学术研究报告：泥石流灾害后现场调查综合方法的发展与应用

一、研究团队与发表信息
本研究由Yang Po（第一作者）、Wang Xiekang（通讯作者，四川大学）、Sun Dongya（中国水利水电科学研究院）、Xu Zexing（四川大学）、Lu Weizhen（香港城市大学）合作完成，发表于*Earth Surface Processes and Landforms*期刊（2024年4月17日接受，DOI: 10.1002/esp.5866）。研究受中国水利水电科学研究院（WH0145B062022）、国家自然科学基金（52239006）及长江水科学联合基金（U2340201）资助。

二、学术背景与研究目标
泥石流（debris flood）是陡峭河道中高含沙量水流引发的灾害，其破坏机制包括河床侵蚀、深切冲刷和淤积，传统评估方法难以量化其风险。2022年7月12日，中国四川黑水沟流域（面积102 km²）发生特大泥石流灾害，造成16人死亡。本研究旨在开发一套综合方法，通过现场调查、水文水力建模与泥沙输运计算，分析泥石流的形成机制、动态特征及破坏力，为灾害风险评估与防治提供科学依据。

三、研究流程与方法
1. 现场调查
- 数据采集：灾后24小时内完成，包括地形图、照片、沉积物厚度、颗粒级配（grain size distribution）及淹没深度。
- 泥沙来源分析：通过无人机航拍与Sentinel-2卫星影像对比，确认泥沙主要来自河床与岸坡侵蚀，而非上游滑坡或溃坝。
- 沉积物体积估算：结合前/后灾地形图（2017年与2022年），计算沉积扇面积（7.4×10⁴ m²）与平均厚度（6 m），总沉积量约17.2×10⁴ m³。
- 颗粒级配分析：采用AutoCAD图像处理技术，发现沉积区粗颗粒（2–200 mm）占比80%，运输区更高，表明河床护层破坏导致大量泥沙启动。

1. 水文模拟

   • 降雨数据：基于4个气象站数据，采用反距离权重（IDW）插值法生成流域小时降雨空间分布，最大3小时降雨68.9 mm（20年一遇）。
     
   • 径流模拟：半分布式水文模型结合运动波汇流模块，模拟峰值流量529.3 m³/s（误差7.9%），验证了NASA GPM降雨数据的可靠性。
     

2. 泥石流峰值流量估算
   采用四种方法：

   • 曼宁公式（Manning equation）与经验修正公式（考虑粗糙度随水深变化）。
     
   • 中国国土资源部推荐公式（结合坡度与水深）。
     
   • 清水流量放大法（bulking factor法，通过泥沙体积浓度ρc与堵塞系数dc修正）。
     结果显示，峰值流量在狭窄弯曲河段因岸坡坍塌阻塞后溃决（如C1断面达1,625 m³/s），随后因河道展宽减速沉积（C5断面降至1,242 m³/s）。
     

3. 流型分类与破坏机制

   • 超临界剪切应力比（supra-critical bed shear stress ratio, τ/τc84）分析：当τ > 2τc84（τc84为d84颗粒启动剪切应力）时，河床失稳，转化为泥石流。本次事件中τ最高达4τc84，属“灾难性泥石流”。
     
   • 动态过程：分为四个阶段——清水流（τ < τc84）、高输沙流（τ > 2τc84）、破坏性泥石流（τ > 3τc84）及灾难性泥石流（τ > 4τc84）。
     

4. 频率-体积关系建立
   采用Rickenmann（2001）床质输运公式（qb = 5.8(q - qc)s²），计算不同重现期下的输沙量。50年一遇事件计算体积（167,070 m³）与实测值（172,000 m³）吻合良好，验证了公式的适用性。

四、主要结果与逻辑关联
1. 泥沙来源：河床与岸坡侵蚀贡献了80%的粗颗粒物质，排除了滑坡或溃坝诱因。
2. 流量放大机制：狭窄河段坍塌阻塞-溃决导致峰值流量骤增，后续河床侵蚀进一步扩大规模。
3. 剪切应力阈值：τ/τc84 > 4时，人工护岸被破坏，印证了泥石流的突发性与高强度。
4. 沉积特征：粗颗粒主导的沉积扇表明输沙过程中能量梯度变化显著。

五、结论与价值
1. 科学价值：提出了一套结合现场调查、水文模型与动力参数的综合方法，明确了泥石流从启动到沉积的全过程机制。
2. 应用价值：为山区泥石流风险评估提供了量化工具（如频率-体积关系），支持防灾工程设计（如护岸高度需考虑τ/τc84 > 4的极端条件）。
3. 政策意义：强调对罕见但高破坏性泥石流的重视，建议在历史记录缺失区域加强监测。

六、研究亮点
1. 方法创新：首次将超临界剪切应力比与水文-泥沙模型结合，动态划分泥石流演变阶段。
2. 数据时效性：灾后24小时内采集数据，避免了沉积扇人为干扰。
3. 跨学科验证：通过水力参数、颗粒级配与地形变化多维度交叉验证结论。

七、其他价值
研究揭示了气候极端化下泥石流灾害的升级趋势，呼吁在流域管理中纳入非稳态泥沙输运模型。案例中黑水沟的Y形流域形态与高坡度（平均7.7%）为类似区域提供了参考范式。