震后泥石流的侵蚀-堆积演化特征研究

In the last decade, debris flow hazards occurred frequently in the Wenchuan earthquake stricken zone, and caused seriously causalities and economic losses, due to extremely abundant debris materials generated during the earthquake. In the preliminary study, it is found that the debris materials are mainly transported out the valley by debris flows under rainfall, and such phenomena will last several decades. Therefore, it is very urgent to study the erosion-deposition evolution of post-seismic debris flows to provide scientific guidelines for prevention and mitigation of debris flow hazards. In this project, with the help of diffusion theory, a soil-water mixing model based on the depth-integrated particle method is developed to evaluate the erosion-deposition evolution of debris flows. Meantime, a relationship between the bottom shear stress and the sediment volume concentration is determined. Interpreting high-resolution satellite images and analyzing the distribution characteristics of source materials prior to disaster is prepared for predicting the occurrence of debris flows. Regarding rainfall as a main triggering factor, we adopt the proposed numerical model to study the initiation-transportation-deposition characteristics. Then the numerical results are compared with the satellite image and flied investigation to reveal the motion mechanism of debris flows. The erosion-deposition evolution of post-seismic debris flows is quantitatively evaluated to provide scientific guidelines for efficient prevention and mitigation of debris flows in the Wenchuan earthquake stricken zone.

近10年来，由于汶川地震产生的大量碎屑物为震后泥石流的发生提供了丰富的物源，汶川震区泥石流高发并造成了惨重的人员伤亡和经济损失。初步研究发现，地震产生的碎屑物主要在降雨作用下以泥石流的方式被带出沟谷，而且这个现象将持续几十年。因此，研究泥石流的侵蚀-堆积演化特征为有效预防和减灾提供科学依据显得十分迫切。在本项目中，基于深度积分粒子法，引入扩散理论构建土-水混合模型，明确泥石流基底剪切力和固体体积浓度的关系，为评价泥石流的侵蚀-堆积演化特征建立一个简单实用的数值方法。解译高清的卫星影像图并分析泥石流灾前的物源分布特征，为泥石流的预测评价奠定基础。将降雨作为主要诱发因素，采用建立的数值方法，研究泥石流的起动-运移-堆积特征。将数值分析结果与高清卫星影像图和野外观测数据对比，以揭示泥石流的运动机理。定量评价震后泥石流的侵蚀-堆积演化特征，为汶川震区泥石流的有效预测预防和减灾提供科学依据。

由于汶川地震产生的大量碎屑物为震后泥石流的发生提供了丰富的物源，汶川震区泥石流高发并造成了惨重的人员伤亡和经济损失。初步研究发现，地震产生的碎屑物主要在降雨作用下以泥石流的方式被带出沟谷，而且这个现象将持续几十年。因此，研究泥石流的侵蚀-堆积演化特征为有效预防和减灾提供科学依据显得十分迫切。在本项目中，基于深度积分粒子法，引入扩散理论构建土-水混合模型，明确泥石流基底剪切力和固体体积浓度的关系，为评价泥石流的侵蚀-堆积演化特征建立一个简单实用的数值方法。解译高清的卫星影像图并分析泥石流灾前的物源分布特征，为泥石流的预测评价奠定基础。将降雨作为主要诱发因素，采用建立的数值方法，研究泥石流的起动-运移-堆积特征。研究发现：降雨和扩散系数主要影响着同震堆积物及震后泥石流的体积演化，相对堆积厚度控制着其演化形态；体积演化与面积演化最大可差12%，即通过同震堆积物覆盖面积的演化特征评价震后泥石流的活动性有可能造成较大误差；同震堆积物出现了从斜坡到沟道再到沟外的多步演化机制；沟道窄化与堆积体溃坝增大了堆积物的搬运能力，年均堆积物搬运能力在0.6-8.5×105 m3；受堆积物时空演化机制的影响，震后泥石流的体积随着同震堆积物体积的减小呈波动性下降；同震堆积物的时空演化很大程度上依赖于堆积物的分布特征及局地气候特征，约需要2-80年可输出所有的堆积物。本项目的研究结果可为汶川震区泥石流的有效预测预防和减灾提供科学依据。