泥石流的誘發(fā)因素及災(zāi)害評(píng)估思考

夏逸平，張俊海，林 昊，杜乃娟

(工程兵指揮學(xué)院二系，江蘇 徐州 221004)

2010年8月7日晚至8日凌晨，甘肅省甘南州舟曲縣發(fā)生強(qiáng)降雨引發(fā)泥石流災(zāi)害?；履嗍鞫氯瘟杲嫌沃Я靼埥?，形成堰塞湖，回水使舟曲縣城部分被淹。造成1270人遇難、474人失蹤，舟曲5km長(zhǎng)、500m寬區(qū)域被夷為平地。2011年1月28日，巴西洪災(zāi)與泥石流，多處道路和房屋遭到洪水或泥石流沖垮，許多偏遠(yuǎn)村莊成為“孤島”。

泥石流是指在山區(qū)或者其他溝谷深壑、地形險(xiǎn)峻的地區(qū)，因?yàn)楸┯瓯┭┗蚱渌匀粸?zāi)害引發(fā)的山體滑坡，并攜帶有大量泥沙以及石塊的特殊洪流。泥石流流動(dòng)的全過(guò)程一般只有幾個(gè)小時(shí)，短的只有幾分鐘。泥石流是一種廣泛分布于世界各國(guó)一些具有特殊地形、地貌狀況地區(qū)的自然災(zāi)害。泥石流大多伴隨山區(qū)洪水而發(fā)生。它與一般洪水的區(qū)別，是洪流中含有足夠數(shù)量的泥沙石等固體碎屑物，其體積含量最少為15%，最高可達(dá)80%左右，因此比洪水更具有破壞力。

1 泥石流的誘發(fā)因素

泥石流往往是由巖體塊石、泥土以及大量的水所構(gòu)成的流體，沿著山坡和溝谷向下流動(dòng)的一種自然現(xiàn)象。大多數(shù)泥石流的誘發(fā)條件，都包括豐富的松散固體物質(zhì)、陡峭的山坡和充足的水源。泥石流最常見(jiàn)的水源是強(qiáng)度很大或持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)的降雨以及冰雪融水(有時(shí)也可能是二者的結(jié)合)。泥石流的誘發(fā)因素很多。一般地，當(dāng)滑坡體轉(zhuǎn)化為迅速移動(dòng)的流體時(shí)，就意味著泥石流發(fā)生了。但是，當(dāng)山坡徑流速度很大或者洪水劇烈地侵蝕并搬運(yùn)溝谷中的沉積物時(shí)，也可能發(fā)生泥石流?；鹕奖l(fā)和降雨強(qiáng)度很大時(shí)，火山流和迅速融化的冰雪體的混合，也會(huì)導(dǎo)致泥石流的發(fā)生。地震和大壩的潰決也可能導(dǎo)致泥石流的發(fā)生。誘發(fā)因素會(huì)極大地影響泥石流的體積、組成及流動(dòng)過(guò)程。任何造成山坡不穩(wěn)定、徑流速度加快或者山洪爆發(fā)的因素，都可能促使泥石流的發(fā)生。下文主要研究降雨誘發(fā)的泥石流。

1.1 溝谷型泥石流

實(shí)踐證明，大規(guī)模的沉積物有可能產(chǎn)生泥石流。溝谷中的沉積物可能由于徑流或者山洪的爆發(fā)而發(fā)生移動(dòng)，并很可能會(huì)成為泥石流的沉積物來(lái)源。在多個(gè)地區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，由于流動(dòng)搬運(yùn)沉積物所導(dǎo)致的體積的增加，被認(rèn)為是產(chǎn)生大型泥石流的重要因素，甚至是主導(dǎo)因素。這個(gè)過(guò)程的初始階段，被稱為沉積物的積累階段，也被認(rèn)為是火山地區(qū)和非火山地區(qū)產(chǎn)生泥石流的重要過(guò)程。溝谷沉積物是甘肅甘南州舟曲山區(qū)泥石流沉積物的主要來(lái)源。泥石流溝道堆積物在暴雨后形成的溝谷快速洪流，導(dǎo)致河床散堆積物起動(dòng)而形成泥石流過(guò)程，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局將這類泥石流起動(dòng)過(guò)程稱之為“消防水管效應(yīng)”(firehose effect)。

1.2 滑坡型泥石流

在流量相對(duì)較大的水作用下，許多泥石流起初是陡坡(坡度大于15°)上不連續(xù)分布的滑坡體。山坡失穩(wěn)通常發(fā)生在洼地的前面，但是也會(huì)發(fā)生在平坦的或者凸起的坡面上。當(dāng)降雨通過(guò)一塊較大面積的土壤入滲時(shí)，就很有可能引起滑坡。由于土壤逐漸達(dá)到飽和，孔隙水壓力增加，抗剪強(qiáng)度降低。滑坡發(fā)生時(shí)，整個(gè)厚度的土壤層不一定會(huì)達(dá)到飽和。開(kāi)始時(shí)，滑坡失穩(wěn)，然后慢慢移動(dòng)成為泥漿，這就是泥石流?；庐a(chǎn)生的泥石流能以很快的速度沿山坡向下運(yùn)動(dòng)，并且常常會(huì)搬運(yùn)很大體積的溝谷沉積物，因此隨著流動(dòng)距離的增加體積也越來(lái)越大。

2 災(zāi)害評(píng)估須注意的幾個(gè)問(wèn)題

建立準(zhǔn)確可靠的泥石流監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)，必須對(duì)泥石流易發(fā)區(qū)進(jìn)行全面的研究，對(duì)導(dǎo)致泥石流發(fā)生的各種條件進(jìn)行判別。因此，一個(gè)綜合的泥石流災(zāi)害評(píng)估，必須要注意下面幾個(gè)問(wèn)題：

2.1 泥石流發(fā)生的時(shí)間

為了知道泥石流在一場(chǎng)暴雨中或者在暴雨季節(jié)中可能發(fā)生的機(jī)率，必須考慮到兩個(gè)與時(shí)間相關(guān)的觸發(fā)臨界值：一是前期降雨的臨界值，即這個(gè)季節(jié)中的累積降雨量；二是暴雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的臨界值，即在暴雨過(guò)程中，超過(guò)了比較關(guān)鍵的降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的值。存在前期降雨臨界值，是因?yàn)樯狡峦寥涝诤导臼?，需要一定量的降雨?lái)補(bǔ)充土壤水分。如果土壤水分沒(méi)有恢復(fù)到正常的水平。那么就不會(huì)達(dá)到山坡失穩(wěn)所需要的孔隙水壓力，泥石流即使在暴雨條件下也不會(huì)發(fā)生。需要注意的是，在最近發(fā)生過(guò)火災(zāi)的地區(qū)，泥石流最有可能是由徑流過(guò)程而不是由滲透過(guò)程觸發(fā)的，大規(guī)模的泥石流一般都是由影響一個(gè)地區(qū)的第一次明顯的降雨造成的。因此，對(duì)于泥石流而言，在已發(fā)生過(guò)火災(zāi)的地方，前期降雨條件就不如在未擾動(dòng)地方的影響大。在被燒過(guò)的地方，降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的臨界值能夠?yàn)槟嗍鞯某跏碱A(yù)報(bào)提供足夠多的信息。對(duì)于滑坡觸發(fā)的泥石流，一旦超過(guò)前期降雨的臨界值，就要對(duì)降雨進(jìn)行評(píng)價(jià)，確定預(yù)期降雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，能否觸發(fā)泥石流的運(yùn)動(dòng)。暴雨的臨界值是根據(jù)那些能夠觸發(fā)泥石流的暴雨的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間確定的。降雨臨界線包括了各種可以導(dǎo)致泥石流發(fā)生的暴雨，例如持續(xù)時(shí)間短但強(qiáng)度很大的降雨，或者持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，但強(qiáng)度較低的降雨。臨界值通常是以函數(shù)形式表示的，因?yàn)樵诓煌牡貐^(qū)導(dǎo)致泥石流發(fā)生的降雨條件也會(huì)不同，因而，降雨臨界值有著明顯的地域特點(diǎn)。為了說(shuō)明降雨臨界值的地域性，一些學(xué)者提出利用年均降水量或者雨季的正態(tài)曲線將降雨臨界值正態(tài)化。降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的臨界值，也可以用來(lái)表示潛在災(zāi)害發(fā)生的水平。

2.2 泥石流發(fā)生地點(diǎn)

在過(guò)去的30年，地質(zhì)學(xué)家們已經(jīng)研究出多種方法來(lái)分析泥石流災(zāi)害。這些方法從廣義上可以分為理論分析方法、統(tǒng)計(jì)方法和過(guò)程分析方法。目前，仍利用這3種方法來(lái)制作泥石流的災(zāi)害分布圖。這些方法的理論基礎(chǔ)存在著很大的差異。理論分析方法是一種很常用的方法。它利用許多不同的信息源來(lái)制作地圖，以說(shuō)明可能發(fā)生滑坡的地點(diǎn)?；旅舾行詧D的制作就利用了這種方法。這種地圖將一個(gè)地區(qū)的山坡穩(wěn)定性劃分為穩(wěn)定至不穩(wěn)定等幾個(gè)級(jí)別?？刂苹路植嫉囊蛩匾约懊恳粋€(gè)控制因素的相對(duì)影響，通常都是根據(jù)專家的推斷、野外觀測(cè)以及滑坡的一些歷史資料推斷出來(lái)的。

2.3 泥石流的規(guī)模

泥石流的規(guī)模通常用峰值流量、可能被淹沒(méi)地區(qū)的平面面積或者是可以從山坡或者溝谷搬運(yùn)下來(lái)的沉積物的體積來(lái)表示。評(píng)價(jià)堆積在溝谷中沉積物的體積，是確定泥石流大小的一種最可靠的方法。值得注意的是，盡管峰值流量是表示洪水大小的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，但是它并不一定能夠很好的描述泥石流的大小。因?yàn)楹芏嗄嗍鞫际前l(fā)生在沒(méi)有設(shè)置測(cè)量站的山區(qū)，即使設(shè)置了測(cè)量系統(tǒng)，想要在泥石流事件之后仍保持完好，簡(jiǎn)直是不可能的事情。所以，有必要利用一種間接的方法來(lái)確定峰值流量。但是，這種間接方法應(yīng)用也十分有限，因?yàn)槟嗍魇欠桥ｎD流體，而其峰值流量的大小在很短的流動(dòng)路程上(數(shù)百米)就會(huì)產(chǎn)生很大的變化。對(duì)一些災(zāi)害評(píng)價(jià)而言，泥石流淹沒(méi)的地區(qū)的平面面積或者是經(jīng)過(guò)谷口的泥石流的總體積的測(cè)量數(shù)據(jù)、被認(rèn)為是更加有意義的資料。

2.4 泥石流的滑動(dòng)距離

傳統(tǒng)上，對(duì)泥石流災(zāi)害的評(píng)價(jià)是以詳細(xì)的泥石流沉積物分布圖和對(duì)流域內(nèi)可能被淹沒(méi)地區(qū)的推斷為基礎(chǔ)的。但是，這種方法具有很大的主觀性。模擬模型提供了一個(gè)相對(duì)客觀的災(zāi)害評(píng)估方法。目前，已經(jīng)提出了多種經(jīng)驗(yàn)和數(shù)值模型來(lái)模擬泥石流的滑動(dòng)距離和泛濫范圍。盡管對(duì)泥石流機(jī)制進(jìn)行理論的和數(shù)值的分析已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，但是利用物理模型對(duì)泥石流進(jìn)行三維空間上的分析還未得到廣泛的認(rèn)可。目前，用來(lái)識(shí)別泥石流泛濫面積的最為實(shí)際的方法，就是以歷史資料為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)分析。然而，一些事實(shí)表明，泥石流的泛濫面積是與其流動(dòng)體積相關(guān)的。實(shí)際工作中，識(shí)別泥石流擴(kuò)展和淹沒(méi)的一個(gè)相當(dāng)有用的經(jīng)驗(yàn)方法，就是判定流動(dòng)體積和泛濫面積之間的關(guān)系。這個(gè)方法要利用歷史上的泥石流資料對(duì)模擬模型進(jìn)行校正，并以泥石流的預(yù)估體積、溝谷的橫截面積以及泛濫面積之間的比例和統(tǒng)計(jì)關(guān)系為基礎(chǔ)。在泥石流發(fā)生之前，對(duì)初始失效體積進(jìn)行評(píng)價(jià)是相當(dāng)困難的，但是利用泥石流的預(yù)估體積和泛濫面積，可以對(duì)泥石流的體積增大或者發(fā)生概率的減小進(jìn)行繪圖。

深入認(rèn)識(shí)泥石流誘發(fā)因素與運(yùn)動(dòng)成災(zāi)規(guī)律，是研發(fā)減災(zāi)新技術(shù)的基礎(chǔ)。加強(qiáng)泥石流基礎(chǔ)性研究，深入認(rèn)識(shí)泥石流形成機(jī)制、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和成災(zāi)機(jī)制，在新理論和新認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出適合中國(guó)需求、具有中國(guó)特色的泥石流減災(zāi)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)泥石流災(zāi)害的科學(xué)管理，做到人與自然的科學(xué)與和諧發(fā)展，進(jìn)一步提升中國(guó)泥石流研究和防治水平。發(fā)展基于泥石流形成理論的機(jī)制預(yù)報(bào)模式，提高泥石流預(yù)報(bào)精度，健全群策群防體系；改進(jìn)泥石流防治工程設(shè)計(jì)參數(shù)，完善災(zāi)害防治技術(shù)規(guī)程；加強(qiáng)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析理論與方法研究，注重地震區(qū)泥石流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，是我們國(guó)家未來(lái)幾年泥石流防治工作的主要內(nèi)容。

[1] 劉連剛，韋京蓮，葉超，等.北京地質(zhì)災(zāi)害[M].北京：中國(guó)大地出版社，2008：1-194.

[2] 沈芳，黃潤(rùn)秋.地理信息系統(tǒng)與地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，1999，11(1)：6-l0.

[3] 鐘敦倫，謝洪，王士革，等.北京山區(qū)泥石流[M].北京：商務(wù)印書館，2004：121-147.

[4] 白利平，南贊，孫佳麗.北京市泥石流災(zāi)害臨界雨量研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2007，18(2)：34-36.

[5] 魏永明，謝又予.關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評(píng)判法在泥石流溝谷危險(xiǎn)度劃分中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1998，7(2)：109-116.

[6] 陳偉，等.泥石流危險(xiǎn)度的模糊綜合評(píng)判[J].水土保持研究，2006，13(2)：138-140.

[7] 王晰.泥石流溝危險(xiǎn)度的模糊評(píng)判[J].重慶師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，19(1)：22-25.