降雨频率与泥石流暴发频率关系研究
——以2015年8月西藏扎木弄沟泥石流为例

王伟宇,李 俊,赵苑迪

(四川轻化工大学土木工程学院,四川 自贡 643000)

泥石流暴发频率是评估泥石流活跃程度,估算泥石流侵蚀速率以及确立泥石流设防标准的关键参数[1-6]。泥石流频率的确定有4种方法:第1种方法为通过调访老乡获取历史上相同规模泥石流的间隔时间[7];第2种方法为暴雨频率与泥石流频率不一致时,也就是物源量极为丰富的情况,可以通过地震频率来确定大规模泥石流暴发频率[8];第3种方法是假定暴雨频率与泥石流频率一致,通过泥石流流量线性雨洪法与形态调查法计算结果,对比得出泥石流暴发频率[9-13];第4种方法为暴雨频率与泥石流频率不一致时(物源量极为丰富的情况下),例如震后的汶川地区泥石流沟内,通过修正雨洪法与形态调查法计算结果来确定泥石流暴发频率[14]。

汶川地震、芦山地震和鲁甸地震发生后,中国西南山区泥石流物源普遍激增,泥石流的临界雨量下降,这导致了降雨频率和泥石流暴发频率极为不一致[15-17]。因而急需探讨降雨频率和泥石流暴发频率的关系,但由于缺少典型案例,相关文献并不多见。而研究所调查的扎木弄沟(流域面积29.4 km2)是极具代表性的泥石流沟,扎木弄沟物源极为丰富,年均降雨量为1 225.8 mm,年降水量分配不均,降水呈“双峰型”(5—6月和8—9月双峰型),沟道比降大,历史上发生过多次大规模泥石流,近10 a泥石流仍然频发呈现,目前扎木弄沟沟口配有精度高达0.1 mm的降雨量观测站。因此,基于具有代表性的扎木弄沟泥石流及其降雨量资料,我们研究了降雨频率和泥石流暴发频率的关系。

1 扎木弄沟概况

1.1 自然条件

扎木弄沟位于西藏自治区波密县易贡藏布河左岸(见图1),易贡湖的下游,主沟走向225°,与易贡藏布近似直交。流域最高点海拔为5 616 m,最低海拔2 186 m,相对高差3 430 m。扎木弄沟主沟坡度上陡下缓,上部50°～60°,下部<30°。海拔4 000～5 616 m地带角峰、幽谷等冰蚀地貌发育;海拔2 700～4 000 m地带发育深切河谷,谷深沟窄,沟谷呈“V”形,沟床的平均纵坡比降达到了20%以上,有利于泥石流的发育;海拔2 700～2 186 m地带为泥石流堆积扇、冲洪积扇或坡积裙等地貌单元。

图1 区域地理位置Fig.1 Regional geographical location map

1.2 扎木弄沟2015年8月泥石流

据实地调查,2015年8月扎木弄沟共发生4次泥石流,分别为2015年8月16日凌晨3—4点泥石流,2015年8月19日凌晨4—5点泥石流,2015年8月21日早上6—7点泥石流和2015年8月7日泥石流。2015年8月16日和8月21日泥石流暴发后残留的堆积物照片如图2所示。

图2 泥石流暴发后残留堆积物Fig.2 Residual debris after mudslide outbreak

2 泥石流动力学特征参数

调查显示,这4次泥石流的规模相近,泥石流洪痕高度相差较小。因而采用4场泥石流动力学特征参数的平均值作为2015年8月扎木弄沟泥石流动力学特征参数。计算结果显示,2015年8月扎木弄沟泥石流容重平均值为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

现场收集了4次泥石流暴发后残留的原样,采用基于泥石流堆积物组成的容重计算公式计算这4次泥石流容重[18],计算后4次泥石流容重值见表1。这4次泥石流中,2015年8月21日和2015年8月7日的泥石流性质为过渡性泥石流(容重值介于1.80～1.90 t/m3)。另外2次为稀性泥石流(容重值<1.80 t/m3)。将4次泥石流容重值取平均值1.78 t/m3作为2015年8月扎木弄沟泥石流的容重值。此容重值作为研究泥石流流速和泥石流洪峰流量计算参数之一。

表1 泥石流容重计算Table 1 Calculation of mudslide volume weight

2.2 流速

扎木弄沟为稀性泥石流沟,选取图3所示的断面1和断面2为计算断面,参照《中国泥石流研究》给出的稀性泥石流流速计算公式计算扎木弄沟泥石流流速[19-21],计算公式为

(1)

a=(1+φcγs)1/2,

(2)

(3)

其中:V为泥石流断面平均流速(m/s);Hc为泥石流断面平均泥深(m);Ic为泥石流水力坡度,一般可用沟床纵坡代替;Mc为稀性泥石流沟床的糙率系数;φc为泥石流洪峰流量修正系数;γc为泥石流流体容重,1.78 t/m3;γw为水的容重,1.00 t/m3;γs为泥石流固体物质的容重,2.65 t/m3。

断面1和断面2处泥石流流速计算结果如表2所列。计算结果显示,断面1泥石流流速为4.05 m/s,断面2泥石流流速为5.79 m/s。

图3 扎木弄沟8月泥石流实测洪痕断面Fig.3 Measured floodmark section of mudslide in Zhamunonggou on August

表2 泥石流流速计算表Table 2 Mudslide flow velocity calculation sheet

2.3 泥石流流量

形态调查法计算的断面1泥石流流量为605.17 m3/s,断面2的泥石流流量为538.76 m3/s。配方法计算的断面1百年一遇的泥石流流量为580.37 m3/s,断面2百年一遇的泥石流流量为553.77 m3/s。

(1) 形态调查法确定的泥石流流量 形态调查法计算流量的具体表达式[22]为

Qc=AV,

(4)

其中:Qc为泥石流流量(m3/s);A为洪痕断面面积(m2);V为泥石流断面平均流速(m/s)。计算结果显示,断面1的泥石流流量为605.17 m3/s,断面2的泥石流流量为538.76 m3/s。具体数据见表3。

表3 形态调查法计算的泥石流流量

(2) 配方法确定的泥石流流量 计算结果显示,断面1百年一遇的泥石流流量为580.37 m3/s,十年一遇的泥石流流量为239.02 m3/s,五年一遇的泥石流流量为167.05 m3/s,两年一遇的泥石流流量为99.27 m3/s。断面2百年一遇的泥石流流量为553.77 m3/s,十年一遇的泥石流流量为227.73 m3/s,五年一遇的泥石流流量为159.01 m3/s,两年一遇的泥石流流量为94.26 m3/s。

(3) 清水流量 线性雨洪法计算泥石流洪峰流量的基础数据是通过推理公式法计算得出的清水流量。以目前公认的用于小流域设计洪水的推理公式为基础,进行清水流量计算。参照文献[23],取用适当的参数值,计算得出断面1和断面2以上流域的清水流量,其结果见表4。

表4 线性雨洪法计算断面1和断面2的清水流量

(4) 泥石流流量 不同频率泥石流流量可采用线性雨洪法计算得出。线性雨洪法假定泥石流与暴雨同时发生,且频率相同,清水全部转化为泥石流。线性雨洪法运用时需考虑沟道的堵塞情况。线性雨洪法计算泥石流洪峰流量Qc的公式为

Qc=φcQbDu,

(5)

其中:φc为泥石流流量修正系数;Qb为清水流量(m3/s);Du为堵塞系数,取值为1.5。线性雨洪法计算得出的扎木弄沟在各个频率下的泥石流洪峰流量见表5。

表5 不同频率下泥石流流量计算过程

3 泥石流暴发频率

通过研究分析,4种常用的泥石流暴发频率确定方法不能确定2015年8月扎木弄沟泥石流暴发频率。针对这4次泥石流,通过现场测量洪痕断面和沟道比降,发现这4次泥石流在相同断面位置处的洪痕面积相差较小,计算得出的泥石流洪峰流量差别较小,因此这4次泥石流的暴发频率一致。于是,我们尝试采用前言所述的前2种方法来确定这4次泥石流暴发频率。首先2000年扎木弄沟滑坡泥石流发生后,扎木弄沟2001—2014年泥石流规模无记录。所以无法通过调访获取2015年8月扎木弄沟泥石流暴发频率。其次2015年8月这4次泥石流规模介于1×104～10×104m3,根据泥石流防治规范,这4次泥石流不属于大规模泥石流,所以无法通过地震频率来判断这4次泥石流暴发频率。第1种方法和第2种方法并不能确定2015年8月泥石流暴发频率。

第3种方法也不能确定2015年8月泥石流暴发频率。形态调查法确定断面1和断面2的泥石流洪峰流量分别为605.17 m3/s和538.76 m3/s。这2个流量与线性雨洪法计算的各个频率下泥石流洪峰流量相比,可以得出8月16日泥石流频率为超百年一遇。但是这个结论明显不对。因为8月16日泥石流发生之后,在8月19日和8月21日扎木弄沟也发生了相同规模的泥石流,这说明8月16日泥石流频率没有超百年一遇。从现场洪痕痕迹可以判识2012—2015年也发生过相同规模的泥石流或者是更大规模的泥石流,这说明8月16日泥石流频率没有超百年一遇。

第4种方法不能直接评估2015年8月泥石流暴发频率。采用第4种方法来确定8月16日泥石流暴发频率的前提是某地区需要有泥石流流量放大系数拟合资料,这样才能应用修正雨洪法计算的泥石流洪峰流量与形态调查法计算结果相对比得出泥石流暴发频率。然而易贡周边地区并没有相应的泥石流流量放大系数拟合资料。

4 降雨频率和泥石流暴发频率关系探讨

通过上述分析可知,目前常用的4种泥石流暴发频率方法不能确定2015年8月扎木弄沟泥石流的暴发频率。为此我们探讨降雨频率与泥石流频率的关系,尝试解决如何确定泥石流暴发频率问题。解决思路具体如下:通过查找泥石流暴发时间内雨量数据,来确定泥石流发生时的实际6 h降雨量。然后通过《中国暴雨统计参数图集(2006版)》求出不同频率下的最大6 h设计暴雨量。将实际6 h降雨量与不同频率下的最大6 h设计暴雨量相比,得出降雨频率。进而根据扎木弄沟沟口10多年堆积的松散固体物质反演2015年8月泥石流可能的暴发频率,并求得泥石流洪峰流量放大系数,并对该放大系数进行分析,最终得出泥石流暴发频率。

4.1 2015年8月16日、19日和21日降雨频率确定

甲中村雨量站在2015年8月16日和21日前6 h的降雨量无记录,仅有8月19日的小时降雨量。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别较小,所以以8月19日甲中村雨量站6 h降雨5.5 mm作为计算2015年8月降雨频率的初始参数。从18日22:00到19日4:00,6 h内累积降雨量达到5.0 mm,最大6 h降雨量达5.0 mm。降雨频率分析首先通过《中国暴雨统计参数图集(2006版)》查出易贡地区最大6 h暴雨量变差系数CS与最大6 h均值雨量;再从皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数表中查出相应于Cv=3.5CS的不同频率的KP值,计算出不同频率情况下设计的暴雨量H6p=KP×24n2-1,其中:n2为1～6小时内的暴雨参数;最后通过对比不同频率下H6p值与5.0 mm的大小,得出降雨频率。通过查看中国暴雨统计参数表得出,该地区最大6 h暴雨量变差系数Cs与最大6 h降雨量值分别为0.39 mm、22 mm,并且当频率为100%时,H6p等于6.33 mm,与此次降雨量5.0 mm相差较小。所以2015年8月泥石流对应的降雨频率都为一年一遇。

4.2 2015年8月泥石流暴发频率分析

据文献资料和实际调查,1902年冰川泥石流和2000年滑坡泥石流发生之后,扎木弄沟发生了非常多的中小规模泥石流[24-26]。由此可判断出泥石流频率一般都低于二十年一遇。2000年堰塞坝溃决后,扎木弄沟沟口高程为2 190 m,而2015年沟口高程为2 198 m,泥石流堆积物范围为0.32 km2,泥石流堆积方量为256万m3。而2015年8月这4次泥石流平均一次泥石流固体物质总量为1.68万m3。2000—2015年期间泥石流堆积方量256万m3除以平均一次泥石流输沙量再除以15年得出2000—2015年每年类似于8月16日规模的泥石流平均次数为10次。这说明2000年滑坡泥石流发生之后的后续泥石流暴发频率非常高,我们把2015年8月泥石流暴发频率定为两年一遇。

形态调查法与配方法计算的泥石流洪峰流量倍数关系见表6。从表6可知,形态调查法计算断面1和断面2的泥石流洪峰流量比线性雨洪法计算的两年一遇泥石流洪峰流量都大6倍左右。而一年一遇的降雨条件下扎木弄沟实际泥石流洪峰流量是两年一遇洪峰流量(线性雨洪法)的6倍。这是因为扎木弄沟流域内目前具有大量的土源。据统计表明,流域面积为29.4 km2的扎木弄沟目前还残留着2.7亿m3松散固体物质[25],这能够为泥石流提供非常丰富的松散固体物质,在此情况下暴雨频率很可能与泥石流暴发频率不一致,从而导致扎木弄沟在一年一遇的降雨条件下产生6倍两年一遇洪峰流量(线性雨洪法)。这表明2015年8月泥石流暴发频率定为两年一遇是有可能且较为合理的。另外高频率的降雨条件下扎木弄沟产生较大规模泥石流现象在汶川震后物源量极多的清平沟、红椿沟和小岗剑泥石流沟也常见。综上所述,2015年8月扎木弄沟泥石流频率为两年一遇,并且一年一遇的降雨条件下可以产生6倍于两年一遇的洪峰流量(线性雨洪法)。

表6 形态调查法与配方法计算的泥石流洪峰流量倍数关系

5 结论

结合扎木弄沟实地调查数据,并对比通过形态调查法计算的泥石流洪峰流量与此泥石流暴发频率下的洪峰流量(线性雨洪法)之后,分析得出了2015年8月泥石流暴发频率为两年一遇,并且一年一遇的降雨条件下可以产生6倍两年一遇的洪峰流量(线性雨洪法)。扎木弄沟泥石流暴发频率的表述方法能够更好地表达扎木弄沟泥石流的活跃程度,并且有利于工程设防标准的选取。