流域源頭泥石流的流動形態(tài)論文
摘要：掌握流域源頭泥石流流動形態(tài)的信息對實施措施至關(guān)重要。然而，由于監(jiān)控困難而鮮有對荒廢溪流源頭泥石流進(jìn)行觀測。為監(jiān)測其流動形態(tài)，在日本中部的大谷滑坡內(nèi)的“一澤”流域上游建立了監(jiān)控系統(tǒng)。通過實地監(jiān)測獲取的視頻圖像分析，將其流動形態(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。在泥石流流動中，石礫在前，泥水在后。在典型的泥石流波動中，石礫流流經(jīng)時，流深最大；在泥石流流經(jīng)時，流速最大。某些波動僅包含一種流動形態(tài)。在流動中，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；實地觀測；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形態(tài)，然而，由于監(jiān)控困難而鮮有對荒廢溪流的源頭泥石流進(jìn)行觀測。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)行觀測。將泥石流的流動形態(tài)分為兩種，一是以石礫為主，二是以泥水為主。觀測得到的數(shù)據(jù)只記錄了泥石流流出的一部分，從開始到結(jié)束的連續(xù)運動情況還未搞清[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(qū)的泥石流流動形態(tài)[3]，研究出一種觀測方法：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，拍照就自動連拍泥石流的流動狀態(tài)。并針對2003年、2004年、2006年石礫型泥石流的觀測結(jié)果進(jìn)行分析，對泥石流連續(xù)流動形態(tài)的推移、流速、石礫的運動情況進(jìn)行考察，嘗試搞清大量石礫堆積在河床上泥石流的流動形態(tài)。
1 調(diào)查地概況 大谷崩一澤流域（以下簡稱一澤），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(jì)層的四萬十層群，由沙巖、頁巖等形成。在“一澤”的正下面為南北方向的斷層，巖盤破碎顯著，呈現(xiàn)剝離狀態(tài)，整個流域坡面極為不穩(wěn)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650m，流域面積約0。22km2，流域內(nèi)幾乎沒有樹木。平均坡度為40°~50°。沙巖以及頁巖破碎的巖盤裸露，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，形成泥石流流到下游。河床堆積物因季節(jié)而變化。初春時多堆積粒徑5cm以下的頁巖，伴隨泥石流的發(fā)生，細(xì)石流出；秋末粒徑20cm以上的石礫出現(xiàn)在河床表面[4]。
2 觀測與解析方法 利用攝像機(jī)每隔5min（2001年起間隔時間為3min）進(jìn)行0。75s的間隔攝影。2003年為了拍攝泥石流連續(xù)流動實況，將鋼索傳感器的切斷信號作為觸發(fā)器，在徑流出口處設(shè)置攝像機(jī)P1。即離攝影機(jī)約100m范圍內(nèi)的上游設(shè)兩處鋼索傳感器，伴隨泥石流流出，發(fā)出無線信號，在接收信號的同時，攝像工作開始。2004年、2005年為了拍攝清晰，將攝像機(jī)設(shè)在離流動區(qū)近的P3、P2點。觀測地點P1、P2、P3的河床比降分別為28°、23°、26°。在攝像機(jī)設(shè)置區(qū)設(shè)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(shè)置了大型雨量計，將每隔1min的雨量記錄在數(shù)據(jù)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。在巖盤裸露、河床變動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地點判讀流速，將其平均值。根據(jù)高橋研究結(jié)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。同時判讀泥石流表面石礫的粒徑、個數(shù)，分析泥石流中石礫的流出狀況。
3 結(jié)果與考察3。1 泥石流的流動形態(tài)攝像機(jī)記錄了2003—07—12、2004—08—30、2006—07—19發(fā)生3次的泥石流現(xiàn)狀。此3次泥石流都是因為連續(xù)降雨量為30mm，最大10min雨強(qiáng)為5mm以上降雨產(chǎn)生的，滿足“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(rèn)是泥水。
一般情況下，以石礫為主的泥石流出現(xiàn)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(nèi)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(xù)出現(xiàn)泥水為主的泥石流為紊流，因含有高質(zhì)量濃度的頁巖為主體的細(xì)粒子，泥石流呈黑色。
從視頻上可知，3個事件的流體深、流速、流量間歇性地急劇增加，且都以流體深、流量、流速的順序迎來峰值。
2003—07—12發(fā)生的泥石流規(guī)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(guī)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(rèn)內(nèi)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(shù)。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。
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(shù)；R為徑深；I為河床比降。流體深h與徑深R幾乎相等時，滿足曼寧流速公式的泥石流a=n1/2/n，b=2/3成立。“一澤”上游流域2003年、2004年以泥水為主泥石流的常數(shù)b值為0。71和0。62。幾乎與曼寧公式的指數(shù)（2/3）相等。因此，可以說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年觀測的以泥水為主的泥石流根據(jù)公式（1）擬合曲線的相關(guān)系數(shù)低，常數(shù)b=0。187，與曼寧公式的指數(shù)大不相同。
由此可見，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(jù)公式（1）擬合不是很好，2003、2004、2006年的相關(guān)分析相關(guān)系數(shù)分別為0。23、0。055、0。007。常數(shù)b值為0。104~0。443，比曼寧公式的指數(shù)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。
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。可見，以石礫為主的泥石流內(nèi)部阻力大。從錄像可以確認(rèn)：后續(xù)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(jù)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(xiàn)時間。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流出方向2m范圍內(nèi)，粒徑為5cm以上的粒徑，求出每個粒徑的出現(xiàn)比例。
確認(rèn)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(xiàn)率明顯低。但是判讀30cm以下的粒徑很困難，所以無法了解實況。
石礫的粒徑在兩類泥石流間沒有大的差異。一般情況下，泥石流發(fā)生時，巨礫聚集在泥石流的龍頭，后方粒徑變小。但2006—07—19事件中，其流出時間為10s以上的`3個波段，即10∶42∶50開始的龍頭部和末端部的粒度分布與10∶01∶54和11∶02∶28開始的龍頭部和流量峰值時的粒度分布大體一致，大粒徑石礫向龍頭部集中不顯著。
總體來說，隨流量增大，就有大的石礫流出。每次事件中，因曲線的分布區(qū)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。確認(rèn)泥沙堆積河床是在以泥石流流出過程中進(jìn)行的。
以石礫為主泥石流隨流出流速減小，拍攝結(jié)果顯示，2003—07—12在泥石流流出時，河床到泥石流表面全層處于停止移動狀態(tài)。泥石流發(fā)生區(qū)產(chǎn)生的堆積、停止現(xiàn)象在意大利也有報告[6]。以泥水為主泥石流在流出過程中并沒有確認(rèn)泥石流全部停止，2004—08—30在泥石流流出時，泥石流中部石礫堆積，河床上升。
4 結(jié) 語 對泥石流發(fā)生區(qū)進(jìn)行了連續(xù)拍攝，調(diào)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，分類為石礫型泥流，但其中也有一定的泥水量在內(nèi)，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(rèn)河床到水面的全層有停止?fàn)顟B(tài)，認(rèn)為是缺乏流動性的泥石流。流出“一澤”上流域的泥石流是以石礫為主泥石流出現(xiàn)在流動的始，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，必須觀測泥沙開移動情況，努力提高今后的觀測技術(shù)。
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