气候变化影响下高山区泥石流形成机制研究及展望

全球范围内高海拔或高纬度山区（以下简称高山区）,尤其高山冰川冻土急剧消退地区,广泛发育泥石流灾害。在全球气候变暖的大背景下,高山区泥石流的现实危害和潜在风险日渐凸显。与其他环境条件下泥石流过程主要由降雨激发不同,高山区泥石流的暴发多受降雨和温度条件的共同影响,其形成机制更为复杂,预测预警十分困难,因此加强高山区泥石流研究具有重要的科学价值和实践意义。通过述评近期高山区泥石流起动研究的主要进展,包括泥石流暴发与气象条件的关系,典型高山区泥石流事件成因,冰川冻土体消融破坏机制,以及冰碛土泥石流起动特征,认为未来高山区泥石流研究应加强高时空分辨率气象数据获取和物源动态变化分析研判,并从动力学机制层面进一步明晰高山区泥石流起动条件和发育过程。     

沟床起动型泥石流的10 min降雨预报模型

针对沟床起动型泥石流的诱发因素为高强度短历时的降雨,提出10 min降雨强度是这类泥石流暴发的关键。在1 h预报模型的基础上,基于云南蒋家沟的多年泥石流观测资料,修正了1 h预报模型的降雨参数,并得到了10 min降雨预报模型。10 min降雨预报模型在中国西部的其他流域,如云南浑水沟、贵州望谟县打易区域泥石流沟、四川三滩沟、四川雅安陆王沟和干溪沟、甘肃柳湾沟、甘肃马槽沟等流域的验证中,取得了较好的结果。10 min降雨预报模型是部分建立在泥石流的形成机理上的模型,并不是完全的统计模型,因此该模型也可以用于其他地区的沟床起动类型泥石流预报。     

基于沟床宽度与颗粒粒径的泥石流精细化预报模型

泥石流形成区沟床宽度和颗粒粒径对沟床起动型泥石流的发生影响很大,在强烈地震影响区内显得尤为突出,但目前的泥石流预报中还没考虑到这两个因素,无法准确预测强震区泥石流的发生.在泥石流10 min和1 h精细化预报模型基础上,通过现场调查群发泥石流事件,结合汶川地震强烈影响区泥石流的演化特点,引入了泥石流形成区沟道宽度和颗粒粒径的影响,建立了改进的精细化泥石流10 min和1 h预报模型,并在贵州望谟打易和四川德昌群发泥石流、汶川地震强烈影响区的文家沟多次泥石流事件中获得了很好的验证结果,得出泥石流形成区的颗粒粒径代表泥石流的地质因子,泥石流形成区沟床宽度代表泥石流的地形因子之一,这2个因子在泥石流发生中的作用都非常重要;改进的精细化10 min和1 h预报模型以及临界值,可以用于强烈地震区和一般的泥石流预报.      

汶川震区北川县城魏家沟暴雨泥石流灾害调查分析

2008-09-24强降雨过程导致汶川震区北川县城魏家沟泥石流暴发,对老北川县城造成了严重的破坏.由于这场泥石流灾害发生在汶川地震高烈度区,是地震与降雨共同作用下的结果,研究其形成与成灾过程,对于进一步认识强震区泥石流发育特征具有萤要的意义.根据现场调查和高分辨率航空图像解译,分析了魏家沟泥石流流域特征,特别是地震条件下的泥石流物源特征,在此基础上讨论了泥石流起动过程和堆积过程.魏家沟泥石流典型实例表明了汶川震区泥石流已进入一个新的活跃期.因此,应该开展对汶川地震区的泥石流风险评估和监测、早期预警等研究,采取有效的工程措施控制泥石流的发生和危害.     

风沙床面颗粒起动临界受力平衡模型的对比分析

风沙颗粒起动的受力平衡模型是风沙起动机制研究的重要内容。根据已有的研究成果,论述风沙颗粒起动的临界条件,介绍几种代表性模型。认为,影响自然状况下颗粒起动过程的因素是复杂的,尽管对主要影响因素的作用还未获得深入的认识,但是已提出的风沙颗粒起动的受力平衡模型对于认识风沙起动过程和机理具有重要的指导和启发作用,然而这些模型往往包含了较多的简化、假设以及有待于通过实验测定的系数,所以,不能够在实践中直接应用。而且,这些模型都是在特定的条件下得出来的,其应用范围具有局限性。有鉴于此,关于风沙颗粒起动的机制研究仍有较多的创新空间。     

表面流湿地沉积物再悬浮及其对湿地净化效果的影响

选取典型表面流人工湿地——盐龙湖人工湿地为研究对象,通过对沉积物理化性质分析,湿地系统水动力模拟,风场与悬浮物(SS)再悬浮浓度关系的拟合及全年再悬浮对湿地净化效果的影响估算,探索表面流湿地沉积物在动力条件下的再悬浮特征及此过程中营养物质的再悬浮量.结果显示:0.3～0.5 m水深沉积物的理论起动流速在18.54～22.62cm/s之间,模拟得到湿地运行过程中水体流速最大值为1.62 cm/s,会远小于理论起动流速值,因此湿地内部流动产生的底部扰动难以形成湿地底泥的大规模再悬浮现象.但湿地内部仍存在一定的底泥再悬浮效应,风场扰动是主要影响因素,风场作用受植物影响显著,萌发期(3-4月)和收割期(11月-次年2月)再悬浮贡献量大于生长期(5-8月)与成熟期(9-10月),并且当风速4 m/s时再悬浮浓度明显增加.再悬浮浓度与运行水深也有关,0.3 m水深SS再悬浮浓度分别高出0.4 m和0.5 m水深12.48%和18.67%;高锰酸盐指数(CODMn)分别高出12.61%和19.52%;总氮(TN)分别高出248.12%和341.94%;总磷(TP)分别高出35.53%和43.48%.全年SS、CODMn、TN和TP再悬浮量分别达到2.8、0.47、0.15和0.011 kg/m2.     

波浪作用下细颗粒泥沙起动试验研究

长江口北槽中下段滩面泥沙以粉砂和极细砂为主,在风浪条件下极易起动,形成近底高浓度含沙层,成为航道淤积的重要泥沙来源。采用长江口北槽中下段滩面现场泥沙,进行了波浪作用下泥沙的起动试验研究。试验结果表明:相同水深条件下,波浪周期越长,泥沙的起动波高越小;相同波浪周期条件下,水深越大,泥沙起动波高越大;对于自然密实1天的泥沙,波浪作用下的起动临界剪切力平均约为0.325 N/m2。本次试验结果和已有的波浪起动公式计算结果以及已有的试验结果进行了比较分析,结果均比较一致。     

松性土新开挖河道动床冲刷模型设计方法

指出原状土与散粒体的起动流速、输沙率存在明显的差异,这使得新开挖河道动床冲刷模型设计方法与天然河道动床模型设计方法有所区别,也复杂得多。提出了新开挖河道动床冲刷模型的设计思想和设计方法,泰州引江河道动床冲刷模型论证了该方法的正确性,并认为该方法具有普遍意义。     

冰塞水冰块起动分析

对冰塞下冰块临界起动条件进行了分析研究,指出了过去研究的缺陷是与实际情况吻合较差以及计算公式构造不合理有关。根据有关理论分析与推导,提出了冰塞下冰块临界劝计算公式应具有的合理形式。并就部分因子进行了试验研究,研究结果表明,在不考虑ｔｂ／Ｌ和ｎｉ／ｎｂ变化的情况下,冰塞下冰块起动流速和泥沙起动流速的计算公式具有相同的形式。     

桩周局部冲刷三维数值模拟

用数值模拟手段研究桩周冲刷越来越引起人们的重视.基于OpenFOAM开源CFD软件,采用VOF方法处理自由水面,通过动网格技术考虑床面地形随时间的变化,构建起桩周局部冲刷的动态三维数学模型.其中,通过改进沙滑模型以修正当生成的剖面坡度超过泥沙休止角时造成的模拟失真,同时克服数值计算的不稳定性.计算结果和水槽实验资料对比分析,二者符合较好.