流域面積對溝道泥石流發育的影響分析

姚振國, 劉建周, 牛貝貝, 孫紅義

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

泥石流是地質、地貌、水文和氣象等綜合因素作用的產物,是一種自然災變過程[1]。泥石流形成的條件比較復雜,影響因素較多,就地貌因素而言,其流域面積、溝道比降、主溝長度等地貌形態是影響泥石流易發程度的重要指標。而溝道流域面積的大小,不僅影響溝道比降、主溝長度等其它地貌形態指標,還對強降雨的匯集、松散物質的分布等地質、水文條件產生影響。

本文從不同區域(流域)易發泥石流的溝道流域面積特征統計入手,分析泥石流流域面積的非線性特征,重點探討流域面積的大小對溝道泥石流易發程度的影響。同時針對不同的流域面積,深入探討暴雨洪水流量配方法計算泥石流峰值流量的適用性。

1 泥石流流域面積統計特征

1.1 流域面積大小分布特征

通過收集不同典型泥石流易發區域(流域)泥石流溝道地貌特征樣本[2-5],對具有代表意義的溝道泥石流流域面積進行了統計分析,結果表明(圖1),泥石流易發溝道流域面積一般<30 km2。在5個統計區域中,有3個樣本區域(流域)面積>30 km2的泥石流溝道所占比<10%,50%以上的統計樣本流域面積<2 km2;另2個統計樣本區域(流域)面積>30 km2的泥石流溝道所占比接近10%,50%以上的統計樣本流域面積<10 km2。

圖1 不同樣本區域(流域)泥石流溝道面積占比圖[2-5]Fig.1 Area proportion of debris flow valley in different sample areas

1.2 流域面積非線性特征

近年來,部分學者應用分形理論,用分維作為描述泥石流溝谷地貌各要素的參數,表征了在特定的地質環境下泥石流溝谷演變的自相似性的本質特征,揭示出流域面積、溝谷長度和溝床比降等地貌要素對泥石流發育和形成具有一定的控制作用。蘭州市防洪綜合治理項目,對蘭州市南北兩山泥石流易發溝道按不同流域面積所得的泥石流溝(表1)條數與其面積進行雙對數的相關分析(圖2),結果表明兩者具有良好的相關性,這種強相關說明泥石流溝道流域面積存在分形現象,流域面積對泥石流發育和形成的控制作用最大,溝谷長度次之,溝床比降最小。與前人在其它區域(流域)泥石流溝谷地貌非線性特征分析結論基本一致。

表1 蘭州市城區南北兩山泥石流溝面積與數量統計表Table 1 Area and quantitative statistics of debris flow gully in the north and south mountains of Lanzhou city

圖2 蘭州市城區南北兩山泥石流溝面積對數(lnA)與溝數量對數(lnN)回歸分析圖Fig.2 Regression analysis of logarithmic area (lnA) and logarithmic number (lnN) of debris flow gully in Lanzhou city

2 流域面積對泥石流易發程度分析

流域面積的大小對溝道泥石流易發程度的影響主要表現在以下兩個方面:

(1) 溝道流域面積的大小直接影響溝道比降、主溝長度等其它地貌形態指標,進而對泥石流必要的水動力條件產生影響。以蘭州市城區南北兩山溝道為例(圖3),流域面積<30 km2的溝道溝床比降一般>50‰,平均比降為110‰;流域面積>30 km2的溝道溝床比降一般在10‰～30‰之間。主溝道比降>100‰流域面積一般<5 km2。因此,流域面積越大,主溝道比降越小,主溝長度越大,降雨入滲系數大,不易具備泥石流啟動所要求的水動力條件,對泥石流的形成不利。

(2) 大面積流域造成泥石流形成條件的不均一性。豐富的松散固體物源和水文、水動力條件亦是產生泥石流的必要條件。大面積流域雖有利于降雨的匯集,但考慮到降雨強度、過程以及松散固體物源的分布在大流域范圍內均具有不均一性,泥石流的啟動往往出現在大流域的局部溝道,一般各支溝不會在一次降雨過程中同時啟動泥石流。因此,對于流域主溝道而言,即使出現泥石流,也多為低頻、稀性泥石流。

綜合上述泥石流流域面積特征統計及其對泥石流易發性分析,對于泥石流溝道而言,流域面積>30 km2可視為大流域,對其泥石流的發育和形成不利,泥石流易發溝道一般集中在流域面積<10 km2的溝道。

圖3 蘭州市城區南北兩山溝道流域面積與主溝道比降關系散點圖Fig.3 Scatter point of the relationship between the area of valley and the gradient of main valley in Lanzhou city

3 配方法計算泥石流峰值流量適用性

由于泥石流形成的條件比較復雜,影響因素較多,泥石流峰值流量計算很困難。目前,采用暴雨洪水流量配方法[6-7](以下簡稱配方法)計算,用形態調查法相補充是比較常用的方法。

配方法是在泥石流與暴雨同頻率、同步發生、計算斷面的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量的假設下建立的計算方法,其計算步驟是先按水文方法計算出斷面不同頻率下的小流域暴雨洪峰流量。然后選用堵塞系數和泥石流泥沙修正系數,按下列公式計算泥石流峰值流量:

Qc=(1+Φ)Qp·Dc

式中:Qc——頻率為P的泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp——頻率為P的暴雨洪水設計流量(m3/s);Dc——泥石流堵塞系數;1+Φ——泥石流泥沙增加系數。

基于配方法的假設條件,分別從以下3個方面進行探討:

(1) 從固體物源分布條件考慮,配方法適用于物源充足且集中產于中下游的小流域。流域面積較大的溝道松散物源分布往往比較分散,且流域中支溝較多,不一定所有支溝都是泥石流溝。基于斷面(主溝道出山口斷面)的暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量的假設,泥石流峰值流量計算值往往比實際值偏大。

(2) 從降雨過程、降雨強度條件啟動泥石流角度考慮,即使各條支溝泥沙供應充足,均具備泥石流形成的物源條件,但強降雨在大面積流域存在不均一性,一般各支溝不會在一次降雨過程中同時啟動泥石流。因此,在大流域中一般難以滿足暴雨洪水設計流量全部轉變成泥石流流量的假設。

(3) 從災害重現期的角度考慮,在給定的暴雨洪水設計流量條件下,假設泥石流與暴雨同頻率且同步發生,其泥石流峰值流量設計標準要高于頻率為P的暴雨洪水設計標準,在大流域計算上尤為明顯。

基于以上討論,配方法適用于松散物源分布于流域中下游且供應充足的小流域,采用該方法計算大流域泥石流峰值流量時結果往往偏大。因此,流域面積>30 km2溝道采用配方法計算泥石流峰值流量時,建議先分解計算各支溝的泥石流峰值流量,然后利用折減法合并計算,計算公式如下:

Qc=Q0+n(Q1+Q2+……) (n<1)

式中:Qc為合并后的設計流量(m3/s);Q0為主溝設計流量(m3/s);Q1,Q2,……為各支溝的設計流量(m3/s)。

4 結論和建議

(1) 泥石流溝道流域面積存在分形現象,流域面積對泥石流發育和形成起控制作用,泥石流易發溝道流域面積一般<30 km2。

(2) 溝道流域面積的大小,不僅影響溝道比降、主溝長度等其它地貌形態指標,還對松散物質的分布,強降雨的下滲、匯集、水動力條件等產生影響,進而影響溝道泥石流的易發程度。

(3) 配方法適用于松散物源分布于流域中下游且供應充足的小流域,采用該方法計算大流域泥石流峰值流量時結果往往偏大,建議按支溝采用折減合并法計算。