蔣家溝泥石流入?yún)R時(shí)小江懸移質(zhì)輸沙特征分析

張金山，屈 益，林 偉，張應(yīng)良

（1.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3.陜西省地礦局第六地質(zhì)隊(duì)，西安 710611；4.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650093）

蔣家溝泥石流入?yún)R時(shí)小江懸移質(zhì)輸沙特征分析

張金山1，2，屈 益3，林 偉1，2，張應(yīng)良4

（1.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610041；2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3.陜西省地礦局第六地質(zhì)隊(duì)，西安 710611；4.昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，昆明 650093）

以2009年8月4日蔣家溝的一場泥石流入?yún)R小江后泥沙觀測資料為基礎(chǔ)，分析了蔣家溝泥石流入?yún)R小江后的泥沙輸移特征。泥石流為小江直接提供了大量的懸移質(zhì)泥沙，導(dǎo)致入?yún)R時(shí)小江輸移的泥沙量劇增，輸沙率達(dá)到了平時(shí)的5倍以上；部分堆積于入?yún)R口的泥石流固體物質(zhì)也在泥石流結(jié)束后受小江水流沖刷再次起動(dòng)，使小江懸移質(zhì)輸沙率在泥石流結(jié)束后呈平穩(wěn)下降，與蔣家溝呈冪曲線下降形成明顯的區(qū)別。由于泥石流輸入的泥沙中細(xì)顆粒更容易被小江水流輸移，因此盡管入?yún)R的泥石流泥沙中粗顆粒含量較高，但在小江泥沙中含量增加的卻是較細(xì)的粉沙、黏土顆粒，小江懸移質(zhì)的中值粒徑與含沙量、輸沙率和流量的關(guān)系曲線都呈上凸形。

蔣家溝；泥石流；小江；懸移質(zhì)輸沙

泥石流是水土流失的一種劇烈形式，它從上游將大量風(fēng)化和重力、水力等各種侵蝕產(chǎn)生的泥沙向下游輸送，具有大容重（1.7～2.3t/m3），高流速（3～12 m/s，有記錄者最高可達(dá)到80m/s），大流量（其流量是溝谷正常流水的幾十倍到幾千倍），短歷時(shí)（幾分鐘到幾十小時(shí)）和寬級(jí)配（粒徑量級(jí)從1×10－6～10m）等特征［1－2］。不僅對(duì)泥石流溝谷產(chǎn)生劇烈的沖淤，而且劇烈改造與主河交匯入口的河床演變，對(duì)主河水流及其挾沙能力的時(shí)間與空間分布產(chǎn)生巨大影響。大量泥沙進(jìn)入河道，對(duì)長江泥沙、水文特征、河道演化等產(chǎn)生嚴(yán)重影響，危及水利水電工程的建設(shè)和運(yùn)行安全，并危害江河防洪和航運(yùn)安全［3］。

泥石流泥沙入?yún)R對(duì)主河演變的影響近年來有了一些深入的研究。趙席文［4］介紹了小江流域泥石流的輸沙情況，并定性地分析了泥石流輸沙與河床演變的關(guān)系。Cui P［5］首次分析了金沙江下游的河床演變與泥石流輸沙的關(guān)系。游勇分析了小江流域泥石流輸沙對(duì)小江中下游河床演變的影響［6］，何易平［7］通過實(shí)驗(yàn)和野外觀測，對(duì)泥石流入?yún)R主河的模式、河道響應(yīng)進(jìn)行定性和半定量的研究，并提出了一些泥石流堵河的判別式。崔鵬［8－9］在連續(xù)觀測資料的基礎(chǔ)上，對(duì)泥石流輸沙的強(qiáng)度、級(jí)配和時(shí)空分布特征進(jìn)行了研究。但泥石流進(jìn)入主河后的泥沙輸移的定量觀測研究還沒有展開，無法定量評(píng)估泥石流入?yún)R對(duì)主河輸沙特征的影響。

本文以2009年8月4日蔣家溝泥石流入?yún)R小江的觀測資料為基礎(chǔ)，對(duì)泥石流入?yún)R后小江泥沙特征進(jìn)行分析，以掌握主河輸移泥石流物質(zhì)的特征與規(guī)律。因推移質(zhì)泥沙觀測困難，加之泥石流區(qū)為礫石河床，雖經(jīng)過了嘗試，但沒有取得有效的推移質(zhì)樣品，所以本文的分析只針對(duì)懸移質(zhì)泥沙。

1 研究方法

1.1 蔣家溝泥石流入?yún)R小江后輸沙觀測方法

為準(zhǔn)確反映蔣家溝泥石流輸沙對(duì)小江泥沙的貢獻(xiàn)量，在小江的蔣家溝入?yún)R口上下游分別選擇觀測斷面。觀測斷面選擇在河道較平直的水流平穩(wěn)區(qū)域，而且要有較好的觀測條件，最終選擇的觀測斷面位置如圖1所示。

圖1 小江水文觀測點(diǎn)設(shè)置略圖

觀測斷面AA′處至蔣家溝入?yún)R口距離為3.2 km，中間無支流匯入，可以代表蔣家溝入?yún)R前的泥沙特征。但此處受下游泥石流入?yún)R的影響，小江河床變化幅度大［6］，單純的水位測量無法得到小江的真實(shí)情況，所以必須測量過流斷面，該斷面處恰好有橫跨小江的公路橋，可以在橋上使用鉛錘法測量小江的過流斷面。斷面AA′處的觀測項(xiàng)目有：過流斷面、流速、懸移質(zhì)采樣。

BB′斷面處小江為游蕩型河床，主流不固定，改道頻繁，水流湍急。此處的觀測項(xiàng)目為流速和懸移質(zhì)采樣，流量為上游AA′斷面流量及蔣家溝和達(dá)朵溝流量之和。蔣家溝匯口至觀測斷面BB′間距離為2.2 km，中間還有達(dá)朵溝匯入，為消除達(dá)朵入?yún)R水量和泥沙的影響，對(duì)達(dá)朵溝進(jìn)行了流量和泥沙的測量，觀測點(diǎn)位于C點(diǎn)。

觀測斷面AA′至BB′距離為5.4km，根據(jù)實(shí)際流速測量，水流從AA′到達(dá)BB′約需要30min，實(shí)際觀測時(shí)BB′比AA′推遲30min進(jìn)行，但在數(shù)據(jù)中都以AA′測量時(shí)間表示。

在蔣家溝沒有暴發(fā)泥石流的情況下，觀測頻率為每周一次，有較大洪水時(shí)加測。蔣家溝暴發(fā)泥石流時(shí)，觀測頻率調(diào)整為每小時(shí)一次。用水樣分析小江含沙量并據(jù)此計(jì)算小江的懸移質(zhì)輸沙率和輸沙量，并用馬爾文激光粒度儀進(jìn)行懸移質(zhì)泥沙樣品的顆粒分析。

1.2 2009年8月4日蔣家溝泥石流觀測

據(jù)設(shè)置在蔣家溝泥石流觀測站的降雨監(jiān)測點(diǎn)記錄，2009年8月4日凌晨3：00－9：00共降雨43 mm，并引發(fā)泥石流。泥石流于5：30左右到達(dá)觀測站，陣性泥石流持續(xù)至7：30后轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)流。6：00天亮后觀測人員對(duì)泥石流的流速、泥深、流寬等進(jìn)行觀測，并采樣分析泥石流容重與含沙量，因小江水文觀測從7：00開始，根據(jù)陣性流流速推算，7：00以后匯入小江的陣性泥石流是6：30以后通過東川站觀測斷面的，蔣家溝泥石流的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)也從6：30開始。

1.3 2009年8月4日小江水文觀測

小江水文觀測小組于6：30到達(dá)觀測斷面開始工作，首先測量AA′斷面處小江水流的過流斷面，然后兩個(gè)斷面約定同時(shí)于整點(diǎn)時(shí)按事先設(shè)計(jì)好的觀測方案進(jìn)行量測和采樣（開始測量時(shí)泥石流已匯入主河），從上午7：00一直持續(xù)到下午16：00，觀測到入?yún)R口下游小江含沙量由升高至最高點(diǎn)至衰減的基本完整過程。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥石流物質(zhì)進(jìn)入小江后懸移質(zhì)輸沙量

根據(jù)小江觀測斷面的樣品顆粒級(jí)配分析結(jié)果，小江中懸移質(zhì)的中值粒徑（d0.5）為0.007mm 左右，泥石流入?yún)R后的BB′斷面懸移質(zhì)的中值粒徑稍大，但區(qū)別不大，兩斷面處樣品的最大粒徑為0.25mm，考慮到所采樣品為表面水流，泥沙最大顆粒較下層小，再結(jié)合實(shí)驗(yàn)中懸移質(zhì)最大粒徑數(shù)據(jù)，選擇0.25mm為可以被主河懸移質(zhì)帶走的最大粒徑。

2.1.1 泥石流物質(zhì)進(jìn)入小江后懸移質(zhì)輸沙總量 比較蔣家溝入?yún)R口上下游小江水流的輸沙率（圖2）可以看出，由于泥石流的入?yún)R，入?yún)R口下游小江輸沙率達(dá)到了平時(shí)的5倍以上。位于入?yún)R口上游的AA′處輸沙率基本穩(wěn)定，BB′斷面處的懸移質(zhì)輸沙率則從8：00開始出現(xiàn)大幅度下降，并在16：00降到與上游斷面基本相同。根據(jù)小江水文泥沙觀測資料的分析可知，在泥石流入?yún)R時(shí)上下游輸沙量的差別可以認(rèn)為是由于蔣家溝的入?yún)R而造成的。觀測站處后續(xù)流開始于7：30，流速1.5～1.9m/s，到達(dá)4.55km處的入?yún)R口需耗時(shí)40～50min，再由入?yún)R口到達(dá)2.2km處小江下游觀測斷面約需12min，因此與蔣家溝7：30的連續(xù)流所對(duì)應(yīng)的是小江8：30左右的輸沙。計(jì)算出小江在7：00－16：00時(shí)共輸送＜0.25mm的泥沙約6.6萬t，相應(yīng)時(shí)段（6：30－15：00）蔣家溝輸入相同粒級(jí)的泥沙約4.5萬t，兩者之間的差值為2.1萬t，說明在此過程中小江的兩個(gè)觀測斷面間有新的泥沙來源，也說明這時(shí)小江的挾沙力大于上游及蔣家溝的來沙量。

圖2 泥石流入?yún)R時(shí)蔣家溝入?yún)R口上、下游輸沙率

2.1.2 泥石流物質(zhì)進(jìn)入后小江懸移質(zhì)輸沙過程 計(jì)算出AA′和BB′處輸沙率的差值并點(diǎn)繪其與時(shí)間的散點(diǎn)圖發(fā)現(xiàn)，小江在蔣家溝泥石流結(jié)束后其懸移質(zhì)輸沙率呈斜線下降，也就是說其下降表現(xiàn)出一定的均勻性（圖3）。而陣性泥石流結(jié)束后蔣家溝輸沙率的下降趨勢為先迅速后平穩(wěn)的乘冪曲線衰減，懸移質(zhì)粒級(jí)的泥沙輸沙率在陣性流之后的衰減也同樣呈乘冪曲線（圖4）。主河的泥沙衰減也本應(yīng)與蔣家溝入?yún)R的泥沙隨時(shí)間變化趨勢一致，呈乘冪曲線衰減。實(shí)際觀測到的這種呈均勻變化過程的現(xiàn)象說明在此過程中有新的泥沙輸入使衰減的速度才沒有如乘冪曲線一樣迅速。

圖3 2009年8月4日BB′斷面懸移質(zhì)泥沙的輸沙率

圖4 蔣家溝后續(xù)流輸沙率（＜0.25mm顆粒）

這個(gè)新的泥沙來源就是堆積于蔣家溝入?yún)R口處的泥石流物質(zhì)受到小江水流沖刷再次起動(dòng)的泥沙。在陣性流期間，泥石流大量地堆積于入?yún)R口附近的小江河床中，引起小江河床的抬升，對(duì)上游來水產(chǎn)生壅塞甚至堵斷小江。隨著陣性流輸沙的減弱或結(jié)束，小江水流在堆積體上沖刷形成新的河道，并且深度不斷加大，最后達(dá)到穩(wěn)定。在河道沖刷下切加深的過程中堆積下來的泥石流物質(zhì)被不斷的向下游輸送。

根據(jù)地形斷面測量，小江最后沖刷形成的斷面最深為4.5m，河寬約60m，算得斷面積為283m2，在河道中的延伸長度約為500m，沖刷體積約為14.1萬 m3，以堆積物密度2.6t/m3計(jì)，共輸移泥沙36.7萬t。若陣性流階段溝口泥石流為整體堆積，則其顆粒級(jí)配應(yīng)與蔣家溝陣性流的一致。實(shí)際上在陣性流與主河水流交匯的過程中，二者有一定程度的摻混，泥石流所攜帶的細(xì)粒物質(zhì)有一部分在入?yún)R時(shí)就被主河帶走，使溝口堆積物中細(xì)粒物質(zhì)含量下降，而主河下切的位置又在堆積區(qū)的前緣，這里泥石流堆積時(shí)與主河摻混更加強(qiáng)烈，堆積物中的細(xì)粒含量更少，采樣分析＜0.25mm的顆粒含量約為8%左右，算得新起動(dòng)泥沙中＜0.25mm粒級(jí)的泥沙總量約2.9萬t，與通過入?yún)R與輸移觀測數(shù)據(jù)的差值基本一致。

2.2 蔣家溝入?yún)R后小江懸移質(zhì)泥沙顆粒特征

泥石流的入?yún)R為主河提供了大量的固體物質(zhì)，必然使主河河水中泥沙的多少和泥沙的粒徑造成影響，而且在泥石流及其后的含沙水流入?yún)R過程中含沙量和顆粒特征呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律。

2.2.1 懸移質(zhì)泥沙粒級(jí)分布特征 總體上泥石流漿體、蔣家溝挾沙水流及小江水樣泥沙顆粒分布比較相似，按我國水文工程界的分類［10］，小江泥沙主要集中于粒徑介于0.005～0.1mm之間的粉沙段，其次為粒徑＜0.005mm的黏粒，兩者加起來達(dá)到90%左右，粒徑＞0.25mm的沙粒比例很小。

但各種流體的泥沙級(jí)配也有一些區(qū)別，蔣家溝挾沙水流中的粉沙段比例較其它曲線都高，而細(xì)砂部分的比例則明顯較少，甚至較小江挾沙水流小。這是因?yàn)楹罄m(xù)流泥沙來源充足，黏粒和粉沙較易起動(dòng)和搬運(yùn)，所占比例相對(duì)較大。與小江水流泥沙相比，泥石流漿體在黏粒與粉沙段都極為相似，區(qū)別在于細(xì)砂的含量較高，這是泥石流輸沙的典型特征，即泥石大小混雜，分選性差，盡管這里只選取了在泥石流體中充當(dāng)漿體的＜0.25mm的泥沙，但顆粒大小混雜的特征仍然存在（圖5）。

圖5 小江及蔣家溝泥沙＜0.25mm部分分布曲線

2.2.2 同粒級(jí)懸移質(zhì)輸沙率 泥石流為小江水流提供了泥沙物質(zhì)，使得泥石流入?yún)R期間下游BB′斷面處的水樣含沙量遠(yuǎn)大于上游AA′斷面，也導(dǎo)致小江輸沙量大幅增加。除了數(shù)量上的增加以外，泥石流輸沙率也呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。從輸沙率與流量的散點(diǎn)圖來看（圖6），上游的AA′斷面處輸沙率與流量關(guān)系的點(diǎn)子分布散亂，輸沙率與流量的增加沒有明顯關(guān)系，相關(guān)系數(shù)只有0.47，這說明因上游來沙量少并且河床物質(zhì)不易起動(dòng)，實(shí)際輸沙率小于水流的最大輸沙率，這時(shí)的輸沙率主要決定于來沙條件；而下游BB′斷面處的輸沙率則隨著流量的增加而增大，具有明顯的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.92，直線擬合的決定系數(shù)R2也達(dá)0.84，說明下游的BB′斷面則因蔣家溝泥石流的入?yún)R使來沙量充足，河水含沙量達(dá)到飽和，水流輸沙能力已致極限，輸沙率的大小決定于水流的輸沙能力。

從不同粒級(jí)的輸沙率來看，下游BB′斷面處粉沙和黏粒都隨著流量的增加而增加，其中粉沙的增加幅度更大，細(xì)砂的輸沙率則隨流量增加的趨勢不明顯（圖7），而泥石流（包括陣性流和稀性流）中細(xì)砂比例是較高的。說明輸沙量的增加并不與來沙顆粒級(jí)配完全一致，而是有一定的選擇性，水流選擇了更易于懸浮而不易下沉的泥沙［11］。

圖6 蔣家溝泥石流入?yún)R時(shí)上下游小江流量與輸沙率關(guān)系

圖7 BB′斷面處各粒級(jí)泥沙輸沙率與流量的關(guān)系

小江水流的這種選擇性輸沙對(duì)所輸移的泥沙顆粒產(chǎn)生的最明顯的影響表現(xiàn)在中值粒徑上。根據(jù)蔣家溝泥石流入?yún)R后的小江泥沙實(shí)測資料，BB′斷面處的泥沙中徑在與含沙量、輸沙率及流量的關(guān)系曲線上都表現(xiàn)為先升后降的上凸形曲線（圖8）

圖8 泥石流入?yún)R后小江泥沙中徑與流量、含沙量及輸沙率關(guān)系

3 結(jié)論

通過蔣家溝入?yún)R口上下游設(shè)置的水文斷面及2009年8月4日的蔣家溝泥石流的觀測資料，對(duì)蔣家溝泥石流入?yún)R后泥沙在小江中的輸移特征進(jìn)行了初步分析研究，得到以下結(jié)論：

（1）由于泥石流向主河輸入大量泥沙，入?yún)R口上下游輸沙量差別很大，下游的輸沙率可達(dá)到上游輸沙量的5倍，輸沙量大大增加。在泥石流陣性流結(jié)束后主河輸沙率開始下降，但由于同時(shí)有堆積于河床上的泥沙起動(dòng)，下降的過程較為平穩(wěn)。

（2）蔣家溝入?yún)R小江的泥石流泥沙中粒徑＜0.25 mm的部分可以以懸移質(zhì)方式向下游輸移，粗顆粒含量較高，由于小江水流的選擇性輸沙，顆粒較細(xì)的粉沙、黏土顆粒更容易被小江水流輸移。

致謝：中國科學(xué)院東川泥石流觀測研究站提供了部分觀測資料，在此表示誠摯的謝意。

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Suspended Load Characteristics of Xiaojiang River in the Scenario of Debris－Flow Afflux from Ravine

ZHANG Jin－shan1，2，QU Yi3，LIN Wei1，2，ZHANG Yin－liang4
（1.Key Laboratory of Mountain Hazard and Surface Processes，Chinese Academy of Sciences，Chengdu610041，China；2.Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences＆ Ministry of Water Conservancy，Chengdu610041，China；3.The No.6Geological Team of the Shaanxi Bureau of Geology and Mineral Resources，Xi'an710611，China；4.College of Architectural Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming650093，China）

The characteristics of sediment flows in the Xiaojiang River was studied when debris flowed into this river，and the solids transport is systematically investigated.A debris flow occurred on Aug.14，2009，in the Jiangjia Ravine was observed and the process of the afflux to the Xiaojiang River was also monitored.With the observation data，the flow of the suspended load in the Xiaojiang River was analyzed after the afflux of debris－flow.Debris flows usually provide a large number of suspended loads for the Xiaojiang River directly，which generally leads to the rapid increment of sediment transport in the river.The sediment transport rate of the suspended loads reached about five times of the normal level.Some of the debris flows deposit at the mouth of the Jiangjia Ravine and enter the Xiaojiang River by erosion.Thus，the suspended load transport rate is observed to decrease steadily rather than the decline like the exponential curve in Jiangjia Ravine.Moreover，fine sediment of the debris－flow is more likely to be transported in the Xiaojiang River.Therefore，the amounts of silts and clays increas with the sediment transport rate faster than that of fine sands.As the result，the relationship curves between the mean particle size，the sediment concentration，the discharge，and the sediment transport rate are found to be convex.

the Jiangjia Ravine；debris－flow；Xiaojiang River；suspended load

P642.23

A

1005－3409（2011）06－0037－05

2011－07－03

2011－08－04

國家自然科學(xué)基金“泥石流入?yún)R主河后泥沙輸移規(guī)律研究”（40871024）

張金山（1972－），男，甘肅古浪人，博士，研究方向?yàn)槟嗍鞯壬降貫?zāi)害減災(zāi)理論與實(shí)踐。E－mail：zjszj＠163.com