摘要：降雨前后松散物源體含水率變化和衰減規(guī)律是泥石流啟動(dòng)機(jī)理分析和預(yù)警模型建立的重要內(nèi)容。以雨量和松散物源體含水率監(jiān)測(cè)為手段，以累計(jì)雨量達(dá)100 mm的4場(chǎng)典型降雨為例，分析了雨強(qiáng)、初始含水率、累計(jì)降雨量以及雨型對(duì)含水率變化過(guò)程的影響，研究了雨后土體含水率衰減趨勢(shì)，建立了松散物源體含水率衰減模型。結(jié)果表明：當(dāng)物源體含水率遠(yuǎn)低于松散物源體穩(wěn)定持水率(26%～30%)時(shí)，含水率隨雨強(qiáng)和累計(jì)雨量的增大而增大，并趨于正相關(guān);但當(dāng)含水率接近穩(wěn)定持水率時(shí)，含水率表現(xiàn)為緩慢升高或降低，與雨強(qiáng)及累計(jì)降雨的相關(guān)性不明顯;雨型對(duì)降雨入滲過(guò)程具有重要影響，雙峰型降雨較單峰降雨更有利于水分入滲，峰值位于首尾部的雙峰型降雨較峰值位于中后部的降雨更有利于土體含水率的攀升;雨后含水率的衰減規(guī)律近似符合指數(shù)衰減規(guī)律，日衰減系數(shù)為e-0.023d。

　　關(guān) 鍵 詞：松散物源體; 降雨入滲; 含水率; 衰減系數(shù); 雨強(qiáng); 雨型; 泥石流

　　推薦閱讀：《林業(yè)與環(huán)境科學(xué)(原：廣東林業(yè)科技)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1985年，由廣東省林學(xué)會(huì);廣東省林業(yè)科學(xué)研究院主辦。

　　1 研究背景

　　含水率是反映泥石流松散物源體飽和程度的重要指標(biāo)，是土力類泥石流啟動(dòng)的關(guān)鍵因素之一，對(duì)降雨入滲后的松散土體含水率變化趨勢(shì)進(jìn)行分析是研究泥石流啟動(dòng)機(jī)理和建立預(yù)警模型的可靠方法。松散土體的降雨入滲及其衰減是受地形地貌、土壤質(zhì)地、降雨強(qiáng)度、初始含水率以及氣候條件等諸多因素影響的復(fù)雜過(guò)程。

　　針對(duì)降雨入滲國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此開(kāi)展了大量的研究，如Liu H采用徑流平衡法分析了降雨強(qiáng)度和前期土壤含水率對(duì)土體入滲能力的影響[1];Hawke R M采用室內(nèi)試驗(yàn)分析了初始含水率和降雨強(qiáng)度對(duì)近地表土壤滲透能力的影響[2];Rudolph A等分析了前期含水率和降雨類型對(duì)微地貌變化的響應(yīng)[3];You W分析了粗顆粒土坡角及前期土壤含水率對(duì)土壤侵蝕的作用[4];Nciizah A D分析了土體封蓋效應(yīng)對(duì)降雨入滲率產(chǎn)生的影響[5]。

　　朱煦通過(guò)大型土柱降雨滲透試驗(yàn)[6]，分析了恒定前期降雨強(qiáng)度下，松散堆積體內(nèi)部不同深度土體的初始含水率與基質(zhì)吸力隨著降雨時(shí)間的變化規(guī)律;劉目興[7]、袁建平[8]、衛(wèi)喜國(guó)等[9]分別探討了初始含水率、降雨強(qiáng)度以及坡度等因子對(duì)降雨入滲規(guī)律的影響;朱偉等設(shè)計(jì)了室內(nèi)降雨入滲土柱試驗(yàn)[10]，在初步揭示降雨入滲過(guò)程和規(guī)律的基礎(chǔ)上，探討了準(zhǔn)確反映降雨入滲量的有限元計(jì)算方法;楊強(qiáng)等通過(guò)借助于滑坡體土體含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)[11]，分析了含水率對(duì)降雨的響應(yīng);馬鵬輝以淺層黃土為例[12]，研究不同降雨強(qiáng)度下的入滲規(guī)律;陳洪凱等開(kāi)展了人工降雨土柱實(shí)驗(yàn)[13]，對(duì)強(qiáng)降雨作用下的強(qiáng)風(fēng)化泥巖的降雨入滲特性進(jìn)行了研究。

　　薛凱喜等以非飽和紅壤土為對(duì)象[14]，開(kāi)展了降雨入滲的室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究;薛強(qiáng)以延安市寶塔山的典型黃土自然斜坡為例[15]，開(kāi)展了土體含水率和降雨聯(lián)合監(jiān)測(cè)，分析了斜坡土體中的含水率對(duì)降雨入滲的響應(yīng);郭元軍探討了泥石流源區(qū)土體的降雨滲流特點(diǎn)及其與泥石流啟動(dòng)的關(guān)系[16]，并對(duì)現(xiàn)有研究存在的不足和后續(xù)研究方向進(jìn)行討論。

　　在含水率衰減規(guī)律分析方面，一些學(xué)者將含水率的衰減同泥石流災(zāi)害前期有效雨量相關(guān)聯(lián)，用于計(jì)算泥石流前期有效雨量。如崔鵬根據(jù)蔣家溝降雨與含水率觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)前期降雨的衰減系數(shù)k進(jìn)行了計(jì)算[17];韋方強(qiáng)在對(duì)云南蔣家溝土壤含水量和降水的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析[18]，提出了該流域前期有效降水量的計(jì)算公式。

　　上述研究取得了許多有價(jià)值的成果，但存在兩方面的不足：第一，研究方法偏重于人工降雨試驗(yàn)，采用的降雨強(qiáng)度、雨型等指標(biāo)與實(shí)際天然降雨形態(tài)相差大;第二，對(duì)雨后含水率衰減規(guī)律的分析和研究不多，僅限于研究程度較高的西南地區(qū)。西南地區(qū)泥石流物源體以第四系松散堆積物及破碎巖體為主，殘坡積物厚度較大，一般在0.5～10 m，泥石流高發(fā)，泥石流相關(guān)機(jī)理的研究程度較高，而北京地區(qū)殘坡積物較薄，一般只有20～100 cm，屬于以水石流為主的低頻泥石流，泥石流的研究程度較低，且未曾系統(tǒng)開(kāi)展過(guò)類似試驗(yàn)和研究。基于此，本文以北京市密云區(qū)石城鎮(zhèn)沙坨子西溝松散物源體為對(duì)象，以泥石流形成區(qū)松散物源體降雨和含水率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為手段，以4場(chǎng)天然降雨為基礎(chǔ)，分析了不同降雨條件下的土體含水率變化過(guò)程及衰減規(guī)律，建立了雨后土體含水率衰減模型，為泥石流預(yù)警模型的建立提供技術(shù)支持。

　　沙坨子西溝位于密云區(qū)石城鎮(zhèn)捧河沿村，溝長(zhǎng)0.687 km，流域面積為0.6 km2，溝道內(nèi)松散物源體發(fā)育。1969年沙坨子西溝發(fā)生暴雨泥石流，沖毀兩戶民房，死亡4人。

　　為提高泥石流監(jiān)測(cè)預(yù)警精度，在物源區(qū)布設(shè)雨量計(jì)和含水率儀各一臺(tái)(圖1)，對(duì)不同降雨條件下的含水率變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其中，含水率傳感器埋設(shè)深度為30，60，100 cm。同時(shí)，為了解松散物源體的基本物理、力學(xué)性質(zhì)，對(duì)含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)處松散物源體采樣并開(kāi)展了室內(nèi)篩分、天然含水率以及滲透試驗(yàn)。結(jié)果表明：沙坨子西溝松散物源體主要為細(xì)粒土砂，級(jí)配良好，其土樣顆粒的特征參數(shù)為d60=2.878 mm、d50=2.024 mm、d30=0.666 mm以及d10=0.088 mm。土樣的不均勻系數(shù)Cu=32.657，曲率系數(shù)CC=1.751，天然含水率為5.05%(質(zhì)量含水率)，密度為1.05 g/cm3，飽和入滲系數(shù)為2.003×10-4cm/s。

　　3 典型降雨雨型分析

　　降雨強(qiáng)度隨時(shí)間的分配被稱為雨型模式，不同的雨型對(duì)泥石流的爆發(fā)具有不同的影響。選取累計(jì)降雨量均超過(guò)100 mm的4場(chǎng)降雨(2016年7月20日、2017年6月22日、2017年7月7日以及2017年8月22日)為研究對(duì)象。借鑒前人對(duì)雨型劃分依據(jù)[14]，除2017年7月7日降雨屬于峰值位于前部的單峰型降雨外，其余3場(chǎng)降雨均為雙峰型，其中2016年7月20日和2017年6月22日降雨峰值位于中部和后部，2017年8月23日降雨峰值位于前部和后部，各場(chǎng)降雨相關(guān)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1和圖2。

　　4 降雨入滲規(guī)律分析

　　根據(jù)北京地區(qū)歷史泥石流調(diào)查成果[19-20]，大部分泥石流是淺層松散土體在降雨作用下飽和后而產(chǎn)生的，深度一般在20～30 cm左右。因此，本文選擇埋深30 cm的傳感器進(jìn)行含水率變化分析。