洪积扇地表形态对山洪水沙条件的响应及其灾害效应

The proluvial fan, as one of the most important habitats for mountain residents, can be damaged easily on surface morphology under the attack of flash floods, and as a result the souring and inundation area downstream would also be changed significantly. Thus it is hard to make a better understanding on flash flood disaster mechanism unless the relationship between flooding process and landform changes can be studied deeply. Unfortunately, previous studies paid little attention on the response and corresponding disaster effects of landform changes of proluvial fan to flash floods, especially the type of mountain torrents. Accordingly, based on extensive field investigation of disaster cases in the southwest China, this project tries to study the response characteristics of proluvial fan on scouring-silting amount, width-depth ratio of channel, slope gradient and grain composition changes to flash floods with different runoff and sediment conditions by field experiments of large-scale conceptual solid model with movable and fixed underlying surfaces. The flooding ranges and depths on different types of underlying surfaces would also be compared so as to identify the disaster effects of this response, and the interaction mechanism between landform changes and flash floods on proluvial fan can be revealed finally. The results can enrich the basic theory of disaster of flash flood and provide concrete technical support for hazard zoning and disaster management.

洪积扇是山区居民重要的聚居地，也是极易受到山洪侵扰的地区，面对极端洪水的强烈扰动，剧烈的地表形态变化会严重改变下游冲击淹没态势，因此不了解山洪过程与地表形态之间的作用关系，就难以从根本上认知山洪致灾机理。以往相关研究多针对泥石流。本项目以山洪灾害多发的西南山地为原型，通过实地调研和大比尺概念化模型试验，人造洪峰（包括溪河洪水和水石流或稀性泥石流）和沟口洪积扇，利用三维激光扫描仪、高速摄像机等工具，监测不同洪峰流量及堆土方量条件下，洪积扇沟道及漫滩区冲淤、宽深比、坡降、地表物质级配等参数的响应过程；同时对洪积扇下垫面设固定和非固定两种情景，分别测算比较洪水通过以上两种下垫面时所造成的淹没范围和深度变化，以明确洪积扇地表形态变化产生的灾害效应，最终揭示洪积扇山洪过程与地表形态之间的互作规律，并在此基础上进行洪积扇危险分区。研究结果将促进山洪灾害基础理论发展，并为相应的风险管理提供技术支撑。

本项目在多尺度危险分析，以及广泛调研国内典型山洪沟及沟口冲积扇地面物质组成、坡降等资料的基础上，开展概念化实体模型实验，研究沟口洪积扇地表形态在不同水沙条件下的响应特征及其灾害效应，并依结果进行初步的安全分区。研究认为：1）我国约占国土面积62%的地区山洪危险度较低，高危险区主要分布在我国东南片的台湾中央山脉、武夷山脉、南岭、江南丘陵等中低起伏地区，以及西南片的盆周山地、滇东横断山脉、青藏高原东南等高起伏山地，这其中以西南诸省最为严重；2）洪水推移质输沙与淹没范围存在临界现象，当推移质输沙水平较低时，洪水推移质输沙率越高，淹没范围越大；当推移质输沙达到一定水平，随着推移质输沙率增大，洪水淹没范围反而越小；3）高洪峰水平山洪确实能够对冲洪积河段，特别是弯曲河流发育河段的沟滩形态造成较大幅度的改变，直接影响下游的行洪能力和漫滩范围。试验表明，对于西南地区典型的、流域面积在十余km2的山洪（泥石流）沟，高水平洪峰（对应现实约400-500m3/s，下同）条件下，发育了典型弯曲河道（Ka约1.3，下同）的洪积扇，固定下垫面较之于非固定下垫面，淹没范围增大45%-57%，非固定下垫面沟道的顶冲段形态普遍发生剧烈变化，河道拓宽26%-33%，宽深比增加，行洪能力显著增大； 4）沟滩形态的变化除了与洪峰流量有关外，还与地表物质组成有关，粗颗粒占比越高，同流量条件下，沟道形态变化越小。试验表明，在高水平洪峰条件下，对于一个发育了典型弯曲河道的非固定下垫面洪积扇，粗颗粒比例由28%提高至59%，顶冲断沟道拓宽程度减少64%，洪水淹没范围增加约73%；5）河道凹岸一般是洪水冲刷侵蚀和泛滥的重灾区，试验条件下，距离凹岸河岸水平距离约20m的区域，均有较大的可能成灾，顶冲点下游距离河岸水平距离约50m的区域，均有较大的可能受灾；6）本研究结果表明，地表形态变化对山洪的行洪过程影响很大，这一影响应在今后的山洪预报和洪水演进模型研究中给予充分的考虑。