? 公路沿线诱发泥石流的灾害特征与控制技术模型研究李兴龙， 卓春英 (重庆水利电力职业技术学院， 重庆 永川 402160) [摘 要] 对于现代生活中而言，自然灾害防御体系的建立越来越重要。以自然灾害中泥石流为例，通过分析泥石流发育分布特征进行泥石流的分类阐释，在此基础上建立对泥石流监测预警关键参数分析后，对于利用软件FLO-2D建立泥石流模型，进行具体的泥石流危险分区研究。通过以上的整合，泥石流预警减灾系统设计与构建应用而生。通过对必要模块的建立和运营，将会对我们在生产和生活中，有效预防泥石流这类的自然灾害现象，做到精准预测灾害，降低自然灾害的破坏率。 [关键词] 泥石流； 数值模拟； 控制技术； 灾害； 诱发 1 泥石流发育分布特征1.1 泥石流病害类型分类原则与方案 泥石流自然灾害频发，和地区气候环境、区域性地形、山体地质结构等密切相关。进一步细致分析，就会发现：根据不同地区环境和触发泥石流发生的不同因素，需要采取相应有效的防范措施。 根据研究地区的气候环境，地壳运动和抬升频率，岩石和沉积物发育情况，山体山脉走向，这些都是造成泥石流发生的背景环境。因素的多样性也造就泥石流类型的多样性。目前泥石流的病害类型大致根据以下几种因素划分为：洪水类型、沟谷类型、固体物质补给方式、流体特性。 易识性原则、规模性原则、水破坏性原则、防止针对性是泥石流的分类的四项原则。这四条原则具有现实意义，危害发生后可以根据不同的原则，进行抢救措施选取有针对性，便于防灾害人员采取有效地防治措施。 1.2 泥石流病害类型划分 按照洪水类型可将泥石流具体划分为：暴雨泥石流、雪雨混合型泥石流、冰川泥石流、融雪泥石流这4种类型。 高山地区的典型泥石流类型中最常见的就是冰川泥石流(见图1)。由于处于特定的高山冰川地区，受到气温因素控制，冰雪融水一旦积聚到一定量，就易引发泥石流灾害。这种泥石流呈现出冲击力强、持续时间长、流通区和堆积区有大冲大淤的特点。  图1 冰川泥石流 融雪泥石流：主要是季节性质的冰雪水融化，加之天气陡然升温的诱因从而形成洪水。特别是位于低山地带，泥石流发生更加容易(见图2)。融雪径流的大小和温度变化、积雪厚度以及低山地区的降水量有密切关系。  图2 融雪性泥石流 区域性暴雨洪水可以极大诱导暴雨泥石流灾害的发生，所以两者联系相当紧密。这种区域性的暴雨形成需要大型环流气候背景或大尺度的天气系统。暴雨性泥石流多发于中低山区，明显特征表现为：规模较小，持续时间短，危害程度低(见图3)。  图3 暴雨性泥石流 山区地区气温回升，积雪融化，如果恰逢暴雨，降水径流和积雪融水叠加，为泥石流的形成创造了有利的条件。且破坏力更强，持续时间更长，雨雪性泥石流多发于5～6月。 沟谷型泥石流、坡面型泥石流是按照泥石流沟谷形态划分的2种泥石流类型。 沟谷型泥石流的形成和冰川泥石流有着天然的关联，两者可以视为同一(见图4)。沟谷型泥石流形成于不良地质现象常发区，大多数情况下游较多发育完整的各类侵蚀沟谷。在多流经呈“V”型的深谷，最后沉积在扇状地形。  图4 沟谷型泥石流常发的地形 坡面型泥石流实际上可以认为是沟谷泥石流的发育阶段(见图5)。坡面整体特点呈现出：陡坡、浅沟、流路段和规模小等特点。在同一坡面上可能会出现多处发生泥石流的现象。  图5 坡面泥石流 稀性泥石流、过渡性泥石流、粘性泥石流是按照泥石流流变区分的三种类型。粘性泥石流的固体含量在40%～80%之间，流体整体结构性较强，稠度较大，具备较强的阵性流动特性。稀性泥石流固体物质含量小于40%，呈现出：容重低、稠度小、浮托力弱，易出现散流和潜流的现象。并且造就了稀性泥石流破坏性和危害性较小。 1.3 泥石流发育分布特征 泥石流的发育分布相对来说比较复杂，受到地质结构和地层岩性这2个主要因素的影响。 岩体破碎严重，斜坡陡峻，泥石流在该地段得到良好的发育。这是西南地区岩浆岩区段发育的特征。强降雨作为诱因，泥石流频发，规模大，破坏性强，危害广泛。西南地区的变质岩区段植被覆盖率较高，山体保存相对完整，且多低频的沟谷和沟口堆积扇体。所以此路段的泥石流多以坡面泥石流为主，泥石流的危害性较小。 2 泥石流监测预警关键参数分析2.1 泥石流形成过程及预警关键参数分析 泥石流的形成、运动和成灾模式，从这3种模式中研究关键性和可用性参数，可以实现对于泥石流的预警和灾害系统的建构。 水体成分由降雨提供，固体物质汇集提供水动力，源地周边的松散物质失稳，参与泥石流，使得沟床物质再次泛起，提供原始的水动力条件。根据对历史资料的统计和研究，得出10 min的降雨量和泥石流的发生关系最大。虽然具体到各个地区，还因流域而有所差异，但以10 min强于控制的体系建立且不断完善的基础上，这种体系得到了广泛的认可。 源地斜坡、岸坡土地和沟谷流域内滑坡崩塌物质以及泥石流二次拖拽物质是泥石流流体物质的主要三个方面的固体碎屑来源。这些固体物质历经源地的土体充水、饱和、液化、和转移，最终形成泥石流。在这复杂而极具爆发力的过程，经过对于土地表层力状态的分析，认为泥石流原地土体降雨入渗深度参数是影响泥石流的关键参数。 流域内的沟道两侧的滑坡和塌岸将会给泥石流提供天然的物质。这些物质能够实现蓄流蓄能，自身的具有强烈的不稳定性，可以在积蓄到临界点的时候，助力造成更大的泥石流发生。所以说沟道泥位参数可以实现对沟道堵塞体是否形成具有判断意义，进一步推出泥石流的规模大小和发生与否。 2.2 泥石流运动过程及标志性参数分析 泥石流在沟道中饱含泥沙类浓稠流体一个运动过程。由于期灾害性和数值的难测性，基本上放弃采用沟床冲淤深度来作为泥石流监测预警参数。研究发现泥石流在流动过程中发出的次声信号频率及持续时间等独特的性质，可以根据这些特点安装相关的采集报警装置，预警提前量可达10 min。另外一种就是根据检测固定沟床断面泥位来确定泥石流规模和指定断面的泥石流运动速度，进行预警。 2.3 泥石流成灾过程及标志性参数分析 根据以上的分析和研究，泥石流的形成是有多种因素促成，我们目前的研究结果可以实现，根据途径的流域积累的降雨量、沟道泥位次声波、泥石流原地土体降雨入渗深度和泥石流泥位四个因素作为检测和预警的核心参数。 3 FLO-2D模拟泥石流危险分区研究3.1 泥石流流变模型概述 泥石流流变的模型分6种：摩擦模型、碰撞模型、摩擦-碰撞模型、广义牛顿黏性模式、黏塑性模型和粘性-塑性-碰撞模型。 3.2 FLO-2D泥石流模拟模型及应用 FLO-2是一个软件，这个软件可以求得泥石流流体运动控制方程，实现具体X方向和Y方向的泥石流流速和深度的数值测算。不仅能够完善数据的测算，还可以实现对洪水金和泥石流的灾害管理、城市淹没分析、灾害的危险性分析制图、工程效果分析等模拟。FLO-2软件对于自然灾害的预防有着非常积极地意义，但也并不是说它是万能的，也存在一定的局限性。比如：我发模拟泥石流对沟道的冲刷，断面和沟谷的粗糙模拟度都是规则等等。 其中，苏立明学者以2000年台湾花莲县大兴村发生的泥石流为研究对象(见图6)，采用FLO-2软件行进各种数据的模拟和测算。配合其他数据对泥石流防灾工程进行效益配合，得出结论地形坡度和泥石流的容重是对泥石流影响较大的参数。  图6 花莲大兴村模拟结果深度图 蔡志崇对南投县水里乡的丰丘村分丘溪进行了关于FLO-2软件模拟泥石流。对下游地区的泥石流堆积扇的模拟范围与实际的泥石流堆积范围进行了比较(见图7)，相似度极高达到了69.1%。  图7 封丘溪模实际结果与拟结果对照 3.3 泥石流数值模拟 使用FLO-2软件进行泥石流数据的模拟，需要提前做好与泥石流相关的数字地形和泥石流流体的资料准备工作。 以四川汶川县映秀镇的红椿沟——这条老泥石流沟作为研究的对象，需要了解红椿沟的交通位置、气象、水文条件、周边的地形地貌、底层岩性、地质构造、固有的泥石流沟道条件、降雨和植被条件。以这些为基础的前提下，才可以对红椿沟泥石流的启动与堆积特征展开研究。 对于红椿沟泥石流数值模拟，参数的选择需要有：数字地面模型、清水流量过程线、实际表示地表粗糙程度的曼宁系数、流量系数的统计、泥沙体积浓度和层流阻力系数的范围选取(见表1)。  表1 红椿沟数值模拟采用的部分参数Table1 Toongroovepartofthenumericalsimulationoftheparameters参数名称数值参数名称数值泥沙比重2.62α10.812体积浓度/%63α20.00462层流阻力系数2289β113.69曼宁系数0.12β211.31 模拟数据的分析和输出之后，根据历史资料中航拍获得解译数据进行分析对比，得到本次泥石流模拟的结果正确性(见图8，表2)。只要以泥石流发生是的堆积范围与实际堆积范围结果的重叠范围之间的比值关系来表示这次模拟的准确度。计算得到模拟结果准确率为69.5%。  图8 重现周期50年模拟成功(不考虑溃决)  表2 红椿沟泥石流模拟结果与实际比较Table2 Toongullysimulationresultscomparedwiththeactual最大泥深/m冲出方量/m3最远距离/m最大宽度/m堆积扇面积/m2实际情况9.271.1×10447535796501模拟结果11.967×10440932871894 还可以根据不同重现周期数据分析模拟，对泥石流的重现周期进行可续和的预测，也将会造福周边百姓，及时将自然灾害的危险性降到最低。 4 泥石流预警减灾系统设计与构建泥石流作为破坏性自然灾害，将会给人们的社会生活和现代经济发展、基础设施建设带来加大的破坏和损毁不良影响，所以，泥石流的预警机减灾机制系统的建立将会使社会、群众受益巨大，是非常有必要的。 泥石流预警减灾信息平台的建立是对泥石流坚持而数据的综合分析和集中有效利用。泥石流采集信息渠道使用现在较为先进的空间数据库及时和无线信息传输技术以及多元数据集成技术等(见图9)。  图9 泥石流监测预警平台构成示意图 泥石流监测预警平台构成需要建立在对数据传输技术、物联网技术、空间信息技术和数据库技术的综合配合下完成的。所以在平台运行过程中，需要采用标准化软件工程建设规范，并在实际操控过程中要考虑系统界面的简便易操作的模块化设计原则，以及便于数据的及时传输、更新和后台的维护、升级。现实的运转过程中还要考虑到整个系统的稳定性和运行效率的兼顾。对泥石流的监测需要实现对沟谷的24 h全天候实时监控，电子地图的漫游和空间信息定位功能设置完善(见图10)。 图10 系统功能模块划分 泥石流预警减灾系统设计与构建等功能的负载还有待检验，同时也需要不断的完善和调整。但是我们在现实社会生产和生活中的防灾救灾过程中，也不能仅仅靠仪器和网络系统，更需要全方位、立体化监测预警手段去保障人民生产生活和物质财产。 5 结论对于现代生活中而言，自然灾害防御体系的建立越来越重要。本文以自然灾害中泥石流为例，通过分析泥石流发育分布特征进行泥石流的分类阐释，在此基础上建立对泥石流监测预警关键参数分析后，对于利用软件FLO-2D建立泥石流模型，进行具体的泥石流危险分区研究。通过以上的整合，泥石流预警减灾系统设计与构建应用而生。通过对必要模块的建立和运营，将会对我们在生产和生活中，有效预防泥石流这类的自然灾害现象，做到精准预测灾害，降低自然灾害的破坏率。 [参考文献] [1] 杨天亮.基于GIS的陕南公路地质灾害数据库建立及危险性评价研究[D].西安：长安大学，2005. [2] 王政.西气东输二线工程(龙岗—西峡支干线)地质灾害危险性综合分区研究[D].成都：成都理工大学，2009. [3] 罗冠枝.活动断裂区高速公路地质灾害危险性评价与综合区划研究[D].长沙：中南大学，2009. [4] 成良霞.“5.12”汶川地震后映卧公路边坡崩塌灾害形成机理与危险性评估研究[D].西安：长安大学，2014. [5] 周志远.基于面向对象的地质灾害信息提取及其特征分析[D].成都：成都理工大学，2015. [6] 刘文伟.湖南境内高速公路滑坡的动力学过程与监测预报研究[D].长沙：中南大学，2006. [7] 袁希平.昆磨公路沿线山地环境地质变化遥感信息及驱动机制研究[D].昆明：昆明理工大学，2007. [8] 张以晨.吉林省地质灾害调查与区划综合研究及预报预警系统建设[D].长春：吉林大学，2012. [9] 邱海军.区域滑坡崩塌地质灾害特征分析及其易发性和危险性评价研究[D].西安：西北大学，2012. [10] 周勇.湘西高速公路滑坡监测关键技术及监测信息系统研究[D].长沙：中南大学，2012. [11] 马国哲.龙门山活动推覆体特大地质灾害形成机理与防治对策研究[D].兰州：兰州大学，2013. [12] 张俊峰.天山公路地质灾害危险性评价与决策支持系统设计与实现[D].成都：成都理工大学，2008. [13] 齐信.基于3S技术强震区地质灾害解译与危险性评价研究[D].成都：成都理工大学，2010. [14] 宋金龙.基于数据挖掘技术的强震区公路岩质边坡地质灾害评价体系研究[D].成都：成都理工大学，2012. [15] 张博.基于ArcGIS的府谷县地质灾害数据库建立及易发区评价研究[D].西安：长安大学，2009. Along the Road of Debris Flow Hazards Model Characteristics and the Control Technology ResearchLI Xinglong， ZHUO Chunying (Chongqing Water Resoures and Electric Engineering College， Yongchuan， Chongqing 402160， China) [Abstract] For the modern life，more and more important to establish the system of natural disaster prevention.Based on the natural disasters in the landslide as an example，through the analysis of the classification of landslide development distribution characteristics of debris flow，based on the analysis of key parameters of debris flow monitoring and early warning，for the debris flow model was established based on software FLO-2d，concrete debris flow risk zoning.Through the integration of the above，the debris flow warning and mitigation system design and build applications.Through the establishment of the necessary module and operations，will be for us in production and life，effectively prevent mudslides this kind of phenomenon of natural disasters，do accurately predict disasters，reduce the damage rate of natural disasters. [Key words] debris flow disasters induced by numerical control technology [收稿日期] 2016 — 06 — 24 [基金项目] 2016年重庆水利电力职业技术学院科学研究重大项目(D/2016/03/KRC2016x) [作者简介] 李兴龙(1983 — )，男，山东郯城人，硕士研究生，讲师，研究方向：数学建模。 [中图分类号] U 418.5+6 [文献标识码]A [文章编号]1674 — 0610(2016)05 — 0190 — 05 |
|
|
