泥石流发生雨型响应及其临界降雨条件

摘要

降雨型泥石流的发生是一个“天地耦合”的过程，基于雨量（强）条件的泥石流预测预报和监测预警成为了近年来研究的热点、难点和重要的防灾减灾手段之一。然而，由于降雨过程本身具有复杂和多变性，降雨对下垫面泥石流物源土体的影响过程和触发作用则更为复杂，从而使得泥石流发生的临界雨量（强）条件很难准确把握，降雨过程及其对泥石流起动影响和控制作用的研究成为了泥石流起动机理以及临界降雨条件和预测预报研究的薄弱环节，一定程度上影响了泥石流预测预报判据的可靠性和可信度。本文以泥石流发育分布广泛、成灾机理典型、灾情险情严重的大渡河流域（小金-甘洛段）、安宁河-则木河断裂带和汶川地震强烈扰动区作为研究对象，在对研究区近年来泥石流发生所对应的详细降雨资料（包括前期日降雨过程、泥石流发生时的小时降雨过程等）全面收集和深入分析基础上，引入雨型的概念，通过雨型对泥石流发生所对应的降雨过程进行表征和反映，进而从区域和时间尺度对比研究不同雨型条件下降雨对泥石流起动的影响和控制作用，探寻不同雨型条件下泥石流起动的临界降雨条件。本研究对进一步揭示不同降雨条件与泥石流起动的响应，提高降雨对泥石流触发作用和泥石流起动过程的认识，完善泥石流的形成机理方面具有一定理论意义，而对于泥石流预测预报和防灾减灾方面具有一定实践参考价值。
　　本研究主要内容包括：⑴雨型概念的引入与泥石流发生雨型体系框架的构建。通过原本应用于气候学的雨型概念实现了对泥石流发生降雨过程的表征，并提出了泥石流发生雨型的概念和雨型体系框架。泥石流发生雨型概念即基于雨（量）强—历时曲线划分出的与泥石流发生降雨过程相对应的降雨类型。泥石流雨型体系框架主要基于时间尺度、空间尺度、降雨时间间隔、降雨峰值特征以及降雨趋势构建。泥石流发生雨型概念的提出和雨型体系框架的构建为雨型与泥石流响应奠定了基础。⑵基于24h和1h时间尺度的泥石流发生雨型体系探索与建设。通过泥石流发生前期长时间降雨量及泥石流发生当日降雨量对泥石流发生贡献的综合衡量，依据当日降雨占总降雨量权重的大小，对24h时间尺度泥石流发生雨型划分为4种，分别为短临降雨控制型、短临降雨主导型、前期有效降雨与短临降雨平衡型、前期降雨主导型;依据小时降雨量的时间分布与泥石流发生时刻的关系，将1h时间尺度的降雨分为无峰型、峰前型、峰中型和峰后型4种雨型。⑶基于24h泥石流发生雨型划分与对比研究。在对研究区大渡河流域（小金-甘洛段）、安宁河-则木河断裂带和汶川地震强烈扰动区孕灾条件、泥石流特征分析基础上，分别统计计算了近年来发生的315次泥石流所对应的前7天有效降雨量、当日雨量和总降雨量，划分了基于24h时间尺度泥石流发生雨型。从总体分类结果来看，泥石流发生对应24h时间尺度的四种雨型占比均在20％以上。其中，以前期降雨与短临降雨均衡型所占比重最大(29.5％)，表明了泥石流发生是前期降雨与短临降雨共同作用的结果。其次为短临降雨控制型和短临降雨主导型，占比分别为24.76％和24.44％，表明了短临降雨在泥石流发生中的激发作用。前期降雨主导型相对较少，但也占到21.27％的百分比，表明前期有效降雨对泥石流发生的贡献。从区域对照来看，基于24h时间尺度泥石流发生雨型呈现出空间差异性。⑷基于1h时间尺度泥石流发生雨型对比研究。根据1h时间尺度泥石流发生雨型的划分依据，分别统计、绘制了研究区31次泥石流发生前后的小时降雨及累积降雨曲线，分析了泥石流发生与峰值降雨出现时刻及其对应关系，确定了基于1h时间尺度泥石流发生雨型。结果表明，研究区均匀无峰型降雨极少出现，峰值型降雨占绝大多数，其中54.8％的泥石流发生与峰值降雨同步，属于峰中型;32.3％泥石流发生于峰值降雨降落之后，属于峰后型。峰前型泥石流较少，占比接近10％。⑸泥石流物理启动模拟试验开展及其现象分析。下垫面以位于贡嘎山东坡的泸定县新兴乡熊家沟为模型，开展了不同降雨强度条件下泥石流启动的模拟试验。试验研究表明在强降雨条件下，水体入渗速度、不同深度土体含水量变化与降雨强度呈反比例关系，降雨强度越大，越不利于水体入渗，而有利于坡面汇流、冲沟径流和下切侵蚀;在强降雨和径流条件下，土体破坏方式、破坏程度以及泥石流形成机理表现出差异性。相对较小雨强降雨条件下，土体破坏方式以滑坡为主，泥石流形成模式表现为滑坡液化与转化启动，雨强较大降雨条件下，土体破坏方式以侵蚀垮塌为主，泥石流形成模式为洪流席卷垮塌体和揭底;在强降雨条件下，雨强与泥石流的规模、粘度之间没有正相关性。试验结果在一定程度上揭示了泥石流发生与降雨雨型的关系。⑹选取泥石流发生当日降雨量、前期有效雨量和总降雨量作为降雨参数，采用“单线法”拟合建立了基于24h时间尺度雨型的泥石流发生临界降雨条件（不同前期有效降雨条件下泥石流发生的临界日降雨量）;在泥石流发生降雨雨场划分基础上，选取泥石流事件降雨历时、小时降雨分布、平均小时降雨量等降雨参数，建立了大渡河流域（小金-甘洛段）、安宁河-则木河断裂带和汶川地震强烈扰动区与泥石流事件相对应的本场降雨过程中平均小时降雨量与降雨历时的关系曲线。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 研究目的与意义

1．1．1 研究目的

1．1．2 研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．2．1 泥石流发生临界降雨条件和预测预报研究

1．2．2 降雨雨型研究及其应用进展

1．2．3 泥石流起动物理模拟试验研究

1．3 研究方法与技术路线

1．3．1 技术路线

1．3．2 研究方法

1．4 研究对象与内容

1．4．1 研究对象

1．4．2 研究内容

1．5 主要创新点

第2章 研究区孕灾条件与泥石流特征

2．1 大渡河流域(小金-甘洛段)

2．1．1 孕灾条件

2．1．2 泥石流特征

2．2 汶川地震强烈扰动区

2．2．1 孕灾条件

2．2．2 泥石流特征

2．3 安宁河-则木河断裂带

2．3．1 孕灾条件

2．3．2 泥石流特征

2．4 本章小结

第3章 泥石流发生雨型体系

3．1 降雨组成及其对泥石流起动的影响

3．1．1 降雨过程与降雨组成

3．1．2 前期降雨对泥石流形成的贡献

3．1．3 前期有效降雨量的确定

3．2 泥石流发生雨型概念的提出

3．2．1 泥石流发生雨型概念

3．2．2 泥石流发生雨型体系

3．3 泥石流灾害与降雨资料梳理

3．3．1 泥石流灾害资料及来源

3．3．2 泥石流发生降雨资料来源及分析

3．3．3 研究区泥石流降雨数据

3．4 不同时间尺度雨型体系的建立

3．4．1 基于24h时间尺度泥石流发生雨型划分

3．4．2 基于1h时间尺度的雨型划分

3．5 本章小结

第4章 降雨过程对泥石流起动影响的试验

4．1 试验对象

4．2 试验装置与材料

4．2．1 试验装置

4．2．2 试验土体

4．2．3 试验相似性

4．3 试验现象

4．4 试验结果

4．4．1 水体入渗与降雨响应

4．4．2 冲沟侵蚀、土体破坏与泥石流起动响应

4．4．3 泥石流特征

4．5 本章小结

第5章 典型泥石流起动机理与降雨响应

5．1 石棉县2013．7．4群发泥石流形成机理与降雨响应

5．1．2 泥石流形成机理

5．1．3 泥石流发生降雨响应

5．1．4 泥石流起动机理与降雨响应总结

5．2 绵竹清平文家沟泥石流形成机理与降雨响应

5．2．1 泥石流概况

5．2．2 泥石流形成机理

5．2．3 泥石流发生降雨响应

5．2．4 泥石流起动机理与降雨响应总结

5．3．1 泥石流灾害概况

5．3．2 泥石流形成机理

5．3．3 泥石流发生降雨响应

5．3．4 泥石流起动机理与降雨响应总结

5．4 本章小结

第6章 基于雨型的泥石流发生降雨条件

6．1 基于24h时间尺度雨型的泥石流发生临界降雨条件

6．1．1 基于24h时间尺度雨型泥石流发生的临界降雨关系式

6．1．2 基于24h时间尺度雨型泥石流发生临界日降雨量

6．2 基于小时降雨量泥石流发生临界降雨条件

6．2．1 基于1h时间尺度雨型泥石流发生I-D曲线

6．2．2 基于1h时间尺度泥石流发生临界降雨条件

6．3 本章小结

第7章 结论与讨论

7．1 主要结论

7．2 存在问题与下一步工作计划

致谢

参考文献

博士期间所取得的学术成果