低頻性溝谷型泥石流水動力學沖蝕啟動機制及動態監控

徐興華，肖雙粟，馮杭建，等. 低頻性溝谷型泥石流水動力學沖蝕啟動機制及動態監控.吉林大學學報（地球科學版），2024，54（3）：919932. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220324.

Xu Xinghua，Xiao Shuangsu，Feng Hangjian，et al. Hydrodynamic Erosion Initiation Mechanism and Dynamic Monitoring of Low Frequency Gully Debris Flow. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2024，54（3）：919932. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220324.

摘要：位于浙江省西部衢北地區的楊家泥石流是典型的水體沖蝕形成的低頻性溝谷型泥石流。結合楊家泥石流所處的地質環境背景，首先在分析其分區特征、類型和成因機制，評價泥石流易發性及危害程度的基礎上，利用統計分析方法確立暴雨強度指標；然后采用力學計算和極限平衡分析理論，構建強降雨作用下沖溝水動力學沖蝕啟動模型，確定臨界徑流深度；再構建降雨—泥水位—流量相結合的遞進式分層次綜合預警體系；最后

于2012年10月在楊家泥石流沖溝

開展單溝泥石流遠程自動化監測網絡體系建設，實施遠程監測控制和預警。研究表明：楊家泥石流沖溝呈小流域封閉狀，匯水區、形成—流通區和堆積區分區特征明顯，楊家泥石流是由特大暴雨激發的、低頻的、一次性爆發規模為小型的稀性水石流，為中易發泥石流；沖溝形成區松散物源地表徑流深度超過1.0 m時，處于臨失穩狀態，松散物質易被沖刷侵蝕，可將此臨界徑流深度作為是否沖蝕啟動泥石流的有效判據，并結合暴雨強度指標（R＜2.8）和泥石流洪峰流量（Qd=31.83 m3/s）確定泥石流綜合預警指標；監測期間

（20121026—20221010）研究區最大降雨發生于20190619，經計算

R=2.4＜2.8，沖溝區處于安全雨情，溝道泥水位未達到地表徑流的警戒限值，不具備泥石流形成啟動的水動力條件，溝內流量（最大值為1.70 m3/s）正常，未達到洪峰流量，未有泥石流發生或溝道堵塞等不良現象，此期間沖溝區較為穩定，再次發生泥石流的可能性小。建立以水動力學沖蝕啟動特征參數為主的綜合監測網絡體系，可作為低頻性溝谷型泥石流系統防災控制的技術方法。

關鍵詞：低頻性；溝谷型泥石流；水力沖蝕；臨界徑流深度；遠程監測；綜合預警

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220324

中圖分類號：P642

文獻標志碼：A

收稿日期：20221128

作者簡介：

徐興華（1983-），男，高級工程師，博士，主要從事地質災害調查評價、監測預警和綜合防治等方面的研究，E-mail：xuehua-11@163.com

基金項目：國家自然科學基金項目（42277132，42230702）；浙江省基礎公益研究計劃項目（LGF21D020001，LTGG23D020001）；浙江省重點研發計劃項目（2021C03159）；浙江省自然資源廳科技項目（202177）；浙江省地質礦產研究所科技創新基金（ZD2020KJ05）；2020年中央自然災害防治體系建設資金項目（202004）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42277132， 42230702）， the Basic Public Welfare Research Program of Zhejiang Province （LGF21D020001，LTGG23D020001）， the Key Research and Development Program of Zhejiang Province （2021C03159）， the Science and Technology Project of Zhejiang Provincial Department of Natural Resources （202177）， the Science and Technology Innovation Fund of Zhejiang Institute of Geology and Mineral Resources （ZD2020KJ05） and the 2020 Central Natural Disaster Prevention and Control System Construction Fund （202004）

Hydrodynamic Erosion Initiation Mechanism and Dynamic Monitoring of Low Frequency Gully Debris Flow

Xu Xinghua1， Xiao Shuangsu1， Feng Hangjian1， Lü Qing2

1. Institute of Geology and Mineral Resources， Zhejiang Institute of Geosciences， Hangzhou 310007， China

2. College of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang University， Hangzhou 310058， China

Abstract：

The Yangjia gulley debris in Zhejiang Province is a typical low frequency gully debris flow formed by water erosion. Based on the background of geological environment， the subarea characteristics， types and formation mechanism of debris flow are analyzed， and the susceptibility and hazard of debris flow are also evaluated. Then the rainstorm intensity index is established by statistical analysis method. In addition， through mechanical calculation and limit equilibrium analysis theory， the hydrodynamic erosion initiation model is established to determine the critical runoff depth under rain condition. Based on these studies， the progressive hierarchical comprehensive early warning system is constituted by combining rainfall， mud water level and flow index. Finally the remote automatic monitoring network system of debris flow is built up

from October，2012

for monitoring control and early warning. The results show that the Yangjia gully is a small enclosed watershed with distinct zoning characteristics of catchment area， formation circulation area and accumulation area. The debris flow is a low frequency， small scale and diluted water stone flow triggered by extremely heavy rainstorm. The susceptibility of debris flow is moderate， and it will harm the village area at the downstream of the gully， and the degree of harm is relatively high. When the surface runoff depth of loose material sources in the gully formation area exceeds 1.0 m， these loose materials are in a critical unstable state and easy to be eroded. This critical runoff depth can be used as an effective criterion to determine whether the debris flow is started by erosion， and the comprehensive early warning index of debris flow can be determined by combining the R value of rainstorm intensity and flood peak flow Qd of 31.83 m3/s. Through remote automatic monitoring， the R value （2.4） is less than 2.8 during the monitoring period（20121026—20221010）， the gully area is in a safe rain situation， and the gully mud level does not reach the warning limit of surface runoff， so there is no hydrodynamic condition for the formation and start-up of debris flow. Moreover， the gully flow is normal， and the maximum value （1.70 m3/s） is much less than 31.83 m3/s， and there is no adverse phenomenon such as debris flow or channel blockage. The gully area is relatively stable throughout the monitoring period， and the possibility of debris flow occurring again is small. It is also confirmed that the comprehensive monitoring network system based on the characteristic parameters of hydrodynamic erosion start-up is an effective technical method for disaster prevention and control of low frequency gully debris flow.

Key words：

low frequency; gully debris flow; hydraulic erosion; critical runoff depth; remote monitoring; comprehensive early warning

0" 引言

山區泥石流的形成是水體和土體在一定條件下彼此結合成混合流體的過程，包括三大形成條件，即陡峭的地形地貌、豐富的松散物質來源和短時強降雨［1］。根據浙江省小流域泥石流調查評價成果［2］，全省有記載已發生的泥石流地質災害中，溝谷型泥石流占71.4%，全省48個山區縣（市、區）分布泥石流隱患溝1 570余處，其中90%以上為溝谷型。近年來，有關人員對浙江省泥石流類型分布［3］、氣象特征［4］、降雨閾值［5］、預警預報［67］及小流域防洪［8］等方面有針對性地開展了研究工作，有效指導了全省泥石流防災實踐。此外，相關學者在溝谷型泥石流早期識別［9］、崩滑啟動條件［1011］、形成機理［1213］、危險評價［14］和觀測試驗［15］等方面也開展了深入研究，并結合泥石流特點提出了針對性防治措施［16］。

對于溝谷型泥石流，水體沖刷侵蝕是形成的主要模式之一，其水體沖蝕啟動機制需要進一步探討，結合浙江省泥石流低頻性的特點，構建合適的監測預警技術體系以及有效指導低頻性溝谷型泥石流防災，具有現實的指導意義。本文選擇浙江省楊家泥石流作為研究對象，首先查明泥石流溝分區特征，分析其類型及成因機制，進行易發程度和危害程度評價；然后結合其水體沖蝕形成以及低頻性的特點，通過統計分析方法，采用力學計算和極限平衡分析理論，開展泥石流形成啟動機制研究，構建水動力學沖蝕啟動模型，確定臨界徑流深度；再結合暴雨強度指標和洪峰流量建立綜合預警體系；最后通過開展單溝泥石流遠程自動化監測網絡體系建設，實施泥石流特征要素的動態監測控制與預警研究，以期探索對于低頻性溝谷型泥石流綜合防災可行、可靠的防治技術方法。

1" 研究區域

1.1" 基本情況

楊家泥石流溝［17］位于浙江省西部衢州市衢江區北部地區上方鎮楊家村尖宅塢上游（圖1）。19720803，在“7207”號臺風暴雨的影響下，沖溝區發生大洪水，將沖溝內大量松散物質攜卷而下，形成泥石流。據調查一次性沖出泥石流物質約5 000 m3，沖毀下游溝口區部分耕種農田，幸未造成人員傷亡。19720803楊家泥石流為一處典型的水體沖蝕形成的溝谷型泥石流。

1.2" 地質環境背景

研究區位于亞熱帶季風氣候區，降水豐沛，多年平均降雨量在1 500 mm左右，年內5—7月中旬為梅雨期，7月中旬—9月中旬為臺風雨期，5—9月雨汛期間的降雨量占全年總降雨量的70%以上。楊家泥石流發生時，所在地區24 h降雨量達268 mm，最大降雨強度為52.6 mm/h，降雨集中，降雨強度大，山區匯聚水流流量大、流速快。

本區位于侵蝕剝蝕低山丘陵區，流域面積1.02 km2，平面形態呈上寬下窄的扇形狀，最大高差在500 m以上，溝谷切割深度在200～350 m之間。主溝位于山間峽谷中，形態較明顯，總長度為500～600 m，近東西走向，順直性較好，平均縱坡降390‰。上游溝谷形態呈“V”形，中、下游溝谷形態呈“U”形；沖

溝兩側山體相對高差在200～350 m之間，坡度多為30°～45°，后緣坡度較陡，為45°～50°，植被發育一般。下游溝口區相對高差在15～25 m之間，整體地勢呈東高西低，地形坡度在10°～15°之間，溝口區主要為村莊居住區和梯田耕種區。

本區地層巖性主要為前震旦系駱家門組（AnZl），巖性為灰色千枚狀砂巖、粉砂巖、泥巖，中

厚層狀結構，具層理構造，產狀為305°∠65°。山體

基巖出露以中風化為主，節理裂隙較發育，巖體結構較完整—較差；局部區段節理裂隙發育密集，巖體結

構完整性差。山體上部全—強風化層呈松散砂土狀，厚度為0.5～1.0 m。山體表層覆蓋黃褐色、土黃色含碎石粉質黏土，結構松散，可塑狀，中等壓縮性，碎石體積分數為10%～20%，粒徑一般為2～5 cm，局部大者達5～10 cm，厚度一般在0.5～1.0 m之間，沖溝下游溝口區地勢較緩地帶可達1.0～3.0 m。溝口下游村莊前側地勢低緩地帶分布上更新統坡洪積層，巖性為灰黃色、土黃色含礫砂粉質黏土，厚度在2.0～4.0 m之間。

2" 泥石流基本特征及評價

2.1" 分區基本特征

楊家泥石流溝流域形態呈小流域封閉狀，自后緣山體斜坡頂部至沖溝下游溝口區，整體地勢自東向西逐漸降低。沖溝位于山間峽谷中，呈狹長條帶形，為泥石流的物源形成—流通區；下游溝口區地勢相對低緩和開闊，為泥石流堆積區。

總體上泥石流沖溝區域受一定的地形制約，流域周界較為清晰，匯水區、形成—流通區、堆積區分區特征較明顯（圖2）。

2.1.1" 匯水區

匯水區自后緣山體斜坡頂部至沖溝上游，整體地勢東高西低，呈小流域封閉狀，標高在330～750 m之間，相對高差為250～420 m，山體坡度一般在30°～50°之間。泥石流沖溝位于流域匯水區的底部，強降雨作用下，大量雨水和地表水沿流域匯水區山體斜坡向下方沖溝匯聚，于沖溝內順地形向溝道下游出口處排泄。由于流域匯水區的集水特征及其封閉性質，沖溝下游出口處系其唯一的出水地段。

2.1.2" 形成—流通區

形成—流通區主要位于沖溝中上游，狹長且陡直，標高在200～330 m之間，相對高差為100～130 m，水平長度為300～350 m，平面形態呈直線形，平均縱坡降在390‰左右。

沖溝上游橫斷面呈“V”形，往下游變為“U”形，溝道寬度為2～5 m，自上而下逐漸變寬。沖溝內側分布較多松散固體物質，厚度一般為0.5～1.5 m（圖3），局部溝段較厚，為2～3 m甚至更大，造成溝床嚴重淤積（圖4）。

沖溝下游村莊后側還分布大量梯田，梯田以塊石壘成，以松散碎石土為主，穩定性較差，局部擠占溝道（圖2左）。兩側山體相對高差在200～350 m之間，坡度多為30°～45°，表層松散層厚度在1.0～2.0 m之間（圖2右）。

根據調查，構成泥石流溝潛在松散物源的溝道內部及兩側松散堆積物密度為12×104 m3/km2，其中溝道中堆積的松散固體物質體積約1.2×104 m3，物源補給段較長，占沖溝長度的50%～60%。

2.1.3" 堆積區

堆積區主要位于沖溝下游溝口開闊和地勢低緩地帶，整體地勢呈東高西低，地形高差在15～25 m之間，地形坡度為10°～15°。堆積區主要分布著村莊、道路和農田，部分村民房屋和梯田等還擠占溝道。由于地形開闊以及地勢高差較小，溝口堆積區內主要以堆積為主，為泥石流潛在危險區。

2.2nbsp; 類型劃分及成因機制

楊家泥石流為溝谷型泥石流，屬于由特大暴雨激發的、低頻的、一次性爆發規模為小型的稀性水石流。其主要分類說明如下：

1）按集水區地貌特征劃分屬于溝谷型泥石流。流域形態呈上寬下窄的扇形，小流域封閉狀，沖溝位于山間峽谷中，區域受一定的溝谷制約，流域周界較為清晰，上游匯水區、形成—流通區以及堆積區分區特征較明顯。

2）按水源成因劃分屬于暴雨型泥石流。災害發生時，降雨量和降雨強度都很大，19720803

當日降雨總量達268 mm，最大雨強為52.6 mm/h，且降雨量集中，為泥石流的形成啟動提供了強有力的水動力條件。

3）按爆發頻率劃分屬于低頻性泥石流。自19720803楊家泥石流發生，至今50多a未有再次發生泥石流的歷史資料記錄，以往泥石流發生時間間隔較長。

4）按物質組成劃分屬于稀性水石流。泥石流物質主要為碎礫石、塊石和砂土等，分布較雜亂，無定向性和分選性，可見流體性質主要以稀性的碎塊石、泥沙夾雜含沙水流等混合物為主。

5）按一次性爆發規模劃分屬于小型。強降雨作用下，沖溝一次性沖出泥石流物質總量約5 000 m3，爆發規模為小型。

分析楊家泥石流成因機制可知，其形成啟動模式以溝道水體沖刷侵蝕動力學模式為主，由強降雨作用下溝道洪水對內部松散堆積體進行沖刷、侵蝕進而形成的泥石流，其形成后威脅著下方溝口區村莊安全。

2.3" 易發性及危害程度

根據《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》（T/CAGHP 006—2018）［18］附錄Ⅰ“泥石流溝數量化綜合評判及易發程度等級標準”，通過對反映泥石流沖溝易發程度的各個影響因素進行數量化評分，經各因素綜合疊加評價其得分為89分，介于87～115分之間，該處屬于中易發泥石流溝。

泥石流活動危險區范圍包括形成—流通區和堆積區，其中泥石流堆積區是泥石流主要的致災、成災部位。楊家泥石流沖溝形成—流通區仍分布大量松散巖土體，潛在松散物源豐富，在極端強降雨作用下大量集中水流再次沖蝕啟動泥石流。據統計［17］，再次發生泥石流將危害下游溝口村莊區村民住戶20余人的生命財產安全，危害程度屬較大級。

3" 泥石流形成啟動機制

3.1" 暴雨強度指標

3.1.1" 理論模型

強降雨是誘發泥石流的關鍵因素，依據短期內降雨量的動態變化情況，基于統計分析方法確定反映泥石流爆發臨災的降雨量參數變量閥值。

結合歷史泥石流災害資料和降雨過程雨量信息，針對流域形態顯著、有一定匯水面積和縱坡降較大的溝谷型泥石流，根據基本理論計算公式［18］，結合降雨基本特征分析，建立合適的泥石流降雨監測預警暴雨強度指標R為

R=μ（H24/100+H1/40）。（1）

式中：μ為前期降雨量修正系數，無前期降雨時，μ取1.0，有前期降雨時，μgt;1.0，一般μ取1.1～1.2，本文取中間值1.15進行計算；H24為24 h最大降雨總量（mm）；H1為1 h最大降雨量（mm）。

經統計分析，暴雨強度指標R與泥石流是否發生滿足相應關系如下。

1）Rlt;2.8，安全雨情。

2）R≥2.8，可能發生泥石流的雨情，包括以下兩種情況：①2.8≤Rlt;3.5，警戒雨情；②R≥3.5，災害激發雨情。

由此可通過實時監測降雨量的動態變化，參照暴雨強度指標R值，分析引發泥石流災害的可能性，及時進行降雨監測預警。

3.1.2" 實際案例對比驗證

以浙西衢北地區20020815特大型泥石流地質災害［17］為例。20020814—15該地區突發特大暴雨，區內西北部地區的雙橋、太真等地爆發溝谷型泥石流，其中雙橋黃蒙溝泥石流達重大級災情。

由黃蒙溝地區實測降雨資料（圖5）可知，泥石流爆發前該地區1、3、6 h降雨量分別為50.7、82.5和85.0 mm，同時前期降雨充分，泥石流發生前24 h的降雨總量為179.4 mm。據統計可知，引發泥石流的主要降雨時段是爆發前1～3 h，并且泥石流的發生與爆發前24 h的降雨量密切相關；本區泥石流爆發前1～3 h降雨量較大（1 h大于50 mm，3 h大于80 mm），并且前24 h的降雨總量較大（大于120 mm），均為引發泥石流的有利降雨條件。

結合降雨特征條件，由式（1）計算可得，引發泥石流的暴雨強度指標R=3.52＞3.5，為災害激發雨情，表明該地區發生泥石流的可能性較大。實際情況下，經統計該區群發5處溝谷型泥石流。

對比同時期黃蒙溝地區鄰近東部山區的杜澤廟前地區的實測降雨資料（圖5），結合廟前地區20020814 24 h降雨總量及對應黃蒙溝泥石流發生前廟前地區1～3 h的降雨量，根據式（1）可確定廟前地區引發泥石流的暴雨強度指標R=2.61lt;2.8，可見該地區降雨未達到激發泥石流災害的有利降雨條件，為安全雨情。實際情況下廟前地區沒有發生泥石流地質災害。

黃蒙溝及廟前地區降雨實測資料（20020814—15）

3.2" 沖溝水動力學沖蝕啟動模型

3.2.1" 概化模型

低頻性溝谷型泥石流是在降雨作用下，隨著降雨的持續及降雨強度的增加，地表徑流不斷匯流底部沖溝，溝道內部徑流水深逐漸增加，攜帶沙石的水流沖刷運動不斷加劇，溝道內堆積的松散固體物質不斷被表層水流逐層地侵蝕、搬移，甚至出現揭底現象，這些被沖刷搬移的沙石土體夾雜著混合水流，在一定地形因素作用下就形成溝谷型泥石流。

在降雨引發泥石流物質轉化啟動機制研究［15，19］的基礎上，結合本處泥石流沖溝特征進一步深化沖溝水力沖蝕作用條件，建立概化力學模型（圖6）。

相關假定如下：1）在降雨作用下，溝道表層松散固體物質已經達到飽和，松散固體物質中的孔隙水沿著坡面方向滲流，考慮地表徑流而不考慮流速的影響；2）表層飽和松散固體物質層受到地表匯聚水流的沖刷侵蝕作用。

f. 地表徑流對表層松散固體物質的沖刷力（kN）；τ. 表層固體物質與溝道接觸層面間的抵抗啟動力（kN）；i. 松散固體物質層中水滲流產生的滲流力（kN）；Uw. 孔隙水壓力（kN）；W.表層松散固體物質的重力（kN）；d. 地表徑流的深度（m）；α.溝道的傾角（°）；h. 飽和松散固體物質層的厚度（m）。

3.2.2" 失穩平衡關系方程

降雨作用下地表徑流（含泥沙水流）對表層松散固體物質的沖刷力f為

f=γswdsin α=［（γs-γw）Cs+γw］dsin α。 （2）

式中：γsw為地表含泥沙水流的重度（kN/m3）；γs為松散固體物質的天然重度（kN/m3）；γw為水的重度（kN/m3）；Cs為地表徑流含泥沙的體積分數。

降雨過程中松散固體物質層中雨水滲流產生的滲流力i為

i=γwhtan α。（3）

根據研究資料［15］統計可知，一般降雨作用下，表層巖土體飽和深度一般為20～30 cm，在暴雨作用下有進一步加深的趨勢，可達40～50 cm。

降雨作用下溝道松散固體物質啟動力υ為

υ=f+i+（W+γswd）sin α=γswdsin α+γwhtan α+（γsath+γswd）sin α。

（4）

式中，γsat為飽水以后表層松散固體物質的飽和重度（kN/m3），γsat=（γs-γw）Cg+γw，Cg為表層松散固體物質的體積分數。

積水蓋層作用下的孔隙水壓力Uw為

Uw=（γs-γw）h+γwd。（5）

溝道表層松散固體物質的抵抗啟動力τ為

τ=［（W+γswd）cos α-Uw］tan"" φ+C={（γsath+γswd）cos α-［（γs-γw）h+γwd］}tan φ+C。

（6）

式中：C為表層松散固體物質的黏聚力（kPa）；φ為松散固體物質的內摩擦角（°）。

由此，降雨作用下溝道表層松散固體物質的穩定狀態可用抵抗啟動力與其啟動力的比值來表征，稱為穩定系數K，其理論計算式［19］表示為

K=τυ={（γsath+γswd）cos α-［（γs-γw）h+γwd］}tan φ+Cγswdsin α+γwhtan α+（γsath+γswd）sin α。（7）

3.2.3" 泥石流沖蝕臨界徑流深度的確定

設定降雨作用下溝道表層松散固體物質的穩定狀態處于臨界狀態，即K=1，基于此可確定泥石流沖蝕啟動時的地表臨界徑流深度dk［19］為

dk=

（γsathcos α+γwh）（tan φ-tan α）-γshtan φ+Cγswcos α（2tan α-tan φ）+γwtan φ。（8）

在降雨作用下，當其他條件都具備時，只要溝道內部地表徑流超過臨界徑流深度，形成區的松散固體物質就可被沖刷侵蝕而形成泥石流，可將臨界徑流深度作為泥石流是否沖蝕啟動的判據。

3.3" 泥石流洪峰流量

通過實地調查確定沖溝相關特征參數，根據泥石流勘查規范［18］采用雨洪法計算小流域暴雨峰值流量，參照相關水文圖集手冊［20］，可知其理論表達式為

Qr=0.278δRrS。（9）

式中：Qr為暴雨峰值流量（m3/s）；δ為地區徑流系數，通過水文圖集手冊［20］查閱確定；Rr為最大雨強（mm/h）；S為流域面積（km2）。

再結合沖溝堵塞程度，確定泥石流洪峰流量為

Qd=（1+ψ）QrDc。 （10）

式中：Qd為泥石流洪峰流量（m3/s）；ψ為泥石流修正系數，可查表或通過泥石流及水的重度和固體物質比重換算所得；Dc為沖溝堵塞系數，可根據堵塞程度及溝道特征查表［18］所得。

3.4" 綜合預警體系

結合泥石流形成啟動的降雨、地形和松散物源等要素條件，結合溝谷型泥石流水動力學沖蝕啟動機制，構建泥石流綜合預警體系（圖7），確定其遞進式分層次綜合預警指標如下。

1）降雨先期預警：實時監測沖溝區雨量變化信息，動態計算暴雨強度指標并判別雨情特征，進行降雨預警。

2）水體沖蝕啟動預警：實施監測溝道泥水位深度變化，動態判別是否達到松散物源被沖蝕啟動的臨界徑流深度，確定泥石流是否啟動。

3）泥石流流通預警：實時監測溝道流體物質的流量變化，動態判別是否達到泥石流洪峰流量，確定泥石流規模及流通特征。

4" 工程實例應用

4.1" 預警指標確定

4.1.1" 暴雨強度指標

根據泥石流降雨監測預警的暴雨強度指標，結合19720803在“7207”號臺風暴雨影響下楊家泥石流發生時的降雨特征參數值，綜合確定該處泥石流可能發生的暴雨強度指標R=4.59gt;3.5，為災害激發雨情，而且實際情況下該處發生了泥石流。

由此可用暴雨強度指標R值來動態反映沖溝是否具有再次發生泥石流的可能性。

4.1.2" 泥石流沖蝕臨界徑流深度

根據調查，沖溝形成區松散固體物質堆積區的平均地形坡度約21.3°，堆積體厚度一般為0.5～1.5 m，松散固體物質主要由基巖風化產物及表層松散巖土體組成，基本物性參數如下：γs為22.6 kN/m3，γsat為24.3 kN/m3，C為13.8 kPa，φ為19.8°。

強降雨作用下，表層松散物質的飽和層深度一般在0.5 m左右，通過雨季野外實地調查方法并結合相關資料［17］確定該處

γsw

在1.26～1.28 kN/m3之間，根據實際情況取1.27 kN/m3。

根據沖溝水動力學沖蝕啟動形成泥石流的地表臨界徑流深度的平衡關系方程，將各項指標參數代入式（8），可得該處泥石流形成啟動所需的地表臨界徑流深度dk為1.07 m。

可見在降雨作用下，隨著降雨強度的增大，降雨量增加，溝道內地表徑流深度不斷增大。當其他條件都具備時，只要表層地表徑流深度超過此臨界徑流深度，即可能對溝道內部分布的松散固體物質進行沖蝕進而形成泥石流。因此，可將其地表徑流的臨界徑流深度1.0 m設定為警戒閥值，通過溝道泥水位的監測實施泥石流形成啟動預警。

4.1.3" 泥石流洪峰流量和泥水位深度校核

結合沖溝流域面積1.02 km2，經查閱資料［18，20］確定該地區徑流系數0.667，泥石流修正系數0.599，以最大雨強52.6 mm/h為準，則根據前述理論表達式可確定暴雨峰值流量Qr為9.95 m3/s。

根據沖溝實際堵塞情況，堵塞系數可取2.0，根據前述計算公式可知泥石流洪峰流量Qd為31.83 m3/s。

選取溝道形成區代表性斷面，結合實際調查測繪可知斷面面積Sd為5.4 m2，則泥石流溝道平均流速為vd=Qd/Sd=31.83/5.4=5.9（m/s）。

根據文獻［18］，稀性泥石流流速公式表達式為

vd=1γsψ+11ndh23I12。（11）

式中：vd為溝道平均流速（m/s）；ψ為泥石流修正系數；n為平均河床糙率；I為溝道縱坡比降（‰）；dh為溝道泥水位深度（m）。

經查閱資料［18，20］取平均河床糙率0.067，結合溝道縱坡比降390‰，基于式（11）代入相關物性及特征參數確定溝道泥水位深度dh為1.015 m。

經測算，降雨作用下沖溝形成區代表性斷面在泥石流洪峰流量下的泥水位深度值與強降雨作用下溝道地表水流沖蝕形成啟動泥石流所需的地表臨界徑流深度較為接近，這印證了泥石流形成啟動水動力學沖蝕模型的合理和可靠性。

4.1.4" 泥石流預警時效

結合泥石流沖溝形成區上游松散物源分布區至下游溝口村莊區頂部之間的溝道斜長（可經水平長度和傾角換算而得），根據確定的泥石流溝道平均流速，可測算泥石流形成啟動以后沿溝流通時間（即泥石流預警響應時間）T為

T=（L/cos α）/vd=（300/cos 21.3°）/5.9=54.7（s）。

式中，L為溝道水平長度（m）。

由此可見，強降雨作用下，地表水流匯聚下方沖溝內部，沖溝形成區上游松散物源經沖蝕啟動形成泥石流以后，大量松散物質夾雜著泥沙水流沿溝道流通至下游溝口區村莊的時間介于50～60 s之間。可見在所測算流通時間內，提前實施泥石流監測預警，村莊區可實現第一時間應急響應，能最大限度保證溝口區村莊人員安全。

4.2" 自動化監測網絡體系建設

4.2.1" 監測技術體系結構

根據引發泥石流的影響因素，如誘發條件、物性變化和運動流通特征等，并結合相關技術規范要求［21］，分析降雨、泥水位、流量及紅外攝像監控儀等監測設備的適用條件、使用范圍及精度，構建泥石流遠程自動化監測技術體系結構，開展遠程自動化監測技術方法在泥石流單溝監測預警中的應用（圖8）。步驟如下。

首先，根據泥石流三區基本特征及邊界條件，選擇確定并布設安裝雨量計、超聲波泥水位計、流量計及紅外攝像監控儀等監測儀器設備；然后，基于GPRS無線網絡，通過數據采集系統及GPRS無線傳輸終端，從主控中心服務器發送指令控制各型監測儀器設備，包括開啟、數據采集、閉合、工作狀態反饋等控制操作；最后，將各型監測儀器設備的連續監測數據傳輸入主控中心服務器，進行實時動態化曲線查詢與顯示。據此實現泥石流溝遠程自動化連續監測控制與實時信息動態反饋，并通過監測預警為泥石流防災減災提供決策依據。監測儀器設備布設見圖9。

泥石流監測網絡體系布設的基本要求如下：

1）在形成區上游匯水區附近布設雨量監測系統，實時監測流域內及附近地區的雨量變化情況，通過確定降雨量臨界閥值，進行降雨預警。

2）結合預警響應時效問題，在溝道形成區上游物源區布設超聲波泥水位監測系統，監測溝道泥水位變化，為確定地表徑流是否超出泥石流啟動的臨界徑流深度提供依據，進行泥水位監測預警。

3）考慮溝道匯流作用，在溝道流通區中下游布設流量監測系統，監測溝道流體的流量變化，判斷泥石流規模及流通特征，進行流量監測預警。

4）在溝道流通區附近布設紅外攝像監控儀，實時監控和記錄泥石流形成發展及流動變化特征。

4.2.2" 遠程自動化監測系統建設

根據楊家泥石流溝的實際條件，通過現場地形地質條件調查，于2012年10月針對性地布設安裝各型監測設備，組建單溝泥石流遠程自動化監測系統（圖10）。本研究選取20121026—20221010期間的監測數據進行預警分析。

在系統現場建設過程中，雨量監測系統由雨量計和數據采集系統組成，超聲波泥水位監測系統由超聲波泥水位計、數據采集系統和鋼管支架組成，溝道流量監測系統由流量計、數據采集系統、鋼管支架和量水堰槽組成；所有監測系統采用太陽能+蓄電池的方式供電，并通過數據采集系統基于無線網絡進行數據傳輸及信號控制（圖11）。

4.3" 研究區自動監測控制與預警

4.3.1" 區域降雨預警

根據監測期間

（20121026—20221010）

楊家泥石流沖溝區降雨量監測動態變化曲線（圖12）可見：每年的5—9月雨汛期是全年中降雨較為集中的時段，日降雨量多在20 mm以上，其中5—7月中旬梅雨期降雨量較大，日降雨量在40～120 mm之間；最大日降雨量發生于20190619，達121 mm，同時該日也發生最大雨強35 mm/h；較大雨強一般發生于日降雨量超過100 mm的日期，日降雨量與雨強相互對應變化。

據統計，在上述監測期間，雨汛期日降雨量基本

未超過121 mm，最大雨強未超過35 mm/h，未達到19720803楊家

泥石流發生時的24 h降雨量和最大雨強；其余非雨汛期日降雨量和雨強均較小。

通過計算可知，20190619強降雨作用下楊家泥石流沖溝的暴雨強度指標R=2.4＜2.8，為安全雨情，可知在監測期間該處沖溝由降雨引發泥石流地質災害的可能性小。實際情況下該處沖溝未發生巖土體滑塌、溝道混蝕或泥石流等災害地質現象。現場情況與暴雨強度指標計算結果相符，也反映出楊家泥石流沖溝發生泥石流的低頻性特點。

4.3.2" 泥石流溝動態監測預警

通過在楊家泥石流沖溝區科學布設超聲波泥水位監測系統（設置于形成區上游）和流量監測系統（設置于流通區中下游），可分別對溝道中的地表泥水位深度和流量變化進行實時監測。首先，進行泥水位監測預警，分析和判斷泥石流是否發生；然后，進行泥石流流量監測預警，通過流量特征比較，判斷泥石流是否沖蝕流通，或泥石流發生以后的流量變化及其流通情況。

由監測期間沖溝內泥水位實時動態變化曲線

（圖13）可知：沖溝內側地表泥水位深度隨降雨量而變化；

每年的5—9月雨汛期降雨較為集中，其中5—7月中旬梅雨期降雨量較大，沖溝內泥水位深度相應增大，在降雨量較少時，泥水位深度逐漸降低，其余少雨或無雨時段，深度變化不甚顯著；而且在監測期間溝道內地表泥水位深度最大為0.7 m，未達到持續強降雨條件下的泥石流沖蝕臨界徑流深度（dk）值1.0 m。

可見該處沖溝不具備泥石流形成啟動的水動力學條件。

根據監測期間沖溝流量實時動態變化曲線（圖14）結合圖13對比可見，沖溝內流體流量相應于降雨量和泥水位深度有對應變化：每年的5—9月雨汛期降雨較為集中，其中5—7月中旬梅雨期降雨量增大，隨之沖溝內泥水位深度增大，流量相應增大，在降雨量較少時泥水位深度降低，流量也相應降低，其余少雨或無雨時段，沖溝內流量較?。槐O測期間沖溝內實測流量最大為470 t/h，換算成標準計量值為1.70 m3/s，遠未達到持續強降雨條件下的泥石流洪峰流量（Qd）值31.83 m3/s （114 600 t/h）。

可見上述監測期間沖溝未有泥石流發生或溝道堵塞等不良跡象。

4.4" 監測效果與綜合評價

結合楊家泥石流沖溝區降雨量、沖溝泥水位及流量的動態變化，通過對比分析和綜合研究可知，在監測期間本區不具備泥石流地質災害發生的有利降雨條件，物源分布區和沖溝內部未見巖土體滑塌和沖刷侵蝕跡象，沖溝地表泥水位深度和流量等特征指標均在受限范圍內，均未達到極端強降雨條件下的警戒限值。

綜合可見，上述監測時期內楊家泥石流沖溝區較為穩定，發生泥石流地質災害的可能性小。

5" 結論

1）楊家泥石流是溝谷型泥石流，屬于由特大暴雨激發的、低頻的、一次性爆發規模為小型的稀性水石流，經測算形成區松散物源沖蝕臨界徑流深度dk為1.0 m，超過此限值時，溝道內松散物源可沖蝕啟動形成泥石流，將其作為水動力學作用預警判據，連同暴雨強度R值（Rlt;2.8）和泥石流洪峰流量（Qd = 31.83 m3/s）共同構成綜合預警指標。

2）結合泥石流預警響應時效問題，考慮溝道匯流條件，在上游匯水區附近布設雨量監測系統，在形成區上游布設超聲波泥水位監測系統，在流通區中下游布設流量監測系統，通過數據采集系統，基于無線網絡，構建泥石流遠程自動化監測網絡體系，實時監測降雨、泥水位、流量等參數，動態反映泥石流形成啟動的誘發條件、物性變化及運動流通性，通過實施遠程監測預警，實現第一時間應急響應。

3）通過單溝泥石流特征參數實時監測，研究區監測期間暴雨強度指標R=2.4lt; 2.8，沖溝區處于安全雨情，沖溝泥水位深度未達到臨界徑流深度限值，溝內流量（最大值為1.70 m3/s）也未有異?；蛲蛔冔E象。上述時期內該處沖溝區相對較穩定，未具備泥石流發生的有利降雨及水動力條件，再次發生泥石流地質災害的可能性小。

參考文獻（References）：

［1］" 唐邦興， 周必凡， 吳積善， 等. 中國泥石流［M］. 北京： 商務印書館， 2000.

Tang Bangxing， Zhou Bifan， Wu Jishan， et al. Debris Flows in China［M］. Beijing： The Commercial Press， 2000.

［2］" 浙江省地質礦產研究所.浙江省小流域泥石流地質災害綜合研究報告［R］.杭州：浙江省地質礦產研究所，2011.

Zhejiang Institute of Geology and Mineral Resources. Comprehensive Research on Geological Hazard of Debris Flow in Small Watershed of Zhejiang Province［R］. Hangzhou： Zhejiang Institute of Geology and Mineral Resources， 2011.

［3］" 岳麗霞， 王永， 余淑姣， 等. 浙江省泥石流類型及分布特征研究［J］. 水土保持通報， 2010， 30（6）： 185189.

Yue Lixia， Wang Yong， Yu Shujiao， et al. Debris Flow Types and Their Distribution in Zhejiang Province［J］. Bulletin of Soil and Water Conservation， 2010， 30（6）： 185189.

［4］" 陳海燕， 潘小凡， 吳利紅， 等. 浙江泥石流氣象特征分析［J］. 災害學， 2005， 20（1）： 6164.

Chen Haiyan， Pan Xiaofan， Wu Lihong， et al. Analysis of Meteorological Feature of Mud-Rock Flow in Zhejiang［J］. Journal of Catastrophology， 2005， 20（1）： 6164.

［5］" 王一鳴， 袁民豪， 殷坤龍， 等. 浙東南山丘區泥石流爆發的臨界雨量分析［J］. 中國地質災害與防治學報， 2011， 22（3）： 2126.

Wang Yiming， Yuan Minhao， Yin Kunlong， et al. Analysis on the Critical Rainfall for the Outbreak of Debris Flow in Southeast Mountain Area of Zhejiang Province［J］. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2011， 22（3）： 2126.

［6］" 殷坤龍， 張桂榮， 龔日祥， 等. 基于WebGIS的浙江省地質災害實時預警預報系統設計［J］. 水文地質工程地質， 2003， 30（3）：1923.

Yin Kunlong， Zhang Guirong， Gong Rixiang， et al. A Real Time Warning System Design of Geo-Hazards Supported by Web-GIS in Zhejiang Province， China［J］. Hydrogeology and Engineering Geology， 2003， 30（3）：1923.

［7］" 馮杭建， 李偉， 麻土華， 等. 地質災害預警預報信息發布系統：基于ANN和GIS的新一代發布系統［J］. 自然災害學報， 2009， 18（1）： 187193.

Feng Hangjian， Li Wei， Ma Tuhua， et al. Geological Disaters Early Warning and Forecast Information-Releasing System： A New Generation of Releasing System Based on ANN and GIS［J］. Journal of Natural Disasters， 2009， 18（1）： 187193.

［8］" 浙江省水利廳. 浙江省小流域防洪避洪規劃編制技術導則［R］. 杭州： 浙江省水利廳， 2005.

Department of Water Resources of Zhejiang Province. Technical Guide for Planning Preparation of Flood Control and Evacuation for Small Watershed in Zhejiang Province［R］. Hangzhou： Department of Water Resources of Zhejiang Province， 2005.

［9］" 宋志， 鄧榮貴， 陳澤碩， 等. 摩西河泥石流堵斷大渡河物理模擬與早期識別［J］. 吉林大學學報（地球科學版）， 2017， 47（1）： 163170.

Song Zhi， Deng Ronggui， Chen Zeshuo， et al. Physical Simulation and Early Identification of Dadu River Blocking Due to Moxi River Debris Flow［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2017， 47（1）： 163170.

［10］" 郭曉軍， 李泳， 崔鵬. 泥石流源地坡面土體活動隨機性規律實驗［J］. 吉林大學學報（地球科學版）， 2014， 44（4）： 12601268.

Guo Xiaojun， Li Yong， Cui Peng. Experiment on Random Law of Slope Soil Movement in the Source Area of Debris Flow［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2014， 44（4）： 12601268.

［11］" 劉鑫，張文，李根，等. 高位遠程崩滑碎屑流泥石流災害鏈的演變過程與影響范圍預測：以“4·5”四川洪雅縣鐵匠灣地質災害鏈為例［J］. 吉林大學學報（地球科學版），2023，53（6）：17991811.

Liu Xin，Zhang Wen，Li Gen，et al. Research on Evolution Process and Impact Range Prediction of High Level Remote Collapse and Landslide-Debris Flow Disaster Chain：Taking the “4·5” Tiejiangwan Geological Disaster Chain in Hongya County，Sichuan Province as an Example［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2023，53（6）：17991811.

［12］" 亓星， 余斌， 朱淵. 滑坡碎屑堆積體形成泥石流的實驗［J］. 吉林大學學報（地球科學版）， 2014， 44（6）： 19501959.Qi Xing， Yu Bin， Zhu Yuan. Experimental Study on the Clastic Deposition Forming Debris Flow［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2014， 44（6）： 19501959.

［13］" 馮文凱， 賈邦中， 吳義鷹， 等. 低山丘陵區典型滑坡泥石流鏈生災害特征與成災機理［J］. 中國地質災害與防治學報， 2022， 33（1）： 3544.

Feng Wenkai， Jia Bangzhong， Wu Yiying， et al. Characteristics and Mechanism of Landslide-Debris Flow Chain Disaster in Low Mountain and Hilly Terrain［J］. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2022， 33（1）： 3544.

［14］" 王子亮， 常鳴， 劉沛源， 等. 安寧河流域典型溝谷泥石流危險性評價：以冷漬溝為例［J］. 中國地質災害與防治學報， 2022， 33（3）： 3138.

Wang Ziliang， Chang Ming， Liu Peiyuan， et al. Hazard Assessment of Typical Gully Debris Flow in Anning River： A Case Study at the Lengzi Gully［J］. The Chinese Journal of Geological Hazard and Control， 2022， 33（3）： 3138.

［15］" 陳曉清.滑坡轉化泥石流啟動機理試驗研究［D］. 成都： 西南交通大學， 2006.

Chen Xiaoqing. The Mechanism Research on the Fluidization of the Landslide Translating into Debris Flow［D］. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2006.

［16］" 王常明，劉辛磊，王飛.品字形樁林防護結構對泥石流沖擊橋墩作用的影響［J］.吉林大學學報（地球科學版）， 2023， 53（6）：17731784.

Wang Changming，Liu Xinlei，Wang Fei. Infulence of Three-Pile Structure with Trefoil-Shaped Distribution on Impact of Debris Flow on Bridge Pier［J］. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2023， 53（6）：17731784.

［17］" 浙江省第七地質大隊. 衢州市衢江區農村山區調查評價報告［R］. 衢州： 浙江省第七地質大隊，2015.

Zhejiang Seventh Geology Group. Evaluation Report of Geological Disasters at Qujiang District in Quzhou City， Zhejiang Province［R］. Quzhou： Zhejiang Seventh Geology Group， 2015.

［18］" 泥石流災害防治工程勘查規范（試行）： T/CAGHP 006—2018［S］. 武漢： 中國地質大學出版社， 2018.Specification of Geological Investigation for Debris Flow Stabilization： T/CAGHP 006—2018［S］. Wuhan： China University of Geosciences Press， 2018.

［19］" 匡樂紅. 區域暴雨泥石流預測預報方法研究［D］. 長沙： 中南大學， 2006.

Kuang Lehong. Method for the Forecasting of Regional Rainstorm-Induced Debris Flow［D］. Changsha： Central South University， 2006.

［20］" 浙江省水利廳. 浙江短歷時暴雨圖集［R］. 杭州： 浙江省水利廳， 2003.

Department of Water Resources of Zhejiang Province. Atlas of Short Duration Rainstorms in Zhejiang Province［R］. Hangzhou： Department of Water Resources of Zhejiang Province， 2003.

［21］" 滑坡崩塌泥石流監測規范： DZ/T 0221—2006［S］. 北京： 中國標準出版社， 2006.

Code for Monitoring of Landslide， Collapse and Debris Flow： DZ/T 0221—2006［S］. Beijing： China Standard Press， 2006.