中国西部特大山洪泥石流灾害形成机理与风险分析Word格式文档下载.doc

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通过山洪泥石流灾害预报、评估理论与方法的建立，有力推动山洪泥石流灾害学科及相关学科的迅速发展，同时，形成一支专门从事山洪泥石流灾害科学研究的、组成相对固定的、多学科交叉的、老中青相结合并以优秀中青年学术骨干为主体的研究队伍，促进我国山洪泥石流灾害科学研究的整体学术水平的提高。

（二）具体目标与考核指标

1．山洪形成与成灾机理方面

u复杂地形及植被条件下坡面汇流和沟道演进动力学机制

u山洪-建筑物群相互作用及成灾机制

u“格点-坡面-沟道-流域”跨尺度耦合模型

u特大山洪预报模型

2．泥石流形成过程与成灾机理

u超强降雨条件下泥石流形成临界条件

u泥石流规模放大效应与峰值流量计算方法

u泥石流运动模型与数值模拟方法

u特大泥石流堵江的判别方法与判别指标

3．特大山洪泥石流风险分析方法与风险调控技术

u基于山洪泥石流动力过程的灾害风险分析方法

u山洪泥石流预警原理与技术

u特大山洪泥石流防治工程设计原理与关键技术

4．发表论文60篇，其中SCI、EI源刊论文30篇。

5．人才培养：

培养博士研究生10名，硕士研究生10名。

6．及时向国家有关部门提供咨询意见或建议，服务国家减灾。

三、研究方案

（一）总体思路

本项目以“特大山洪泥石流形成-演进-致灾-风险控制”为主线，研究西部特大山洪泥石流成灾自然过程的动力学机理和人类防灾减灾的响应策略，包括了自然机理、理论方法和应用等层面的不同研究内容。

其中，山洪和泥石流成灾过程的动力学机理是项目研究的基础部分，风险控制是项目研究的应用目标。

由于成灾过程和减灾对策涉及到气象、水文、水动力、岩土、地貌、环境、生态、灾害和社会经济等多学科领域，包括了点（水文反应、局部破坏）、线（沟道演进、堵溃）、面（汇流、漫流和淹没、泥石流起动堆积）等不同尺度空间过程之间的动态联系，在项目研究中：

一方面，突出多学科交叉与融合，吸收各专业领域优秀专家参与，开展野外调查、理论分析、数值模拟和试验观测，强调多角度、多层次、多手段的综合研究；

另一方面，将复杂过程分解为若干基础动力学过程，分别深入研究各基础过程的动力学特征、描述方法与影响因素，然后解析各基础过程之间的动态联系，对某些复杂过程或复杂联系，在强调机理清晰、方法有效的前提下，进行适当参数化处理，确保研究成果的可靠性和可用性。

项目拟采用模拟试验和原型观测、理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法，结合西部山区已有特大山洪泥石流灾害典型案例，研究其形成、演进与成灾机制。

通过对已有特大山洪泥石流灾害典型区域的勘察、典型小流域的定点观测，借鉴已有研究成果，凝炼核心科学问题，提出特大山洪泥石流灾害形成机理的物理力学解释；

再通过大型水槽实验、典型小流域的概化物理模型实验，数值模拟方法，重现山洪泥石流灾害的形成演化过程，对比分析各种因素对灾害形成的影响，揭示特大山洪泥石流灾害形成机理。

上述理论研究为风险评估提供了理论支撑，再选择典型流域，研究基于GIS、RS技术的预报警报技术；

研发新型防治技术；

从而构成特大山洪泥石流灾害风险控制完备的理论技术体系。

项目研究技术途径见图1.

图1项目研究技术途径示意图

（二）创新点与特色

本项目的创新和特色具体体现在以下方面：

1、在山区小流域物质-能量迁移转化动力学过程分析基础上，揭示特大山洪泥石流形成机理，确定特大灾害形成的临界条件。

2、基于灾害动力学过程的研究成果，进行灾害运动与演进过程数值模拟，建立基于动力学过程的山洪泥石流灾害风险分析方法；

3、针对现行山洪泥石流防治技术规范未涵盖特大灾害防治技术内容的现状，而技术规范的修改程序复杂、时间跨度大，难以专门针对特大极端灾害事件制定减灾标准，提出与现有规范相衔接、充分利用现有成熟技术、充分发挥现有规范标准内防治工程的减灾效力、科学配置非工程减灾措施的方法，提高应对特大山洪泥石流灾害风险的能力，形成融合工程减灾措施与非工程减灾措施为一体的特大山洪泥石流灾害风险调控原理与方法。

（三）课题设置及相互关系

围绕项目总体目标，本项目划分为三个课题。

三个课题强调多学科交叉，系统开展山地水文过程、水土耦合机制、山洪泥石流形成与规模拓展过程、成灾机制、灾害风险分析与控制的研究。

项目计划设立三个课题：

课题一：

山区小流域暴雨洪水演进过程与山洪灾害形成机理

课题二：

水土耦合过程与大规模泥石流形成成灾机理

课题三：

山洪泥石流风险分析与综合减灾技术

课题1、2是整个项目的基础部分，开展第3课题的研究，实现整个项目的目标，都必须了解山洪泥石流灾害的形成与动力学机理。

第3课题以前二个课题为基础，强调多学科交叉。

主要解决国家在特大山洪泥石流减灾方面的紧迫需求和关键性问题，为国家西部山区重大山洪泥石流风险评估和综合减灾提供理论和技术支撑。

这三个课题密切相关（图2），认识特大山洪泥石流形成条件、形成机理和成灾机制，建立灾害风险缝隙与评估方法，提出有针对性的灾害预警、预防和治理技术，实现项目的总体研究目标。

图2课题相互关系图

课题一、山区小流域暴雨洪水演进过程与山洪灾害形成机理

1、研究目标

探明坡面产流随降雨、地表条件的变化关系和相应的降雨-入渗-产流耦合机制的变化过程，探明山洪演进特性随沟谷网络形态结构的变化关系和相应的阻力变化过程，揭示山洪形成演进中的多过程耦合动力学机制，建立“坡面产流、汇流演进、洪水致灾”等基本过程的动力学模型和多过程、跨尺度集成模拟方法。

2、研究内容

（1）地表水文反应动力过程与坡面流形成机理。

（2）复杂地形及植被条件下坡面汇流和沟道演进动力学机制。

（3）山洪-建筑物群相互作用及成灾机制

3、课题负责人：

清华大学傅旭东

4、主研人员：

傅旭东、邵学军、陈建国、钟德钰、李铁键

课题二、水土耦合过程与大规模泥石流形成成灾机理

1、研究目标

通过对泥石流源区土在强降水作用下土体渗透特性和力学性质变化、泥石流流域坡谷汇流过程等科学问题的系统研究，分析流域坡谷汇流输沙的动力过程，揭示泥石流源区水土耦合和大规模泥石流形成机理，并通过实验和理论分析，阐述泥石流运动和堵江机理，发展一种能较全面反映泥石流运动机理的模型，建立泥石流堵江判据，为发展一种比较实用的泥石流运动计算方法提供数值模型。

从而为泥石流的预报和防治工程设计提供计算方法和技术支撑，为重点区域的泥石流监测和预警报提供理论方法和途径，为山区社会经济的可持续发展提供安全保障，满足国家山区公共安全和减灾的需求。

2、研究内容

针对项目总体目标和国家西部山区特大山洪泥石流减灾的需求，本项目主要研究内容包括超强降雨条件下泥石流形成机理、沟道堵溃动力过程与泥石流规模放大效应、泥石流运动机理与数值模拟、泥石流堵江机理与堵江判据等4个方面。

（1）超强降雨条件下泥石流形成机理

（2）沟道堵溃模式与泥石流规模放大效应

（3）泥石流运动机理与数值模拟

（4）泥石流堵江机理与堵江判据

中科院山地所崔鹏

崔鹏、姚令侃、胡凯衡、李泳、张万顺

课题三、山洪泥石流风险分析与综合减灾技术

在山洪泥石流灾害的形成与动力学机理的基础上，运用多学科交叉优势，建立具有实用价值的山洪泥石流数值模拟方法、风险评估指标体系，探讨我国西部地区特大山洪泥石流灾害风险区划，并研发山洪泥石流灾害的风险分析方法和计算模型，针对特大型山洪泥石流的成灾特点，开展基于过程调控的山洪泥石流防治工程设计原理研究、山洪泥石流防治工程系统优化配置研究和山洪泥石流防治的岩土工程与生态工程优化配置研究，为国家有关减灾部门决策提供科技支撑。

2、主要研究内容

（1）基于山洪泥石流动力过程的灾害风险分析

（2）山洪泥石流预警原理与技术

（3）特大山洪泥石流防治工程设计原理与关键技术

（4）特大山洪泥石流灾害管理

四川大学刘兴年

刘兴年、曹叔尤、唐川、陈晓清、王协康、郭志学

四、年度计划

年度

研究内容

预期目标

第

一

年

（1）收集与分析国内外特大山洪泥石流灾害、山洪泥石流数值模拟、监测预警、工程设计与配置等方面资料，购买研究区的航空和卫星影像数据；

（2）选定典型小流域，进行野外考察，收集气象、水文、遥感、山洪灾害等资料，设计监测方案和布设设备。

（3）对甘肃舟曲和四川绵竹清平进行全面考察，收集山洪泥石流灾害及其环境背景数据，为进一步研究分析提供基础数据。

使用GPS、3D激光扫描仪等开展野外测量工作，测量泥石流沟道、堆积扇和河道的地形等。

（4）进行山洪形成机理水槽实验、泥石流起动机理实验、泥石流防治谷坊群和拦砂坝实验等设计，并初步完成实验。

（5）模拟分析平台搭建，数字流域平台、泥石流数值计算平台。

（6）理论分析：

u地表水文过程动力学模型、山洪演进动力学模型。

u基于山洪泥石流动力学过程的风险分析方法；

u泥石流预警指标体系研究；

u预警原理和方法，

u预警指标体系；

u泥石流临界雨量预报模型研究；

u基于过程调控的山洪泥石流防治工程设计原理研究；

（1）基础数据方面：

整理收集历史灾害资料、环境背景资料和影像数据。

（2）完成野外监测点布设，完成野外详细科学考察，获取第一手基础数据。

（3）完成相关实验，并进行初步数据分析。

（4）理论分析方面：

u初步建立山洪数学模拟需要的子模型。

u初步建立基于山洪泥石流动力学过程的风险分析方法；

u进一步认识研究区泥石流发生的地面敏感性；

u构建山洪泥石流预警指标体系，建立基于不同地质环境条件下的泥石流临界雨量预报模型；

u初步提出基于过程调控的山洪泥石流防治工程设计原理；

二

（1）进一步收集、分析与整理资料，完善各类实验；

（2）补充考察典型研究区，继续监测泥石流相关环境背景指标。

（3）理论分析：

u基于数字流域平台，建立“网格-坡面-沟道-流域”跨尺度耦合模型，形成山洪数学模型系统。

u研究沟道网络形态结构及沟道坝系对山洪规模的空间放大效应及力学机制。

u研究洪水与单个、多个建筑物作用的物理图景和建筑物群的淹没特征，建立考虑建筑物群阻水效应的山洪传输水动力学模型。

u对野外调查和实验数据进行理论分析，研究泥石流坡面产流、沟谷汇流、沟道堵溃、龙头运动和堵江等过程；

u在不同的理论模型基础上采用数值方法模拟泥石流的堵溃、运动泛滥和堵江等过程，并与野外调查和实验数据相验证；

u分析泥石流的流量放大效应、龙头摩阻和堵江机理等；

u基于山区小流域暴雨洪水演进过程与山洪灾害形成机理，以及水-土耦合过程与大规模泥石流形成成灾机理研究等理论研究结果，改进和完善山洪泥石流数值模拟平台；

u完善基于山洪泥石流动力学过程的风险分析方法，并初步运用典型山洪泥石流灾害实例进行分析；

u小流域泥石流发生临界条件研究；

u山洪泥石流防治工程系统优化配置研究。

（1）理论研究成果：

u揭示山洪规模的空间放大效应及力学机制。

u建立考虑建筑物群阻水效应的山洪传输水动力学模型。

u建立山洪数学模型系统。

u提出超强降雨条件下泥石流形成临界条件；

u建立泥石流沟道堵溃模式和峰值流量计算方法；

u改进泥石流的运动模型，建立考虑人工障碍物影响的泥石流运动模拟方法和平台；

u建立泥石流堆积体与混合场相互作用的动力学分析模型，提出基于泥石流坝结构特征的堵江判据；

u建立较为完善和适用的基于山洪泥石流动力学过程的风险分析方法；

u提出典型小流域泥石流发生临界条件；

（2）技术成果：

u提出山洪泥石流防治工程系统优化配置方案；

u完成三个典型研究区泥石流发生的地面敏感性评价（1：

5万）；

u建立特大泥石流发生的雨量判别模式图

（3）发表论文25篇，其中SCI和EI期刊13篇。

（4）为国家相关机构提出咨询建议1项。

（5）准备项目验收。

一、研究内容

针对项目总体目标和国家西部山区特大山洪泥石流防灾减灾的重大需求，本项目主要研究内容包括山洪形成过程与成灾机理、泥石流形成过程与成灾机理、特大山洪泥石流风险分析与风险调控关键技术等3个方面。

1.山洪形成过程与成灾机理

（1）复杂地表暴雨-入渗-产流的动力学过程与坡面流形成机理

研究复杂地表条件下暴雨、下渗和产流的动态耦合特性和动力学机制，揭示气象地理环境条件变化的影响和山洪特性变化的微观力学机制，提供坡面汇流和沟道演进动力学描述的源汇条件、松散土石堆积体稳定性分析所需的渗流力场，构建山洪形成过程的动力学描述方法和模拟方法。

（2）“坡面-沟道系统”复杂地形及植被条件下的汇流、演进动力学机制

研究“坡面-沟道系统”中水沙传输的力学机制、影响因素及空间变化特征，获得坡面漫流流态、阻力与降雨、下渗及坡面地表条件变化的动力学关系，沟道网络中水沙演进与边界发育调整的动力学关系，构建出“格点-坡面-沟道-流域”山洪演进过程的跨尺度描述方法。

（3）“坡面-沟道系统”暴雨山洪的规模放大机制

研究沟道网络形态结构及沟道坝系对暴雨山洪演进的调节机制、坝系溃决洪水与暴雨山洪的叠加机制，揭示山洪规模的空间放大效应及力学机制。

（4）山洪-建筑物群相互作用及成灾机制

研究山洪演进或漫流过程中与建筑物（群）之间的相互作用方式，探索建筑物（群）对山洪传播的阻滞效应、山洪对建筑物（群）的淹没和冲击效应、以及两者随山洪规模的变化，建立建筑物（群）中山洪传输的动力学模型，构建山洪成灾过程的动力学描述方法。

2.泥石流形成过程与成灾机理

研究超强降雨下泥石流源地土体的渗透特性，流域坡面土体对超强降雨的响应，超渗产流条件下土体力学性质的变化，基于孔隙水压力波动特性（波动参数）的泥石流起动临界判别式，强降雨下泥石流流域坡谷汇流的动力过程。

分析堵塞体溃决模式与溃决型泥石流形成过程、串珠状堵塞体级联溃决与泥石流规模放大效应，确定溃决堰塞体对泥石流规模增大参数，修正以往泥石流洪峰流量计算方法，提出级联堵溃条件下泥石流极端峰值流量的估算方法。

研究泥石流龙头的物质交换方式和能量损耗机理，泥石流运动中的无量纲参数和泥石流体中浆体、微观颗粒和细观颗粒的划分界限，实验测量和分析浆体和微细观颗粒物质的应力-应变关系，完善基本的泥石流流变模型，构建新的泥石流数值计算的方法，并充分考虑人工障碍物的影响，在复杂的自然地形上模拟泥石流的运动过程和泛滥范围。

通过野外调查和理论分析泥石流与主河交汇区动力效应与堵江条件。

建立泥石流堆积体与混合场相互作用的动力学分析模型。

通过数值计算，模拟泥石流在混合流场中堆积的动力学全过程，获得泥石流堆积体堵江、半堵江的各种条件，建立基于泥石流坝结构特征的堵江判据。

3.特大山洪泥石流风险分析方法与风险调控技术

（1）基于山洪泥石流动力过程的风险分析方法

基于的物质起动输移动力学过程，建立山洪泥石流运动数值模型，运用GIS技术和数值模拟方法，建立基于灾害动力学过程的风险分析理论和方法。

充分考虑社会经济发展对防灾减灾的实际需求，分析特大山洪泥石流灾害的影响因子，制定简洁、实用的山洪泥石流风险评估指标体系及分析方法。

在此基础上，结合特大山洪泥石流灾害突变特性和多重关联特性特点，深入研究运用工程措施与非工程措施进行综合管理的理论与方法。

研究山洪泥石流预警基本原理与指标体系，区域山洪泥石流临界雨量预报判据模式，小流域山洪泥石流发生的综合临界条件，基于GIS技术、数字高程模型（DEM）和下垫面特性参数构建数字流域平台，建立山洪形成、演进、致灾的多过程耦合模型系统，构建基于WEB的山洪泥石流预警数字减灾系统.

在目前山洪泥石流防治技术的基础上，针对特大型山洪泥石流的成灾特点，主要开展基于过程调控的山洪泥石流防治工程设计原理，山洪泥石流防治工程系统优化配置，山洪泥石流防治的岩土工程与生态工程优化配置的研究。