泥石流源地坡面土体活动随机性规律实验

郭晓军，李 泳，崔 鹏

1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041 2.中国科学院大学，北京 100049

泥石流源地坡面土体活动随机性规律实验

郭晓军1，2，李 泳1，崔 鹏1

1.中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室/中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，成都 610041 2.中国科学院大学，北京 100049

坡面土体的崩塌活动是泥石流形成的初始过程。为了研究降雨条件下该过程中蕴含的随机性，选择典型泥石流源地坡面进行人工降雨实验，观测坡面径流和坡面土体活动特征。结果表明：坡面径流的产生与坡面土体的供给是2个相对独立的过程；坡面产流过程在时间上具有连续性，空间上具有均匀性，规模上具有稳定性；即使是在恒定的降雨强度条件下，泥石流的源地土体活动也表现为一个离散的土体崩塌序列，具有时间上的间歇性、空间上的聚集性、规模上的随机性，且在时间上服从泊松分布，在规模上服从规模－频率的幂率关系；坡面的水土过程是不完全同步的，泥石流的形成依赖于坡面土体补给的时间、空间和规模分布，这也决定了泥石流阵流的多变和流量的涨落。建立基于土体活动特征的随机性补给模型，结合分布式水文模型，是建立科学的泥石流预报模型的有效方法。

泥石流源地；土体活动；产流；泥石流阵流

0 引言

流域泥石流的形成往往取决于流域源地的产流和产沙过程，特别是土力类（坡面）泥石流，其物质补给主要来自源地的崩塌、滑坡等坡面活动［1］，因而源地的水、土过程决定着流域泥石流的形成过程。关于降雨过程中固体物质的补给方面，目前国内外研究［2－8］多从土体失稳的力学变化出发，通过观测降雨与土体表面位移、土体内部的孔隙水含量和孔隙水压力等变化，从应力应变关系角度揭示土体破坏的机理；这些研究从微观上确立了一定的土体活动的临界条件，但强调的都是单点（滑坡、崩塌）土体破坏的确定性机理。而在目前的泥石流流量计算方法中，Mizuyama等［9］和 Rickenmann［10］通过泥石流的土体供给或通过地貌因子分析来进行评估；常用的配方法［11－16］则是在洪水流量的基础上计算泥石流流量，其原理是在洪水峰值流量的基础上配以放大系数计算泥石流峰值流量。这些方法的基本特征是，泥石流的形成过程被视为确定性的伴随水文产汇流过程的坡面或者沟道固体物质的输运过程，因此泥石流规模间接取决于降水量或者洪水流量。

根据在泥石流发生源地的跟踪考察可知：泥石流物源补给来自不同的分支，各分支的物源补给在时间和空间上不一定是连续和均匀的，因而物质供给的中断或汇流的延时造成泥石流的时间间歇，这是泥石流形成阵流的原因；同时，即使在同一场次降雨过程中，各次阵流的性质和流态都各不相同，流量和总量甚至相差3个数量级。这些剧烈的变化特征难以用相对平稳的流域水文过程来解释，也是雨洪法等传统计算方法难以模拟的。

针对这一现状，笔者通过泥石流源地人工降雨实验考察坡面的径流产生和土体活动过程，重点揭示坡面土体补给泥石流的随机性，并结合水、土过程的联系与区别，揭示泥石流形成过程中的不确定性，以期为泥石流形成过程和流量计算研究做出贡献。

1 实验

1.1 实验场和实验装置

研究区域选择在2008年5月12日Ms8.0级汶川地震的震中汶川县映秀镇牛圈沟（图1）。牛圈沟流域面积约为10.5km2，位于映秀镇南侧，距离映秀镇约500m。地震造成牛圈沟以及附近流域内崩塌、滑坡大面积分布，因此该区近几年发生过多场泥石流。根据以往野外考察［17－20］，泥石流多为黏性泥石流，容重为1.80～2.10g/cm3，规模达（20～120）×104m3。

根据降雨资料和泥石流暴发资料统计，牛圈沟及附近流域的最近几次泥石流诱发降雨强度为17.8～81.5mm/h（表1），且泥石流暴发时的降雨峰值持续时间不超过40min。

实验坡面（图1）位于牛圈沟右侧的一条泥石流支沟，实验场宽约8m，高约4m，坡度约30°，坡面土体为花岗岩风化形成，颗粒级配见表2。

人工降雨设备包括1个抽水泵、1个分水箱和2个人工降雨器。实验中，利用抽水泵将河水抽至分水箱，利用分水箱保持2个降雨器水压平衡，通过降雨器喷头型号来控制降雨强度。实验分别设计18，25，35，45，70和80mm/h 6组降雨强度，实验编号分别计为T-1—T-6，降雨持续时间为40min。实验中观测人工降雨条件下的坡面土体坍塌情况，重点统计崩塌规模、崩塌时间与崩塌位置等参数，同时利用摄像机拍摄坡面变化过程，便于实验室内整理校对数据。

1.2 数据读取与处理

在实验室根据录像读取数据，包括坡面土体活动的时间、位置和规模，以及坡面产流现象和过程。时间可以从视频中直接读取；以1m×1m网格覆盖影像，以坐标形式读取坡面土体活动的位置，并估算其规模，本文崩塌体规模以10－3m3为单位。对于规模较大的崩塌，实验人员在野外试验现场记录其崩塌时间和面积、厚度等以辅助室内视频阅读分析。另外，在土体中不同深度布设土壤含水量仪器以实时关注降雨条件下崩塌发生时土体的含水量，在坡脚处保持天然坡度人造一条沟道，布设钢尺以观测形成的水流深度和泥石流泥深，用以估算清水和泥石流流量。

2 坡面水土活动的时空特征

2.1 坡面水土活动过程

实验中，崩塌活动主要以3种形式呈现：1）坡面物质在雨滴的冲击下发生小规模垮塌，这种方式在各组实验中都大量存在；2）地表径流对坡面的持续冲刷形成细沟，导致细沟两侧产生连续的固体物质供给，随水流进入沟道形成泥石流；3）由于降雨持续入渗导致土体抗剪强度降低，从而发生大规模土体滑动，在实验中，这种现象只发生在降雨强度为70和80mm/h 2组实验中。

坡面土体活动过程表现为一系列不同规模的土体崩塌序列。以T-5实验（降雨强度为70mm/h）为例，坡面土体崩塌过程如图2。

图1 牛圈沟实验坡面Fig.1 Experiment site in Niujuangou

表1 映秀镇附近部分激发泥石流的降雨条件与泥石流性质Table 1 Brief facts about debris flows in the study area

表2 坡面土体的颗粒级配Table 2 Grain size distribution of slope soil

图2 T-5实验中土体崩塌序列Fig.2 Collapses series in T-5

土体崩塌的位置分布见图3，根据1m×1m网格赋以崩塌位置坐标。T-5中，崩塌总次数为171次，崩塌时间间隔为0.0s到几十秒，平均为15.8 s，并且多次崩塌同时发生在不同位置。从实验过程来看，土体活动有2个崩塌集中段，即第174秒—第840秒（D1段）和第1 729秒—第1 764秒（D2段）。

D1时间段，崩塌集中于位置A（图3b），平均间隔时间为9.3s。崩塌规模大小相间，涨落为（3～500）×10－3m3。从第870秒开始，位置A的崩塌间隔时间逐渐增长，说明稳定性逐渐变强；至第1 107秒，位置A达到稳定，从此再未发生过崩塌（图4）。

第1 107秒之后，整个坡面的崩塌情况较为分散，多个位置相间发生崩塌，平均间隔时间为18.3 s，崩塌规模较小。最大间隔时间出现在第1 535秒之后，时间间隔为71.0s，整个坡面各个位置同时达到短暂的稳定。

D2时间段，坡面位置B和C再次交替出现大规模崩塌，在不到60s的时间内，连续出现超过50×10－3m3的崩塌体，累积量超过600×10－3m3。在D2时间段内，这2个位置是坡面土体的主要供给源（图5）。

第1 734秒之后，随着位置B和C稳定性逐渐变强，整个坡面的崩塌频率逐渐减小，时间间隔明显加大，多次出现30.0s以上的时间间隔，其中2次时间间隔超过50.0s，分别为50.3s和67.1s，直至实验结束。

其他各组实验现象与T-5基本相似，崩塌频率和规模有所不同，见表3。

图3 T-5实验中崩塌位置分布和较大崩塌分布Fig.3 Collapse locations and big collapses in T-5

图4 位置A崩塌序列图Fig.4 Collapse series on location A

图5 位置B和C崩塌序列及其对全坡面崩塌规模的贡献Fig.5 Collapse series on location B，C and the whole slope

T-5实验中：从第150秒开始，坡面个别地区有地表径流产生；自第530秒开始，全坡面有明显的坡面地表径流产生，并在个别区域有细沟产生，下游沟道内水流流量达到稳定，约为1.3×10－4m3/s。除了T-1和T-2之外，其他各组实验中坡面产流现象类似，区别在于产流时间、流量不同。各组实验具体产流参数见表4。

表3 各组实验中崩塌数据统计（部分）Table 3 Part of information of collapses statistics from the experiments

表4 各组实验具体产流参数Table 4 Runoff yield phenomenon in experiments

2.2 坡面土体活动的随机性特征

从实验现象来看，与坡面产流相比，坡面的土体活动有以下特点。

1）时间的间歇性。自坡面上某一点开始产流之后，该点的产流是连续的。如T-5实验中，在位置A，从第150秒产流开始，坡脚有连续的水流出现，并且随后有细沟产生，径流连续而稳定，直至实验结束。而崩塌体的发生之间具有一定的时间间隔，量级为几秒到数十秒，并且在某些特定时间段内崩塌相对频繁，而在其他时间段内时间间隔较长（图1，图5），如T-5实验中，D1和D2段内崩塌平均时间间隔远小于其他时间段，说明在降雨过程中，坡面固体物质的供给是不连续的。

从实验数据来看，每组实验中的时间间隔序列都是一个泊松过程，且累计分布服从指数分布：

其中：P（t）为小于时间间隔t的累积概率；C为系数；k1为指数。各组实验的崩塌时间间隔分布见图6，参数见表5。

表5 各组实验中崩塌体的时间间隔分布参数Table 5 Distribution parameters of time interval of collapse

2）空间的聚集性。在降雨强度超过入渗强度的3组实验中，随着坡面土体发生变化，虽然会有细沟产生，但总体来说，产流在空间上是相对均匀的，尤其是在降雨强度为70和80mm/h的实验中，坡面漫流非常明显。而即使是在同一雨强下，坡面上的崩塌体主要在1至数个位置集中发生（图3），如在T-5实验中，A、B、C 3个位置贡献了总崩塌规模的大部分（图5），说明降雨过程中，泥石流中固体物质的来源具有聚集性。

3）规模的涨落性。从下游的沟道测流结果来看，坡面流量相对稳定；而崩塌体的规模具有不均匀性，涨落可达2个量级（（1～500）×10－3m3），具有极强的随机性（图1，图4）。每组实验中的崩塌规模都符合P-M曲线（式（2），图7），参数见表6。

其中：P（M）为小于某一规模M的累积概率；k2为系数；n为指数。

图6 各组实验中崩塌体的时间间隔分布Fig.6 Distribution of time interval of collapse

图7 各组实验中崩塌体的规模分布Fig.7 Distribution of magnitude of collapses

表6 各组实验中崩塌体的规模－频率分布参数Table 6 Parameters of magnitude distribution of collapses

2.3 对沟道泥石流形成的影响

土体崩塌与径流的耦合，在沟谷形成泥石流。实验发现，由于坡面径流是恒定的，因此泥石流的形成过程主要依赖于崩塌的时空特征和规模涨落。坡面土体物质垮塌的3种形式对沟道内泥石流的形成影响不同：

1）小规模崩塌。实验中，规模小于10×10－3m3的崩塌体基本上以单个块体落入沟道，这些固体物质中黏粒含量较少，基本上不会被水流带走形成泥石流，即不参与泥石流活动。

2）中等规模崩塌。这类崩塌体的产生与坡面径流关系密切，规模集中于（20～70）×10－3m3。由于坡面的不均匀性，坡面径流的产生容易形成细沟侵蚀，进而造成细沟两侧土体失稳，由于这部分固体物质中水量充分，液化程度高，因此一经进入沟道就即刻形成泥石流汇向沟口。T-5实验中13次泥石流中有10次都是由该种形式产生。

3）大规模崩塌。在实验中，当一次崩塌规模超过100×10－3m3时，固体物质将堵塞河道，在随后的某一时刻溃决形成泥石流。该类泥石流一般规模较大，而且泥石流的形成相对土体崩塌有明显的滞后性。坡面从第174秒发生大规模崩塌，中断沟道径流观测；在第350秒，该堵塞体发生溃决并形成泥石流，规模放大至数十倍（500×10－3m3）；并在第595秒再次溃决，形成规模为100×10－3m3的泥石流（图8）。

图8 实验中泥石流阵流序列Fig.8 Debris flow surges discharge in T-5

3 实验意义

3.1 坡面水土过程对泥石流形成的启示

水的产流过程对滑坡和泥石流的形成关系密切：一方面，降雨的入渗过程增加土体的含水量，进而降低土体的抗剪强度，实验中，大于10×10－3m3的崩塌体基本上发生在土体饱和之后即说明此点；另一方面，地表径流的形成对崩塌或滑坡的发生至关重要，当降雨强度大于入渗强度时，坡面形成片状流或细沟流，前者产生对土体的拖曳力，后者形成的细沟侵蚀作用会造成沟岸两侧大量固体物质失稳，随水流进入沟道形成泥石流，这一点在实验现象中也极为明显。

然而，水、土过程也有现象上的区别：当降雨强度超过土体入渗能力时，全坡面都将产生连续的、稳定的径流，而固体物质的补充则是间歇性的、离散的、不均匀的，其发生的时间、空间和规模都具有很强的随机性。因此，从局部的发生过程而言，土体活动具有自发性和随机性，其发生过程与水文条件如降雨、径流二者又是相互独立的。从这种意义上讲，研究坡面土体活动在时间、空间和规模上的随机分布，是研究和建立泥石流形成模型的另外一种思路和手段。

3.2 坡面水土过程对泥石流流量过程的影响

T-5实验中形成13次泥石流，通过采集泥石流样品，并测试分析其颗粒组成，利用小于0.05mm的细颗粒和大于2.00mm的粗颗粒的体积分数来计算泥石流容重［21］，同时根据实验现场观察沟道堵塞情况，假定堵塞系数，通过线性雨洪法［11－14］来计算其峰值流量，结果见图9。即使除去沟道严重堵塞的数次阵流，该方法计算的泥石流峰值流量与实验中泥石流的阵流流量也偏小，甚至有数量级上的差别。

从过程上讲，泥石流峰值流量的时间与清水洪峰时间往往不一定是完全同步的。在同一场降雨中，往往洪峰的变化趋势与降雨强度的变化趋势相同但稍有滞后；而泥石流的阵流则截然不同，即使在同一降雨强度下，各阵流产生的时间也有其随机性。

由此可见，对于实验中特定坡面形成的泥石流来说，泥石流的形成更取决于固体物质的供给，而不是沟道洪水流量。正是由于坡面土体活动在时间上的间歇性、空间上的离散性和规模上的涨落特征，导致土体崩塌形成泥石流的过程也有很强的不确定性和不连续性；因而在根据水文过程计算泥石流流量时，应该考虑土体过程的离散和涨落特征。从这种角度来讲，以往的通过计算洪峰流量，进而计算泥石流峰值流量的方法，如雨洪法或者水文模型法或多或少都有其局限性。

图9 配方法计算的泥石流流量与实际流量对比Fig.9 Runoff comparison between the observation and calculation by rain-storm and flood method

3.3 基于水文过程的泥石流流量过程计算

以往的研究［22－24］表明，在一些流域的演化特征、几何特征（尤其是沟道特征，如沟道比较顺直，坡降较大，堵塞系数较小）和物源分布特征等比较确定的流域，其泥石流的形成具有较强的确定性，用传统的土力学原理揭示其起动机理，用水文学中产汇流原理刻画其汇流特征是可行的。

而对于一般流域，在泥石流的形成过程中，泥石流中的固体物质并不笼统地取决于全流域的地貌或几何因子，而依赖于流域的特定源区及其分布。因此，建立在基于泥石流物源补给特征的分布式单沟泥石流预报模型无疑具有明显的学科前沿性，也是未来发展的趋势。而这些分支过程是间歇性的，形式和规模都不断变化，只有在充分了解流域内物源分布、源地土体活动特征的基础上，再结合可以计算洪水流量的水文模型，才能建立科学的分布式泥石流计算模型。

4 结论与讨论

1）降雨条件下，泥石流源地的土体活动实际上是一组不连续的土体崩塌序列，仅发生在坡面某些区域，而且在这些区域中，土体活动是间歇性的，形式和规模都不断变化。具体来说，泥石流的源地土体活动具有时间上的间歇性、空间上的聚集性、规模的随机性，且时间间隔服从泊松分布，规模服从幂率关系。

2）坡面产流过程是连续和均匀的。从机理上来说，在降雨过程中，土体活动与坡面入渗、地表径流密切相关；但从宏观现象上来看，土体的坡面供给与水的产流是完全不同且几乎独立的2个过程。正是由于坡面活动和径流过程的不同特点，导致了后续沟道汇流的随机性与滞后性，并且共同决定了泥石流阵流的形成和规模的涨落。

从随机观点看泥石流，不仅是为了解释其形成过程与水流的不同，更重要的是为了揭示其形成过程的局域性和随机性。实验现象和野外观测都表明：泥石流的源地活动仅发生在一定的分支小流域，而且这些分支过程是间歇性的，形式和规模都不断变化；泥石流的流量过程更取决于土体的供给过程，而不是洪水径流过程。因此，以配方法为代表的通过清水洪峰流量来计算泥石流流量的方法都有其局限性。从这种意义上来说，建立基于土体活动特征的随机性补给模型，结合分布式水文模型，是建立科学的泥石流预报模型的有效方法。

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Experiment on Random Law of Slope Soil Movement in the Source Area of Debris Flow

Guo Xiaojun1，2，Li Yong1，Cui Peng1

1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandLandSurfaceProgress/InstituteofMountainHazardsandEnvironment，CAS，Chengdu610041，China
2.UniversityofChineseAcademyofSciences，Beijing100049，China

The runoff yield and slope failures are the source of debris flows in watersheds.The previous study focuses on the deterministic mechanism formation of slope failures for debris flow initiation and hydrological processes for debris flow runoff calculation.This paper aims to reveal and discuss the randomness process of slope failures.Artificial rainfall experiment was conducted on selected typical debris flow source region to observe the movement features of slope runoff and soil body.Results showed that slope failure and runoff formation are two separated processes.Runoff generation was continuous，evenly and stably distributed on slope.Slope failure presented a sequence of soil body collapse with the features of intermittence in time，aggregation in space，and remarkable fluctuation in magnitude.Slope failures time interval fit the Poisson distribution and its magnitude fit the power-law.The soil and water supplies were unsynchronized，the debris flow initiation depend not only on the flood generation，but also on the spatiotemporal characteristics of the slope failure processes，which leads to high variety and fluctuation of debris flows even under the same rainfall condition.This study contributes the debris flow formation and runoff calculation by taking debris flow formation as a randomness and discontinuous process and revealing the spatial characteristics of slope failures.

debris flow source region；soil collapses；runoff yield；debris flow surges

10.13278/j.cnki.jjuese.201404203

P642.23；X141

A

郭晓军，李泳，崔鹏.泥石流源地坡面土体活动随机性规律实验.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（4）：1260-1268.

10.13278/j.cnki.jjuese.201404203.

Guo Xiaojun，Li Yong，Cui Peng.Experiment on Random Law of Slope Soil Movement in the Source Area of Debris Flow.Journal of Jilin University：Earth Science Edition，2014，44（4）：1260-1268.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201404203.

2013-10-23

国家自然科学基金项目（41301008）；中国科学院重点部署项目（KZZD-EW-05-01-02）

郭晓军（1985—，男，助理研究员，博士，主要从事水文学和泥石流方面的研究，E-mail：aaronguo＠imde.ac.cn

李泳（1967—，男，研究员，主要从事自然地理和自然灾害方面的研究，E-mail：ylie＠imde.ac.cn。