汶川震后降雨诱发泥石流阈值变化规律研究

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汶川震后的几年里,震区先后发生了多次泥石流灾害,给灾区人民的生命财产安全造成了严重危害,也给灾后重建工作带来诸多难题。本文以汶川震后泥石流为研究对象,通过文献查阅、资料收集和野外调查等方式,建立了震区震后泥石流数据库。该数据库共包含696个泥石流事件以及每次泥石流附近区域的降雨数据。基于该数据库,利用基于GIS的空间统计方法和降雨阈值模型(降雨强度-降雨历时I-D模型和降雨强度-累积雨量I-R模型),对震后泥石流集中发育的4个区域(北川、清平、都江堰和映秀),在2008年震后到2017年间发生的泥石流事件的降雨阈值进行了统计分析。通过比较汶川震区不同地区、不同年份的泥石流启动降雨阈值关系,对汶川震后泥石流启动降雨阈值时空演化规律进行研究,并将本文研究结果与其他学者研究成果进行对比分析。基于上述宏观尺度的震后降雨阈值时空演化规律统计模型的研究,从流域尺度出发,选取2010年8月14日映秀镇红椿沟泥石流为研究对象,采用基于PCRaster GIS平台开发的泥石流数值模拟程序,利用实际降雨量、同震滑坡和实际三维地形作为输入数据,对红椿沟泥石流事件进行模拟重建。将模拟结果与实际泥石流冲出量、堆积范围、发生时间等吻合,从而对岩土体物理力学参数(包括侵蚀速率系数和土壤入渗量)进行了合理校验。然后,利用校验过的岩土体物理力学参数,通过改变降雨参数(降雨强度I和降雨历时D)对泥石流事件进行多次模拟,判断在给定的降雨参数下流域内是否有泥石流发生。将诱发泥石流及未诱发泥石流的降雨事件进行区分,可以得到红椿沟泥石流启动的降雨阈值。将宏观尺度统计方法获取的降雨阈值与流域尺度数值模拟方法获取的阈值进行对比。最后,运用数值模拟方法对降雨阈值动态演化的控制因素进行研究。考虑有效物源减少、粒径变化(细粒物质减少)及植被恢复对泥石流降雨阈值的影响。有效物源减少通过连续的泥石流事件模拟研究。保持其他参数不变,以模拟得到的输出层及未侵蚀材料作为下一次模拟的源数据,进行多次泥石流事件模拟,直到产生的径流没有侵蚀足够多的固体物质而未冲出到流域出口处;粒径变化通过改变程序内平均颗粒直径d50及渗透系数ks来研究;植被恢复通过增加临界侵蚀剪应力τc和降低可蚀性系数kd来模拟,从而对控制降雨阈值演化的关键因素进行研究。本文主要取得以下结果和认识:(1)通过文献查阅、资料收集等方式建立了包含696个泥石流事件的汶川震后泥石流数据库,包含了每次泥石流事件的规模参数与降雨信息,为后续研究奠定了良好的数据基础。(2)基于泥石流数据库,进行泥石流启动降雨阈值研究。运用支持向量机方法对泥石流发生和未发生的降雨事件进行区分,对四个区域(北川、清平、都江堰和映秀)自2008年震后至今的降雨阈值历年变化情况进行研究。(3)运用降雨强度-降雨历时(I-D)阈值模型及激发雨强-累积降雨(I-R)阈值模型分别研究4个区域(北川、清平、都江堰和映秀)自2008年至2017年间的泥石流启动降雨阈值,将研究结果同已有其他学者研究成果进行对比。(4)基于物理模型方法的数值模拟手段对流域尺度的泥石流降雨阈值进行定量分析。采用基于PCRaster GIS平台开发的泥石流数值模拟程序,通过改变输入的降雨参数(包括降雨强度I和降雨历时D),从模拟结果中判断流域内泥石流是否发生,按I-D阈值模型方法将诱发泥石流及未诱发泥石流的降雨条件进行分割,进而得到基于物理模型的泥石流降雨阈值。将物理模型得到的降雨阈值与统计分析得到的I-D降雨阈值进行比对。(5)以数值模拟手段,进一步研究影响泥石流降雨阈值动态演化的关键因素。选取有效物源减少、粒径变化(细粒物质减少)及植被恢复三个因素进行分析。结果表明,有效物源减少会引起泥石流降雨阈值的增大,但震后短期内效果不明显;粒径变化对泥石流发生条件影响最大,细粒物质的减少使泥石流降雨阈值变化最明显;植被恢复同样影响泥石流降雨阈值条件,植被覆盖率越高,降雨阈值越高。
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