基于Massflow模型的青龙沟台风暴雨型泥石流运动特征研究

2019年8月10日台风“利奇马”登陆,造成位于皖南中低山区的青龙沟暴发大规模台风暴雨型泥石流,为深入探究台风暴雨型泥石流运动特征,在查明青龙沟沟谷特征、形成条件及物源分布的基础上,建立研究区高精度三维模型,计算非台风暴雨与台风暴雨2种工况,运用地表过程动力学数值分析软件Massflow进行泥石流运动特征数值模拟及对比分析。研究表明:相较于非台风暴雨型泥石流,台风暴雨型泥石流具有较快的前进速度,分别在600、100、1500、1600、1900 s运动至监测点j1—j5,龙头能在短时间内对沿途沟道及建筑物造成破坏;泥石流暴发过程形成3个主要堆积区,台风暴雨型泥石流最大堆积厚度分别为3.08、3.80、7.75 m,堆积面积分别为36324.4、3700.4、32279.5 m^(2),具有较大的高度影响范围、平面影响范围的特征,更易对工程建筑及居民造成严重的生命财产损害。

一维管网与二维地表双向耦合的城市暴雨内涝模拟

为快速、准确模拟城市暴雨内涝演化过程,提出一种排水管网与上覆地表动态水力交互方法,构建了一维管网模型(SWMM)与二维水动力(LISFLOOD-FP)双向耦合的模型,解决了一维管网和二维地表的双向流量交换和时间同步难题。以上海外高桥地区为例,采用两次短历时降雨过程对耦合模型进行校准和验证,比较分析了单向、双向耦合的淹没范围与水深变化。结果表明:双向耦合模拟精度较高,在研究区具有良好的适用性;对于占比80%以上的轻度(<0.2m)积水区,单向、双向耦合的模拟积水面积比为1.21;对于中等(0.2~0.3 m)和重度(>0.3 m)积水区,单向耦合模拟结果趋于严重,该比值分别增至1.88和2.1。所构建的双向耦合模型能够揭示城区内涝积水、扩散及消退的全过程,可用于城市暴雨内涝推演,为内涝治理和灾害防御提供科学依据。

某工程泄水建筑物泄洪雾化范围计算分析

为了减少泄洪雾化带来的工程影响和损失,笔者结合工程实例,根据理论公式对表孔溢洪洞、泄洪冲沙洞在不同水位下的雾化范围进行估算,并依据估算结果提出针对性工程设计建议。结果表明:表孔溢洪洞在校核洪水位下雾化影响范围最大;该工程的厂区虽位于强暴雨区横向影响范围以外,但处于雾流降雨区范围之内,设计时需考虑雾化对厂区电气设备带来的不利影响;出口边坡局部位于强暴雨区和雾流降雨区范围内,需对边坡进行加固处理并采取表面防护措施,确保边坡运行安全稳定。计算成果可为工程布置、设计提供理论支撑。

台风暴雨型泥石流启动机理物理模型试验研究

台风暴雨型泥石流具有很高的突发性、群发性和破坏性,对这种特殊类型泥石流启动机理的研究尤为重要。以“利奇马”台风引发的安徽宁国抽水蓄能电站库区泥石流灾害为典型案例,在现场勘探、调查、测试的基础上,查明了泥石流沟谷特征、形成条件及物源分布;采用人工降雨物理模型试验方法,监测降雨过程中土体孔隙水压力、体积含水率、土压力和侵蚀特征等指标变化,研究了台风暴雨型泥石流的启动机理。结果表明:①台风暴雨型泥石流过程分为降雨入渗、超渗径流、物源侵蚀堆积、短历时强降雨启动4个阶段。②台风暴雨型泥石流发生在浅层土体达到高含水率和高孔隙水压力之后,需要前期一定的累积降雨。③较小雨强条件下沟谷产生稀性泥石流,降雨强度的陡增引起径流强度及侵蚀作用急剧加强,大量固体物质启动,暴发的泥石流由稀性转为黏性,沟口可见较大规模堆积扇。④整个沟谷均可见侵蚀沟道不同程度贯通分布,沟道侵蚀深度随高程的降低呈现增大趋势。研究结果可为台风暴雨型泥石流灾害风险防控提供参考。

易贡藏布冰川边缘地带暴雨泥石流与冰川融雪泥石流特征差异分析

本文为探究冰川边缘地带暴雨泥石流与冰川融雪泥石流的特征差异,以易贡藏布流域中下游的64条泥石流沟为研究对象,在实地考察的基础上,通过遥感解译、建立Matrix Laboratory数学模型等方法,得到了两者在形成发育条件上和下游段威胁范围的差异。结果表明:(1)在地形地貌上,冰川融雪泥石流和暴雨泥石流在相对高差、纵向剖面形状指数等地形因子上有不同或相似的峰值数量分布。(2)在物源上,冰川融雪泥石流单沟最大、最小物源储量分别为6740×10^(4)m^(3),253×10^(4)m^(3),暴雨泥石流单沟最大、最小物源储量分别为228×10^(4)m^(3),1.5×10^(4)m^(3)。(3)在流量上,冰川融雪泥石流最大、最小流量分别为1498.2 m^(3)/s,105.4 m^(3)/s,暴雨泥石流最大、最小流量分别为126.7 m^(3)/s,2.0 m^(3)/s。两者在流量上有明显差异的原因,除了汇水面积相差大,还因冰川融雪泥石流有冰川融水与积雪融水的补给。其百年一遇重现期的冰川融水峰值流量最大、最小值分别为79.7 m^(3)/s,0.6 m^(3)/s,融雪当量为32.52 mm/d。(4)冰川融雪泥石流堆积区固体松散物质冲出距离远大于暴雨泥石流,冰川融雪泥石流单沟最大冲出距离为414.3 m,暴雨泥石流单沟最大冲出距离为43.6 m。对该区域内不同泥石流之间的发育机制差异进行研究,可为类似地区的泥石流防治提供一定的参考。

面向计算时效的高密度城市暴雨洪涝管网降维模拟技术

针对高密度城市暴雨洪涝数值模拟精度与计算效率的突出矛盾,基于短历时强降水特点、快速产汇流特性以及精细化模拟的局限性和实际需求等现状,从整个流域系统出发,根据水量平衡和管道过流能力等效原理,对管网进行降维概化处理,给出了等效管道参数的计算方法,并以广州市猎德涌流域为例,采用实测内涝淹没水深、位置和检查井、河道的水位过程评估模型适用性。结果表明:基于管网降维概化的耦合模型模拟的猎德涌流域河道、检查井的水位动态变化过程的纳什效率系数均大于0.7,提出的管网降维概化方法合理;地表淹没水深的相对误差为8.93%,绝对误差为0.05 m,模拟速度较基于管网现状耦合模型提高了57%;基于管网降维概化的耦合模型模拟结果与实际情况较为吻合,能够较好地反映城市洪涝演进过程,具有良好的准确性和高效性。

地表径流与地下管流耦合的城市暴雨洪涝动力学模型

为准确模拟城市暴雨洪涝过程,建立了地表径流与地下管流耦合的城市暴雨洪涝动力学模型,该模型主要包括二维地表径流模块、一维地下管流模块、地表径流与地下管流交互模块以及重点基础设施受淹模块。二维地表径流模块采用二维浅水方程和Horton下渗公式模拟地表产汇流过程,地下管流模块采用TPA法与Godunov格式有限体积法求解一维管流方程模拟城市排水管网内复杂流态的水流运动,两模块采用基于雨水口泄流及溢流能力的交互模块进行耦合。将模型应用于武汉市青山区港西排水片区,利用港西排水片区5年一遇降雨渍水风险图验证了模型的精度,同时模拟了100年一遇降雨条件下的城市暴雨洪涝过程。结果表明:该模型计算精度良好,超过88.8%的渍水点模拟水深与官方发布成果一致;100年一遇降雨条件下港西排水片区中度积水和重度积水的面积分别占研究区面积的12.52%和1.16%。

测雨雷达在暴雨山洪灾害防御中的应用初探

面对全国极端天气灾害带来的防汛新形势和新挑战,测雨雷达建设是提升暴雨山洪灾害防御能力的必然要求。分析了传统地面点雨量站在应用中存在的不足和雷达定量降水估算方法。探讨测雨雷达布局和在暴雨山洪灾害防御中的应用:在测雨雷达布局中,雷达0°仰角观测覆盖范围应尽可能减少重点区域观测盲区;在暴雨灾害预警应用中,测雨雷达可有效前移灾害防御时间线和提高灾害防御识别区确定性;在洪水流量模拟应用中,测雨雷达将洪峰预报时间提前了25 min,但出现模拟流量峰值相对实测流量峰值偏低的情况。未来,测雨雷达与气象卫星、地面水文站网和监测平台实现更深入的融合应用可为防灾、减灾、救灾工作提供更好支撑。

巴基斯坦ML-1线小流域洪峰流量计算及验证

ML-1线是巴基斯坦最重要的南北铁路干线,是中巴经济走廊的重要组成部分,其修建年代较早,部分小桥涵无法满足正常的排洪需求,需进行全面升级改造。由于巴基斯坦在水文计算方面可利用的成果很少,因而有必要研究和制定适合该地区的小流域水文计算方法。通过对ML-1线沿线3个雨量观测站每年最大日降雨量序列资料进行数理统计分析,求出暴雨参数,再采用中国小流域暴雨洪峰流量推导公式计算ML-1线桥涵设计流量。为验证计算结果的可靠性,分别按我国铁路部门暴雨径流计算公式、巴基斯坦现有的推理公式进行计算,并将计算结果与典型流域的流量进行比较,结果表明,推理公式的流量计算结果可靠。研究成果可为巴基斯坦境内其他拓展项目的水文勘察设计提供参考。

川西特大暴雨后公路山洪泥石流灾损分析

为分析山洪泥石流对公路的灾损特征,基于2019年8月雅安特大暴雨后国道351调查,结合区域工程地质条件,针对63处公路损毁段,从泥石流堆积物、支挡结构损毁、路基损毁和总损失4个方面研究灾损特征,并提出应急措施。结果表明:泥石流堆积物超2×10^(4)m^(3)的工点占81.28%,堆积多呈扇形,且泥石流冲出物粒径差异较大,其成分因物源形成而存在差异;支挡结构损毁超1500 m3的工点占56.82%,损毁主要为河道侧蚀、块石撞击等导致;路基损毁超300 m的工点占26.67%,主要为河流冲刷侧蚀掏空路基、靠山侧崩塌、滑坡掩埋路基等导致;总损失超700万元的工点占26.55%。山区公路勘察设计应充分评估公路沿线易损区段和承灾脆弱区段,分阶段实施不同粒径填料搭建临时保通道路。

车田江水库设计洪水分析

水库除险加固过程中,设计洪水复核至关重要,复核方法也因水库所处的地理位置、下垫面条件而异;湖南省对于无实测洪水资料,集雨面积低于500 km^(2)地区推荐采用《湖南省暴雨洪水手册》进行洪水分析。

北京市昌平区韩台村“23·7”暴雨山洪泥石流灾害特征分析

【目的】近年来,受极端降雨事件影响,北京西部和北部山区山洪泥石流灾害频发,给当地造成巨大的生命财产损失。针对北京市昌平区韩台村“23·7”暴雨山洪泥石流灾害事件开展灾害过程和特征研究,为小流域灾害防治及提升灾害应对能力供基础支撑和参考依据。【方法】以昌平区高崖口沟韩台村支沟为研究区,采用“区域灾情调查-重灾区现场调研-室内评估分析”相结合的方式,查明研究区的雨水情特征及灾情特征。基于堆积物沉积结构、实物破坏形式和流体的内在特性,分析了韩台村支沟内山洪泥石流的灾害过程和基本特征,初步探讨了此次灾害的成因,并提出灾害防范对策建议。【结果】结果表明:(1)韩台村上游沟道集雨面积约0.1 km^(2),根据王家园水库自动站2023年8月31日12时至13时降雨数据,估算的韩台村上游沟道内1小时洪水总量约6870 m^(3),其破坏力非常大。(2)韩台村支沟自沟顶至韩台村西部村南口,具有典型的泥石流特征。村南口进村120 m范围内有泥石流堆积物,覆盖于山洪沉积物之上,属于典型的泥石流堆积前缘特征。由此至韩台村北口(韩台村支沟沟口),具有明显的山洪灾害特征,平均洪水深度超过5 m,淹没面积约33940 m^(2)。(3)2305号台风“杜苏芮”外围残余环流北上引发的极端强降雨是此次灾害的直接致灾因子,同时,受区域地形地貌、山洪泥石流作用及居民对所处地质环境的认知程度等因素的影响。【结论】此次昌平区高崖口沟韩台村支沟特大暴雨洪涝灾害是一次极端暴雨引发的山洪泥石流复合灾害事件。短时强降雨导致地表径流流量陡增是造成此次灾害的直接原因,初步推测泥石流发生时间晚于山洪,亦或是形成于山洪减弱阶段。自支沟顶至韩台村西部村南口(约1.4 km)为泥石流区域,村南口进村120 m左右为泥石流堆积前缘区域,同时部分区域具有山洪特征,村南口至村北口(支沟口)为山洪受灾区域。

2009年山西5次横切变暴雨的对比分析

利用常规和非常规气象观测资料,针对2009年汛期山西境内出现的5次横切变区域性暴雨天气过程进行流型配置、物理量诊断、卫星、雷达、GPS/MET资料以及可预报性综合分析。发现:5次横切变暴雨过程中2009年7月7 8日的暴雨过程是暴雨范围最大、降水强度最强、系统配置最完整的一次;连阴雨过程中无论是暴雨日还是非暴雨日都具有湿度大、湿层厚的特征,这是与其他4次非连阴雨暴雨过程的最大区别;对流性或混合性暴雨,在暴雨发生前1 2小时500hPa及其以下都具有θ_■随高度的增高而减小、500hPa以上都具有θ_■随高度的增高而增加的特征,稳定性暴雨则具有θ_■随高度的增高而增加的特征。5次暴雨过程500 hPa副高均为纬向型,700 hPa均有西南急流轴配合以及大陆小高压相伴,暴雨落区均位于气柱水汽总量梯度的大值区到大值区南(东)部0.5个经纬度的范围内。分析结果表明:小高压的位置不同导致了不同风向的辐合和不同走向的横切变线产生,急流头向北伸展的纬度不同导致了横切变线所处的纬度差异,直接影响暴雨的落区;低涡的强度不同使得降水量发生明显的差异;高低空系统配置越完整暴雨落区和量级的可预报性也越强;连阴雨过程中垂直速度、水汽通量散度、垂直风切变是提前24小时判断暴雨发生与否的敏感因子;水汽锋区走向与中低层切变线走向基本一致,在降水开始前,稳定性暴雨过程比强对流暴雨过程水汽锋区形成时间有更多的提前量,且对流越强烈水汽锋区形成的时间越晚。

暴雨泥石流预报程式

论述了暴雨泥石流预报的４个基本原理，即现象可预报性原理、成因分类组合原理、判别因素简化原理和预报决策依据原理．对泥石流时间预报模型作了分类，提出了通过泥石流活动周期与降水量周期叠加，建立泥石流活动性的长期趋势预测模型；通过泥石流活动年数频次与降水量丰欠等级频次组合，建立泥石流活动年份频次的态势预测模型；根据月或旬雨量确定泥石流发生的阈值关系，建立年内月或旬泥石流发生频次的中期预报模型；由短期天气预报，建立泥石流发生可能的短期险时判别规则、险区圈定方法和险量（泥石流沟数）评估模型，以及泥石流险情强度（大面积发生，多沟发生，单沟发生或无发生）的概率计算模型．上述泥石流预报模式的应用具有普适性和可操作性．

山区铁路沿线暴雨泥石流预报的研究

泥石流发生是灾害性降雨过程和流域内不稳定的松散物产状与制约水、沙输移的河沟条件所决定的。解决泥石流预报中的时、空因素,可以通过每小时接收卫星云图的信息分析决定。对某一流域内能否发生泥石流的预报,则由降雨条件函数和地面环境动态函数组合的量级决定。本研究对铁路三个预报试验区、黄河水利委员会三个水土保持科学试验站的大量观测试验资料进行了统计分析,完善了“山区铁路暴雨泥石流中短期预报的研究”专题中提出的泥石流组合预报模式: Y=R·M 当 Y<25时:不发生泥石流的机率为83％; Y>35时:发生泥石流的机率为85％; Y=25～35时:介于发生与不发生之间。其中发生泥石流的机率占64％,不发生泥石流的机率占36％。 通过统计分析,建立了泥石流预报诸环节中各项影响因素的限界值划分标准和量化分级方法。基本上完成了组建铁路泥石流预报中心的基础研究工作。

震后泥石流的激发雨量特征——以汶川地震和集集地震后泥石流为例

对汶川地震灾区2008-2010年的暴雨泥石流以及我国台湾集集地震后2001、2004、2009台风引发的泥石流雨量过程进行了分析。结果表明,34.4 mm是震后短时间内泥石流暴发的特征雨量;临界降雨强度/持续时间的关系式表明:在相同的降雨过程下,汶川地震灾区的泥石流比集集地震灾区的泥石流要容易暴发。通过泥石流暴发时段与峰值降雨时段的时间先后关系以及与前期雨量关系的研究,将强震后泥石流分为前期雨量控制型和短历时降雨控制型。其差异主要体现在超强短历时雨强直接触发和充足的前期雨量条件下,接近或达到34.4 mm/h的雨强触发。造成不同的泥石流控制类型的原因在于两地震对泥石流影响程度差异以及激发的雨量过程特征不同。

基于数字滑坡技术的暴雨滑坡、泥石流预警、监测模型研究

中国学者在暴雨滑坡、泥石流预测预报研究领域取得的成果为采用数字滑坡技术进行暴雨滑坡、泥石流预警、监测模型研究提供了宝贵的基础,应用数字滑坡技术建立暴雨滑坡、泥石流预测模型的原则是:(1)必须在滑坡、泥石流形成条件理论指导下;(2)应了解研究区地质环境及滑坡、泥石流特征;(3)就基于数字滑坡技术而言,只能选取遥感方法可能获取的灾害及环境因子。根据该3项原则,分为6个步骤建立模型:(1)确立滑坡、泥石流地质环境及降雨条件的物理关系,建立概念模型;(2)明确发生滑坡、泥石流的必要地质环境因素,建立滑坡、泥石流危险性评价表达式;(3)确定各必要地质环境因素的具体指标;(4)根据研究区灾害及地质环境特征,确定指标的权重;(5)确定降雨临界值;(6)建立模型的数学表达式。

水打沟泥石流形成条件及其静动力学特征

都江堰市龙池镇水打沟于2010年8月13日强降雨作用下暴发了较大规模的泥石流并堵塞龙溪河,基于灾害现场调查,结合汶川"5.12"地震震前、震后及"8.13"暴雨后三期影像对形成泥石流的地形、水源、物源三个基本条件特征和成因进行了分析,并计算了动静力学参数,分析了泥石流发展趋势。

栾川“7·24”暴雨泥石流启动模式分类

2010年7月河南省栾川县连续降雨达半月之久,24日又突降大暴雨,导致县境内暴发区域性泥石流(简称"7.24"暴雨泥石流),全县14个乡镇普遍受灾,死亡68人、失踪21人,直接经济损失约19.8亿元。为给当地政府提供合理的泥石流防治建议,对栾川县"7.24"暴雨泥石流中31个灾害点进行了野外调查并进行了工程地质分析。调查发现,此次栾川县暴雨泥石流类型丰富,泥流、泥石流及水石流均有发育;地貌上看,泥石流多属于坡面型,水石流基本上为沟谷型。同时,因栾川县采矿业发达,矿渣型泥石流发育十分典型,且大多为尾矿坝溃决所致。鉴于栾川"7.24"暴雨泥石流范围大、类型多的特点,若按规范分类则很难提供针对性的泥石流防治建议,而若按启动模式分类则能在防治建议中对症下药。因此结合前人研究成果和此次调查分析结论,按启动模式将栾川县泥石流划分为7种类型,分别为:沟道拖拽-溃决型、沟道冲切-崩滑型、冲击液化型、坡面崩滑型、坡面冲刷-沟道启动型、尾矿溃决型及其复合型。同时,对7种类型中典型泥石流点的启动模式进行了详细分析。

栾川暴雨泥石流易发性实时动态区划

河南省栾川县是暴雨型泥石流易发地区,历史记载该县曾数次发生区域性泥石流。2007年及2010年栾川县又暴发了两次大规模泥石流灾害,全县损失惨重。为了给栾川县泥石流防灾减灾提供有效途径,结合野外泥石流调查数据及GIS技术探讨,建立了栾川暴雨型泥石流易发性实时动态区划模型。该模型系由物源积聚、径流产能及土体强度弱化等三大条件11个因子构成,通过计算易发指数和净易发指数二值,实时判别栾川县泥石流高易发区域并进行预警;因子权重通过三标度层次分析法进行赋值;因子本身划分成不同级别并按1到0进行量化。同时,结合2010年"7·24"暴雨型泥石流灾害点对模型进行了验证,结论表明,模型同时适用于坡面型泥石流和沟谷型泥石流,具有实用价值。最后基于上述模型,认为易发指数>0.216且净易发指数>0.05可作为栾川县暴雨型泥石流暴发预警警戒值。