不同雨型下泥石流松散物源体降雨入渗及衰减规律

　　摘要：降雨前后松散物源体含水率变化和衰减规律是泥石流启动机理分析和预警模型建立的重要内容。以雨量和松散物源体含水率监测为手段，以累计雨量达100 mm的4场典型降雨为例，分析了雨强、初始含水率、累计降雨量以及雨型对含水率变化过程的影响，研究了雨后土体含水率衰减趋势，建立了松散物源体含水率衰减模型。结果表明：当物源体含水率远低于松散物源体稳定持水率(26%～30%)时，含水率随雨强和累计雨量的增大而增大，并趋于正相关;但当含水率接近稳定持水率时，含水率表现为缓慢升高或降低，与雨强及累计降雨的相关性不明显;雨型对降雨入渗过程具有重要影响，双峰型降雨较单峰降雨更有利于水分入渗，峰值位于首尾部的双峰型降雨较峰值位于中后部的降雨更有利于土体含水率的攀升;雨后含水率的衰减规律近似符合指数衰减规律，日衰减系数为e-0.023d。

　　关 键 词：松散物源体; 降雨入渗; 含水率; 衰减系数; 雨强; 雨型; 泥石流

　　推荐阅读：《林业与环境科学(原：广东林业科技)》(双月刊)创刊于1985年，由广东省林学会;广东省林业科学研究院主办。

　　1 研究背景

　　含水率是反映泥石流松散物源体饱和程度的重要指标，是土力类泥石流启动的关键因素之一，对降雨入渗后的松散土体含水率变化趋势进行分析是研究泥石流启动机理和建立预警模型的可靠方法。松散土体的降雨入渗及其衰减是受地形地貌、土壤质地、降雨强度、初始含水率以及气候条件等诸多因素影响的复杂过程。

　　针对降雨入渗国内外学者对此开展了大量的研究，如Liu H采用径流平衡法分析了降雨强度和前期土壤含水率对土体入渗能力的影响[1];Hawke R M采用室内试验分析了初始含水率和降雨强度对近地表土壤渗透能力的影响[2];Rudolph A等分析了前期含水率和降雨类型对微地貌变化的响应[3];You W分析了粗颗粒土坡角及前期土壤含水率对土壤侵蚀的作用[4];Nciizah A D分析了土体封盖效应对降雨入渗率产生的影响[5]。

　　朱煦通过大型土柱降雨渗透试验[6]，分析了恒定前期降雨强度下，松散堆积体内部不同深度土体的初始含水率与基质吸力随着降雨时间的变化规律;刘目兴[7]、袁建平[8]、卫喜国等[9]分别探讨了初始含水率、降雨强度以及坡度等因子对降雨入渗规律的影响;朱伟等设计了室内降雨入渗土柱试验[10]，在初步揭示降雨入渗过程和规律的基础上，探讨了准确反映降雨入渗量的有限元计算方法;杨强等通过借助于滑坡体土体含水率实时监测技术[11]，分析了含水率对降雨的响应;马鹏辉以浅层黄土为例[12]，研究不同降雨强度下的入渗规律;陈洪凯等开展了人工降雨土柱实验[13]，对强降雨作用下的强风化泥岩的降雨入渗特性进行了研究。

　　薛凯喜等以非饱和红壤土为对象[14]，开展了降雨入渗的室内模拟试验研究;薛强以延安市宝塔山的典型黄土自然斜坡为例[15]，开展了土体含水率和降雨联合监测，分析了斜坡土体中的含水率对降雨入渗的响应;郭元军探讨了泥石流源区土体的降雨渗流特点及其与泥石流启动的关系[16]，并对现有研究存在的不足和后续研究方向进行讨论。

　　在含水率衰减规律分析方面，一些学者将含水率的衰减同泥石流灾害前期有效雨量相关联，用于计算泥石流前期有效雨量。如崔鹏根据蒋家沟降雨与含水率观测数据对前期降雨的衰减系数k进行了计算[17];韦方强在对云南蒋家沟土壤含水量和降水的观测数据分析[18]，提出了该流域前期有效降水量的计算公式。

　　上述研究取得了许多有价值的成果，但存在两方面的不足：第一，研究方法偏重于人工降雨试验，采用的降雨强度、雨型等指标与实际天然降雨形态相差大;第二，对雨后含水率衰减规律的分析和研究不多，仅限于研究程度较高的西南地区。西南地区泥石流物源体以第四系松散堆积物及破碎岩体为主，残坡积物厚度较大，一般在0.5～10 m，泥石流高发，泥石流相关机理的研究程度较高，而北京地区残坡积物较薄，一般只有20～100 cm，属于以水石流为主的低频泥石流，泥石流的研究程度较低，且未曾系统开展过类似试验和研究。基于此，本文以北京市密云区石城镇沙坨子西沟松散物源体为对象，以泥石流形成区松散物源体降雨和含水率实时监测为手段，以4场天然降雨为基础，分析了不同降雨条件下的土体含水率变化过程及衰减规律，建立了雨后土体含水率衰减模型，为泥石流预警模型的建立提供技术支持。

　　沙坨子西沟位于密云区石城镇捧河沿村，沟长0.687 km，流域面积为0.6 km2，沟道内松散物源体发育。1969年沙坨子西沟发生暴雨泥石流，冲毁两户民房，死亡4人。

　　为提高泥石流监测预警精度，在物源区布设雨量计和含水率仪各一台(图1)，对不同降雨條件下的含水率变化进行实时监测。其中，含水率传感器埋设深度为30，60，100 cm。同时，为了解松散物源体的基本物理、力学性质，对含水率监测点处松散物源体采样并开展了室内筛分、天然含水率以及渗透试验。结果表明：沙坨子西沟松散物源体主要为细粒土砂，级配良好，其土样颗粒的特征参数为d60=2.878 mm、d50=2.024 mm、d30=0.666 mm以及d10=0.088 mm。土样的不均匀系数Cu=32.657，曲率系数CC=1.751，天然含水率为5.05%(质量含水率)，密度为1.05 g/cm3，饱和入渗系数为2.003×10-4cm/s。

　　3 典型降雨雨型分析

　　降雨强度随时间的分配被称为雨型模式，不同的雨型对泥石流的爆发具有不同的影响。选取累计降雨量均超过100 mm的4场降雨(2016年7月20日、2017年6月22日、2017年7月7日以及2017年8月22日)为研究对象。借鉴前人对雨型划分依据[14]，除2017年7月7日降雨属于峰值位于前部的单峰型降雨外，其余3场降雨均为双峰型，其中2016年7月20日和2017年6月22日降雨峰值位于中部和后部，2017年8月23日降雨峰值位于前部和后部，各场降雨相关统计指标见表1和图2。

　　4 降雨入渗规律分析

　　根据北京地区历史泥石流调查成果[19-20]，大部分泥石流是浅层松散土体在降雨作用下饱和后而产生的，深度一般在20～30 cm左右。因此，本文选择埋深30 cm的传感器进行含水率变化分析。

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文章名称： 不同雨型下泥石流松散物源体降雨入渗及衰减规律

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