中都河流域“8·16”山洪致灾机理分析

我国西南地区地形地貌条件复杂，极端暴雨山洪灾害频发，显著制约地区社会经济发展。为科学认识暴雨山洪形成过程，揭示受灾地区致灾机制，构建符合区域特征的山洪灾害预警体系，以四川省屏山县中都河流域“8.16”山洪灾害为例，结合实地调查及基础资料，从地区降雨特性、洪水陡涨过程及人类活动三方面入手，系统分析了此次暴雨山洪的灾变响应过程，以及采用水位流量反推法和洪水上涨率判定法计算山洪灾害预警指标阈值。结果表明：此次山洪灾害成因主要在于上游马边县地区短时强降雨导致下游屏山县中都镇河水陡涨，极大缩短了沿河居民转移时间；当地居民围滩造地侵占河道，减少了行洪面积，属于典型的地区强降雨与人类活动综合影响下的突发性暴雨山洪灾害；对比上述两种预警方法的结果，发现水位流量反推法预警精度稍差且多次出现漏警，洪水上涨率法预警期显著延长，预警效果更为可靠。因此，建议中都河流域山洪灾害防御采用洪水上涨率法和传统预警相结合，以流域划分模式构建马边屏山两县行政联合的山洪预警体系，可为该区域乃至其他类似山洪灾害频发地区的防治提供科学依据。     

基于信息熵理论的黄土高原小流域雨量站网优化

地面雨量站是降水数据最直接的来源，合理的雨量站点密度与空间布局能准确反映流域面雨量，对于构建流域水文模型至关重要。本研究以黄土高原岔巴沟流域为研究对象，采用2001-2010年流域内11个地面雨量站的日、周、15天时间尺度降雨量序列，以信息熵理论为基础，基于最大信息最小冗余准则（MIMR），分析了11个地面雨量站之间降雨的信息相互关系和信息传递规律，并结合流域多年降雨时空分布特征，对岔巴沟流域雨量站网进行优化。结果表明，岔巴沟流域降雨量在2001-2010年间无明显变化趋势，降雨空间分布呈由西南到东北递减趋势，不同时间尺度降雨序列的联合熵、互信息、冗余信息变化总体相同，总体信息随站点增多趋向稳定，站点之间传递的信息越来越少，冗余信息越来越多。另外，随着时间尺度变大，联合熵稳定越快，冗余信息越多。依据流域雨量站点间信息熵变化规律，对岔巴沟流域雨量站网进行了优化，确定了不同时间尺度下的流域最佳雨量站密度和分布，优化后的流域雨量站网能较好的反映流域降雨信息，研究结果可为今后流域雨量站网的优化布局提供理论依据。     

山区多沙河流漂石河段洲滩发育特征试验研究

山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响，洲滩发育丰富，改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验，探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查，分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素，大量上游来沙在漂石河段落淤，河床内洲滩的大量发育。通过系列室内物理模型试验，分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给，导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径粗大，存在大量漂石，形成漂石河段。漂石河段水力要素多变，河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时，受漂石周围水流变化影响，漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主，下游段两侧淤积突出，极易形成漂石洲滩，从而增大局部河床比降，减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此，通过野外调查与室内物理模型试验，揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征，山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程，表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生突出影响。     

暴雨山洪灾害预警指标计算方法比较研究

山区河流受地形地貌及降雨过程影响，洪水具有显著的陡涨陡落过程，这种短历时陡涨过程极大缩短了沿河居民的有效安全转移时间，给山洪灾害防治带来了极大困难。山洪预警预报是山洪灾害防治非工程措施的重要组成部分，一般分为水位预警和雨量预警。由于山区洪水历时短且监测站不足，水位预警在国内应用较少，传统流量反推法常以雨洪同频计算预警雨量，预警结果多出现漏警，不能满足防御山洪灾害的实际需求。为提高暴雨山洪的预警精度及预警时长，提出了基于洪水上涨率判定法和实时累积雨量法两种计算预警指标的新方法。以四川省金沙江支流中都河流域“8.16”山洪灾害为例，根据预警准确性及预警时长对三种预警方法的效果，探讨了与传统水位流量反推法的差异。结果表明：传统水位流量反推法的预警精度较低，难以达到预期的预警效果；洪水上涨率判定法的预警精度较高，但该方法的预警时长受洪水涨退特性影响，对延长预警时长有一定影响；采用基于小流域场次洪水与降雨过程变化关系的实时累积雨量法其结果均未出现漏警，且有效延长了预警时长，若以山洪灾害技术要求的30分钟为准，提出的新方法延长预警时长基本超过30%，满足预警要求。因此，建议在设定累积雨量阈值的基础上结合洪水上涨率进行灾害预警，以便更为有效地提高山洪灾害的预警准确率。     

基于阻力原理的稳定河流几何形态判定方法研究

受上游来水来沙条件影响，自然河道通过自我冲淤调整，常形成稳定的几何形态。稳定河流几何形态设计在工程应用中十分重要，稳定断面有利于水沙输移，且避免河道冲淤平衡破坏发生。本文系统分析了达西水流阻力梯度沿程变化，表明阻力梯度主要作用于三方面：河道深度调整，河道宽度调整，河道坡降调整。若调整宽度与深度的概率为线性关系，可推导出稳定河流几何形态关系式。在泥沙输移作用下，总能坡可分解为两部分，清水对应能坡和泥沙运动产生的附加能坡，其中，清水对应能坡可采用清水河道达西阻力表达式计算，泥沙输移附加能坡，可利用实测资料推求。通过分析含有总坡降的河道几何形态表达式，指出未知函数与坡降的0.3次方呈线性关系，而指数则与参数关系明显，随着参数的增大而呈现减小的趋势。利用收集的野外实测数据确定了这些未知变量，并给出了相应的求解表达式，该表达式不仅适用于沙质河道，还适用于砾卵石河道。以大量野外实测数据与室内试验数据对比分析，本文提出的稳定河道几何关系计算方法具有很高的精度。     

山区河流宽窄相间河段山洪水沙输移2维数值试验

山区河流山洪过程常挟带大量泥沙，并引发河床剧烈变形，尤其是宽窄相间河段河床急剧调整、水位陡涨极易增加展宽河段的洪水淹没风险，深入研究山洪演进的水沙输移及河床变形对于防洪减灾具有重要意义。本文采用二维水沙动力学数值试验探究了上游来沙变化条件下宽窄相间河段水沙输移及河床变形过程。结果表明：当上游来沙充足时，洪水携带泥沙在展宽段淤积、缩窄段冲刷，河床在泥沙输移过程中整体上抬；而当上游没有来沙时，河床整体呈现下切趋势。究其原因，主要在于河道饱和输沙导致河床整体淤抬，而河床淤抬导致上游水位陡涨增加水面比降，床面切应力变大，从而提高河道输沙率，而宽窄河段床面起伏则增大床面形态阻力，促使上游水位上涨；泥沙来量较少时，河床冲刷为主，水位下降、水面比降趋于变缓。     

华南丘陵区马贵河小流域暴雨山洪灾害强降水特征

降水强度及持续时间是引发山洪灾害的重要气象因素，短时间内高强度的降水极易诱发山洪灾害，研究降水因子时空变化是防范及预警山洪灾害的关键环节。为了探索不同时间尺度的降水与局地山洪灾害之间的潜在联系，本文利用2010—2018年稠密的气象自动站逐小时降水观测数据，统计分析了以马贵河小流域为中心的华南丘陵区多尺度降水特征，重点从短时强降水（小时降水量≥20 mm/h）的角度揭示了诱发该流域山洪灾害的可能降水成因，并分类建立了该区域典型短时强降水事件的天气学概念模型。研究表明：马贵河小流域并非华南丘陵区的年降水、年暴雨高频中心，但短时强降水发生频次较高、强度较大；山洪灾害频发与时间尺度更短的短时强降水关系更为密切，而非普遍关注的暴雨天气过程；该流域的短时强降水具有双峰型分布特征，华南前汛期（4~6月）短时强降水频次与强度略高于后汛期（7~9月），但后汛期午后的峰值频次更为集中；典型短时强降水过程可分为冷式切变型、低空低涡型、偏南急流型和热带气旋型等四种基本类型，不同环流类型的系统配置与环境条件具有明显差异。该成果一方面加深了对华南丘陵区短时强降水与山洪灾害内在联系的科学认识，另一方面可为当地短时强降水及山洪灾害预报预警提供技术支持。     

边滩漂石河流水沙输移及河床响应数值分析

山区流域地表松散破碎，在地震、暴雨等动力条件影响下大量松散碎屑物质进入沟床，使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显，泥沙易在局部河段淤堵，河床剧烈调整，水位显著抬升，这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现，在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出，河道主槽冲刷强，边滩淤堵少。在此基础上，为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响，采用CFD-DEM（计算流体力学CFD，离散单元法DEM）耦合模型，针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究，重点分析了流量、沟道来沙量以及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明，山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹，使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移，进而减少颗粒在河道两岸淤积。此外，边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程，控制来沙强度和来沙量，减少泥沙在保护河段落淤进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低以及沟道内来沙质量的增大，边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好，对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。     

山区小流域暴雨山洪灾害分区预警研究

受水沙耦合致灾作用，暴雨山洪灾害一般表现为山洪洪水灾害、山洪水沙灾害及山洪泥石流灾害三种模式，不同灾害模式的成灾特点、灾害规模、致灾指标及阈值常存在显著差异。传统暴雨山洪灾害防治预警技术的研究思路主要以“雨量-径流-成灾水位”雨水情分析为主，缺乏“雨-水-沙”变化系统研究，未充分考虑洪水泥沙耦合作用下山洪灾害易灾区的成灾特征，造成泥沙超量补给的“沟床淤积-水位陡增”型山洪灾害极易漏警。结合金沙江支流中都河小流域和岷江支流白沙河小流域山洪灾害实地调查及分析，初步表明流域内山体滑坡形成的松散体是流域水沙运动的重要泥沙补给源，从而极易诱发暴雨山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害。采用TRIGRS模型分析中都河小流域和白沙河小流域的滑坡易发性，将滑坡低风险区划为暴雨山洪洪水灾害预警区，对具有丰富固体物源的滑坡中、高风险区，根据陡缓衔接河段泥沙易灾区判别法划分为山洪水沙灾害和山洪泥石流灾害预警区。结合4种暴雨山洪洪水灾害预警方法即洪水水位上涨率判定法、实时累积雨量法、水位-流量反推法及简易雨量站广播预警法，计算中都河小流域典型暴雨山洪灾害预警区的预警指标，以基于河床冲淤变化的洪水位上涨率法确定白沙河小流域暴雨条件下山洪水沙灾害预警区的预警水位。结果表明：TRIGRS模型划分的滑坡风险区与中都河小流域和白沙河小流域滑坡、泥石流灾害调查较为吻合；中都河小流域滑坡风险较低，沿河村落均可划为山洪洪水灾害预警区；白沙河小流域下游滑坡风险较低的沿河村落可划为山洪洪水灾害区，中、上游为滑坡中、高风险区，其中沟床陡缓坡衔接段划为山洪水沙灾害预警区、陡坡段划为山洪泥石流预警区。中都河小流域暴雨山洪灾害预警分析表明水位-流量反推法和简易雨量站广播预警法预警效果较差；洪水上涨率判定法与实时累积雨量法精度较高，对暴雨山洪洪水致灾时刻能够提前捕捉，而且能够显著提高预警处置时效性。此外，采用河床冲淤变化的水位上涨率法，白沙河小流域暴雨山洪水沙灾害预警效果较好。因此，本文构建的山区小流域暴雨山洪灾害分区预警方法具有较好的可靠性，可为山洪灾害预警提供技术支持。     

山区宽窄相间河道平面二维水流数值模拟

针对山区河道受地质条件及河床演化的影响,其平面形态常呈现宽窄相间的渐变形态特征,采用贴体坐标法剖分正交贴体曲线网格求解域,用有限体积法离散控制方程,以SIMPLER计算程式求解耦合方程,建立山区宽窄相间河道平面二维水流数学模型。将模型计算值与宽窄相间水槽水流试验实测值及水动力学SMS软件计算结果进行比较,结果表明:该模型能够较好地模拟宽窄相间河道平面二维水流运动特性,宽窄相间河道河宽渐变将引起水深和流速的变化,在河道最窄处水深降到最低,流速最大;在河道最宽处水深达到峰值,流速最小。