北京雙緊梢溝泥石流堆積物的特征及演變*

呂晶,高甲榮,胡封兵

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100083)

目前,世界上許多國(guó)家的地學(xué)工作者都已經(jīng)開展了對(duì)泥石流扇形地的研究。近年來,我國(guó)地學(xué)界認(rèn)識(shí)到泥石流在短暫的堆積過程中使山麓地帶的地形地貌發(fā)生巨大變化并轉(zhuǎn)向泥石流扇形地的研究[1]。泥石流堆積扇是泥石流活動(dòng)的產(chǎn)物及客觀見證。它保持、存儲(chǔ)、記憶著泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)和堆積的大量信息。通過對(duì)堆積物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成的研究,可以充分了解本區(qū)泥石流的性質(zhì)和特點(diǎn)[2-3]。

北京西部山區(qū)泥石流發(fā)生頻繁,泥石流堆積扇是主要的泥石流沉積物[4]。1967年,位于北京密云馮家峪鎮(zhèn)的雙緊梢溝發(fā)生泥石流災(zāi)害,且在西白蓮峪主溝與雙緊梢溝交匯處形成堆積扇[5]。筆者選取雙緊梢溝泥石流堆積扇作為研究對(duì)象,通過詳細(xì)地收集和調(diào)查雙緊梢溝的自然地貌、地形、氣候和植被等環(huán)境條件和泥石流堆積扇地貌特征、形態(tài)特征及粒徑組成特征資料、數(shù)據(jù),推演泥石流堆積扇演變過程和演變?cè)?。為今后進(jìn)一步探討北京山區(qū)泥石流形成機(jī)理和運(yùn)動(dòng)過程以及其泥石流防治有效措施提供參考。

1 研究區(qū)概況

雙緊梢溝位于北京密云馮家峪西白蓮峪下游,40°40′-40°41′N,116°51′-116°52′E。其堆積物位于雙緊溝溝口處與西白蓮主溝交界處。雙緊梢溝的流域面積為0.46 km2,其流域出口處建有谷坊群。雙緊梢溝是西白蓮峪的一部分,為剝蝕、單斜斷塊中低山山地。受地質(zhì)構(gòu)造和巖性控制以及各種外營(yíng)力綜合作用的結(jié)果,山坡陡峻,多斷崖峭壁。山谷平均坡度為30.42°,溝道縱坡為18°。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)和外部營(yíng)力的作用,山體多為懸崖和峭壁。山體呈現(xiàn)葉子形狀。最高點(diǎn)絕對(duì)高程900 m,最低點(diǎn)絕對(duì)高程是522 m。雙緊梢溝的堆積物排泄區(qū)較小,致使沉積物很快地沖刷到溝道,該溝道沖刷作用搬運(yùn)作用劇烈。

該流域所處區(qū)域地層形成悠久,主要為太古界時(shí)期形成。主要位于張家墳群向北突出的弧行部分。巖石以片麻巖、片巖為主,分布含較多的石英巖、大理巖的淺變質(zhì)巖石。地層的成層性較好,延伸穩(wěn)定,混合巖化作用較好,屬于淺、中深區(qū)域變質(zhì)。其大型構(gòu)造為短軸背斜。該流域地質(zhì)構(gòu)造主要位于新華夏構(gòu)造斷裂帶第二沉降褶皺帶的石城斷裂帶。走向北20°,傾向東,傾角 60°。新華夏構(gòu)造斷裂,屬于現(xiàn)代活山性斷裂。此斷塊相對(duì)于密云水庫(kù),處于上升區(qū)。

流域位于暖溫帶半干旱、半濕潤(rùn)東南季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫10.9℃。降水集中,雨熱同季,四季分明。根據(jù)北京市多年平均年降水量資料,流域位于降水等值線700～800 mm。年際間降水不均衡。夏季降水最多,占今年降水量的76.4%。夏季降水集中在7-8月,占全年降水的29.4%。年平均氣溫為10.8℃。年平均地溫為13℃。極端地面最高溫度67.5℃。最低地溫均值為-7℃。凍融作用和風(fēng)化作用強(qiáng)烈,巖石破碎。

流域植被屬針闊混交森林植被帶,主要分布天然次生林。樹種多樣,主要由山楊、山核桃、鍛樹、鵝耳棟、架樹、山榆、椿樹以及遼東櫟。天然次生林較多,植被覆蓋率較高。

根據(jù)實(shí)地查考,該流域殘存有大量溝壩地。由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力水平較低,過度墾荒和放牧,破壞了流域內(nèi)植被,打破了山區(qū)本身脆弱的生態(tài)系統(tǒng)平衡。在外來干擾的作用下,生態(tài)系統(tǒng)迅速惡化,水土流失嚴(yán)重,增大了泥石流的發(fā)生。目前,該流域人口全部搬遷,但是作為一處新的旅游景點(diǎn)正在規(guī)劃和初步建設(shè)中。流域內(nèi)采石現(xiàn)象普遍存在。

2 研究方法

2.1 泥石流流域環(huán)境調(diào)查

泥石流流域自然地理狀況調(diào)查主要內(nèi)容包括地質(zhì)條件、水文、氣象、侵蝕現(xiàn)狀和人類活動(dòng)狀況等等。這些資料主要由查閱相關(guān)的地質(zhì)圖件、資料和野外實(shí)際勘測(cè)確定。

地質(zhì)背景調(diào)查的主要內(nèi)容有:泥石流溝所處的大地構(gòu)造位置、溝內(nèi)出露的地層和巖性、斷層裂隙發(fā)育程度、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、地下水活動(dòng)特征、巖體破碎程度、與地震帶的相對(duì)位置及受地震帶影響的程度。地質(zhì)背景調(diào)查方法主要由查閱相關(guān)的地質(zhì)圖件、資料和野外實(shí)際勘測(cè)確定。

氣象水文條件主要收集關(guān)于北京山區(qū)的氣候、降水、溫度等因子。主要包括:(1)溫度:日均溫、年均溫、消融季節(jié)大于某界限溫度持續(xù)天數(shù)、溫度日較差、溫度年較差、季節(jié)性凍結(jié)深度與周期等。(2)降水:年降水量、雨季雨量、日降水量、一日最大降水量,60 min最大降雨量、30 min最大降雨量、10 min最大降雨量。氣象水文條件從當(dāng)?shù)貧庀蟛块T獲取資料。

侵蝕現(xiàn)狀調(diào)查,調(diào)查其是否存在崩塌、滑坡、坡面沖蝕、溝床沖蝕、坡角掏蝕、寒凍風(fēng)化等現(xiàn)象;調(diào)查雙緊梢溝侵蝕特征,主要調(diào)查滑坡、崩塌等侵蝕在溝谷中的位置、規(guī)模、類型、活動(dòng)性、形成特點(diǎn)及其與泥石流形成的關(guān)系;調(diào)查確定該流域的松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量,調(diào)查時(shí)先要查明其所處位置、穩(wěn)定性和補(bǔ)給泥石流的可能性大小。

其野外調(diào)查方法[6]包括區(qū)域調(diào)查和調(diào)查訪問。

區(qū)域調(diào)查:收集已有資料,包括地形圖(采用1∶2.5萬的地形圖)、地質(zhì)圖、水文地質(zhì)圖、工程地質(zhì)圖、地震烈度區(qū)劃圖、氣候水文資料、土壤植被資料、人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)資料。

調(diào)查訪問:訪問泥石流災(zāi)區(qū)有關(guān)部門,了解雙緊梢溝泥石流的相關(guān)情況,如泥石流活動(dòng)歷史;激發(fā)泥石流的水源條件等。

2.2 泥石流堆積特征調(diào)查

堆積物位置:利用GPS衛(wèi)星定位,確定泥石流堆積物的地理位置。

地貌特征:采用野外量測(cè)與填圖的方法,主要調(diào)查堆積扇的部位及其地形、溝道比降與寬度,堆積物外部形態(tài)等。

結(jié)構(gòu)組成:主要有顆粒級(jí)配、巖性組成、礫石排列與分選性、堆積物的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征,以及粒態(tài)、擦痕、礫石包裹情況,大漂礫粒徑、堆積位置與排列等顆粒特征。

以上參數(shù)通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、測(cè)量取得。選定泥石流堆積區(qū)典型部位,通過挖圓形探坑,取出全部顆粒。將顆粒直徑大于10 mm的大顆粒塞出,稱重.將剩余顆粒1 kg左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室分析。礫石的調(diào)查,在溝道內(nèi)隨機(jī)選取一定數(shù)量的礫石進(jìn)行abc長(zhǎng)度和傾向調(diào)查、記錄。

2.3 數(shù)據(jù)分析

泥石流粒度是指泥石流所含固體顆粒的大小,是泥石流固體顆粒重要的幾何特征。粒度及顆粒組成不僅可以反映泥石流形成區(qū)巖石土體的性質(zhì),而且可以反映泥石流的流變特性和搬運(yùn)能力[7]。本文采用的粒度分析[8-9]的主要方法和內(nèi)容如下:

①粒級(jí)采用克魯賓的分析方法,其轉(zhuǎn)換公式為

式中:D——顆粒的直徑。

②平均粒徑。平均粒徑比中值能更正確地反映碎屑顆粒的集中趨勢(shì)。本文按?？撕臀值碌钠骄降谋磉_(dá)式:

式中 :MZ— —平均粒徑 ;Φ16,Φ50,Φ84— —分別表示重量百分比分別為16,50,84所對(duì)應(yīng)的粒徑。

③標(biāo)準(zhǔn)偏差和分選系數(shù)。表示分選程度的參數(shù),它表示顆粒大小的均勻程度。采用由?？撕臀值绿岢龅臉?biāo)準(zhǔn)偏差公式:

式中:σ——分選系數(shù),其他符號(hào)的意義同上。

④偏度。偏度用來判別粒度分布的不對(duì)稱程度。本文采用?？撕臀值碌钠裙?

式中:SK1——偏度,其他符號(hào)意義同上。等級(jí)界限分為五級(jí):很負(fù)偏態(tài)(-1～0.3),負(fù)偏態(tài)(-0.3～1),近于對(duì)稱(-0.1～0.1),偏態(tài)(0.1～0.3),很正偏態(tài)(0.3～1)。

⑤峰度(尖度)。峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的,也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比。本文采用?？撕臀值绿岢龅姆宥裙?

式中:KG——峰度值,其他符號(hào)意義同上。峰值的等級(jí)界限:很平坦(＜0.67),平坦(0.67～0.9),中等(正態(tài))(0.90～1.11)尖銳(1.11～1.56),很尖銳(1.56～3.00),非常尖銳(＞3.00)。

3 結(jié)果與分析

3.1 泥石流堆積扇特征

3.1.1 堆積物地貌及其形態(tài)特征 泥石流堆積物的地貌形態(tài)主要有4種類型[4],即溝谷堆積體、舌狀堆積體、錐形堆積體、扇形堆積體,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)雙緊梢溝泥石流堆積物的地貌形態(tài)為扇形。泥石流發(fā)生時(shí),大量碎屑物質(zhì)沿著山谷出山口,由于坡面開闊、平緩,往往形成扇形堆積體[5],雙緊梢溝也是如此。由圖1可知,扇形堆積物與流域出口相接處被夷平,向上的流域溝道內(nèi)修建有多級(jí)谷坊。扇形體走向?yàn)?45°,大致與西白蓮峪主溝走向一致。扇體頂端長(zhǎng)5 m,頂部至軸線拐點(diǎn)處長(zhǎng)16 m。軸線拐點(diǎn)處長(zhǎng)11.9 m,拐點(diǎn)處至尾部呈隆起狀,其上礫石和黏粒物質(zhì)均多,長(zhǎng)約27 m,上部生長(zhǎng)有多年生草本植物。由此軸線向北一側(cè)坡度為32°,草本植物較多,向南一側(cè)坡度為 11°～14°,由于受河道流水侵蝕,黏粒物質(zhì)較少,草本植物稀疏。

雙緊梢溝泥石流堆積物的顆粒分布圖(圖2)可知黏粒含量占50%,可以推斷[4-5]出該區(qū)域在發(fā)生水石流后,可能再次發(fā)生粘性泥石流,但是由于該區(qū)域常年流水的侵蝕作用,堆積物被侵蝕,難于判斷其是否發(fā)生。層扇體和溝道交匯處呈一缺口,調(diào)查證明,該處是由于河流流水侵蝕造成的,與西白蓮峪主溝相接的堆積物成為主要受侵蝕的場(chǎng)所,靠主溝一側(cè)堆積物主要由大顆粒石塊組成就是一個(gè)很好的證明。堆積物到達(dá)堆積區(qū)后,速度減緩,礫石在重力作用下以滾動(dòng)和躍移的形式堆積,砂粒則在重力和水力的作用下以懸移、躍移和滾動(dòng)的方式堆積[5]?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),溝口堆積扇的發(fā)育具有一定的規(guī)模,說明該區(qū)域的泥石流活動(dòng)較強(qiáng)。

3.1.2 堆積物組成特性 該處堆積物礫石平均粒徑為0.256 m,磨圓度為2～6。90%以上礫石直徑在0.220～0.410 m,最大礫石直徑為0.409 m。堆積物主要有礫石和一些粗骨性碎屑物質(zhì)組成。礫石排列無明顯特征,說明該區(qū)域發(fā)生過的泥石流為水石流[5]。

粒度分析表明(見圖 2),平均粒徑(MZ)為0.060 Φ,分選系數(shù)為 2.452,分選差。顆粒粒徑偏度為-0.014,為負(fù)偏態(tài)(圖2)。峰度值為0.737。出現(xiàn)偏差是由于堆積過程中有不同的物源加入造成的[4]。堆積物的顆粒分布曲線(圖2左)表明,其頻率曲線為一多峰曲線。該曲線說明泥石流發(fā)生時(shí),其礫石的搬運(yùn)方式由推移、跳躍、懸浮三大部分組成。而泥石流粒度曲線推移,跳躍總體十分明顯,懸浮總體往往與跳躍總體相混合,懸浮總體顯得不是太突出[5]。顆粒累積曲線(圖2右)表明,粗組分和細(xì)組分別占50%。其粒度區(qū)間為[-4,4],較寬,其原因可能是由于搬運(yùn)速度快、容重和物質(zhì)粒度變化大的緣故。

圖1 雙緊梢溝泥石流堆積物示意圖

圖2 雙緊梢溝泥石流堆積物的顆粒分布

3.2 泥石流堆積扇演變過程

從平面形狀來看,雙緊梢溝口泥石流平面形狀大體呈舌狀。經(jīng)過實(shí)地調(diào)查,本文復(fù)原了泥石流堆積物形成時(shí)堆積原狀(圖3)。當(dāng)暴雨和地震發(fā)生后,形成區(qū)大量固體物質(zhì)隨洪水而下,形成泥石流。泥石流到達(dá)溝口時(shí),開始堆積。

西白蓮峪主溝形成洪水,與雙緊梢溝泥石流相遇,從而使堆積物的走向發(fā)生改變,向河流流向方向發(fā)生偏移。泥石流堆積物侵占河道,造成河道堵塞,河流流向發(fā)生改變。而堆積物受到洪水的影響,部分固體物質(zhì)發(fā)生了搬運(yùn)和堆積,從而形成了目前堆積物的大致輪廓。泥石流發(fā)生后多年,該流域未發(fā)生大的洪水。因此,西白蓮峪主溝的常年性流水成為泥石流堆積物演變的重要因素。西白蓮峪主溝流水對(duì)堆積物進(jìn)行侵蝕、搬運(yùn)。

圖3 雙緊梢溝泥石流堆積物形成過程

4 結(jié)論

(1)堆積物主要有礫石和一些粗骨性碎屑物質(zhì)組成。礫石排列無明顯特征。礫石在重力作用下以滾動(dòng)和躍移的形式堆積,砂粒則在重力和水力的作用下以懸移、躍移和滾動(dòng)的方式堆積。溝口堆積扇的發(fā)育具有一定的規(guī)模,說明該區(qū)域的泥石流活動(dòng)較強(qiáng)。

(2)雙緊梢溝泥石流堆積扇的演變過程與水石流過程密切相關(guān),該區(qū)域可能也發(fā)生過粘性泥石流。

(3)西白蓮峪主溝常年流水為該區(qū)域泥石流堆積物演變的主要影響因子。堆積物形成后,受到地下水徑流侵蝕的作用,改變其堆積物的內(nèi)部結(jié)構(gòu),西白蓮峪主溝流水沖刷侵蝕堆積扇,改變堆積物的形狀。

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