王偉宇,李 俊,趙苑迪

(四川輕化工大學(xué)土木工程學(xué)院,四川 自貢 643000)

泥石流暴發(fā)頻率是評估泥石流活躍程度,估算泥石流侵蝕速率以及確立泥石流設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)[1-6]。泥石流頻率的確定有4種方法:第1種方法為通過調(diào)訪老鄉(xiāng)獲取歷史上相同規(guī)模泥石流的間隔時(shí)間[7];第2種方法為暴雨頻率與泥石流頻率不一致時(shí),也就是物源量極為豐富的情況,可以通過地震頻率來確定大規(guī)模泥石流暴發(fā)頻率[8];第3種方法是假定暴雨頻率與泥石流頻率一致,通過泥石流流量線性雨洪法與形態(tài)調(diào)查法計(jì)算結(jié)果,對比得出泥石流暴發(fā)頻率[9-13];第4種方法為暴雨頻率與泥石流頻率不一致時(shí)(物源量極為豐富的情況下),例如震后的汶川地區(qū)泥石流溝內(nèi),通過修正雨洪法與形態(tài)調(diào)查法計(jì)算結(jié)果來確定泥石流暴發(fā)頻率[14]。

汶川地震、蘆山地震和魯?shù)榈卣鸢l(fā)生后,中國西南山區(qū)泥石流物源普遍激增,泥石流的臨界雨量下降,這導(dǎo)致了降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率極為不一致[15-17]。因而急需探討降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率的關(guān)系,但由于缺少典型案例,相關(guān)文獻(xiàn)并不多見。而研究所調(diào)查的扎木弄溝(流域面積29.4 km2)是極具代表性的泥石流溝,扎木弄溝物源極為豐富,年均降雨量為1 225.8 mm,年降水量分配不均,降水呈“雙峰型”(5—6月和8—9月雙峰型),溝道比降大,歷史上發(fā)生過多次大規(guī)模泥石流,近10 a泥石流仍然頻發(fā)呈現(xiàn),目前扎木弄溝溝口配有精度高達(dá)0.1 mm的降雨量觀測站。因此,基于具有代表性的扎木弄溝泥石流及其降雨量資料,我們研究了降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率的關(guān)系。

1 扎木弄溝概況

1.1 自然條件

扎木弄溝位于西藏自治區(qū)波密縣易貢藏布河左岸(見圖1),易貢湖的下游,主溝走向225°,與易貢藏布近似直交。流域最高點(diǎn)海拔為5 616 m,最低海拔2 186 m,相對高差3 430 m。扎木弄溝主溝坡度上陡下緩,上部50°～60°,下部<30°。海拔4 000～5 616 m地帶角峰、幽谷等冰蝕地貌發(fā)育;海拔2 700～4 000 m地帶發(fā)育深切河谷,谷深溝窄,溝谷呈“V”形,溝床的平均縱坡比降達(dá)到了20%以上,有利于泥石流的發(fā)育;海拔2 700～2 186 m地帶為泥石流堆積扇、沖洪積扇或坡積裙等地貌單元。

圖1 區(qū)域地理位置Fig.1 Regional geographical location map

1.2 扎木弄溝2015年8月泥石流

據(jù)實(shí)地調(diào)查,2015年8月扎木弄溝共發(fā)生4次泥石流,分別為2015年8月16日凌晨3—4點(diǎn)泥石流,2015年8月19日凌晨4—5點(diǎn)泥石流,2015年8月21日早上6—7點(diǎn)泥石流和2015年8月7日泥石流。2015年8月16日和8月21日泥石流暴發(fā)后殘留的堆積物照片如圖2所示。

圖2 泥石流暴發(fā)后殘留堆積物Fig.2 Residual debris after mudslide outbreak

2 泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)

調(diào)查顯示,這4次泥石流的規(guī)模相近,泥石流洪痕高度相差較小。因而采用4場泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)的平均值作為2015年8月扎木弄溝泥石流動(dòng)力學(xué)特征參數(shù)。計(jì)算結(jié)果顯示,2015年8月扎木弄溝泥石流容重平均值為1.78 t/m3,泥石流流速介于4.05～5.79 m/s,泥石流流量介于538.76～605.17 m3/s。

2.1 容重

現(xiàn)場收集了4次泥石流暴發(fā)后殘留的原樣,采用基于泥石流堆積物組成的容重計(jì)算公式計(jì)算這4次泥石流容重[18],計(jì)算后4次泥石流容重值見表1。這4次泥石流中,2015年8月21日和2015年8月7日的泥石流性質(zhì)為過渡性泥石流(容重值介于1.80～1.90 t/m3)。另外2次為稀性泥石流(容重值<1.80 t/m3)。將4次泥石流容重值取平均值1.78 t/m3作為2015年8月扎木弄溝泥石流的容重值。此容重值作為研究泥石流流速和泥石流洪峰流量計(jì)算參數(shù)之一。

表1 泥石流容重計(jì)算Table 1 Calculation of mudslide volume weight

2.2 流速

扎木弄溝為稀性泥石流溝,選取圖3所示的斷面1和斷面2為計(jì)算斷面,參照《中國泥石流研究》給出的稀性泥石流流速計(jì)算公式計(jì)算扎木弄溝泥石流流速[19-21],計(jì)算公式為

(1)

a=(1+φcγs)1/2,

(2)

(3)

其中:V為泥石流斷面平均流速(m/s);Hc為泥石流斷面平均泥深(m);Ic為泥石流水力坡度,一般可用溝床縱坡代替;Mc為稀性泥石流溝床的糙率系數(shù);φc為泥石流洪峰流量修正系數(shù);γc為泥石流流體容重,1.78 t/m3;γw為水的容重,1.00 t/m3;γs為泥石流固體物質(zhì)的容重,2.65 t/m3。

斷面1和斷面2處泥石流流速計(jì)算結(jié)果如表2所列。計(jì)算結(jié)果顯示,斷面1泥石流流速為4.05 m/s,斷面2泥石流流速為5.79 m/s。

圖3 扎木弄溝8月泥石流實(shí)測洪痕斷面Fig.3 Measured floodmark section of mudslide in Zhamunonggou on August

表2 泥石流流速計(jì)算表Table 2 Mudslide flow velocity calculation sheet

2.3 泥石流流量

形態(tài)調(diào)查法計(jì)算的斷面1泥石流流量為605.17 m3/s,斷面2的泥石流流量為538.76 m3/s。配方法計(jì)算的斷面1百年一遇的泥石流流量為580.37 m3/s,斷面2百年一遇的泥石流流量為553.77 m3/s。

(1) 形態(tài)調(diào)查法確定的泥石流流量 形態(tài)調(diào)查法計(jì)算流量的具體表達(dá)式[22]為

Qc=AV,

(4)

其中:Qc為泥石流流量(m3/s);A為洪痕斷面面積(m2);V為泥石流斷面平均流速(m/s)。計(jì)算結(jié)果顯示,斷面1的泥石流流量為605.17 m3/s,斷面2的泥石流流量為538.76 m3/s。具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 形態(tài)調(diào)查法計(jì)算的泥石流流量

(2) 配方法確定的泥石流流量 計(jì)算結(jié)果顯示,斷面1百年一遇的泥石流流量為580.37 m3/s,十年一遇的泥石流流量為239.02 m3/s,五年一遇的泥石流流量為167.05 m3/s,兩年一遇的泥石流流量為99.27 m3/s。斷面2百年一遇的泥石流流量為553.77 m3/s,十年一遇的泥石流流量為227.73 m3/s,五年一遇的泥石流流量為159.01 m3/s,兩年一遇的泥石流流量為94.26 m3/s。

(3) 清水流量 線性雨洪法計(jì)算泥石流洪峰流量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是通過推理公式法計(jì)算得出的清水流量。以目前公認(rèn)的用于小流域設(shè)計(jì)洪水的推理公式為基礎(chǔ),進(jìn)行清水流量計(jì)算。參照文獻(xiàn)[23],取用適當(dāng)?shù)膮?shù)值,計(jì)算得出斷面1和斷面2以上流域的清水流量,其結(jié)果見表4。

表4 線性雨洪法計(jì)算斷面1和斷面2的清水流量

(4) 泥石流流量 不同頻率泥石流流量可采用線性雨洪法計(jì)算得出。線性雨洪法假定泥石流與暴雨同時(shí)發(fā)生,且頻率相同,清水全部轉(zhuǎn)化為泥石流。線性雨洪法運(yùn)用時(shí)需考慮溝道的堵塞情況。線性雨洪法計(jì)算泥石流洪峰流量Qc的公式為

Qc=φcQbDu,

(5)

其中:φc為泥石流流量修正系數(shù);Qb為清水流量(m3/s);Du為堵塞系數(shù),取值為1.5。線性雨洪法計(jì)算得出的扎木弄溝在各個(gè)頻率下的泥石流洪峰流量見表5。

表5 不同頻率下泥石流流量計(jì)算過程

3 泥石流暴發(fā)頻率

通過研究分析,4種常用的泥石流暴發(fā)頻率確定方法不能確定2015年8月扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率。針對這4次泥石流,通過現(xiàn)場測量洪痕斷面和溝道比降,發(fā)現(xiàn)這4次泥石流在相同斷面位置處的洪痕面積相差較小,計(jì)算得出的泥石流洪峰流量差別較小,因此這4次泥石流的暴發(fā)頻率一致。于是,我們嘗試采用前言所述的前2種方法來確定這4次泥石流暴發(fā)頻率。首先2000年扎木弄溝滑坡泥石流發(fā)生后,扎木弄溝2001—2014年泥石流規(guī)模無記錄。所以無法通過調(diào)訪獲取2015年8月扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率。其次2015年8月這4次泥石流規(guī)模介于1×104～10×104m3,根據(jù)泥石流防治規(guī)范,這4次泥石流不屬于大規(guī)模泥石流,所以無法通過地震頻率來判斷這4次泥石流暴發(fā)頻率。第1種方法和第2種方法并不能確定2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。

第3種方法也不能確定2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。形態(tài)調(diào)查法確定斷面1和斷面2的泥石流洪峰流量分別為605.17 m3/s和538.76 m3/s。這2個(gè)流量與線性雨洪法計(jì)算的各個(gè)頻率下泥石流洪峰流量相比,可以得出8月16日泥石流頻率為超百年一遇。但是這個(gè)結(jié)論明顯不對。因?yàn)?月16日泥石流發(fā)生之后,在8月19日和8月21日扎木弄溝也發(fā)生了相同規(guī)模的泥石流,這說明8月16日泥石流頻率沒有超百年一遇。從現(xiàn)場洪痕痕跡可以判識(shí)2012—2015年也發(fā)生過相同規(guī)模的泥石流或者是更大規(guī)模的泥石流,這說明8月16日泥石流頻率沒有超百年一遇。

第4種方法不能直接評估2015年8月泥石流暴發(fā)頻率。采用第4種方法來確定8月16日泥石流暴發(fā)頻率的前提是某地區(qū)需要有泥石流流量放大系數(shù)擬合資料,這樣才能應(yīng)用修正雨洪法計(jì)算的泥石流洪峰流量與形態(tài)調(diào)查法計(jì)算結(jié)果相對比得出泥石流暴發(fā)頻率。然而易貢周邊地區(qū)并沒有相應(yīng)的泥石流流量放大系數(shù)擬合資料。

4 降雨頻率和泥石流暴發(fā)頻率關(guān)系探討

通過上述分析可知,目前常用的4種泥石流暴發(fā)頻率方法不能確定2015年8月扎木弄溝泥石流的暴發(fā)頻率。為此我們探討降雨頻率與泥石流頻率的關(guān)系,嘗試解決如何確定泥石流暴發(fā)頻率問題。解決思路具體如下:通過查找泥石流暴發(fā)時(shí)間內(nèi)雨量數(shù)據(jù),來確定泥石流發(fā)生時(shí)的實(shí)際6 h降雨量。然后通過《中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集(2006版)》求出不同頻率下的最大6 h設(shè)計(jì)暴雨量。將實(shí)際6 h降雨量與不同頻率下的最大6 h設(shè)計(jì)暴雨量相比,得出降雨頻率。進(jìn)而根據(jù)扎木弄溝溝口10多年堆積的松散固體物質(zhì)反演2015年8月泥石流可能的暴發(fā)頻率,并求得泥石流洪峰流量放大系數(shù),并對該放大系數(shù)進(jìn)行分析,最終得出泥石流暴發(fā)頻率。

4.1 2015年8月16日、19日和21日降雨頻率確定

甲中村雨量站在2015年8月16日和21日前6 h的降雨量無記錄,僅有8月19日的小時(shí)降雨量。但由于2015年8月16日、8月19日和8月21日泥石流洪峰流量差別較小,所以以8月19日甲中村雨量站6 h降雨5.5 mm作為計(jì)算2015年8月降雨頻率的初始參數(shù)。從18日22:00到19日4:00,6 h內(nèi)累積降雨量達(dá)到5.0 mm,最大6 h降雨量達(dá)5.0 mm。降雨頻率分析首先通過《中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集(2006版)》查出易貢地區(qū)最大6 h暴雨量變差系數(shù)CS與最大6 h均值雨量;再從皮爾遜Ⅲ型曲線模比系數(shù)表中查出相應(yīng)于Cv=3.5CS的不同頻率的KP值,計(jì)算出不同頻率情況下設(shè)計(jì)的暴雨量H6p=KP×24n2-1,其中:n2為1～6小時(shí)內(nèi)的暴雨參數(shù);最后通過對比不同頻率下H6p值與5.0 mm的大小,得出降雨頻率。通過查看中國暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)表得出,該地區(qū)最大6 h暴雨量變差系數(shù)Cs與最大6 h降雨量值分別為0.39 mm、22 mm,并且當(dāng)頻率為100%時(shí),H6p等于6.33 mm,與此次降雨量5.0 mm相差較小。所以2015年8月泥石流對應(yīng)的降雨頻率都為一年一遇。

4.2 2015年8月泥石流暴發(fā)頻率分析

據(jù)文獻(xiàn)資料和實(shí)際調(diào)查,1902年冰川泥石流和2000年滑坡泥石流發(fā)生之后,扎木弄溝發(fā)生了非常多的中小規(guī)模泥石流[24-26]。由此可判斷出泥石流頻率一般都低于二十年一遇。2000年堰塞壩潰決后,扎木弄溝溝口高程為2 190 m,而2015年溝口高程為2 198 m,泥石流堆積物范圍為0.32 km2,泥石流堆積方量為256萬m3。而2015年8月這4次泥石流平均一次泥石流固體物質(zhì)總量為1.68萬m3。2000—2015年期間泥石流堆積方量256萬m3除以平均一次泥石流輸沙量再除以15年得出2000—2015年每年類似于8月16日規(guī)模的泥石流平均次數(shù)為10次。這說明2000年滑坡泥石流發(fā)生之后的后續(xù)泥石流暴發(fā)頻率非常高,我們把2015年8月泥石流暴發(fā)頻率定為兩年一遇。

形態(tài)調(diào)查法與配方法計(jì)算的泥石流洪峰流量倍數(shù)關(guān)系見表6。從表6可知,形態(tài)調(diào)查法計(jì)算斷面1和斷面2的泥石流洪峰流量比線性雨洪法計(jì)算的兩年一遇泥石流洪峰流量都大6倍左右。而一年一遇的降雨條件下扎木弄溝實(shí)際泥石流洪峰流量是兩年一遇洪峰流量(線性雨洪法)的6倍。這是因?yàn)樵九獪狭饔騼?nèi)目前具有大量的土源。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,流域面積為29.4 km2的扎木弄溝目前還殘留著2.7億m3松散固體物質(zhì)[25],這能夠?yàn)槟嗍魈峁┓浅ＸS富的松散固體物質(zhì),在此情況下暴雨頻率很可能與泥石流暴發(fā)頻率不一致,從而導(dǎo)致扎木弄溝在一年一遇的降雨條件下產(chǎn)生6倍兩年一遇洪峰流量(線性雨洪法)。這表明2015年8月泥石流暴發(fā)頻率定為兩年一遇是有可能且較為合理的。另外高頻率的降雨條件下扎木弄溝產(chǎn)生較大規(guī)模泥石流現(xiàn)象在汶川震后物源量極多的清平溝、紅椿溝和小崗劍泥石流溝也常見。綜上所述,2015年8月扎木弄溝泥石流頻率為兩年一遇,并且一年一遇的降雨條件下可以產(chǎn)生6倍于兩年一遇的洪峰流量(線性雨洪法)。

表6 形態(tài)調(diào)查法與配方法計(jì)算的泥石流洪峰流量倍數(shù)關(guān)系

5 結(jié)論

結(jié)合扎木弄溝實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù),并對比通過形態(tài)調(diào)查法計(jì)算的泥石流洪峰流量與此泥石流暴發(fā)頻率下的洪峰流量(線性雨洪法)之后,分析得出了2015年8月泥石流暴發(fā)頻率為兩年一遇,并且一年一遇的降雨條件下可以產(chǎn)生6倍兩年一遇的洪峰流量(線性雨洪法)。扎木弄溝泥石流暴發(fā)頻率的表述方法能夠更好地表達(dá)扎木弄溝泥石流的活躍程度,并且有利于工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的選取。