泥石流输沙特征及输沙定量计算方法

The amount and distribution of sediment transported by debris flow not only produce rapid geomorphology change, but also decide the zone and mode of hazard. The incomprehension to the characteristics and mechanism of sediment transporting overly puts off the predicting of debris flow hazard zone and physiognomy change. This project concentrates on quantitative characterization and calculation of sediment transporting induced by debris flow through researching high-frequency debris flows. The sediment sources of debris flow are identified and monitored by combining high-resolution remote sense images interpretation and topography change, and then the sediment load is also calculated at different temporal-spatial scale. Moreover, the quantitative relationship between dynamic parrameters of debris flow and sediment particle sizes is established after analyzing and confirming the initiating threshold of transporting sediment with different particle sizes, which are made by integrating field observation, sediment profile analyzing, samples analyzing, stimulated experiments and numerical stimulating. Then, the methodology of quantitative calculating and assessment for debris flow transporting sediment, representing spatial distribution of sediment, is established to support the controlling and mitigating of debris flow as well as the research of physiognomy change.

泥石流输沙多少及其空间分配既决定了泥石流改变沟谷地貌的方式，更决定了泥石流危险区范围与危害方式。对泥石流输沙特征及机理认知的不足很大程度上限制了泥石流危险区与山地环境变化的预测与评价。项目以高频沟谷泥石流输沙过程和特征为研究对象，进行泥石流输沙的定量描述与计算。以地貌演化理论为指导，利用高分辨率遥感影像解译数据确定泥石流输沙源区，通过泥沙源区变化监测与泥沙观测断面数据，定量估算泥石流产沙量；综合利用野外观测、剖面分析、泥沙样品分析、输沙模型实验及数值模拟数据研究沟谷泥石流输沙过程，确定不同粒径泥沙输移、淤积的临界条件，给出泥石流动力参数与泥沙组成的定量关系，实现泥石流输沙的定量描述；分析沟谷泥沙输移、淤积的时空变化特征，建立基于事件与年际尺度的反映泥沙输移、淤积分布的沟谷泥石流输沙定量计算模型与方法，为泥石流风险防范和山区地貌演化研究提供理论与技术支持。

项目选择云南北部小江流域、汶川地震灾区及藏东南为研究区，利用多时空、高分辨率遥感影像数据分析泥石流沟谷分布和活动状况，重点对象开展泥石流形成、运动、输沙研究。汶川震区泥石流沟岸堆积体坡度集中于30~50°之间，长宽比在1.4至13之间，实验表明沟岸堆积体破坏分为坡脚侵蚀破坏、频繁崩滑和逐步稳定三个阶段，破坏方式分为整体滑移破坏和重力拉裂崩塌两种方式，细颗粒含量（φ<1mm）30%和土体密度1.5g/cm3分别为两种破坏方式的临界条件，同时沟岸堆积体破坏是一个渐进过程，且在时间上具有间歇性、空间上具有离散性、规模上具有涨落性，揭示泥石流阵流的形成原因。蒋家沟6000余场泥石流观测数据分析表明阵性运动伴随强烈涨落特性，均值可2～4个数量级，且都满足相同的衰减模式，衰减系数集中在0.1～0.3之间，泥石流涨落和衰减为非线性动力学行为，具有明显的持续性和多变性，阵性泥石流输沙可用Hurst指数描述，且均大于0.5。阵性泥石流满足规模频率分布（SSD）：P(S)=CS-βexp(-S/Sc)，提出了山区小流域阵性泥石流输沙量计算的概念模型，用参数（β, Sc）来大致评估泥石流输沙的规模大小。蒋家沟泥石流观测断面2003-2014年观测数据分析表明泥石流冲淤变化的因素是复杂、多样，单因子中沟槽弯曲系数影响最为明显，相关性系数为0.8031。泥石流输沙模型实验研究表明：与无沟槽相比，直道沟槽可增强泥石流10%～25%下泄能力，且直道沟槽淤积量随运动距离变化呈现正态分布规律；弯曲沟道对泥石流具有明，泥石流截流和阻挡作用，即使弯曲系数（1.05）较小的沟槽，堆积区淤积量仅为直道沟槽堆积区50%，表明沟道形态变化对泥石流输沙具有明显时空调节作用。同时，结合蒋家沟和汶川震区泥石流活跃区多时空土体化学指标分析，揭示了生态措施防控坡面侵蚀和泥石流的生态效益。研究成果是泥石流判识模型构建、泥石流输沙定量估算、危险性分析方法和灾害防治效益评估的重要基础，科学支撑了川藏铁路、川藏公路沿线泥石流沟谷识别、危险性评估及工程规划选线工作。