泥石流淤积泛滥范围边界划定方法及危险区划方法

技术领域

本发明涉及一种泥石流堆积扇研究方法，特别是涉及一种泥石流淤 积泛滥范围边界划定方法与泥石流淤积泛滥区危险区划方法。属于泥石 流灾害防治领域、水利工程领域。

背景技术

泥石流堆积扇是泥石流活动的产物，是指由一次或多次泥石流在泥 石流沟口泛滥淤积形成的一个扇状区域。泥石流沟口的泥石流堆积扇区 域因其地形相对开阔，常被人们利用。然而，泥石流堆积扇区域也是泥 石流成灾的主要场所，对该区域的土地利用面临潜在泥石流灾害的威胁。 对泥石流在沟口堆积扇区域的危险范围进行研究可以为土地利用规划提 供参考依据，也是泥石流危险性、易损性和风险评价研究的基础工作。

关于泥石流在沟口堆积扇区域危险范围划分的技术方法主要有4 类，分别是：①利用大量基础数据资料，通过统计、回归分析等方法， 构建泥石流危险范围相关参数的函数方程，如拟合泥石流最大冲出距离 与泥石流规模和流域高差之间的函数关系式；②基于数学模型和模型参 数，进行方程求解和数值模拟，得到泥石流流深、泥深、流速等在泥石 流堆积扇区域的时空分布，从而确定泥石流危险范围；③对于堆积扇区 域有明显沟道的泥石流，且泥石流峰值流量相对较小时，可以通过泥石 流峰值流量计算过流断面的泥石流泥位，由泥石流泥位加上1m的安全 超高得到泥石流危险范围；④对于堆积扇区域没有明显沟道的泥石流， 可以利用微地形参数（如坡度）等进行堆积扇区域某一点泥石流最大淤 积厚度的计算，根据泥石流淤积区内最大淤积厚度的分布研究泥石流危 险范围。这些方法存在的技术缺陷主要体现在三方面：一是通过数理统 计方法得到泥石流最大冲出距离和最大冲出宽度确定的泥石流淤积范 围，不能同时反映表征泥石流危险程度的泥深、流深和流速等参数在淤 积区内的分布，不能进一步对泥石流淤积区进行详细的危险区划，且该 方法需要建立在大量历史观测记录之上，不同研究区往往需要拟合不同 的函数方程来研究相应的泥石流危险范围，方法应用范围有限；二是数 值模拟方法需要输入的模型参数较多，且方程求解和模拟过程相对复杂； 三是除第①类方法以外的各类方法都需要以大比例尺的地形图为研究基 础，在缺乏大比例尺地形图的地区，方法应用受限。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种不需要以大比例 尺地形图以及大量历史观测数据为基础的泥石流堆积扇危险区划方法。 该方法主要以泥石流峰值流量与地形特征参数分析为依据，可以在无需 繁琐数值计算的情况下完成对泥石流堆积扇的危险区划。

根据泥石流运行特征，对于一场泥石流产生的危险状态应当是以该 场泥石流处于峰值流量状态时的危险为关键。故本方法主要考虑泥石流 在峰值流量状态时的危险范围。处于峰值流量状态的泥石流流经主沟道 沟口（即堆积扇扇顶）后继续在堆积扇区域运动和淤积。堆积扇区域地 形相对沟口更开阔，因此在理论上，一场泥石流过程中泥石流在堆积扇 区域任何过流断面上的平均流深不会超过相同流量下沟口过流断面的平 均流深。考虑到泥石流在堆积扇区域运动和淤积时会出现左右摆动、弯 道超高、飞溅、局部堵塞等现象，若以泥石流沟口过流断面平均流深作 为相同流量下堆积扇区域其它过流断面的最大平均流深，能够同时起到 类似于设计上安全超高的作用。具体地，本发明以泥石流峰值流量时沟 口过流断面平均流深（以下称沟口峰值流量平均流深）作为相同流量下 堆积扇区域其它过流断面的最大平均流深。基于这一技术原理分析，如 果首先确定泥石流堆积扇区域主沟道上最大平均流深符合某些特殊指标 的过流断面的位置，再利用这些特殊过流断面在地理位置上的分布变化 特征并结合地形变化特征，便可确定泥石流淤积泛滥范围边界。进一步 地，在此基础上，再根据泥石流淤积泛滥范围内不同位点泥石流流深与 流速两个参数及其组合关系特征，便能进一步对泥石流淤积泛滥区进行 详细的危险区划。

基于上述技术思路，本发明首先提供一种泥石流淤积泛滥范围边界 划定方法，其技术方案如下：

一种泥石流淤积泛滥范围边界划定方法，用于划定一场泥石流活动 形成的淤积泛滥范围边界，其特征在于：依照如下步骤实施：

步骤S1、确定基本数据

利用地形图或现场调查、测绘、勘查图形资料确定泥石流主沟道基 本地理地形数据，包括：确定泥石流主沟道地理位置，确定泥石流沟口 过流断面A₀B₀及其宽度L₀，确定断面A₀B₀处泥石流水力坡度I；

采用现有方法计算确定泥石流峰值流量Q；

步骤S2、确定沟口峰值流量平均流深H₀，所述沟口峰值流量平均流 深H₀是泥石流峰值流量Q时沟口过流断面A₀B₀的平均流深；

联立式1～式4，计算确定H₀；

q₀＝Q/L₀    式1

q₀＝H₀·v₀    式2

v₀＝K·R^2/3·I^1/5    式3

R＝L₀·H₀/(2H₀+L₀)    式4

式1～式4中，q₀—泥石流在沟口过流断面A₀B₀上的平均单宽流量，m²/s，

Q—泥石流峰值流量，m³，步骤S1确定，

L₀—沟口过流断面A₀B₀的宽度，m，步骤S1确定，

H₀—沟口峰值流量平均流深，m，

v₀—泥石流在沟口过流断面A₀B₀上的平均速度，m/s，

K—粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘 查规范DZ-T0220-2006》确定，

R—沟口过流断面A₀B₀水力半径，m，

I—沟口过流断面A₀B₀处泥石流水力坡度，‰，步骤S1 确定；

步骤S3、确定标准过流断面A_iB_i位置

自沟口过流断面A₀B₀起，在泥石流堆积扇区域泥石流主沟道上确定 N个最大平均流深为H₀的标准过流断面A_iB_i,i＝1,2,...n，N≥2；所述标准 过流断面A_iB_i两端分别与其所在位点等高线相交于点A_i、B_i，n＝1,2,...n；

步骤S4、确定泥石流淤积泛滥范围边界

依次连接点A_i,i＝1,2,...n及点B_i,i＝1,2,...n划定的范围即为泥石流淤积 泛滥范围。

上述泥石流淤积泛滥范围边界划定方法的基本技术思路原理在于：

第一，从技术方案整体而言，泥石流淤积泛滥范围是指一次泥石流 过程中泥石流在沟口堆积扇区域运动和淤积的实际范围。在沟口堆积扇 区域内，由于地形相对于泥石流主沟道沟口处更为开阔，因此同在泥石 流峰值流量时，任何位点的平均流深均不会超过沟口过流断面的平均流 深（即沟口峰值流量平均流深H₀）。当以H₀作为堆积扇区域其它过流断 面的最大平均流深时，借助堆积扇区域地形图等高线的分布，可以在堆 积扇区域得到多个泥石流峰值流量时的过流断面。根据泥石流峰值流量 时堆积扇区域多个过流断面的分布，便能确定泥石流在堆积扇区域可能 淤积泛滥的最大范围，也即泥石流淤积泛滥范围边界。

第二，关于步骤S2沟口过流断面A₀B₀的沟口峰值流量平均流深H₀的 计算。其主要技术原理在于：当泥石流峰值流量Q、过流断面位置及宽 度L₀确定时，过流断面的实际单宽流量q₀值随之而定，即式1所表达。 假定该过流断面的平均流深为h′，根据式3和式4可以求得相应的平均 流速v′，再根据式2计算平均流深为假定值h′时相应的平均单宽流量q′， q′＝h′·v′。当h′的取值变化时，R、K、v′和q′会相应变化。对h′取值进 行反复调整，直到q′=q₀，此时假定的平均流深h′取值即为泥石流峰值流 量Q时在该过流断面的实际平均流深h的取值，相应的实际平均流速v也 随实际平均流深h取值的确定而确定。

第三，步骤S3确定标准过流断面A_iB_i位置是本方法的关键技术。该 步骤通过以峰值流量下沟口过流断面平均流深（即沟口峰值流量平均流 深H₀）作为相同流量下堆积扇区域其它过流断面的最大平均流深，借助 地形图等高线分布得到多个过流断面A_iB_i的分布，由此确定泥石流淤积 泛滥区边界。

上述方法，在步骤S1中如条件具备，应优先采用现场调查、测绘、 勘查的图形资料确定泥石流主沟道地理位置及沟口过流断面A₀B₀位置。 反之，再利用地形图确定A₀B₀位置。

为优化技术方案，本发明进一步提供一种确定泥石流堆积扇区域泥 石流主沟道上特殊过流断面位置的方法。具体而言，是一种确定泥石流 堆积扇区域主沟道上最大平均流深为某既定标准值的标准过流断面位置 的方法。其技术方案如下：

一种确定泥石流主沟道上标准过流断面位置的方法，所述标准过流 断面是该断面上最大平均流深为H₀的过流断面，其特征在于：依照如下 步骤实施：

步骤S1、利用地形图或现场调查、测绘、勘查的图形资料确定泥石 流主沟道地理位置及沟口过流断面A₀B₀位置，确定地形图上自断面A₀B₀到泥石流冲出方向的等高线l_k,k＝1,2,...n；

步骤S2、确定标准过流断面A_kB_k位置

确定第k、k+1条等高线l_k、l_k+1间高差h_kk+1,k＝1,2,...n，等高线l_k、l_k+1与泥石流主沟道分别相交于点O_k、O_k+1，测量主沟道上O_kO_k+1段实际距离 L_kk+1，

自点O_k起，在主沟道上O_kO_k+1段内寻找一点C_k，主沟道上O_kC_k段的 实际距离为c_k，c_k＝L_kk+1h_kk+1·H₀，

过点C_k作一个与主沟道垂直的过流断面，该断面两端与等高线l_k分 别相交于点A_k、B_k，该断面是泥石流堆积扇区域泥石流主沟道上的第k个 标准过流断面A_kB_k,k＝1,2,...n。

上述泥石流堆积扇区域泥石流主沟道上标准过流断面位置确定方法 的基本技术原理在于：相同流量下，地形相对开阔的泥石流堆积扇区域 过流断面的最大平均流深不会超过泥石流沟口处过流断面平均流深，以 过流断面最大平均流深来界定泥石流沿主沟道运动和淤积时在沟道两侧 扩展的最大范围。在假定两条等高线之间地形坡度变化均匀的前提下， 第k、k+1条等高线l_k、l_k+1间主沟道段O_kO_k+1上点C_k与等高线l_k之间的高 差为H₀，沿点C_k作一个与主沟道垂直的过流断面，断面与第k条等高线 的交点分别为A_k、B_k。点C_k与点A_k和点B_k之间的高差均为H₀。

本发明提供的一种确定泥石流主沟道上标准过流断面位置的方法可 以直接适用于上述一种泥石流淤积泛滥范围边界划定方法的步骤S3中， 用于标准过流断面A_iB_i位置的确定。此时应当以步骤S2中确定的沟口峰 值流量平均流深H₀作为标准过流断面A_iB_i的既定标准值。在此条件下， 因点C_k与点A_k、B_k之间的高差均为H₀，而泥石流在堆积扇区域任意过流 断面上的最大平均流深均不会超过相同流量下沟口过流断面平均流深， 故点A_k、B_k是峰值流量下泥石流流经点C_k所在过流断面时在主沟道两侧 淤积泛滥的最远点。也即是，点A_k、B_k之间的断面A_kB_k是第k、k+1条等 高线l_k、l_k+1间泥石流峰值流量下C_k点处过流断面最大平均流深为H₀时的 过流断面。

采用优化后的方法划定泥石流淤积泛滥范围区边界，显著的技术效 果在于，方法适用时，只要泥石流堆积扇区域地形图上绘制有至少3条 等高线，便可满足方法实施。这是由于在步骤S3利用3条等高线，便可 以确定2个标准过流断面位置，便能划定淤积泛滥范围。

在泥石流淤积泛滥范围区边界划定的基础上，利用淤积泛滥范围区 内不同位点的泥石流平均流深h_j与平均流速v_j两个特征参数，可以进一 步解决泥石流淤积区危险区划的技术问题，在泥石流淤积范围内划分出 危险程度不同的区域。故此，本发明进一步提供一种泥石流淤积泛滥区 危险区划方法，具体技术方案如下：

一种利用上述泥石流淤积泛滥范围边界划定方法实现的泥石流淤积 泛滥区危险区划方法，其特征在于：在确定泥石流淤积泛滥范围区边界 的基础上，继续依照如下步骤实施：

步骤S5、确定指定过流断面E_jF_j

在泥石流淤积泛滥范围区内，在泥石流主沟道上，以1m～5m高差为 间隔确定指定过流断面E_jF_j,j＝1,2...m位置，测量各断面E_jF_j的宽度 L_j,j＝1,2...m，确定指定过流断面E_jF_j处泥石流水力坡度i_j,j＝1,2...m；

步骤S6、确定指定过流断面E_jF_j的平均流深h_j与平均单宽流量q_j

联立式5～式8计算确定各断面E_jF_j的平均流深h_j,j＝1,2...m、平均单 宽流量q_j,j＝1,2...m，

q_j＝Q/L_j    式5

q_j＝h_j·v_j    式6

v_j＝K·r_j^2/3·i_j^1/5    式7

r_j＝L_j·h_j/(2h_j+L_j)    式8

式5～式8中，q_j—泥石流在指定过流断面E_jF_j上的平均单宽流量，m²/s，

Q—泥石流峰值流量，m³，步骤S1确定，

L_j—指定过流断面E_jF_j的宽度，m，步骤S5确定，

h_j—泥石流在指定过流断面E_jF_j上的平均流深，m，

v_j—泥石流在指定过流断面E_jF_j上的平均速度，m/s，

K—粘性泥石流流速系数，根据《泥石流灾害防治工程勘 查规范DZ-T0220-2006》确定，

r_j—指定过流断面E_jF_j水力半径，m，

i_j—指定过流断面E_jF_j处泥石流水力坡度，‰，步骤S5 确定；

步骤S7、泥石流淤积泛滥区危险区划

以泥石流在指定过流断面E_jF_j上的平均流深h_j、平均单宽流量q_j为 基本参数，依表1中条件确定每一指定过流断面E_jF_j所在位置的泥石流 危险程度，在整个泥石流淤积泛滥区内划分出高、中、低度危险范围区。

表1泥石流淤积泛滥区危险区划依据

上述其基本技术原理在于：对泥石流淤积区的危险区划通常是根据 泥石流强度进行划分，表征泥石流强度最常用的特征参数有泥石流流速、 泥深或流深。本发明经前期推导测算确定流深与流速是决定泥石流破坏 力强弱的最重要因素，因而采用过流断面平均流深和平均流速作为泥石 流强度指标进行泥石流淤积区的危险区划，同时确定了二指标及其相互 间关系特征与危险程度的对应取值关系作为泥石流淤积泛滥区危险区划 判定条件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）不需要大比例尺的地 形图为研究基础，只需要泥石流堆积扇区域地形图有至少3条等高线， 即可完成泥石流淤积泛滥区范围划定及其危险区划；（2）不需要大量的 历史观测数据即可完成泥石流淤积泛滥区范围划定及其危险区划；（3） 能够得到表征泥石流危险程度的流深、流速等参数在泥石流堆积扇的分 布，数据结果具有广泛用途；（4）确定了根据泥石流过流断面上的平均 流深与平均流速进行泥石流淤积泛滥范围区危险区划的新方法。

附图说明

图1是舟曲县三眼峪沟堆积扇区1:50000地形图。

图2是泥石流主沟道及沟口过流断面A₀B₀位置示意图。

图3a、图3b是泥石流主沟道上标准过流断面A_iB_i示意图。

图4a、图4b是舟曲县三眼峪沟“8.7”泥石流淤积泛滥区划定范围 示意图。

图5是舟曲县三眼峪沟“8.7”泥石流淤积泛滥区划定范围与实际淤 积范围比较示意图。

图6泥石流主沟道上指定过流断面E_jF_j示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。

实施例一

2010年8月7日晚至8日凌晨，强降雨导致甘肃省舟曲县城北面的 三眼峪沟和罗家峪沟同时暴发大规模泥石流，其泥石流冲出总量分别达 108.5×10⁴m³和35.7×10⁴m³，造成了极其严重的生命和财产损失。利用舟 曲县1：50000的地形图（图1），划定泥石流淤积泛滥范围边界。

步骤S1、确定基本数据

根据1：50000地形图，并结合现场调查确定泥石流主沟道基本地理 地形数据，包括：确定泥石流主沟道地理位置（图2中心虚线勾划），确 定泥石流沟口过流断面A₀B₀位置（图2），测量确定断面A₀B₀宽度L₀＝ 43.65m，确定断面A₀B₀处泥石流水力坡度I＝118‰（即0.118）。

根据形态调查法计算“8.7”三眼峪泥石流峰值流量Q＝1712m³/s。

步骤S2、确定沟口峰值流量平均流深H₀

将Q＝1712m³/s、L₀＝43.65m、I＝0.118代入式1～式4，联立求 解得到q₀＝39.22m²/s、H₀＝3.22m、v₀＝12.18m/s、K＝9.39、R＝2.81m。

步骤S3、确定标准过流断面A_iB_i位置

标准过流断面A_iB_i是堆积扇区域泥石流主沟道上最大平均流深为H₀＝3.22m的过流断面。

图3所示，确定地形图上自断面A₀B₀沿泥石流冲出方向的等高线 l_k,k＝1,2,...n；确定第1、2条等高线l₁、l₂的高差h₁₂＝20m，泥石流主沟道 与等高线l₁、l₂分别相交于点O₁、O₂，测量点O₁、O₂间的实际距离L₁₂； 自点O₁起，沿主沟道上O₁O₂段寻找一点C₁，主沟道上点O₁、C₁间的实际 距离为c₁，c₁＝L₁₂h₁₂·H₀＝38.94m；过点C₁作一个与主沟道垂直的过流断 面，该断面两端与等高线l₁分别相交与点A₁、B₁，该断面为泥石流主沟 道上的第1个标准过流断面A₁B₁（图3a）。

依次利用第2、3条，第3、4条，第4、5条，…等高线，确定泥石 流主沟道上的点C₂、C₃、C₄，…，进而确定第2、3、4，…个标准过流 断面A₂B₂、A₃B₃、A₄B₄，…（图3b）。

步骤S4、确定泥石流淤积泛滥范围区边界

图4依次连接点A₁、A₂、A₃、A₄，…及点B₁、B₂、B₃、B₄，…（图 4a），划定的范围即为泥石流淤积泛滥范围区边界（图4b）。

图5是“8.7”三眼峪泥石流实际淤积泛滥范围（内圈实线勾勒）与 本文方法划定范围（外圈虚线勾勒）的对比图。图5显示，“8.7”三眼 峪泥石流实际淤积泛滥范围基本都在本文方法划定的范围内，且差异不 大，本文方法划定的范围总体可靠。

实施例二

以实施例一为基础，进一步对泥石流堆积扇进行危险区划。

步骤S5、确定指定过流断面E_jF_j

在实施例一划定的“8.7”三眼峪泥石流淤积泛滥区内（高程范围： 1500m～1320m）内以5m高差为间隔确定指定过流断面E_jF_j,j＝1,2...m位 置，共计确定指定过流断面36个（图6）。

测量各断面E_jF_j的宽度L_j,j＝1,2...m，测量计算各断面E_jF_j处泥石流 水力坡度i_j,j＝1,2...m。

步骤S6、确定指定过流断面E_jF_j上的平均流深h_j与平均流速v_j

将参数Q＝1712m³/s、断面E_jF_j的宽度L_j,j＝1,2...m及各断面所在处 的泥石流水力坡度计算值i_j分别代入式5～式8，联立求解得到各指定过 流断面E_jF_j上的平均流深h_j,j＝1,2...m、平均单宽流量q_j,j＝1,2...m。结果见 表2。

表2“8.7”三眼峪泥石流淤积区指定过流断面特征参数计算表

步骤S7、泥石流淤积泛滥区危险区划

以断面E_jF_j上的平均流深h_j、平均单宽流量q_j为基本参数，依表1 所示条件确定每一指定过流断面E_jF_j所在位置的泥石流危险程度，并划 定泥石流高、中、低度危险范围区。

根据表2，“8.7”三眼峪泥石流在峰值流量（1712m³/s）下，从主 沟道沟口（高程1500m）到堆积扇前缘（高程1320m）36个指定过流断 面E_jF_j,j＝1,2...36的平均流深h_j＝0.73m～2.50m，平均单宽流量q_j＝3.83 m²/s～28.50m²/s。根据表1，“8.7”三眼峪泥石流峰值流量（1712m³/s） 下的泥石流淤积泛滥区均为高度危险区，其致灾能力强。