不同雨型下泥石流松散物源體降雨入滲及衰減規(guī)律

翟淑花 冒建 安立偉 高謙 熊春華

摘要：降雨前后松散物源體含水率變化和衰減規(guī)律是泥石流啟動(dòng)機(jī)理分析和預(yù)警模型建立的重要內(nèi)容。以雨量和松散物源體含水率監(jiān)測(cè)為手段，以累計(jì)雨量達(dá)100 mm的4場(chǎng)典型降雨為例，分析了雨強(qiáng)、初始含水率、累計(jì)降雨量以及雨型對(duì)含水率變化過(guò)程的影響，研究了雨后土體含水率衰減趨勢(shì)，建立了松散物源體含水率衰減模型。結(jié)果表明：當(dāng)物源體含水率遠(yuǎn)低于松散物源體穩(wěn)定持水率（26%～30%）時(shí)，含水率隨雨強(qiáng)和累計(jì)雨量的增大而增大，并趨于正相關(guān);但當(dāng)含水率接近穩(wěn)定持水率時(shí)，含水率表現(xiàn)為緩慢升高或降低，與雨強(qiáng)及累計(jì)降雨的相關(guān)性不明顯;雨型對(duì)降雨入滲過(guò)程具有重要影響，雙峰型降雨較單峰降雨更有利于水分入滲，峰值位于首尾部的雙峰型降雨較峰值位于中后部的降雨更有利于土體含水率的攀升;雨后含水率的衰減規(guī)律近似符合指數(shù)衰減規(guī)律，日衰減系數(shù)為e-0.023d。

關(guān) 鍵 詞：松散物源體; 降雨入滲; 含水率; 衰減系數(shù); 雨強(qiáng); 雨型; 泥石流

1 研究背景

含水率是反映泥石流松散物源體飽和程度的重要指標(biāo)，是土力類(lèi)泥石流啟動(dòng)的關(guān)鍵因素之一，對(duì)降雨入滲后的松散土體含水率變化趨勢(shì)進(jìn)行分析是研究泥石流啟動(dòng)機(jī)理和建立預(yù)警模型的可靠方法。松散土體的降雨入滲及其衰減是受地形地貌、土壤質(zhì)地、降雨強(qiáng)度、初始含水率以及氣候條件等諸多因素影響的復(fù)雜過(guò)程。針對(duì)降雨入滲國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量的研究，如Liu H采用徑流平衡法分析了降雨強(qiáng)度和前期土壤含水率對(duì)土體入滲能力的影響[1];Hawke R M采用室內(nèi)試驗(yàn)分析了初始含水率和降雨強(qiáng)度對(duì)近地表土壤滲透能力的影響[2];Rudolph A等分析了前期含水率和降雨類(lèi)型對(duì)微地貌變化的響應(yīng)[3];You W分析了粗顆粒土坡角及前期土壤含水率對(duì)土壤侵蝕的作用[4];Nciizah A D分析了土體封蓋效應(yīng)對(duì)降雨入滲率產(chǎn)生的影響[5]。朱煦通過(guò)大型土柱降雨滲透試驗(yàn)[6]，分析了恒定前期降雨強(qiáng)度下，松散堆積體內(nèi)部不同深度土體的初始含水率與基質(zhì)吸力隨著降雨時(shí)間的變化規(guī)律;劉目興[7]、袁建平[8]、衛(wèi)喜國(guó)等[9]分別探討了初始含水率、降雨強(qiáng)度以及坡度等因子對(duì)降雨入滲規(guī)律的影響;朱偉等設(shè)計(jì)了室內(nèi)降雨入滲土柱試驗(yàn)[10]，在初步揭示降雨入滲過(guò)程和規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討了準(zhǔn)確反映降雨入滲量的有限元計(jì)算方法;楊強(qiáng)等通過(guò)借助于滑坡體土體含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[11]，分析了含水率對(duì)降雨的響應(yīng);馬鵬輝以淺層黃土為例[12]，研究不同降雨強(qiáng)度下的入滲規(guī)律;陳洪凱等開(kāi)展了人工降雨土柱實(shí)驗(yàn)[13]，對(duì)強(qiáng)降雨作用下的強(qiáng)風(fēng)化泥巖的降雨入滲特性進(jìn)行了研究。薛凱喜等以非飽和紅壤土為對(duì)象[14]，開(kāi)展了降雨入滲的室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究;薛強(qiáng)以延安市寶塔山的典型黃土自然斜坡為例[15]，開(kāi)展了土體含水率和降雨聯(lián)合監(jiān)測(cè)，分析了斜坡土體中的含水率對(duì)降雨入滲的響應(yīng);郭元軍探討了泥石流源區(qū)土體的降雨滲流特點(diǎn)及其與泥石流啟動(dòng)的關(guān)系[16]，并對(duì)現(xiàn)有研究存在的不足和后續(xù)研究方向進(jìn)行討論。在含水率衰減規(guī)律分析方面，一些學(xué)者將含水率的衰減同泥石流災(zāi)害前期有效雨量相關(guān)聯(lián)，用于計(jì)算泥石流前期有效雨量。如崔鵬根據(jù)蔣家溝降雨與含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前期降雨的衰減系數(shù)k進(jìn)行了計(jì)算[17];韋方強(qiáng)在對(duì)云南蔣家溝土壤含水量和降水的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析[18]，提出了該流域前期有效降水量的計(jì)算公式。

上述研究取得了許多有價(jià)值的成果，但存在兩方面的不足：第一，研究方法偏重于人工降雨試驗(yàn)，采用的降雨強(qiáng)度、雨型等指標(biāo)與實(shí)際天然降雨形態(tài)相差大;第二，對(duì)雨后含水率衰減規(guī)律的分析和研究不多，僅限于研究程度較高的西南地區(qū)。西南地區(qū)泥石流物源體以第四系松散堆積物及破碎巖體為主，殘坡積物厚度較大，一般在0.5～10 m，泥石流高發(fā)，泥石流相關(guān)機(jī)理的研究程度較高，而北京地區(qū)殘坡積物較薄，一般只有20～100 cm，屬于以水石流為主的低頻泥石流，泥石流的研究程度較低，且未曾系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)類(lèi)似試驗(yàn)和研究?；诖?，本文以北京市密云區(qū)石城鎮(zhèn)沙坨子西溝松散物源體為對(duì)象，以泥石流形成區(qū)松散物源體降雨和含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為手段，以4場(chǎng)天然降雨為基礎(chǔ)，分析了不同降雨條件下的土體含水率變化過(guò)程及衰減規(guī)律，建立了雨后土體含水率衰減模型，為泥石流預(yù)警模型的建立提供技術(shù)支持。

沙坨子西溝位于密云區(qū)石城鎮(zhèn)捧河沿村，溝長(zhǎng)0.687 km，流域面積為0.6 km2，溝道內(nèi)松散物源體發(fā)育。1969年沙坨子西溝發(fā)生暴雨泥石流，沖毀兩戶民房，死亡4人。

為提高泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警精度，在物源區(qū)布設(shè)雨量計(jì)和含水率儀各一臺(tái)（圖1），對(duì)不同降雨條件下的含水率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，含水率傳感器埋設(shè)深度為30，60，100 cm。同時(shí)，為了解松散物源體的基本物理、力學(xué)性質(zhì)，對(duì)含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)處松散物源體采樣并開(kāi)展了室內(nèi)篩分、天然含水率以及滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明：沙坨子西溝松散物源體主要為細(xì)粒土砂，級(jí)配良好，其土樣顆粒的特征參數(shù)為d60=2.878 mm、d50=2.024 mm、d30=0.666 mm以及d10=0.088 mm。土樣的不均勻系數(shù)Cu=32.657，曲率系數(shù)CC=1.751，天然含水率為5.05%（質(zhì)量含水率），密度為1.05 g/cm3，飽和入滲系數(shù)為2.003×10-4cm/s。

3 典型降雨雨型分析

降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的分配被稱(chēng)為雨型模式，不同的雨型對(duì)泥石流的爆發(fā)具有不同的影響。選取累計(jì)降雨量均超過(guò)100 mm的4場(chǎng)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）為研究對(duì)象。借鑒前人對(duì)雨型劃分依據(jù)[14]，除2017年7月7日降雨屬于峰值位于前部的單峰型降雨外，其余3場(chǎng)降雨均為雙峰型，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，各場(chǎng)降雨相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1和圖2。

4 降雨入滲規(guī)律分析

根據(jù)北京地區(qū)歷史泥石流調(diào)查成果[19-20]，大部分泥石流是淺層松散土體在降雨作用下飽和后而產(chǎn)生的，深度一般在20～30 cm左右。因此，本文選擇埋深30 cm的傳感器進(jìn)行含水率變化分析。

4.1 雨強(qiáng)、初始含水率對(duì)入滲的影響

從含水率對(duì)降雨的反應(yīng)來(lái)看，初始含水率較低（13%左右）時(shí)，初始降雨不能觸發(fā)30 cm處松散物源體含水率即刻變化，如2016年7月20日和2017年6月22日的降雨分別在歷時(shí)21 h和16 h后才下滲至30 cm處松散土體。而當(dāng)初始含水率較高（19%左右）時(shí)，由于土體中前期降雨的存在，土體含水率對(duì)降雨的響應(yīng)較為靈敏，降雨后含水率立刻發(fā)生變化。

從含水率隨雨強(qiáng)的變化趨勢(shì)看，入滲初期由于土體較干燥，土體的入滲能力大于降雨強(qiáng)度，雨水全部入滲，此時(shí)的入滲率為降雨強(qiáng)度，含水率隨降雨強(qiáng)度的增加而增大。如2016年7月20日最大降雨強(qiáng)度為20 mm/h時(shí)，含水率最大增長(zhǎng)速度5.83%/h，2017年6月22日最大降雨強(qiáng)度達(dá)13.3 mm/h時(shí)，含水率最大增長(zhǎng)速度為4.87%/h。隨著降雨的持續(xù)，含水率梯度不斷減小，入滲率不斷降低，含水率表現(xiàn)為近似均勻的緩慢增長(zhǎng)或降低（見(jiàn)圖3）。圖3（a）中含水率達(dá)到最大值30.06%后，隨小雨強(qiáng)降雨的持續(xù)，含水率變化率從-0.21%/h降低為-0.53%/h。圖3（b）中當(dāng)含水率水平達(dá)到27%～28%時(shí)，含水率的增長(zhǎng)速率僅為0.172%/h～0.284%/h。圖3（c）和圖3（d）也具有出相同的趨勢(shì)。

從含水率的變化速率圖可以分析土體的入滲率的變化，當(dāng)降雨強(qiáng)度小于土體入滲能力時(shí)，入滲率隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，含水率變化曲線表現(xiàn)為與雨強(qiáng)正相關(guān)的斜線。當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)土壤的入滲能力時(shí)，坡面產(chǎn)生積水或地表徑流，此時(shí)的入滲率為土體的飽和入滲系數(shù)，含水率變化曲線表現(xiàn)為一直線。如圖4中2017年7月7日的降雨，小時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到37.3 mm時(shí)，土體含水率呈勻速變化，變化率均為1.689%/h，遠(yuǎn)低于小時(shí)雨強(qiáng)為20 mm/h時(shí)含水率5.83%/h的變化率，說(shuō)明此時(shí)地表已經(jīng)產(chǎn)生了積水或徑流，入滲率為接近飽和入滲系數(shù)而遠(yuǎn)小于雨強(qiáng)。

4.2 累計(jì)降雨、初始含水率對(duì)入滲的影響

從土體含水率對(duì)降雨的反應(yīng)來(lái)看，初始含水率較低情況下（圖5中（a）為13.4%，（b）為13.9%），累計(jì)降雨分別達(dá)到40 mm和30 mm時(shí)，30 cm處含水率才發(fā)生變化。即初始含水率越低，引起30 cm處含水率發(fā)生變化所需的累計(jì)雨量越大。而當(dāng)初始含水率較高（圖5（c）為19.86% ，（d）初始含水率23.4%）時(shí)，含水率對(duì)累計(jì)降雨的反應(yīng)是即刻的。

從含水率的增長(zhǎng)速率來(lái)看，初始含水率低時(shí)，土體中的水勢(shì)也低，土體吸收水分的作用力較強(qiáng)，含水率升高速率快;相反，當(dāng)初始含水率較高時(shí)，土體對(duì)水分的吸收力低，含水率升速慢。如圖5（b）和（c）累計(jì)雨量均為128 mm，（b）中含水率從13.9%升至27.56%時(shí)，增幅為13.66%，而（c）中含水率由19.86%增至26.5%，增幅僅為6.64%。

從含水率的總體變化趨勢(shì)來(lái)看，當(dāng)含水率遠(yuǎn)小于穩(wěn)定持水率（26%～30%）時(shí)，土體含水率隨累計(jì)雨量的增大而增加，當(dāng)接近穩(wěn)定持水率時(shí)，隨累計(jì)雨量的增加，含水率呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)或微弱降低趨勢(shì)。

4.3 雨型對(duì)入滲的影響

從含水率的最大值和最終值來(lái)看（表2），相對(duì)于雙峰降雨雨型，單峰降雨對(duì)于含水率的影響相對(duì)較小，最大含水率為27.19%。對(duì)3種雙峰降雨而言，在排除累計(jì)降雨影響的基礎(chǔ)上，短歷時(shí)且降雨峰值位于首尾部的雙峰降雨（2017年8月22日）對(duì)含水率的影響較大，由于該種類(lèi)型的降雨前端經(jīng)歷了高強(qiáng)度降雨，土壤含水率迅速升高，中期經(jīng)歷的較低強(qiáng)度的降雨會(huì)使土中水分在緩慢入滲中自我調(diào)節(jié)達(dá)到平衡，后期高強(qiáng)度的降雨將會(huì)使含水率繼續(xù)上升。而峰值處于中后部的雙峰降雨（2016年7月20日和2017年6月22日）則由于高強(qiáng)度降雨集中在中后期，土體中水分來(lái)不及消散和運(yùn)移，含水率達(dá)到穩(wěn)定持水率之后很難再升高。

5 雨后含水率衰減規(guī)律分析

降雨過(guò)后含水率的衰減規(guī)律與前期有效雨量的衰減具有一定的相似性。因此，繪制了4場(chǎng)典型降雨后松散物源體含水率衰減曲線（圖6）。采用非線性回歸法獲得各場(chǎng)降雨后土體含水率隨時(shí)間衰減的函數(shù)表達(dá)式。結(jié)果表明：4場(chǎng)降雨后含水率衰減均可用指數(shù)函數(shù)近似表達(dá)，小時(shí)衰減系數(shù)分別為e-9.12×10-4h，e-7.10×10-4h，e-8.76×10-4h，e-10×10-4h，換算為日衰減系數(shù)分別為e-0.022 d，e-0.017 d，e-0.021 d，e-0.026 d。且4場(chǎng)不同降雨模式下的土體含水率衰減系數(shù)基本相同，取其平均值作為日衰減系數(shù)，則含水率7 d內(nèi)衰減系數(shù)分別為0.98，0.96，0.94，0.92，0.90，0.88，0.86，0.84。由此可知，北京地區(qū)汛期含水率的衰減過(guò)程是緩慢的，含水率由25%衰減至13%大約需要21 d，該結(jié)論對(duì)于計(jì)算北京地區(qū)泥石流預(yù)警模型中前期有效雨量具有積極的指導(dǎo)意義。

6 結(jié) 論

（1） 沙坨子西溝松散物源體穩(wěn)定持水率在26%～30%，當(dāng)含水率遠(yuǎn)低于土體穩(wěn)定持水率時(shí)，含水率隨雨強(qiáng)和累計(jì)雨量的增大而增大，并趨于正相關(guān);但當(dāng)含水率接近穩(wěn)定持水率時(shí)，含水率表現(xiàn)為緩慢升高或降低，與雨強(qiáng)及累計(jì)降雨的相關(guān)性不明顯。

（2） 初始含水率的高低決定了土體含水率對(duì)降雨反應(yīng)的敏銳程度。當(dāng)初始含水率在13%左右時(shí)，大約需要30～40 mm的累計(jì)降雨，30 cm處含水率才會(huì)發(fā)生變化。而當(dāng)初始含水率在19%左右時(shí)，稍有降雨含水率即刻產(chǎn)生變化。

（3） 當(dāng)降雨強(qiáng)度超過(guò)土壤的入滲能力時(shí)，坡面將產(chǎn)生積水或地表徑流，入滲率為土體的飽和入滲系數(shù)，含水率變化曲線表現(xiàn)為一直線。此時(shí)應(yīng)密切關(guān)注后續(xù)降雨和含水率變化，及時(shí)發(fā)出預(yù)警。

（4） 雨型也是影響土體含水率變化的重要因素，雙峰型降雨較單峰降雨更有利于水分入滲，峰值位于首尾部的雙峰型降雨較峰值位于中后部的降雨更有利于土體含水率的上升。

（5） 雨后土體含水率的衰減規(guī)律具體較好的一致性，符合指數(shù)衰減規(guī)律，日衰減系數(shù)為e-0.23 d，在無(wú)后續(xù)降雨的情況下，含水率由25%衰減為13%，大約需要21 d，為泥石流前期有效雨量的計(jì)算提供了參考。

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（編輯：劉 媛）