從水文學產(chǎn)匯流角度分析堿坪溝“8·13”泥石流特征

宋國虎，李強，陳容，王燦，向波

從水文學產(chǎn)匯流角度分析堿坪溝“8·13”泥石流特征

宋國虎1，李強1，陳容2，王燦1，向波1

（1. 四川省地質(zhì)工程勘察院，成都 610072；2. 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，成都 610041）

本研究以四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)堿坪溝泥石流流域?qū)ο螅贖EC-HMS流域分布式水文模型，利用RS和GIS技術(shù)提取流域產(chǎn)匯流參數(shù)，模擬分析堿坪溝8·13泥石流的暴雨匯流過程，結(jié)合流域內(nèi)土地利用類型分布，模擬降雨-徑流關(guān)系，并綜合考慮泥石流的相關(guān)特征參數(shù)，利用情景分析法探討泥石流流域內(nèi)的土地利用類型變化對泥石流匯流過程的影響關(guān)系。

龍池；“8·13”泥石流；HEC-HMS水文模型；產(chǎn)流匯流；情景分析

汶川地震后，泥石流的形成條件發(fā)生劇烈變化，主要包括固體松散物質(zhì)條件、微地貌條件和水文條件變化等三個方面。崔鵬等學者[1]在數(shù)據(jù)調(diào)查及野外實際考察的基礎(chǔ)上認為，強烈的地表擾動和毀滅性、大面積的毀壞植被，改變了地表水入滲、產(chǎn)流和匯流條件，有利于侵蝕和洪峰形成。從水文響應角度來說，滑坡的影響主要體現(xiàn)在改變下了下墊面條件，如形成大面積的植被破壞及土體裸露，這一系列破壞將引起坡面水動力條件變化和水文動態(tài)變化。裸露的土體、巖石以及堆積體使地表飽和滲透系數(shù)發(fā)生變化，從而改變表層水分入滲，進而影響流域產(chǎn)流與坡地匯流特性，改變水源組成比例，使得徑流成分發(fā)生變化，如地表徑流增加，地下徑流減小等[2]。臺灣學者施明倫、林國鋒等在研究臺灣集集地震時發(fā)現(xiàn)，集集地震導致區(qū)域內(nèi)的濁水溪和烏溪流域降雨-徑流關(guān)系發(fā)生較大改變，并由此影響流域水資源的時空分配格局[3, 4]。王根緒、程根偉等學者通過研究汶川地震區(qū)域發(fā)現(xiàn)，汶川地震使得震區(qū)流域原有的地表結(jié)構(gòu)、表層巖土水力性質(zhì)及含水層結(jié)構(gòu)和坡面水動力場產(chǎn)生較大變化，同時地表植被也發(fā)生較大變化，這些變化改變了降雨產(chǎn)流規(guī)律及表層巖土降水入滲機制[5]。植被破壞后，林冠、枯枝落葉層、根系等的影響作用變小，導致坡面水動力特性如流態(tài)、流速、阻力系數(shù)及粗糙系數(shù)等發(fā)生改變，水動力特性的改變引起表層水分入滲和徑流特性也隨之改變。導致土壤蓄水功能降低，影響流域產(chǎn)流與坡面匯流特征；改變水源組成比例，造成徑流成分發(fā)生變化，使得地表徑流增加，地下徑流少[6, 7]。本文主要從水文學產(chǎn)匯流角度，利用HEC-HMS水文模型，結(jié)合泥石流匯流的相關(guān)參數(shù)，如泥石流容重、固體物質(zhì)比重及堵塞系數(shù)等，模擬堿坪溝8·13泥石流的降雨-產(chǎn)流-匯流過程，并初步利用情景分析法探討流域內(nèi)土地利用類型變化對泥石流流域內(nèi)產(chǎn)匯流過程的影響。

1 研究區(qū)概況

堿坪溝位于都江堰龍池鎮(zhèn)龍溪河流域中游左岸，溝域面積3.45km2，主溝長1.76km，溝頂高程2 143m，溝口高程1 054m，相對高差1 089m，平均縱比降約363‰。流域整體自東北向西南延伸，匯入龍溪河。堿坪溝內(nèi)映秀-北川斷裂穿過，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，出露地層主要有震旦系（Za）安山巖、凝灰?guī)r、玄武巖及第四系松散地層。5·12地震前，堿坪溝流域內(nèi)植被發(fā)育，森林覆蓋度高，歷史上主要以山洪為主，較少有泥石流暴發(fā)。5·12地震使堿坪溝流域產(chǎn)生強烈的地表擾動和大面積的植被破壞，同時誘發(fā)大量崩塌、滑坡，使流域下墊面條件發(fā)生變化，同時為泥石流的形成提供了大量的物源條件。

堿坪溝常年有水，平均清水流量0.6m3/s，最大洪峰流量17 m3/s 。汶川地震后2008年7月23日，堿坪溝開始暴發(fā)泥石流，2009年7月17日、2010年8月13日和17日，先后暴發(fā)過3次大規(guī)模泥石流，泥石流沖毀房屋、淤埋道路，具有龍門山區(qū)地震次生泥石流災害的典型代表性[8,9]。2013年8月13日龍溪河流域遭遇強降雨，14:00以后降雨強度突然增加，16:00左右爆發(fā)泥石流，最大1h降雨量出現(xiàn)在16:00~17:00，降雨強度達到75mm/h，泥石流持續(xù)時間約90min，于17:30左右轉(zhuǎn)為高含沙水流。

2 HEC-HMS水文模型的建立

HEC-HMS流域水文模型是由美國陸軍工程兵下屬的水文工程中心開發(fā)的一組水利工程應用軟件，主要用于流域水文分析計算，該模型對降雨-徑流的模擬主要包括HEC-GeoHMS和HEC-HMS兩部分[10]。本研究主要采用堿坪溝5m精度DEM數(shù)據(jù)對研究流域進行地形分析，獲得流域地形特征和河流特征參數(shù)，在考慮降雨空間分布不均勻和下墊面條件不均的條件下，將流域劃分為15個子流域，據(jù)子流域遙感解譯出的堿坪溝墊面條件，選定參數(shù)進行降雨徑流過程，應用HEC-HMS流域水文模型進行模擬計算，將各個子流域的計算結(jié)果演算到流域出口。

圖1 “8·13”堿坪溝泥石流平面圖

2.1 模型構(gòu)建

HEC-HMS水文模型提供了多種產(chǎn)流計算方案，基于本研究是關(guān)于堿坪溝次降雨-徑流的研究，產(chǎn)流方案采用SCS曲線法，直接徑流方案采取SCS單位線法，溝道匯流計算采用馬斯京根法，因堿坪溝流域面積小，且降雨歷時短，本次計算忽略基流量對產(chǎn)匯流的影響。

2.2 產(chǎn)流計算模型

圖2 堿坪溝流域坡度分級圖

圖3 堿坪溝流域HEC-HMS模型構(gòu)建

SCS曲線法是基于水量平衡，根據(jù)累積降雨量、土壤質(zhì)地、土地利用方式以及前期土壤含水量等條件發(fā)展而來的經(jīng)驗曲線，其所需要的參數(shù)為CN值，其數(shù)學表達式如下[11]：

式中，Qt為t時刻的超滲產(chǎn)流量(mm)；P為t時刻的累積降雨量(mm)；I為初始損失量(mm)；為最大流域降雨最大潛在損失量（mm）。只有當累積降雨量大于初始損失量的時候才會有產(chǎn)流。

且S可以通過SCR制定的在不同土地利用類型下CN（徑流曲線）值來確定，如下式：

式中，CN是描述降雨徑流關(guān)系的一個無量綱參數(shù)。

CN值一般由前期土壤濕潤程度、土地利用及土壤類型等條件決定，理論取值范圍為0~100，一般通過查CN值表進行查算。土壤性質(zhì)對CN值的作用很大，而土壤下滲率是土壤性質(zhì)的一個重要參考因素，作者曾對對流域內(nèi)不同土地利用類型的土體進行下滲試驗，得出不同土地利用類型土體的下滲率[10]。由上面分析可知，SCS曲線法通過一個參數(shù)CN值就可以求得產(chǎn)流量。

本研究中，堿坪溝流域內(nèi)土壤類型主要為沙壤土，利用QuickBird2010年堿坪溝流域遙感數(shù)據(jù)，將研究區(qū)土地利用類型解譯為喬木林、灌木草地、崩塌滑坡體等，因此，利用下面公式計算各個子流域的綜合CN值：

表1 堿坪溝流域CN值[10]

式中，CN表示第i種不同土壤類型和不同土地利用類型的CN值；A代表第i種土壤和土地利用類型的面積。

2.3 直接徑流計算模型

SCS單位線是一個無因次單位線模型，該單位線的形狀完全由流域水文、地形、土壤、土地利用類型等因子所決定。SCS單位線過程如圖4所示。圖中，Up為洪峰流量，Ut為單位線流量，t為時間，Tp為洪峰到達時間。

單位線洪峰流量與單位線到達洪峰之間的時間關(guān)系為：

式中，A為流域面積（km2）；C為轉(zhuǎn)換系數(shù)（國際單位中為2.08）；T為洪峰到達時間；U為洪峰流量。

單位線到達洪峰時間與單位凈雨歷時之間的關(guān)系為：

式中，為單位線到達洪峰的時間；為凈雨歷時（模擬過程的時間間隔）；為洪峰滯時。在模型中，基于劃分子的流域和土地利用類型自動計算個子流域的平均洪峰滯。

2.4 溝道匯流計算模型

馬斯京根法的原理是在圣維南方程組的基礎(chǔ)上，根據(jù)河段的水量平衡原理與蓄泄關(guān)系，以上游水文過程為邊界條件，把河道上游斷面的入流過程演算為下游斷面的出流過程。

通過聯(lián)解連續(xù)性方程和馬斯京根槽蓄方程，得出馬斯京根流量演算方程：

其中：

3 8·13暴雨-徑流過程的模擬結(jié)果及分析

將模型計算所需的參數(shù)賦值后，HEC-HMS模型進行降雨徑流過程的模擬計算，然后將各個子流域的計算結(jié)果演算到堿坪溝流域出口得到流域的降雨徑流過程。本次降雨從8月13日中午13點開始，15點雨強開始增大，17點達到最大1h降雨量75mm/h，且主要雨峰出現(xiàn)在15點至17點，降雨前后歷時5小時。模擬流域出水口地表徑流在16點開始增加，17點時達到峰值流量14.01m3/s，洪峰出現(xiàn)時間與最大降雨時間基本一致。達到峰值流量后，隨著降雨量的減小，徑流量逐漸減小，退水過程較快，整個徑流過程線呈單峰形狀，持續(xù)時間約3.5h。根據(jù)四川省中小流域暴雨計算手冊計算出堿坪溝流域20年一遇1小時最大降雨量為65.2mm/h，最大清水洪峰流量12.69m3/s，50年一遇1小時最大降雨量為82.1mm/h，最大清水流量15.98 m3/s。可以判斷，“8·13”堿坪溝暴雨為超過20年一遇接近50年一遇暴雨。

圖5 8·13暴雨泥石流模擬結(jié)果

表2 模擬計算值與實地調(diào)查對比

HEC-HMS模擬實地調(diào)查值[11]雨洪法計算 最大泥石流流量85.07m3/s80.1m3/s114.96m3/s 一次沖出固體物質(zhì)量11.62×104m311.5×104m314.3 ×104m3 持續(xù)時間180min90min—

利用模型模擬出的堿坪溝“8·13”清水流量過程，結(jié)合泥石流流量計算公式，堿坪溝泥石流容重取值1.9t/m3，固體物質(zhì)比重取2.67t/m3，泥沙修正系數(shù)取1.17，堵塞系數(shù)取2.8，得到堿坪溝“8·13”泥石流過程線，泥石流于15:50開始暴發(fā)，18:50分結(jié)束，該次泥石流持續(xù)時間約180min，峰值流量為85.07 m3/s。根據(jù)褚勝名等人實地調(diào)查分析[11]，“8·13”堿坪溝泥石流峰值流量為80.1m3/s，一次沖出量為11.5×104m3，持續(xù)時間約90min。根據(jù)四川省中小流域暴雨計算手冊計算出堿坪溝流域20年一遇最大泥石流峰值流量91.29 m3/s，50年一遇最大泥石流峰值流量114.96m3/s。

從表2可以看出，HCE-HMS模型計算出的泥石流流量洪峰流量與實際調(diào)查誤差為6.2%，而雨洪法計算出的泥石流洪峰流量與實際調(diào)查誤差達到43.7%。模型模擬出的泥石流過程為180min，而實地調(diào)查泥石流過程為90min，時間差主要為模型計算是以清水流量過程為基礎(chǔ)，在泥石流暴發(fā)前后均有高含沙水流過程繼續(xù)持續(xù)。

4 土地利用類型變化對徑流過程的影響

根據(jù)作者以前的研究成果[10]，CN值對洪峰流量和總徑流量的敏感性最高，CN值與洪峰流量和總徑流量呈正相關(guān)關(guān)系，敏感性指數(shù)達46%~48%。而CN值一般由土地利用及土壤類型等條件決定，在土壤類型不變情況下，CN值主要取決于流域土地利用類型變化。對堿坪溝流域運用情景分析法進行預測，選取主要變量土地利用值，在改變土地利用情況的基礎(chǔ)上，對堿坪溝流域的暴雨-徑流過程進行預測分析。基于震后堿坪溝流域植被恢復情況，本文主要考慮地震后崩塌滑坡體的植被恢復情況，利用情景分析法，在相同降雨過程下模擬降雨徑流過程，研究震后流域植被恢復條件下流域的產(chǎn)匯流過程。

圖6 情景分析法模擬堿坪溝流域產(chǎn)匯流過程對比圖

由圖6和表3可以看出，堿坪溝流域內(nèi)崩塌滑坡體面積分布變化時對堿坪溝泥石流流域的產(chǎn)匯流過程有很大影響，特別是在洪峰流量及洪峰流量出現(xiàn)時間方面。在“8·13”同一場次降雨條件下，崩塌滑坡體分布面積減少，灌木草地面積增加，洪峰流量減小，說明隨著震后流域內(nèi)植被恢復，在相同降雨條件下，流域洪峰流量將會降低5.4%~23.7%。說明灌木草地在削減洪峰和延遲洪峰出現(xiàn)時間方面具有重要作用，震后流域隨著植被的恢復，泥石流發(fā)育情況也會隨之減弱也直接印證了該結(jié)論。

表3 情景分析法模擬“8·13”暴雨徑流

5 結(jié)論與討論

1）研究發(fā)現(xiàn)，對于堿坪溝“8·13”暴雨，通過HCE-HMS模型計算出的泥石流流量洪峰流量與實際調(diào)查誤差為6.2%，而雨洪法計算出的泥石流洪峰流量與實際調(diào)查誤差達到43.7%。模型模擬出的泥石流過程為180min，而實地調(diào)查泥石流過程為90min，時間差主要為模型計算是以清水流量過程為基礎(chǔ)，在泥石流暴發(fā)前后均有高含沙水流過程繼續(xù)持續(xù)。

2）研究發(fā)現(xiàn)在“8·13”同一場次降雨條件下，隨著崩塌滑坡體分布面積減少，灌木草地面積增加，洪峰流量隨之減小。隨著震后流域內(nèi)植被恢復，在相同降雨條件下，流域洪峰流量將會降低5.4%~23.7%，說明灌木草地在削減洪峰和延遲洪峰出現(xiàn)時間方面具有重要作用。

3）在后期泥石流治理過程中在采用以攔擋、排導工程等主導治理工程的同時，統(tǒng)籌并加強考慮溝域內(nèi)滑坡、崩塌以及泥石流堆積區(qū)的植被恢復，應成為泥石流綜合防治的重要內(nèi)容。

[1] 崔鵬, 韋方強, 何思明. 5· 12 汶川地震誘發(fā)的山地災害及減災措施[J]. 山地學報, 2008, 26(3): 280-282.

[2] Dunne T,Zhang W, Aubry B F. Effects of rainfall,vegetation,and microtopography on infiltration and runoff[J]. Water Resources Research, 1991,27(9):2271-2285.

[3] 施明倫,游保杉.集集地震對濁水溪流域流量延時曲線之影響評估[M].臺灣第十二屆水利工程研討會論文集.臺灣.2001:9-16.

[4] 林國峰,王俊明.集集地震對烏溪流域降雨-徑流過程影響之研究[M].臺灣第十三屆水利工程研討會論文集.臺灣.2002:8-14.

[5] 王根緒,程根偉.地震災區(qū)重建中有關(guān)水文與水環(huán)境問題的若干思考[J].山地學報,2008,26(004):385-389.

[6] 鄭紹偉,慕長龍,陳祖銘,等.長江上游森林影響流域水文過程模擬分析[J].生態(tài)學報,2010,30(11):3046-3056.

[7] 崔鵬，何思明，姚令侃等.汶川地震山地災害形成機理與風險控制[M].北京:科學出版社,2011.

[8] 許強.四川省“8·13”特大泥石流災害特點、成因與啟示[J].工程地質(zhì)學報，2010,18（5）：596-608.

[9] 楊成林，陳寧生，鄧明楓等.堿坪溝地震次生泥石流形成特征與發(fā)展趨勢[J].水土保持通報，2011,31（06）：59-63.

[10] 宋國虎.汶川地震區(qū)土體降雨入滲及流域產(chǎn)匯流研究——以都江堰龍溪河流域為例[D].中國科學院大學，2013.

[11] 劉家福，蔣衛(wèi)國，占文鳳.SCS模型及其研究進展[J].水土保持研究,2010,17（2）：120-124.

[12] 常蒲亭，楊侃，趙建剛等.馬斯京根法洪水演算公式參數(shù)確定方法的商榷[J].節(jié)水灌溉，2009,0（8）:57-58.

[13] 褚勝名，余斌等.“8·13”堿坪溝泥石流形成機理及特征研究[J].中國水土保持，2011,08（001）：52-54.

Analysis of the Characteristics of the "8·13" Debris Flow in the Jianping Gully in Terms of the Hydrographic Confluence

SONG Guo-hu1LI Qiang1CHEN Rong2WANG Can1XIANG Bo1

(1-Geological Engineering Survey Institute of Sichuan Province, Chengdu 610072; 2-Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041)

This study simulates the rain-flow of the “8·13 Debris Flow” in the Jianping Gully, Longchi Town, Dujiangyan, Sichuan based on the HEC-HMS distributed hydrological model and using RS and GIS technology for extracting the flow parameters of the basin, and makes an approach to influence of land use type change on the confluence process of the debris flow by means of situational analysis.

“8.13 debris flow”; HEC-HMS distributed hydrological model; run-off and afflux; situational analysis; Longchi Town

2019-04-11

四川省國土資源廳科學研究計劃（KJ-2016-10）；國家自然科學基金委員會國際（地區(qū)）合作與交流項目（41661134012）；中科院成都山地所青年基金（SDS-QN-1705）

宋國虎（1989-），男 ，陜西富平人，碩士，工程師，主要從事山地災害防治研究工作

文獻標識碼：A 文章編號：1006-0995（2020）01-0093-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.01.019