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《兰州大学》 2015年
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白龙江流域降雨型泥石流成因机理研究

郭鹏  
【摘要】:白龙江流域滑坡、泥石流等地质灾害频发,是我国四大地质灾害高发区之一,密集而广泛分布的滑坡、泥石流灾害,成为了当地社会经济发展的障碍。尤其在2008年汶川地震之后,该地滑坡、泥石流灾害形势更加严峻,如2010年舟曲8.8特大泥石流灾害等,严重威胁和危害当地人民的生命、财产安全。泥石流灾害因其成灾规模大、破坏能力强、波及范围广,成为该区地质灾害防治研究工作的重中之重。本文基于已有研究成果,通过遥感监测和野外调查手段,获得白龙江流域泥石流灾害的时空分布和发育特征资料,并结合地区基础自然环境背景,初步探讨了白龙江流域泥石流灾害的发育成因条件。在此基础上,分析选择适当的影响因子,采用信息量法、层次分析法、逻辑回归法、人工神经网络模型和支持向量机模型,从两种评价单元尺度出发,对白龙江流域泥石流灾害易发性进行评估,对比选择了训练能力和预测能力较强的信息量模型,实现了白龙江流域泥石流易发性分级和分区,并参照该模型中各影响因子的贡献参数,对白龙江泥石流的成因条件进行定量分析。以泥石流灾害的定性、定量成因研究和易发性评估结果为指导,选择高易发的白龙江中游右侧构林坪为研究对象,设计和开展了人工模拟降雨下的斜坡产流产沙试验、人工洪流冲刷启动沟床物质试验两个主要的现场试验,在最真实的自然环境条件下重现降雨下坡面产流、产沙、形成坡面泥石流,及沟谷汇流冲刷沟床启动形成泥石流的过程,以此为例对白龙江流域泥石流的成因机制和形成机理进行深入研究。主要工作内容和研究成果有:(1)基于多光谱和高精度遥感影像和GIS平台,通过自动解译和人工识别,获得白龙江流域泥石流灾害空间分布的初步结果,参考已有灾害历史记录和区域调查资料,对其进一步确认和补充,得到白龙江全流域泥石流灾害的时空分布及特征,并结合地形地貌、岩性、构造、植被覆盖、特征降雨等区域基础环境背景条件,定性分析了白龙江流域泥石流灾害的成因。(2)以白龙江流域泥石流灾害空间分布资料和背景环境为基础,采用了5种灾害区域评估模型,从两种评价尺度的流域单元出发,对白龙江流域泥石流灾害的易发性进行评估分级。通过ROC曲线分析和易发、高易发泥石流发育几率的比较,认为信息量模型是评价两种尺度泥石流的最优模型,用该模型的评估分级、分区结果可指导白龙江流域泥石流防灾工作。基于信息量模型评估中所得各影响因子的信息量参数,定量比较分析各成因条件、及其内部分级,在白龙江流域泥石流形成中的权重和原因。结果显示5-8mmm的10分钟降雨,10-50km2、5-10km2流域面积,相对高差1600-2000m、2000m,比降15°,NDVI值低,岩体强度低,流域平均坡度25-30°,等指标在泥石流形成过程中依次表现明显。(3)通过人工模拟降雨结合径流场试验,研究分析了白龙江流域两种典型斜坡——黄土斜坡和风化千枚斜坡上产流、产沙与降雨特征的关系,探索两种斜坡的侵蚀破坏机制与机理。结果显示,斜坡坡面物质的颗粒组成决定了其渗透特性。低渗透性的黄土斜坡以坡面侵蚀破坏为主,进而通过沟蚀引起斜坡破坏,形成坡面泥石流;而渗透性高的风化千枚斜坡则以渗流为主,渗流中的细小颗粒在深处聚集形成隔水层,坡体内部孔隙水压力上升、有效应力下降,坡体抗剪力衰减,形成突发性的蠕滑并演化为坡面泥石流。两种不同物质组成的斜坡上,产流、产沙方式和规律各不同,决定了不同岩性的沟谷中,斜坡对沟谷泥石流的水、砂补给方式不同,泥石流的易发性也不同。(4)通过人工模拟洪流冲刷启动沟床物质形成泥石流的模拟试验,基于孔隙水压力、综合压力、地下水运移、地表侵蚀堆积等记录结果的对比分析,重现沟谷径流启动沟床物质形成泥石流的完整过程和机理。分析认为孔隙水压力的变化引起了沟床物质内部液化和有效应力的衰减,是导致沟床松散堆积物质破坏,并启动形成泥石流的重要影响因素。沟床综合压力能良好的反映地表沟床物质的搬运与堆积,孔隙水压力与沟谷径流深相关,两者可用于沟谷洪流、泥石流活动的监测,成为泥石流灾害预警预报的可选指标。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P642.23

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