(xù)的，曲線呈陡漲、陡落的鋸齒狀，整體上接近于正態(tài)分布，在距溝口500im左右范圍內(nèi)泥石流流量過(guò)程是一個(gè)快速增加的過(guò)程，主要是因?yàn)橹蠀R流及溝床松散堆積物的加入，距離溝口越近流量沿程變化平緩降低，是由于溝床坡度逐步減小、堆積寬度增大，泥石流局部淤積所致。第2，非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中均表現(xiàn)為陣性的波狀流動(dòng)，由于泥石流流量過(guò)程中伴隨著物質(zhì)的參與和輸移，流體呈現(xiàn)的流變特性，即表現(xiàn)為泥石流流量在不同的斷面處其數(shù)值差別極大。第3，2%頻率的泥石流過(guò)程是由多個(gè)陣流群組成的，過(guò)程曲線呈多峰性，而5%頻率的泥石流過(guò)程基本上為一個(gè)陣流峰值。因此，2%頻率泥石流泥位差異性要比5%頻率泥位要大，特別是2%頻率泥石流后續(xù)出現(xiàn)的兩個(gè)流量陣流，均產(chǎn)生較大的泥位深度。

圖5 不同頻率條件下泥石流模擬泥位特征值與流量關(guān)系

3 結(jié) 論

(1)泥位和流速作為泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)要素，是泥石流動(dòng)力學(xué)研究的重要內(nèi)容。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合不同地區(qū)泥石流事件，基于泥石流流量與泥位深度和流速具有較好的冪相關(guān)性，構(gòu)建了非勻質(zhì)泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型。通過(guò)建立的泥位與流量的關(guān)系，反算出的流量值能較好地反映不同規(guī)模泥石流的實(shí)際情況，具有一定的可靠性和應(yīng)用性。但泥石流發(fā)生發(fā)展受多種因素影響，而且不同地區(qū)泥石流的形成機(jī)理差異性較大，本文提出的泥石流運(yùn)動(dòng)特征值預(yù)測(cè)模型達(dá)到普適性推廣還需不斷的驗(yàn)證和完善。

(2)以隴南禮縣下胡楊溝泥石流為例，在基于FLO-2D流體模型模擬了50年一遇(2%頻率)和20年一遇(5%頻率)降水條件下泥石流運(yùn)動(dòng)特征及形態(tài)曲線，分析了泥石流運(yùn)動(dòng)空間分布變化規(guī)律。結(jié)果表明不同規(guī)模泥石流運(yùn)動(dòng)特征與流量在整個(gè)流通過(guò)程是逐步變化的，受不同斷面處地形條件和物源補(bǔ)給的影響，較大規(guī)模的泥石流流量過(guò)程呈多峰性，當(dāng)達(dá)到峰值時(shí)均產(chǎn)生較大的泥位深度，而規(guī)模較小的泥石流往往表現(xiàn)為單一陣流特性，泥位特征值變化懸殊性要小。

(3)根據(jù)實(shí)例研究成果表明，50年一遇(2%頻率)和20年一遇(5%頻率)降水條件的下胡楊溝泥石流最大泥位深度分別為2.0im、1.48im，流速分別為5.28im·s-1、4.53im·s-1，對(duì)泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警體系建設(shè)和動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要的指導(dǎo)意義。