汶川地震驅動的災害鏈對岷江上游輸沙量的影響

丁海容, 李 勇, 閆 亮, 顏照坤, 趙國華, 馬 超

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 2.四川大學 水利水電學院,成都610065)

汶川地震驅動的災害鏈對岷江上游輸沙量的影響

丁海容1,2, 李 勇1, 閆 亮1, 顏照坤1, 趙國華1, 馬 超1

(1.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 2.四川大學 水利水電學院,成都610065)

2008年5月12日龍門山汶川8.0級特大地震對地表產(chǎn)生強烈震動和破壞，引發(fā)了大量崩塌滑坡災害。震后伴隨強降雨天氣，山洪泥石流災害頻發(fā)，顯示了地震及震后洪水的災害鏈：地震-崩塌、滑坡、泥石流-堰塞湖-潰決洪水。作者采用岷江上游紫坪鋪水文站1980～2007年的輸沙量數(shù)據(jù)以及岷江上游21個雨量站的降雨資料，探討了岷江上游降水量-輸沙量的相關關系，分析了輸沙量的變化趨勢；在此基礎上，分析了汶川地震后4年時間該流域頻發(fā)的特大暴雨對河流輸沙量增加的作用，探討了汶川地震驅動的災害鏈對輸沙量的控制因素。結果表明，強降水是震后輸沙量增多的誘發(fā)因素；坡度對輸沙量的變化具有控制作用；汶川地震的同震作用和地震斷裂帶的控制作用是導致河流輸沙量增加的重要因素；汶川地震后植被覆蓋率降低、水土流失加劇是河流輸沙量增加的重要條件。

汶川地震；岷江上游；暴雨；輸沙量

汶川地震導致山體破碎、巖石松動, 崩塌、滑坡增加，堆積在溝谷里的松散固體物源也增多，在極端氣候所造成的局地短時強降雨作用下，泥石流頻發(fā)。泥石流入河阻斷河流形成堰塞湖，堰塞壩潰決形成山洪災害，同時河流中輸沙量迅猛增加。地震直接誘發(fā)的山地災害形成災害鏈: 崩塌、滑坡→泥石流→堰塞湖→潰決洪水(泥石流)[1]。根據(jù)災害鏈的邏輯關系，可以認為地震作用導致河流輸沙量增加。汶川地震后，眾多專家對地震-滑坡-泥石流-山洪等災害鏈展開了大量研究，如王兆印等指出，地震滑坡及隨后發(fā)生的泥石流等次生災害過程對流域產(chǎn)沙量會產(chǎn)生顯著影響, 而且這種影響至少持續(xù)100 a[2]。曹叔尤等指出，在未來10年內(nèi)汶川地震區(qū)滑坡、泥石流將處于高度活躍期，各流域的產(chǎn)沙量將有明顯的增加，并認為河流的泥沙輸移量隨地震震級的增加而增加[3]。日本學者DHANIO Laurentia等人根據(jù)2004年3月26日發(fā)生在印尼的山地災害相關資料,定量研究了因山體發(fā)生崩塌、滑坡,對流域輸沙量的影響，其結論是:山地災害的發(fā)生,改變了流域的徑流泥沙運動形態(tài)，不僅造成河流的泥沙大量沉積,且崩塌前徑流深度為降水量的60% ,而崩塌后下降到45%，渾濁度比崩塌前提高了400倍[4]。日本關東地震、臺灣集集地震[5,6]和汶川地震[7,8]都表明:強震過后一段時間內(nèi)，泥石流的數(shù)目、規(guī)模和頻率會大幅度增加，泥石流的激發(fā)雨量顯著降低，河流輸沙量顯著增加。這些研究成果從定性、定量的角度都說明:強震引發(fā)了大面積、數(shù)量眾多的滑坡崩塌滾石等地質(zhì)災害，而這些災害產(chǎn)生的大量松散物質(zhì)為泥石流提供了豐富的物源；地震后，一旦遭遇強降雨天氣，必然再次引發(fā)滑坡、泥石流等次生災害，同時導致河流中輸沙量迅猛增加。但是，對于2008年汶川地震后，輸沙量到底增加了多少？導致輸沙量增加的主要因素有哪些？這些問題目前還沒有一個明確的回答。由于河流輸沙量與地質(zhì)、地貌、氣候，特別是暴雨關系密切，因素復雜，涉及的問題眾多，因此，本文在前人研究的基礎上，分析汶川地震的同震作用對輸沙量的控制因素，以期為災后重建工作提供科學依據(jù)，也為流域綜合規(guī)劃等工作提供參考。

1 岷江上游的水文特征

岷江流域發(fā)源于岷山南麓，是長江上游的一級支流，以岷山為分水嶺，分別流經(jīng)岷山的東西兩側，橫切龍門山構造帶，進入四川盆地，為青藏高原東緣的貫通型河流(圖1)。岷江在都江堰以上稱為岷江上游, 位于龍門山、岷山等一系列山脈與四川盆地之間組成的青藏高原東緣地形陡變帶內(nèi)。該區(qū)域內(nèi)新構造活動強烈，是地震多發(fā)區(qū)。岷江不僅是青藏高原東緣龍門山區(qū)最大的河流, 而且也是成都平原最大的補給區(qū)。岷江上游屬于典型的山區(qū)河流，呈現(xiàn)出山高、谷深、坡陡、水急的河谷地貌，總趨勢為西高東低, 橫跨中國東西第一大地勢臺階, 呈南北寬、東西窄的袋狀。岷江上游的河流長度340 km，流域面積約為23 000 km2，河道平均比降為7.5‰，左右岸面積極不對稱, 流域面積不對稱系數(shù)達1.21。岷江上游河谷剖面表現(xiàn)為下部“V”型和上部寬坡型的深切河谷，海拔高度在 700～6 253 m 之間，主干河道流向為由北向南, 在汶川南側向東南橫切九頂山之后, 流入成都平原。該流域地處中國東部季風濕潤區(qū)和青藏高原高寒區(qū)的過渡地帶,年平均降水500～850 mm，雨季為5～10月份，雨季的降水量占年降水量的75%以上，該流域主要位于四川盆地北部的鹿頭山暴雨區(qū)(圖1)；多年平均徑流量為14.4×109m3,豐水期5～10月份占全年徑流的75% , 而枯水期11月份-次年4月份僅占全年的25%；多年平均輸沙量為708×104t。該流域范圍含蓋了四川省的汶川、理縣、黑水、茂縣、松潘五縣，它是成都平原的水源地,也是長江的重要支流。

圖1 岷江上游水系及降水量圖

2 降水量與輸沙量相關性分析

本文采用的水文資料為1980～2007年紫坪鋪水文站的輸沙量數(shù)據(jù)；所采用的降水量資料為該流域1982～2007年間松潘、黑水、雜谷腦、漁子溪、壽溪、米亞羅、雜谷腦、三打古、花紅樹等21個雨量站的降水量數(shù)據(jù)。應用Excel 軟件，對該流域的降水量、輸沙量統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行整合，建立降水量-輸沙量的相關關系，分析其相關性。

2.1 降水量與輸沙量的變化趨勢分析

紫坪鋪水文站在1980～2007年的平均年降水量為1 201 mm。其中最小值出現(xiàn)在2007年，為763 mm；最大值出現(xiàn)在1990年，為1 805 mm。降水量出現(xiàn)峰值的頻率為2～4 a，如1981、1983、1990、1992、1995、2001年都出現(xiàn)了降水量峰值。統(tǒng)計結果表明，自1980年以來降水量總體呈下降趨勢，到2007年減少了約300 mm，約占多年平均降水量的25%。降水量的年際變差系數(shù)為0.18(圖2)。

岷江上游(紫坪鋪水文站)1980～2007年平均年輸沙量為7.0443×106t。其中最大值出現(xiàn)在1992年，為9×106t，最小值出現(xiàn)在2002年，為5.625×106t。其年際變差系數(shù)為0.14。輸沙量總體呈下降趨勢，從1980年至2007年減少了約0.32×106t，占多年平均輸沙量的4.5%(圖2)。

圖2 1980～2007年岷江上游降水量與輸沙量變化趨勢

2.2 降水量與輸沙量的季節(jié)性變化

岷江上游流域內(nèi)的降水量與輸沙量在季節(jié)上的變化趨勢較一致(圖3)，說明輸沙量的季節(jié)變化受降水量影響較大。輸沙量的年內(nèi)分配比降水量的年內(nèi)分配集中,岷江上游流域6～8月份的輸沙量占全年的70%～90%以上,統(tǒng)計的21個雨量站暴雨日數(shù)有80 %以上集中在6～10月份,所以,該流域輸沙量集中在6～8月份的這個特點主要是因暴雨年內(nèi)分配的集中所致。特殊年份,年輸沙量甚至集中在一兩場暴雨期間。

圖3 岷江上游紫坪埔站月均降水量與輸沙量季節(jié)變化圖

2.3 降水量與輸沙量的相關性分析

通過對岷江上游(紫坪鋪站)年降水量與輸沙量的相關分析(圖4)表明，二者相關系數(shù)為R=0.571，顯示岷江上游的年降水量與年輸沙量變化具有一致性，降水量與輸沙量的相關關系式為y=0.266x+359.15。表明岷江上游輸沙量主要受到降水的控制，隨著降水量的增加，河流的輸沙量也相應增加。岷江上游的暴雨洪水是導致輸沙量增加的主要因素，且年輸沙量受控于年降水量的變化。

2.4 汶川地震前后降水量與輸沙量變化的對比分析

汶川地震發(fā)生至今已經(jīng)歷了4個雨季，震后強降雨天氣增多，特別是在主汛期(6～9月份)。如2010年該流域的降水量達到2 545.8 mm,遠遠高于地震前的多年平均降雨量；8月份降水量更是達到507.2 mm,較往年平均值大239 mm(圖5)。2010年“8·13”、“8·18”強降雨由于地域、時間、雨量都很集中，因此強度特別大，給震區(qū)帶來巨大災難。

圖4 岷江上游年降水量與輸沙量之間的相關關系

圖5 汶川地震前后岷江上游降水量對比

從2000～2008年，即汶川地震前，該流域的年輸沙量沒有大的變化。2008年年輸沙量為9.0571×106t,比地震前的多年平均輸沙量增加了27.56%；2009年的年輸沙量為8.0805×106t，比地震前的年均輸沙量增加了13.8%(圖6)。盡管2008年、2009年岷江上游流域沒有發(fā)生大洪水、泥石流等災害，但其輸沙量較多年平均值增加30%左右。值得注意的是2010年的年輸沙量為12.3919×106t，是地震前多年平均輸沙量的1.75倍。輸沙量顯著增加的原因主要是在2010年該流域暴發(fā)了“8·13”和“8·18”特大洪水、泥石流，大量松散固體物質(zhì)以泥石流的形式輸移到河流中，僅在2010年8月份輸沙量就占全年總輸沙量的58.55%。由此可知，汶川地震后，岷江上游流域輸沙量總體增加，增幅達13.8%～70%；但輸沙量的增幅也處于變化之中，在伴隨暴雨泥石流發(fā)生的年份，其輸沙量迅速增加。此外，輸沙量也不是在各月均勻增加，而是在發(fā)生暴雨泥石流的月份輸沙量增加得大。因此，在汶川地震后，只要出現(xiàn)強降雨天氣，河流的輸沙量將會迅猛增加。

圖6 汶川地震前后岷江上游輸沙量對比圖

在沒有更多汶川地震后泥石流流域輸沙量數(shù)據(jù)的情況下，崔鵬等采用冪函數(shù)形式擬合活躍性衰減曲線的穩(wěn)定界限，計算出岷江干流磨子溝在泥石流活躍期為15～20 a時，其輸出的固體物質(zhì)量約為地震前的1.8～2.4倍[9]。這也證明汶川地震后，在出現(xiàn)強降雨的年份，河流的輸沙量成倍增加。

3 汶川地震后輸沙量增加的控制因素分析

通過對比汶川地震前后岷江上游輸沙量的變化表明，該流域的輸沙量主要集中在6～8月份，且這一時期正是該流域暴雨的多發(fā)期。而在特殊年份, 年輸沙量甚至集中在一兩場暴雨期間。這一特征在汶川地震后表現(xiàn)得更為顯著。

3.1 汶川震后岷江上游主要暴雨事件

汶川大地震發(fā)生至今已4年多，經(jīng)歷了4個雨季，極端天氣頻發(fā)，多地出現(xiàn)歷史罕見的大暴雨，因地震形成的固體松散物、堆積物非常豐富，若遇強降雨，極易暴發(fā)泥石流災害。2010年“8·13”和“8·18”、2012年“8·17”，岷江上游流域相繼遭遇了特大暴雨襲擊(圖7、表1)。根據(jù)映秀鎮(zhèn)氣象臺的實測數(shù)據(jù)，2010年8月12日映秀鎮(zhèn)當日累計降雨量為19.9 mm；13日累計降雨量為126.8 mm，最大雨強為32.2 mm/h；14日累計降雨量為23.4 mm，前期降雨量總計達162.1 mm。當最大雨強為16.4 mm/h時，在紅椿溝暴發(fā)了山洪泥石流[10]，泥石流總量為71.1×104m3，其中沖出G213國道以下形成壅塞體的堆積物體積為0.397×106m3[11]。

2010年8月13日都江堰市龍池鎮(zhèn)遭遇強降雨，據(jù)龍池鎮(zhèn)查關村氣象站降水資料(圖7、圖8)顯示，從13 日到14 日，總降雨量達到156.9 mm，最大雨強達75.0 mm/h，大約在16:00 時暴發(fā)大規(guī)模泥石流，17:40時泥石流轉為洪水流。此外，從18日到19日，總降雨量達到252.2 mm，最大雨強達69.0 mm/h，大約在20:00時暴發(fā)山洪泥石流[12]，泥石流洪峰量達1 082 m3/s，泥石流總量為2.23×106m3[13]，其中沖入河的泥石流體積為1.165×106m3。此次震后山洪導致近800人被困，造成1人死亡、12人失蹤,137間房屋倒塌或損毀。

2012年8月龍門山一帶遭遇強降雨天氣，截止到8月20日，全四川省共計99個加密雨量站點出現(xiàn)暴雨過程，55個加密雨量站點出現(xiàn)大暴雨，而“短時強度大”更是此次暴雨天氣過程的特點[14]。據(jù)報道， 8月17日，都江堰聯(lián)合村24 h雨量達231.7 mm； 8月18日都江堰泰安村的雨量最大，達到106 mm； 8月19日，都江堰玉堂鎮(zhèn)24 h雨量達282.6 mm,龍池茶觀村24 h雨量達252.3 mm。暴雨導致從紫坪埔至龍池的必經(jīng)之路白沙大橋受損，靠近都江堰方向的橋面塌陷成”V”字形，致使都江堰至虹口的道路中斷，都江堰城區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇，虹口漂流船沖進市區(qū)?！?·17”這次暴雨是2012年以來最強的區(qū)域性暴雨、大暴雨天氣。相比歷史資料來看，2012年算是近幾年來強降雨較為頻繁的年份。從2012年1月1日至8月19日的成都市總降水量已達819.8 mm，而成都市全年總降水量的多年平均值為986.1 mm，即前8個月的降雨量已達到往年全年的降雨量[15]。

表1 岷江上游震后暴雨、泥石流統(tǒng)計

3.2 汶川地震后輸沙量增加的成因及特征分析

河流中的泥沙為流域侵蝕和河道沖刷的產(chǎn)物，且以前者為主。岷江上游流域地處中國東部季風濕潤區(qū)和青藏高原高寒區(qū)的過渡地帶，該流域輸沙量的變化,主要是由該流域所處的特殊自然地理環(huán)境和地形地貌等因素的綜合影響所致；強降雨天氣、地震破裂帶與強降雨帶的分布、植被覆蓋率的減少等因素對輸沙量的增加都具有控制作用，并表現(xiàn)出以下特征。

a.強降水是震后輸沙量增多的誘發(fā)因素。岷江上游流域是位于龍門山中段的山區(qū)河流，該流域的強降雨帶位于鹿頭山暴雨區(qū)，強降雨帶主要受到地形雨的控制。汶川地震驅動的隆升作用導致山脈升高，從而使得地形雨效應更加明顯，大暴雨更為頻繁。如2010年8月該流域接連遭遇了暴雨襲擊，在8月13～19日期間，都江堰龍池鎮(zhèn)分別遭遇了廿年一遇、十年一遇的強降雨，暴雨沖垮山石，形成高速泥石流匯流，從而導致河流輸沙量在一兩場大暴雨期間迅速增加[11]。

b.坡度對輸沙量變化具有控制作用。岷江上游流域屬于典型的山區(qū)河流，流域內(nèi)山高坡陡, 河谷狹窄, 河流縱比降較大, 陡峻的地勢為勢能轉化為動能提供了有利條件。受汶川地震同震作用的影響，該流域坡度發(fā)生了變化。據(jù)李勇等研究表明，汶川地震驅動的隆升作用使得龍門山地區(qū)河床梯度剖面的坡度增加了0.1‰～1‰，導致龍門山地區(qū)河床梯度總體變陡[16]。由于流域的坡度等地形因素對侵蝕或泥沙數(shù)量有著顯著的影響，F(xiàn)ournier利用分布在全世界不同地區(qū)的78處匯水流域的資料建立了推算年侵蝕模數(shù)經(jīng)驗公式[17]

式中:S為年侵蝕模數(shù)；X濕為最濕月的降水量；X年為年降水量；h為流域內(nèi)單位面積上的平均高差；α為流域的平均坡度。根據(jù)此公式，假設降水不變的條件下，該流域的輸沙量與坡度具有線性關系。岷江上游流域坡度增加，年侵蝕模數(shù)也增加。該流域的輸沙量受到坡度的控制作用。

圖7 2010年8月中旬地震災區(qū)暴雨、泥石流分布圖

圖8 都江堰市龍池鎮(zhèn)“8·13”和“8·18”降雨過程

c.植被是控制水土流失的重要因子,也是影響侵蝕或輸沙量的另一重要因素。植被越茂密，地表遭受的侵蝕就越微弱，泥沙數(shù)量就越少。反之，植被越稀疏，地表遭受的侵蝕就越強烈，泥沙數(shù)量就越多[17]。2008年汶川地震引發(fā)的崩塌、滑坡、泥石流等次生災害造成受災地區(qū)林地垮塌、林木倒伏、林木毀損的情況十分嚴重。據(jù)初步估計,岷江上游林地毀損89 326.31 hm2,毀損良種基地346.77 hm2[18]。一些處于地震核心區(qū)的森林覆蓋率損失面積都在20%以上，植被覆蓋率與山洪成正比例變化[19]，植被覆蓋率下降的直接影響就是山洪發(fā)生頻率增加。此外,汶川地震后新生的水土流失量明顯大于震前的水土流失量。其中平均土壤侵蝕模數(shù)由震前的3703 t/(km2·a)增加到震后的4 604 t/(km2·a)[20],地震前后的土壤侵蝕強度的增幅達25%。震前年均土壤侵蝕量達0.498×109t，震后年均土壤侵蝕量達0.687×109t(未計入滑坡、堰塞湖等次生地質(zhì)災害的流失量)，土壤侵蝕量增加，導致洪水含沙量增多。以上資料表明，汶川地震造成了森林涵養(yǎng)水源的能效下降，水土流失加劇，河流的輸沙量在震后迅猛增加。

d.汶川地震的同震作用和地震斷裂帶的控制作用是導致河流輸沙量增加的重要因素。汶川地震的同震作用導致山體破碎、崩塌、滑坡增多，堆積在溝谷的松散固體物源增多。岷江上游位于龍門山地震頻發(fā)區(qū)，該流域的強降雨帶與映秀-北川發(fā)震斷裂帶基本重合[16]，地震斷裂帶控制了崩塌、滑坡及松散固體物質(zhì)的分布及范圍，在其他條件(坡度、植被覆蓋率、氣溫條件等)不變的情況下，由于可被帶入河道的物質(zhì)增多，在同樣降雨條件下，河流的輸沙量也將呈現(xiàn)增加的趨勢。

4 結 論

通過分析岷江上游降水量-輸沙量之間的相關性，重點探討了該流域2010年 “8·13”和“8·18”、2012年“8·17”典型暴雨事件的發(fā)育情況，結果表明，汶川地震對岷江上游輸沙量的控制因素主要表現(xiàn)為：①強降水是震后輸沙量增多的誘發(fā)因素；②坡度對輸沙量的變化具有控制作用；③汶川地震的同震作用和地震斷裂帶的控制作用是導致河流輸沙量增加的重要因素；④汶川地震后植被覆蓋率降低、水土流失加劇是河流輸沙量增加的重要條件。

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InfluencesofdisasterchaindrivenbyWenchuanearthquakeonsedimentdischargeinupperreachesofMinjiangriver,Sichuan,China

DING Hai-rong1,2, LI Yong1, YAN Liang1, YAN Zhao-kun1, ZHAO Guo-hua1, MA Chao1

1.StateKeyLaboratoryGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China

Ms.8.0 earthquake hit Wenchuan of Longmen Mountain zone in China on May 12, 2008. It caused strong vibration and destruction for the ground surface. With the action of the post-seismic heavy rain, flash floods and debris flows happened frequently. This shows the post-seismic disaster chain: earthquake-collapse, landslide, debris flows-dammed lake-outburst flood. Based on the sediment discharge data of the Zipingpu hydrological station from 1980 to 2007 and the rainfall data of 21 rain-gauge stations in the upper reaches of the Minjiang river, this paper explores the relationship between the rainfall and the sediment discharge in the zone and analyses the change trend. Furthermore, it researches the effect of the frequent heavy rain on the sediment discharge in the 4 years after the Wenchuan Earthquake and analyses the controlling factors. The results show that the heavy rainfall is the inducing factor which leads to increase of the sediment discharge after the earthquake, the slope controls the change of the sediment discharge, the coseismic effect and the controlling effect of the earthquake fault zone are the important factors to induce the increment of sediment discharge, and the decreasing vegetation coverage and aggravating soil erosion after the earthquake are the important prerequisites to lead to the increment of the sediment discharge.

Wenchuan earthquake; upper reaches; Minjiang river; rainstorm; sediment discharge

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.11

1671-9727(2013)06-0712-09

TV142

A

2013-01-08

國家自然科學基金資助項目(41172162)

丁海容(1978-),女,博士,講師,主要研究方向:水文學及水資源, E-mail:dinghairong@cdut.cn。