流域面积对沟道泥石流发育的影响分析

姚振国, 刘建周, 牛贝贝, 孙红义

(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

泥石流是地质、地貌、水文和气象等综合因素作用的产物,是一种自然灾变过程[1]。泥石流形成的条件比较复杂,影响因素较多,就地貌因素而言,其流域面积、沟道比降、主沟长度等地貌形态是影响泥石流易发程度的重要指标。而沟道流域面积的大小,不仅影响沟道比降、主沟长度等其它地貌形态指标,还对强降雨的汇集、松散物质的分布等地质、水文条件产生影响。

本文从不同区域(流域)易发泥石流的沟道流域面积特征统计入手,分析泥石流流域面积的非线性特征,重点探讨流域面积的大小对沟道泥石流易发程度的影响。同时针对不同的流域面积,深入探讨暴雨洪水流量配方法计算泥石流峰值流量的适用性。

1 泥石流流域面积统计特征

1.1 流域面积大小分布特征

通过收集不同典型泥石流易发区域(流域)泥石流沟道地貌特征样本[2-5],对具有代表意义的沟道泥石流流域面积进行了统计分析,结果表明(图1),泥石流易发沟道流域面积一般<30 km2。在5个统计区域中,有3个样本区域(流域)面积>30 km2的泥石流沟道所占比<10%,50%以上的统计样本流域面积<2 km2;另2个统计样本区域(流域)面积>30 km2的泥石流沟道所占比接近10%,50%以上的统计样本流域面积<10 km2。

图1 不同样本区域(流域)泥石流沟道面积占比图[2-5]Fig.1 Area proportion of debris flow valley in different sample areas

1.2 流域面积非线性特征

近年来,部分学者应用分形理论,用分维作为描述泥石流沟谷地貌各要素的参数,表征了在特定的地质环境下泥石流沟谷演变的自相似性的本质特征,揭示出流域面积、沟谷长度和沟床比降等地貌要素对泥石流发育和形成具有一定的控制作用。兰州市防洪综合治理项目,对兰州市南北两山泥石流易发沟道按不同流域面积所得的泥石流沟(表1)条数与其面积进行双对数的相关分析(图2),结果表明两者具有良好的相关性,这种强相关说明泥石流沟道流域面积存在分形现象,流域面积对泥石流发育和形成的控制作用最大,沟谷长度次之,沟床比降最小。与前人在其它区域(流域)泥石流沟谷地貌非线性特征分析结论基本一致。

表1 兰州市城区南北两山泥石流沟面积与数量统计表Table 1 Area and quantitative statistics of debris flow gully in the north and south mountains of Lanzhou city

图2 兰州市城区南北两山泥石流沟面积对数(lnA)与沟数量对数(lnN)回归分析图Fig.2 Regression analysis of logarithmic area (lnA) and logarithmic number (lnN) of debris flow gully in Lanzhou city

2 流域面积对泥石流易发程度分析

流域面积的大小对沟道泥石流易发程度的影响主要表现在以下两个方面:

(1) 沟道流域面积的大小直接影响沟道比降、主沟长度等其它地貌形态指标,进而对泥石流必要的水动力条件产生影响。以兰州市城区南北两山沟道为例(图3),流域面积<30 km2的沟道沟床比降一般>50‰,平均比降为110‰;流域面积>30 km2的沟道沟床比降一般在10‰～30‰之间。主沟道比降>100‰流域面积一般<5 km2。因此,流域面积越大,主沟道比降越小,主沟长度越大,降雨入渗系数大,不易具备泥石流启动所要求的水动力条件,对泥石流的形成不利。

(2) 大面积流域造成泥石流形成条件的不均一性。丰富的松散固体物源和水文、水动力条件亦是产生泥石流的必要条件。大面积流域虽有利于降雨的汇集,但考虑到降雨强度、过程以及松散固体物源的分布在大流域范围内均具有不均一性,泥石流的启动往往出现在大流域的局部沟道,一般各支沟不会在一次降雨过程中同时启动泥石流。因此,对于流域主沟道而言,即使出现泥石流,也多为低频、稀性泥石流。

综合上述泥石流流域面积特征统计及其对泥石流易发性分析,对于泥石流沟道而言,流域面积>30 km2可视为大流域,对其泥石流的发育和形成不利,泥石流易发沟道一般集中在流域面积<10 km2的沟道。

图3 兰州市城区南北两山沟道流域面积与主沟道比降关系散点图Fig.3 Scatter point of the relationship between the area of valley and the gradient of main valley in Lanzhou city

3 配方法计算泥石流峰值流量适用性

由于泥石流形成的条件比较复杂,影响因素较多,泥石流峰值流量计算很困难。目前,采用暴雨洪水流量配方法[6-7](以下简称配方法)计算,用形态调查法相补充是比较常用的方法。

配方法是在泥石流与暴雨同频率、同步发生、计算断面的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的假设下建立的计算方法,其计算步骤是先按水文方法计算出断面不同频率下的小流域暴雨洪峰流量。然后选用堵塞系数和泥石流泥沙修正系数,按下列公式计算泥石流峰值流量:

Qc=(1+Φ)Qp·Dc

式中:Qc——频率为P的泥石流洪峰值流量(m3/s);Qp——频率为P的暴雨洪水设计流量(m3/s);Dc——泥石流堵塞系数;1+Φ——泥石流泥沙增加系数。

基于配方法的假设条件,分别从以下3个方面进行探讨:

(1) 从固体物源分布条件考虑,配方法适用于物源充足且集中产于中下游的小流域。流域面积较大的沟道松散物源分布往往比较分散,且流域中支沟较多,不一定所有支沟都是泥石流沟。基于断面(主沟道出山口断面)的暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的假设,泥石流峰值流量计算值往往比实际值偏大。

(2) 从降雨过程、降雨强度条件启动泥石流角度考虑,即使各条支沟泥沙供应充足,均具备泥石流形成的物源条件,但强降雨在大面积流域存在不均一性,一般各支沟不会在一次降雨过程中同时启动泥石流。因此,在大流域中一般难以满足暴雨洪水设计流量全部转变成泥石流流量的假设。

(3) 从灾害重现期的角度考虑,在给定的暴雨洪水设计流量条件下,假设泥石流与暴雨同频率且同步发生,其泥石流峰值流量设计标准要高于频率为P的暴雨洪水设计标准,在大流域计算上尤为明显。

基于以上讨论,配方法适用于松散物源分布于流域中下游且供应充足的小流域,采用该方法计算大流域泥石流峰值流量时结果往往偏大。因此,流域面积>30 km2沟道采用配方法计算泥石流峰值流量时,建议先分解计算各支沟的泥石流峰值流量,然后利用折减法合并计算,计算公式如下:

Qc=Q0+n(Q1+Q2+……) (n<1)

式中:Qc为合并后的设计流量(m3/s);Q0为主沟设计流量(m3/s);Q1,Q2,……为各支沟的设计流量(m3/s)。

4 结论和建议

(1) 泥石流沟道流域面积存在分形现象,流域面积对泥石流发育和形成起控制作用,泥石流易发沟道流域面积一般<30 km2。

(2) 沟道流域面积的大小,不仅影响沟道比降、主沟长度等其它地貌形态指标,还对松散物质的分布,强降雨的下渗、汇集、水动力条件等产生影响,进而影响沟道泥石流的易发程度。

(3) 配方法适用于松散物源分布于流域中下游且供应充足的小流域,采用该方法计算大流域泥石流峰值流量时结果往往偏大,建议按支沟采用折减合并法计算。