坡面泥石流起動模型研究_圖文

1、第13卷第4期水土保持研究Vol.13No.4 2006年8月Research of Soil and Water Conservation Aug.,20063坡面泥石流起動模型研究張萬順1,喬飛1,崔鵬2,彭虹3,陳曉清2(1.武漢大學資源與環(huán)境科學學院,武漢430079;2.中國科學院成都分院,成都610041;3.武漢大學水利水電學院,武漢430072摘要:針對單一坡面泥石流起動模型進行研究?；谕寥绖恿W理論、土壤下滲理論和土壤水動力學理論,以及土體含水率變化引起土體抗剪切應力變化的物理機理,提出了坡面泥石流起動模式。在此基礎上,結合傳統(tǒng)分布式水文模型理論,建立了分布式坡面泥石流起動

2、模型。模型應用于云南蔣家溝典型坡面泥石流研究,能夠預測坡面泥石流起動的時間、部位和起動量,進行多時段模擬坡面泥石流入溝流量過程線,模擬結果體現了泥石流發(fā)生陣發(fā)性、不連續(xù)性、滯后性的特征,這與實際觀測情況吻合,表明應用該模型研究坡面泥石流的起動是可行的,能夠為進一步的泥石流數值模擬提供依據。關鍵詞:坡面泥石流起動;土體含水率;土體應力;分布式模型;云南東川蔣家溝中圖分類號:P642.23文獻標識碼:A文章編號:100523409(20060420146204The Study on the Numerical Model of Debris Flow on the SlopeZHAN G Wan

3、 shun1,Q IAO Fei1,CU I Peng2,PEN G Hong3,CH EN Xiao qing2(1.College of Resource and Envi ronmental S cience,W uhan Universit y,W uhan430079,China;2.I nstitute of Mountain Haz ards&Envi ronmental Disaster of CA S,Cheng du610041,China;3.S chool of H y d rolog y and W ater Power Engineering,W uhan

4、Universit y,W uhan430072,ChinaAbstract:The model of the initiation of debris flow on the single slope is studied.Based on the theory of dynamic of soil,soil in2 filtration,and the physical mechanism of soil movement caused by percent moisture content,the mode of the initiation of debris flow on the

5、slope is proposed.Then,combining this with the theory of distributed hydrological model,the numerical model of debris flow on the slope is developed and applied to Jiangjia ravine in Yunnan Province.The model is used to predict the time and position of the initiation of debris flow,and to model the

6、continuous flow rate of debris flow.The results agree well with the measured characteristic of debris flow,which shows that it is feasable to model the debris flow initiation with this model, and the model can give facts for the future study of the numerical simulation of debris flow in the whole wa

7、tershed.K ey w ords:the initiation of debris flow on the slope;percent moisture content of soil;resistance to shear of soil;distributed model of debris flow;Jiangjia ravine泥石流是一種常見的山地自然災害,它是降雨、地形地貌、地質構造、固體堆積物、植被覆蓋度及人類活動等因素共同作用的結果1。當除降雨以外的其它因素達到某種程度時,一旦有足夠大的降雨量,就可能發(fā)生災害性的泥石流2。關于泥石流起動的研究對于防治泥石流災害有著十分重要

8、的作用。泥石流是由水和固體物質(如泥沙、石塊組成的混相流體,其發(fā)生過程非常復雜3。國內外學者主要從泥石流發(fā)生的外部條件和泥石流起動物理機理進行研究。泥石流發(fā)生的外部條件主要包括三個,陡峭的地形(地貌條件、大量的松散固體物質(土源條件,和水(水源條件,泥石流的發(fā)生是三個條件共同作用的結果4。泥石流形成物理機理分為水力類泥石流和土力類泥石流:水力類泥石流主要由地表徑流沖刷坡面補給物質形成,泥石流量與降雨有密切關系58;土力類泥石流主要由降雨下滲引起坡面土體的滑坡、崩塌而形成,土力類泥石流可能發(fā)生在降雨過程中,也可能發(fā)生在降雨結束以后,破壞性最大。土力類泥石流起動和形成,目前的研究基本都是從坡面土體

9、穩(wěn)定性入手,通過坡面滑坡體轉化研究泥石流的形成。王裕宜等(2001通過實驗分析了土體抗剪切力和土體含水率的關系9。胡明鑒等(2001通過人工實驗對斜坡土體含水率與土體穩(wěn)定性關系進行分析10。魯曉兵(2001對土體振動和沖刷進行受力分析,研究了滑坡泥石流起動的條件11。這些研究對土力類泥石流的起動的提供了基礎,但都是僅限于靜態(tài)地、單一地研究泥石流起動和形成的條件,沒有能夠與實際降雨過程相結合形成動態(tài)地、系統(tǒng)地定量計算坡面泥石流的起動理論。本文基于GIS技術對流域進行數字離散,形成坡面帶單元,在坡面帶單元上應用土壤下滲理論和土壤動力學理論,建立分布式泥石流模型12,13,對云南蔣家溝單一坡面的泥石

10、流起動過程采用數值模型進行定量研究,主要進行了如下幾方3收稿日期:2005207211基金項目:國家杰出青年科學基金資助項目(40025103;國家“973”計劃資助項目(2002CB412300作者簡介:張萬順(1965-,教授,博導,武漢大學資源與環(huán)境科學學院,從事環(huán)境管理與規(guī)劃教學和研究。面的工作:(1將泥石流易發(fā)坡面劃分成帶狀單元,動態(tài)識別單元參數(面積、坡度、空隙度、下滲率、含水率等;(2根據土壤下滲理論分析降雨過程中坡面帶單元土體下滲率,土體含水率、土體空隙度的動態(tài)變化;(3結合土體動力學理論對坡面土體進行穩(wěn)定性分析和泥石流起動定量計算;(4采用一維動力模型進行坡面泥石流演算。數值

11、結果表明,該模型能夠描述泥石流的起動過程,比較準確地反映了泥石流陣性、滯后性的特征,為進一步的泥石流預報提供了可靠的依據。1分布式泥石流起動模型分布式泥石流起動模型將泥石流起動理論與分布式模型相結合,研究坡面單元在重力和表層流體作用下的泥石流起動和演算,解決了泥石流發(fā)生時空分布不均的問題14。模型主要包含三個主要部分:土體下滲和土體含水率計算;土體動力分析和泥石流起動定量計算;坡面泥石流演算。1.1土壤下滲模型降雨下滲是指降雨經過地表進入到土體的過程。降雨泥石流起動和形成過程時間較短,是一個短期效應,也是一個復雜過程,與土體結構和土水勢有著密切的關系,本文主要考慮降雨過程中垂直方向的水運動過程

12、,坡面帶單元土壤中垂向非飽和水運動可用下面的數學描述:C (h 5h 5t =55z (K (h 5h 5z +5K (h 5z(1初始條件:h |t =0=h 0(z (2Dirichlet 邊界條件,h |1=h 1(z ,Z 1(3式中:C (h 比水容重,C (h =d dh ,55t =C (h 5h 5t,土層含水量;K (h 垂向水力傳導系數;h 基質勢;h 0初始值;h 1為基質勢邊界條件。對于坡面帶單元土壤中垂向非飽和水運動方程來講,K (h 是h 的函數,模型屬于非線性模型,不能直接求出h 、,必須使用迭代算法來推求。1.2泥石流起動模型泥石流源地土體的抗剪切力隨著土體含水

13、率產生變化,當土體含水率達到一定程度,土體的穩(wěn)定性就遭到了破壞,土體產生滑動或者崩塌,進一步就形成泥石流。因此,土壤抗剪切力直接決定著泥石流的起動。1.2.1土體應力計算坡面單元土體主要在抗剪切和剪切力的相互作用下保持穩(wěn)定或者產生滑動,降雨過程中抗剪切力主要由內凝力和內摩擦力決定,抗剪切力主要受重力和地表泥石流的沖刷力影響4,16:=c +n tanF =n +k 1×0×V 02(4式中:土體抗剪切應力(pa ;F 土體切向應力(pa ;C 土體內聚力(pa ,土體內摩擦角(°,兩者均為土體含水率的函數9,10,C =f 1(,=f 2(;n 土體法向應力(pa

14、 ,n =(G +G cos /a;n 土體切向應力(pa ,n =GV sin /A ;表層土體坡度(°G 土體重力(n ;G 表層泥石流重力(n ;V 0表層泥石流流速(m/s ;A 土體單元表層面積(m 2;0為表層泥石流密度(kg/m 3;k 1經驗參數。1.2.2土體起動厚度估算坡面土體起動并形成泥石流與土體剪切應力(F 和抗剪切應力(有著密切的關系。坡面泥石流起動中表層土體起動厚度的估算比較重要,坡面土體在剪切力和抗剪切力的作用下起動,形成具有一定速度的流體,滿足下面條件:d v d t =F -H s s(5對公式積分得到:v 1=F -H s s ×t (6

15、泥石流的流速公式4:v 2=K 1H c I(7如果形成泥石流,則有:v 1=v 2F -H s s×t =K 1H c I (8H c =H s +H w(9令H w =H s 由式(8、式(9得到,表層土體起動厚度估算公式:H s =(F -t K 1sI (1+-(1+(10式中:v 1、v 2土體起動后的速度(m/s ;H s 、H w 、H c 起動土體的厚度(m ,地表泥石流深度(m ,土體起動后形成的泥石流深(m ;s 起動土體的密度(kg/m 3;I 坡面比降;K 1、經驗參數,根據流域實測資料選定。公式(10中,剪切應力F 和抗剪切應力在土體含水率和坡度確定的情況下

16、是土層厚度H s 的函數,因此,該式不能直接求出H s ,需要經過迭代計算來確定。1.3坡面泥石流演算坡面單元泥石流的產流和匯流并不是兩個完全獨立的過程,起動產流過程中實際已經包括了坡面匯流,兩者相互結合,其本身是一個很復雜的過程,為降低計算的復雜程度,模型對其進行簡化,將不規(guī)則的坡面單元概化成一系列連續(xù)點單元(圖1,采用一維動力坡面演算模型,即坡面流的St.Venent 方程(式11,進行坡面泥石流演算:水流連續(xù)性方程:5h 5t +5q5t=r(11輸沙連續(xù)性方程:5(hS c t +5(qS c t=H s S s(12式中:h 徑流深(m ;q 單寬流量(m 2/s ;r 單元產流深(

17、m/s ;S c 泥石流中沙與水比例系數,S c =S v1-S v,S v 泥石流中泥沙的體積百分比含量;Hs 單元土體起動厚度;S s 土體中泥沙的體積百分比含量;l 坡面長度(m ,t 時間(s 。泥石流具有極限運動濃度S 3,如果濃度達到S 3,泥石流將會停止運動,在坡面淤積下來,其淤積厚度為hS c ,則停止輸沙演算。本文用一維有限差分法離散方程(11( 12,進行坡面泥石流演算,根據泥石流流速公式(7計算泥石流流速v (m/s ,則q =v ×Hc (m 2/s 。圖1坡面單元劃分示意圖741第4期張萬順等:坡面泥石流起動模型研究2分布式泥石流起動模型在云南蔣家溝的應用蔣

18、家溝地處云南東川,是小江流域內最具代表性的一條泥石流溝,流域面積48.6km 2,主溝長13.9km ,海拔10423269m ,植被稀少,崩塌、滑坡發(fā)育,降雨充沛,是著名的泥石流多發(fā)地帶1。蔣家溝泥石流觀測項目較多、資料較多、系列較長、幅度較寬,這為泥石流基礎理論研究奠定了良好的基礎。2.1蔣家溝坡面土體特性蔣家溝泥石流源區(qū)廣泛分布著礫石土,其顯著特征是級配較寬,分布不均勻,隨著坡面坡度的變化,源區(qū)礫石土的顆粒級配與空隙率有一定的分布規(guī)律1。坡地的垂直組合分布形態(tài)取決流域地貌的演化,流域溝道侵蝕速度不斷增加,垂直坡地組合形態(tài)具有凸形坡形態(tài),即以分水嶺和溝道最為平緩,主支流兩岸谷坡最陡。坡地的

19、土體狀況與坡地的成因類型有關,在流域分水嶺及其毗鄰的山地剝蝕面上,一般發(fā)育有地帶性風化殼和土壤(山地紅壤。而在極陡的谷坡上卻缺乏地帶性風化殼和土壤,風化殼底層的巖屑碎石土體直接露出地表。主支流山坡上部或分水嶺及其臨近地帶,地面坡形和緩,一般1020°,根據基巖巖性的不同,分為兩類,紅壤和紅色石灰土(紅色土。紅壤質地屬亞黏土,土體厚度變化于數十厘米至數十米,土體顆粒由地表向地下深處變粗,底部為砂巖、板巖風化碎石土體。紅色土土體厚度可達10多m ,與下覆基巖間無碎石土體,紅色土黏重、板結、空隙度小、天然含水率高,透水性弱。這一特殊的土壤分布規(guī)律為泥石流的形成提供了土源條件,流域分水嶺處分

20、布的紅壤黏粒含量大,透水性弱,土體易積聚水分,天然含水率高,在一定的降雨條件下容易產生滑坡、崩塌,形成泥石流。2.2坡面泥石流起動計算根據蔣家溝DEM (10m ×10m 進行流域劃分17,18,并進行坡面單元化,提取單元屬性,包括面積、坡度等。選取泥石流易發(fā)生的典型凸形坡面進行研究(圖3,該坡面由上到下分為5個單元。5號單元位于坡面最上游,坡度最小,土壤粒徑小,4、3、2三個單元坡度變化率較小,處于凸形坡面的分水嶺附近,1號單元坡度最大,處于坡面最下游,屬于河谷溝道兩側的陡坡,地表缺乏風化殼和土壤。5個單元的坡度、初始體積含水率和初始空隙率見表1。表1蔣家溝坡帶單元特征坡帶比降初始

21、體積含水率初始孔隙率50.17370.21780.359440.33860.18010.379030.35800.16670.381520.44330.10560.393210.55570.05790. 4103圖2坡帶單元劃分示意圖本文選用蔣家溝2001年7月78日的降雨過程,結合蔣家溝坡面地形、地貌和土體特征條件,應用分布式泥石流模型進行坡面泥石流起動模擬,土體起動厚度按照式(10估算,坡面泥石流匯流采用一維有限差分方法,模擬結果見圖3和圖4 。圖3 連續(xù)時段剪切力和抗剪切力變化示意圖圖4泥石流/降雨過程線對坡面泥石流模擬結果進行分析,可以得到如下結論:(1從圖3來看,連續(xù)時段剪切力變化不

22、大,抗剪切力變化比較明顯,說明泥石流起動主要由抗剪切力減小而引起;從剪切力和抗剪切力的變化過程來看,3號坡帶抗剪切力減小最快,最早小于剪切力,產生泥石流;隨著土體含水率的增大,2號坡帶和4號坡帶,也產生泥石流;1號坡帶和5號坡帶的抗剪切力總大于剪切力,因此不會發(fā)生泥石流,說明坡面泥石流發(fā)生的部位就在凸形坡面的分水嶺附近,這一結果與實際觀測的現象比較吻合,符合泥石流客觀規(guī)律,定性描述坡面泥石流的起動部位。(2圖4是連續(xù)時段的泥石流流量過程線,時段全長為500min ,最大降雨強度為2.0mm/10min ,最小降雨強度為0.2mm/10min 。從模擬結果可以看出,泥石流發(fā)生全過程周期性和陣性明

23、顯,泥石流流量變化范圍比較大,連續(xù)性不強。從泥石流發(fā)生的時間來看,降雨開始73min 左右有少量泥石流產生,112118min 發(fā)生兩場比較大的泥石流,第一個周期結束;233246min 有兩次較大泥石流發(fā)生,第二個周期結束;355376min 有兩次較大泥石流發(fā)生,第三個周期結束;最后一次較大泥石流發(fā)生在479min ,整個泥石流過程結束。模擬計算的泥石流暴發(fā)周期間隔約為100120min ,與降雨強度和土層的起動厚度有關。雨強最大的時間841水土保持研究第13卷為340min 和400min ,泥石流流量最大時間為480min ,說明了泥石流形成過程存在滯后性。3結論本文從土體抗剪切應力與

24、剪切應力之間的關系提出了坡面泥石流起動模式,并與分布式水文模型理論相結合,建立了坡面泥石流起動模型。應用該模型,模擬云南東川蔣家溝典型坡面的降雨泥石流過程,數值結果很好的描述了天然降雨形成泥石流的所有特征陣發(fā)性、不連續(xù)性、滯后性等,這說明該模型建立機理是正確的,模擬結果是合理的,能夠解決復雜的坡面泥石流起動問題,從而為全流域泥石流預報提供有力的支持。參考文獻:1吳積善,康志成,田連全,等.云南蔣家溝泥石流觀測研究M .北京:科學出版社,1990.2譚萬沛.中國暴雨泥石流預報基本理論與現狀J .土壤侵蝕與水土保持學報,1996,2(1:89-95.3費祥俊,舒安軍.泥石流運動機理與災害防治M .

25、北京:清華大學出版社,2004.4唐邦興,周必凡,吳積善,等.中國泥石流M .北京:商務印書館,2000.5余斌,洪勇,何淑芬.降雨泥石流預報的研究J .水土保持學報,2002,16(6:96-99.6魏永明,謝又予.降雨型泥石流(水石流預報模型研究J .自然災害學報,1997,6(4:48-54.7崔鵬,等.中國泥石流監(jiān)測預測研究現狀與展望J .自然災害學報,2000,9(2:10-15.8高速,周平根,董穎,等.泥石流預測、預報技術方法的研究現狀淺析J .工程地質學報,2002,10(3:279-283.9王裕宜,詹錢登,嚴璧玉,等.泥石流體結構和流變特性M .長沙:湖南科學技術出版社,2

26、001.10胡明鑒,汪稔,張平倉.斜坡穩(wěn)定性及降雨條件下激發(fā)滑坡的試驗研究以蔣家溝流域滑坡堆積角礫土坡地為例J .巖土工程學報,2001,23(4:454-457.11魯曉兵,崔鵬.泥石流啟動分析J .力學與實踐,2001,23(6:21-23.12王中根,劉昌明,吳險峰.基于DEM 的分布式水文模型研究綜述J .自然資源學報,2003,18(2:168-173.13唐莉華,張思聰.小流域產匯流及產輸沙分布式模型的初步研究J .水力發(fā)電學報,2002,第1期(?？?119-127.14夏軍,王綱盛,呂愛峰,等.分布式時變增益流域水循環(huán)模擬J .地理學報,2003,58(5:789-796.15

27、陳寧生,張軍.泥石流源區(qū)弱固結礫石土的滲透規(guī)律J .山地學報,2001,19(1:169-171.16C M 弗萊施曼.泥石流M .北京:科學出版社,1986.17Tribe A.Automated recognition of valley lines and drainage networks f rom grid digital elevation models :a review and anew methodJ .Journal of Hydrology ,1992,139(1/4:263-293.18Turcotte ,Fortin J P ,Rousseau A N ,et al

28、.,Determination of the drainage structure of a watershed using a digital eleva 2tion model and a digital river and lake networkJ .Journal of Hydrology ,2001,240(34:225-242.19吳積善,等.泥石流及其綜合治理M .北京:科學出版社,1993.20白永峰.成昆線暴雨泥石流預報量化方法的探討J .土壤侵蝕與水土保持學報,1998,.4(3:67-72.21Thomas C.Pierson.Flow characteristics

29、of large eruption -triggered debris flows at snow -clad volcanoes :constraintsfor debris -flow modelsJ .Journal of Volcanology and G eothermal Research ,1995,66:283-294.22L Franzi ,G Bianco.A Statistical Method to Predict Debris Flow Deposited Volumes on a Debris FanJ .Phys.Chem.Earth ,2001,26(9:683-688.23A H Schumanna ,R Funkeb ,G A.Schultz.Application of a geographic information system for conceptual rainfall -runoff modelingJ .Journal of Hydrology ,2000,240:45-