流域源頭泥石流的流動(dòng)形態(tài)論文
摘要：掌握流域源頭泥石流流動(dòng)形態(tài)的信息對實(shí)施措施至關(guān)重要。然而，由于監控困難而鮮有對荒廢溪流源頭泥石流進(jìn)行觀(guān)測。為監測其流動(dòng)形態(tài)，在日本中部的大谷滑坡內的“一澤”流域上游建立了監控系統。通過(guò)實(shí)地監測獲取的視頻圖像分析，將其流動(dòng)形態(tài)分為兩種：一種以石礫為主，另一種以泥水為主。以石礫為主的泥石流因有更大的流阻而不能用曼寧公式計算；后者的流速可用曼寧公式計算。在泥石流流動(dòng)中，石礫在前，泥水在后。在典型的泥石流波動(dòng)中，石礫流流經(jīng)時(shí)，流深最大；在泥石流流經(jīng)時(shí)，流速最大。某些波動(dòng)僅包含一種流動(dòng)形態(tài)。在流動(dòng)中，石礫的顆粒大小不同。在“一澤”流域上游泥石流顆粒大小分布不清晰。
關(guān)鍵詞：泥石流；荒廢溪流源頭；實(shí)地觀(guān)測；日本
泥石流的速度與破壞力大得驚人，世界各國科學(xué)家都致力于研究泥石流流動(dòng)形態(tài)，然而，由于監控困難而鮮有對荒廢溪流的源頭泥石流進(jìn)行觀(guān)測。從1998年日本學(xué)者以靜岡市北部的大谷崩“一澤”上游流域為對象，利用攝像和超音波傳感器、水壓傳感器進(jìn)行觀(guān)測。將泥石流的流動(dòng)形態(tài)分為兩種，一是以石礫為主，二是以泥水為主。觀(guān)測得到的數據只記錄了泥石流流出的一部分，從開(kāi)始到結束的連續運動(dòng)情況還未搞清[1，2]。2009年日本靜岡大學(xué)土屋智等人為搞清泥石流發(fā)生區的泥石流流動(dòng)形態(tài)[3]，研究出一種觀(guān)測方法：就是把放在河床上的鋼索傳感器切斷信號作為泥石流流出的觸發(fā)器。觸發(fā)器一旦工作，拍照就自動(dòng)連拍泥石流的流動(dòng)狀態(tài)。并針對2003年、2004年、2006年石礫型泥石流的觀(guān)測結果進(jìn)行分析，對泥石流連續流動(dòng)形態(tài)的推移、流速、石礫的運動(dòng)情況進(jìn)行考察，嘗試搞清大量石礫堆積在河床上泥石流的流動(dòng)形態(tài)。
1 調查地概況 大谷崩一澤流域（以下簡(jiǎn)稱(chēng)一澤），是日本三大崩塌地之一。水平面積約1。8km2，海拔約800m，崩塌土沙量約1。2億m3。地質(zhì)屬于古第三紀層的四萬(wàn)十層群，由沙巖、頁(yè)巖等形成。在“一澤”的正下面為南北方向的斷層，巖盤(pán)破碎顯著(zhù)，呈現剝離狀態(tài)，整個(gè)流域坡面極為不穩定。
“一澤”上游流域每年幾乎都發(fā)生泥石流事件。
此流域河道長(cháng)650m，流域面積約0。22km2，流域內幾乎沒(méi)有樹(shù)木。平均坡度為40°~50°。沙巖以及頁(yè)巖破碎的巖盤(pán)裸露，經(jīng)每年的凍融剝離，泥沙被輸送到河床；在發(fā)生以臺風(fēng)為中心的暴雨時(shí)，形成泥石流流到下游。河床堆積物因季節而變化。初春時(shí)多堆積粒徑5cm以下的頁(yè)巖，伴隨泥石流的發(fā)生，細石流出；秋末粒徑20cm以上的石礫出現在河床表面[4]。
2 觀(guān)測與解析方法 利用攝像機每隔5min（2001年起間隔時(shí)間為3min）進(jìn)行0。75s的間隔攝影。2003年為了拍攝泥石流連續流動(dòng)實(shí)況，將鋼索傳感器的切斷信號作為觸發(fā)器，在徑流出口處設置攝像機P1。即離攝影機約100m范圍內的上游設兩處鋼索傳感器，伴隨泥石流流出，發(fā)出無(wú)線(xiàn)信號，在接收信號的同時(shí)，攝像工作開(kāi)始。2004年、2005年為了拍攝清晰，將攝像機設在離流動(dòng)區近的P3、P2點(diǎn)。觀(guān)測地點(diǎn)P1、P2、P3的河床比降分別為28°、23°、26°。在攝像機設置區設置超音波水位計、水壓式水位計，分別間隔20s記錄河床表面的高度和水位。在P1設置了大型雨量計，將每隔1min的雨量記錄在數據記錄器。
利用拍攝的圖像每隔1s判讀泥石流的表面位置（高度）、寬度以及表面流速。在判讀表面位置時(shí)參考超音波水位計、水壓式水位計記錄的表面高度和水深。在巖盤(pán)裸露、河床變動(dòng)小的地方作為判讀泥石流表面的位置，河床到泥石流表面的距離為流體深。表面流速以橫斷方向的多個(gè)地點(diǎn)判讀流速，將其平均值。根據高橋研究結論[5]從錄像直讀的表面流速乘以0。6作為泥石流平均流速，再依此求出流量。同時(shí)判讀泥石流表面石礫的粒徑、個(gè)數，分析泥石流中石礫的流出狀況。
3 結果與考察3。1 泥石流的流動(dòng)形態(tài)攝像機記錄了2003—07—12、2004—08—30、2006—07—19發(fā)生3次的泥石流現狀。此3次泥石流都是因為連續降雨量為30mm，最大10min雨強為5mm以上降雨產(chǎn)生的，滿(mǎn)足“一澤”上游流域泥石流發(fā)生的條件。
流經(jīng)“一澤”上游流域的泥石流一種以石礫為主，另一種以泥水為主。以石礫為主的泥石流其表面被石礫覆蓋，從錄像上看，幾乎不能確認是泥水。
一般情況下，以石礫為主的泥石流出現在流體的前端，繼而是以泥水為主的泥石流。它們之間的變化在幾秒內進(jìn)行。WWw。qiQi8。cn
以石礫為主的泥石流大體都是層流狀，上位層比下位層流速大，上位層的石礫滾落到波段前方，被泥石流侵吞。以后續出現泥水為主的泥石流為紊流，因含有高質(zhì)量濃度的頁(yè)巖為主體的細粒子，泥石流呈黑色。
從視頻上可知，3個(gè)事件的流體深、流速、流量間歇性地急劇增加，且都以流體深、流量、流速的順序迎來(lái)峰值。
2003—07—12發(fā)生的泥石流規模較小，流體深為0。5~0。8m，流速為3~4m/s，平均流量為2~4m3/s，龍頭部以石礫為主，總體上含有大量的泥水，流動(dòng)性高。2004—08—30發(fā)生的泥石流龍頭也是以石礫為主，總體上含有大量的泥水，流動(dòng)性高。流體深為1。5~2m，平均流速5~8m/s，流量30~75m3/s，其流量比前者大約20倍，是“一澤”發(fā)生規模較大的泥石流。2006—07—19發(fā)生的泥石流大部分是以石礫為主，不能確認內部的泥水狀況。流體深為1。5~2m，平均流速2~4m/s，流量10~15m3/s，平均流速幾乎等于2003年的事例，但流量約為3倍。
3。2 泥石流的流速用最小二乘法求出每次泥石流事件的流體深和流速，建立回歸方程，整理見(jiàn)下式：v=ahb（1）式中：v為深度方向的平均流速；h為流體深，m；a、b為常數。2003—07—12、2004—08—30的泥石流以泥水為主泥石流的流速接近近似曲線(xiàn)。
明渠的流速公式一般采用曼寧公式。
v=n—1R2/3I1/2（2）式中：n為糙率系數；R為徑深；I為河床比降。流體深h與徑深R幾乎相等時(shí)，滿(mǎn)足曼寧流速公式的泥石流a=n1/2/n，b=2/3成立�！耙粷伞鄙嫌瘟饔�2003年、2004年以泥水為主泥石流的常數b值為0。71和0。62。幾乎與曼寧公式的指數（2/3）相等。因此，可以說(shuō)這兩次事件中以泥水為主的泥石流與曼寧流速公式表示的泥石流相近。2006年觀(guān)測的以泥水為主的泥石流根據公式（1）擬合曲線(xiàn)的相關(guān)系數低，常數b=0。187，與曼寧公式的指數大不相同。
由此可見(jiàn)，泥水為主的泥石流與曼寧流速公式所示泥石流不同。
以石礫為主泥石流的流體深與流速的關(guān)系在所有的事件中不明確。根據公式（1）擬合不是很好，2003、2004、2006年的相關(guān)分析相關(guān)系數分別為0。23、0。055、0。007。常數b值為0。104~0。443，比曼寧公式的指數小。以石礫為主的泥石流跟以泥水為主的相比，隨流體深增加流速的增加并不顯著(zhù)。
用同等程度的流體深進(jìn)行比較，以泥水為主的泥石流比以石礫為主的泥石流速度快�？梢�(jiàn)，以石礫為主的泥石流內部阻力大。從錄像可以確認：后續的以泥水為主的泥石流沖到先行的以石礫為主泥石流的前面，即前者侵吞了后者。
3。3 石礫的流出狀況根據錄像判讀了2003年、2004年泥石流事件中粒徑分別為15cm、30cm以上的所有石礫的粒徑、出現時(shí)間。將2006—07—19泥石流事件中石礫為主泥石流為對象，每隔1s讀取包含在流體深判讀地點(diǎn)流出方向2m范圍內，粒徑為5cm以上的粒徑，求出每個(gè)粒徑的出現比例。
確認在2003年、2004年的事件中，以泥水為主泥石流中有很多石礫。與以石礫為主泥石流比較出現率明顯低。但是判讀30cm以下的粒徑很困難，所以無(wú)法了解實(shí)況。
石礫的粒徑在兩類(lèi)泥石流間沒(méi)有大的差異。一般情況下，泥石流發(fā)生時(shí)，巨礫聚集在泥石流的龍頭，后方粒徑變小。但2006—07—19事件中，其流出時(shí)間為10s以上的`3個(gè)波段，即10∶42∶50開(kāi)始的龍頭部和末端部的粒度分布與10∶01∶54和11∶02∶28開(kāi)始的龍頭部和流量峰值時(shí)的粒度分布大體一致，大粒徑石礫向龍頭部集中不顯著(zhù)。
總體來(lái)說(shuō)，隨流量增大，就有大的石礫流出。每次事件中，因曲線(xiàn)的分布區域不同，即使同等程度的流量在每次事件中流出的石礫粒徑也有變化。
3。4 侵蝕與堆積在“一澤”上游流域隨泥
石流流出頻繁產(chǎn)生侵蝕堆積，造成河床變動(dòng)。確認泥沙堆積河床是在以泥石流流出過(guò)程中進(jìn)行的。
以石礫為主泥石流隨流出流速減小，拍攝結果顯示，2003—07—12在泥石流流出時(shí)，河床到泥石流表面全層處于停止移動(dòng)狀態(tài)。泥石流發(fā)生區產(chǎn)生的堆積、停止現象在意大利也有報告[6]。以泥水為主泥石流在流出過(guò)程中并沒(méi)有確認泥石流全部停止，2004—08—30在泥石流流出時(shí)，泥石流中部石礫堆積，河床上升。
4 結 語(yǔ) 對泥石流發(fā)生區進(jìn)行了連續拍攝，調查了其流形態(tài)的推移以及石礫的流出情況。流出“一澤”上流域的泥石流因含有很多石礫，分類(lèi)為石礫型泥流，但其中也有一定的泥水量在內，所以流出特征生變化。以泥水為主的泥石流是紊流，流體深和流的關(guān)系類(lèi)似于曼寧公式，以石礫為主的泥石流不能曼寧公式表示流體深和流速的關(guān)系，所以流體深和速的關(guān)系不明確。以石礫為主的泥石流比以泥水主的泥石流流速慢，確認河床到水面的全層有停止狀態(tài)，認為是缺乏流動(dòng)性的泥石流。流出“一澤”上流域的泥石流是以石礫為主泥石流出現在流動(dòng)的始，之后則是以泥水為主的泥石流。
包含在泥石流中的石礫粒子粒徑越大越集于龍頭的前面。雖然以石礫為主的泥石流其流慢，但比以泥水為主的泥石流先流出，在泥石流形過(guò)程中，首先是以石礫為主的泥石流流出，然后是泥水為主泥石流。為得到證實(shí)，必須觀(guān)測泥沙開(kāi)移動(dòng)情況，努力提高今后的觀(guān)測技術(shù)。
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