有效降雨利用量
有效降雨利用量 篇1
关键词：泥石流,成灾,前期有效降雨量,北峪河
泥石流通常在山区或者其他沟谷深壑, 地形险峻的地区, 暴雨、暴雪或其他自然灾害引发的。泥石流具有突然性以及流速快, 流量大, 物质容量大和破坏力强等特点。降雨作为降雨型泥石流最活跃的形成因素被用于泥石流预测预报模式[1-5]。国内外很多学者对降雨导致的泥石流进行了大量的研究, 如谭炳炎、陈景武、谭万沛等[4-6]研究了泥石流与降雨之间的关系, 并用降雨资料对泥石流的发生进行预测;吴积善等[7]人在云南蒋家沟泥石流观测研究中, 采用泥石流发生时刻前的当日降雨量、前10min降雨量和泥石流发生前20天有效降雨量建立了泥石流实时预报直线回归模型;崔鹏等[8]根据蒋家沟实测降雨资料, 分析了泥石流形成的降雨组成和前期降雨对泥石流形成的影响;戚国庆等[9]应用非饱和土强度理论对暴雨泥石流的成因机理进行了研究, 提出暴雨泥石流的形成过程的两个阶段分别与前期实效降雨量和短历时强降雨有关等。这些研究中都探讨过前期降雨对泥石流激发的影响。
笔者重点研究了北峪河流域泥石流的成灾有效降雨量, 详细阐述区域泥石流的形成条件, 通过研究雨量调查的数据, 找到了区域成灾降雨量的规律, 分析了每次灾害发生时的前期有效降雨量。并提出了基于前期有效降雨量的预警值。在武都区北峪河流域泥石流的预防中得到实践, 减少了人们的生命和财产损失, 有效降低了泥石流的危害性。
1 武都区北峪河流域简介
(1) 地质条件。武都区北峪河流域内出露的主要地层:中上游为第三系红色砂岩、粉砂岩;下游为志留系千枚岩、板岩夹灰岩, 岩体风化强烈, 极为破碎。红层之上披覆有第四系黄土, 孔隙、裂隙发育, 沟谷中下游分布有松散的砂砾碎石土。北峪河支沟泥石流发育, 沟口泥石流堆积物均以扇形展布, 沉积物以碎石为主, 多含巨大的漂砾。支沟泥石流扇形地非常发育。流域内有长度大于1km以上长的沟谷157条, 其中多数为泥石流沟, 如油坊沟等。这些泥石流沟将各沟内的松散物冲出, 源源不断的补给北峪河, 同时, 沿河两岸的坡积物也为北峪河泥石流的形成提供了大量的物质, 为北峪河泥石流的形成奠定了基础。
(2) 地形条件。北峪河流域处于侵蚀中、低山地带, 山大沟深, 地形陡峭。海拔2km, 相对高差0.5~1km, 沟道平均比降为45.2‰, 山坡坡度在20°~40°, 局部大于50°, 甚至直立成陡崖。沟谷呈 “V”字型和 “U”字型, 沟谷切割密度2.013km/km2。其中小于1km的冲沟条数占86.3%。沟坡坡降一般大于30%, 坡长在500m左右。支沟沟道比降较大, 汇流区一般大于10%, 最大可达32.75%。流通区一般小于10%, 堆积区则小于5%。本区新构造运动以差异升降运动为主要特征。形成高山、深谷的特殊地貌, 水文网深切, 北峪河形成了多级级阶地。褶皱, 断裂发育, 沟谷中多见跌水陡坎。由于沟谷纵坡降较大, 为泥石流的形成提供了地形条件;同时由于地形陡峻, 崩塌、滑坡频发, 也为泥石流的产生提供了丰富的物质条件。
(3) 气象水文条件。北峪河流域属北亚热带季风气候, 受境内高山深谷地形的影响, 气候垂直差异明显, 降水随海拔增高呈上升趋势。总的气候特征是冬春干燥, 夏季缺雨, 秋季多雨, 易洪易涝。
北峪河流域年降水分布不均, 6-9月份降水量占66.5%, 集中在7、8、9三个月。降水随地形变化较大, 经常出现暴雨的高度在2km以上。暴雨常发在6-8 月份, 其暴雨有以下特征:局地性强, 呈不连续性, 暴雨历时不超过1d;一次性雨峰多, 约占80%;多阵性降水, 来势猛, 历时短;暴雨多发生在傍晚或午夜。24h最大降水量90.5mm, 1h最大降水量40mm, 10min最大降水量16.2m。
(4) 泥石流物源分析。北峪河流域泥石流物质来源较为广泛, 泥石流的固体补给物质是由各种重力作用、面状、沟状侵蚀作用混合而成的。主要包括5种:1滑坡体的扰动松散体, 其中新近活动和没有完全稳定的滑坡体均有可能全部作为泥石流补给物质;整体稳定的老滑坡, 则有一部分, 特别是表层的松散层均可能在流水作用下再次进入沟道。2崩塌体, 比滑坡体更为松散, 并位于沟侧或较陡的坡上, 很容易进入沟谷。3坍塌 (滑塌体) , 鉴于其特殊的分布位置, 这部分物质在泥石流形成时首先进入沟道。4面状侵蚀形成的细粒物质, 受雨水作用以水土流失形式进入沟谷中, 这部分物质量较小, 只能增加水流的含沙量, 但不可忽视。5 沟道堆积物, 在较宽阔的沟道中, 早期的泥石流堆积物或小规模的泥石流搬运物质, 停积于形成区或流通区, 这便是后期的或较大规模泥石流固体物质的补充来源。
(5) 泥石流动力分析。泥石流的形成主要包括动力条件和固体物质补给条件。北峪河流域主要动力是大雨或暴雨。从区域的物源分析可以看出, 泥石流补给物质无论是数量, 还是地形条件均是比较充足的。因此, 区内泥石流的形成主要取决于动力条件-降雨。包括前期降雨量、瞬间雨强及所降落的面积范围、降雨频率等, 决定了泥石流的形成区域、发生规模以及发生频率。而从区域气象条件可以看出, 该区域的降雨集中发生在雨季3个月内, 而且雨水以暴雨的形式降落, 加上区域的地形高差比较大, 径流通道较小, 使得雨水的流速、流量都比较大, 导致该区域的泥石流频发。
2 泥石流成灾前期有效降雨量分析
2.1 前期有效降雨量
降雨是泥石流激发的决定因素。所以分析泥石流当天中几天的降雨量是及为必要的。但有时由于岩土体对水分的吸收、水分的蒸发、地表径流等因素的影响, 使进入岩土体的雨量小于实际降雨量, 即前期降雨量不能完全准确地表示出对泥石流发生的影响。因此, 本文利用了国外学者已进行研究的“前期有效降雨量”。
“前期有效降雨量”, 是指灾害发生前的降雨过程中对斜坡岩土体稳定性产生作用的雨量。国外学者提出了计算进入岩土体雨量的经验公式[11]:
式中:ra0为第0天的前期有效降雨量;k为有效降雨量系数 (k≤1) ;rn为前第n天的降雨量。
有效降雨量系数k表示岩土体对雨水滞留能力的大小, 它由区域内岩土体总体性质决定, 一般取0.84。虽然k值是根据北美某地区的数据计算得到的, 但是在世界其他许多地方的对比检验效果都比较理想[11]。将前期有效降雨量与当日雨量一起考虑, 进行泥石流前期有效降雨量的分析, 可判断泥石流灾害发生的可能性。
2.2 泥石流成灾前降雨量规律
首先根据区域内历次泥石流灾害发生时间, 收集区域及周边各雨量站对应的雨量资料, 确定对应的降雨过程开始和结束时间, 降雨过程的结束时间是山洪、泥石流灾害发生的时间, 并在每次过程中统计灾害发生前降雨过程中的10、30min、1、3、6、12、24h最大雨量和过程总雨量及与时段对应时间。
本次收集了武都北峪河典型泥石流的成灾雨量资料 (见表1) 分析研究了泥石流成灾过程中的雨量与降水历时的关系, 该区域的泥石流发生一般在强降雨3h左右发生灾害。采用实例调查法对各泥石流沟的不同时段泥石流发生灾害的前期降雨量进行统计。
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在对5组发生泥石流灾害的降雨资料研究中发现, 泥石流发生的时间大都集中在一场降雨的前期, 即降水主要集中于3h之内, 10min降水强度平均值在15.6, 而最小值为10.9mm, 30min降水平均值为24.64, 最小15.9 mm, 对泥石流短历时不同时段平均降水量进行数理统计分析研究结果表明, 降水量与降水历时呈对数相关 (见图1) 从表2可看出, 不同的地区, 式中的a值和b值都不同, 因而每个泥石流区域的临界降雨量也有一些差别。
对成灾降雨量相关的分析, 通过样本分析表明, 典型泥石流短历时降水量和时间的关系可以表征为指数方程:
式中:Y为发生泥石流时的短时降水量;a为系数;b为常数, 不同泥石流有所不同。
从式 (2) 可知泥石流发生的短时雨量与时间呈对数关系, 因此利用公式对泥石流成灾降雨量规律进行拟合后, 即可采用上述公式计算出该地区不同时段的降雨量, 如表2所示。
对成灾降雨量规律数据的拟合, 度量拟合优度的统计量是可决系数R2。R2的取值范围是[0, 1]。R2的值越接近1, 说明拟合方程对观测值的拟合程度越好;反之, R2的值越接近0, 说明拟合方程对观测值的拟合程度越差。
式中:SST为总平方和;SSE为残差平方和。
式中:T为样本的数量;yt为样本值;^yt为拟合值。
以汉林沟成灾降雨量为例, 可以计算可决系数R2=0.984, 其他各个沟渠的可决系数也大于0.9以上, 说明利用对数函数对降雨量成灾规律的拟合是比较成功的。
2.3 泥石流成灾前期有效降雨量分析
根据北峪河区域的气象水文条件可以知道, 该区域的降雨主要是以暴雨的方式进行降落, 暴雨的历时一般不会超过1d, 所以在该区域研究前期有效降雨量的时候, 不能以天为单位进行计算, 而是以半小时为单位进行计算。
由于在北峪河各泥石流沟成灾的降雨观测数据是不均匀观测的, 不能直接用于前期有效降雨量的计算和分析, 所以利用泥石流成灾前降雨规律形成的拟合函数, 按照每半小时重新计算其降雨量, 并将该降雨量应用于前期有效降雨量的计算和分析, 以汉林沟为例, 计算其前期有效降雨量为:
得到ra0=22.93, 也就是说, 当汉林沟的有效降雨量达到22.93时, 会引发泥石流的灾害。
同样对其他几个成灾区域的有效降雨量进行计算可以得到表3的相关数据。
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通过对武都区北峪河流域的几次泥石流灾害的有效降雨量的观测可以得到, 灾害发生的有效降雨量主要分布在22~32mm之间, 所以当武都区北峪河流域的有效降雨量超过20mm时, 泥石流发生的概率相对比较高, 应该对相关监测人员进行预警。
3 结语
武都北峪河流域是我国四大滑坡、泥石流灾害严重的地区之一, 该地区的泥石流灾害频发, 所以对该区域的气候条件和泥石流成灾的前期有效降雨量进行研究有着很重要的示范意义。由于历史数据收集的不完整性, 需要对武都北裕河流域泥石流成灾过程降雨量规律的进行研究, 得到该区域的泥石流发生时降雨过程与时间基本呈现为对数函数关系。本文利用了这种关系, 对前期有效降雨量进行了计算, 并分析得到当有效降雨量超过20mm时, 泥石流发生的概率相对比较高。
在研究的过程中, 由于泥石流灾害发生比较久远, 对数据收集的难度比较大, 导致样本点数据偏少, 2013年已经建立了该区域的泥石流灾害预警系统, 通过预警系统形成的数据基础上, 进一步检验和校正前期有效降雨量。使得有效降雨量的方法的预警作用发挥更大的作用。
参考文献
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防范强降雨通知 篇2
据气象部门预报，x月31日晚至x月1日白天全市暴雨，部分乡镇大暴雨，个别乡镇超150毫米，并伴有短时强降水(雨强60~80毫米每小时)、雷雨大风等强对流天气。
市委、市政府高度重视当前防汛抗灾工作。市防指指挥长、市人民政府副市长梁立坚组织防汛会商会，研究决定自x月31日17时起，在全市范围内启动防汛Ⅳ级应急响应。并要求各地高度重视，迅速部署，扎实做好强降雨防范工作。一要加强值班值守，严格值班要求，严肃值班纪律，密切关注雨水汛情和灾险情，及时准确报送信息;二要加强监测预报预警，密切监视天气变化，加强雨情、水情监测，及时发布预警信息，为科学决策提供准确、及时、有力的支撑;三要加强山洪和地质灾害防御，突出做好各类涉水工程防御和中小水库巡查调度，重点防范山洪、泥石流、滑坡和中小河流洪水灾害，加强旅游景区、学校、集镇等人员集中区域的巡查防守，严防城市渍涝;四是加强责任制落实情况的督查抽查，加强对防汛值班值守的检查力度，加大对一线防汛责任人到岗到位情况及防汛措施落实情况的督促检查，督促各级责任人履职尽责;五要加强节日和高考期间防汛保安工作，保障交通、电力、通讯等基础设施正常，确保学校、学生安全，确保高考顺利进行。
我市已到防汛抗灾关键时期，各地要压实防汛责任，克服麻痹思想和侥幸心理，迅速做好各项防范工作，坚决打好这场应对强降雨的硬仗。
娄底市防汛抗旱指挥部