綿遠(yuǎn)河流域地震侵蝕與泥沙輸移特征

漆力健，王兆印，王旭昭

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑工程系，四川 雅安625014；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，北京100012）

汶川地震引發(fā)了大量山體滑坡、崩塌、滾石等次生山地災(zāi)害，在河谷、山坡上形成大量的松散堆積物，估算震區(qū)堆積物總量超過5.0×109m3［1－4］。汶川地震次生山地災(zāi)害具有沿河流水系呈線狀分布特點(diǎn)，絕大部分都是沿岷江以及大體垂直龍門山走向的深切河谷及其支流。這些河谷切割強(qiáng)烈，地形陡峻，形成了大量地震次生山地災(zāi)害［1，5］。地震引起的崩塌滑坡及隨后的泥石流等次生災(zāi)害過程對(duì)流域產(chǎn)沙量產(chǎn)生顯著影響，而且這種影響至少持續(xù)100a［6］。地震后崩塌滑坡的活躍期將持續(xù)5～10a，泥石流的活躍期持續(xù)10～30a［4，7－9］。

當(dāng)山體受到地震波的強(qiáng)烈沖擊時(shí)失穩(wěn)而發(fā)生位移，以致地面形態(tài)改變。地震引發(fā)的直接侵蝕主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡，后續(xù)的影響主要為泥石流。在汶川地震導(dǎo)致強(qiáng)烈的地表變化情況下，崩塌、滑坡體破壞了大量的山體和森林植被，并形成大面積裸露面，加劇了水土流失。震區(qū)河流的泥沙輸移狀況會(huì)對(duì)下游產(chǎn)生多大程度的影響引起了關(guān)注［2，4］。從2008年12月開始至今本研究對(duì)綿遠(yuǎn)河進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，在此基礎(chǔ)上初步分析了地震侵蝕產(chǎn)沙對(duì)流域泥沙輸移的影響。

1 研究區(qū)域與研究方法

研究區(qū)域?yàn)榘l(fā)源于川西北九頂山南麓的綿遠(yuǎn)河山區(qū)河段，處在汶川地震高烈度區(qū)（Ⅷ—Ⅺ）內(nèi)，地震時(shí)激發(fā)了大量的崩塌滑坡，區(qū)域內(nèi)形成眾多的堰塞湖；震后又有密集的泥石流爆發(fā)。河流受到地震的影響非常劇烈，具有次生山地災(zāi)害種類多、數(shù)量大的特點(diǎn)，在震區(qū)是一條具有代表性的河流。綿遠(yuǎn)河是沱江正源，位于四川省著名的鹿頭山暴雨中心區(qū)，全長129km。其中山區(qū)河段長50.1km2，流域面積357.1 km2，多年平均徑流量4.66×108m3。調(diào)查區(qū)域?yàn)闈h旺鎮(zhèn)以上的山區(qū)河段，區(qū)間長約38km，高差1 052 m，河道平均坡降27.7‰。數(shù)據(jù)獲取主要是通過野外實(shí)地測(cè)量、室內(nèi)樣品分析實(shí)現(xiàn)的。堆積體、河床淤積的幾何特征用電子經(jīng)緯儀和激光測(cè)距儀測(cè)量，通過測(cè)量誤差＜1m的高精度GPS接收器確定地理位置；利用1954年的1∶5萬地形圖以及震后遙感圖與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析。泥沙懸移質(zhì)輸移量通過在出山口（漢旺）定點(diǎn)采用積深法采集水樣獲得。顆粒級(jí)配測(cè)定方法是漂石等粗顆粒則在堆積現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行量測(cè)統(tǒng)計(jì)，對(duì)60mm以下的顆粒則取樣5～10kg篩分稱重，對(duì)小于0.075mm的顆粒用激光粒度測(cè)試儀分析。

2 地震侵蝕堆積物總量

綿遠(yuǎn)河山區(qū)河段河谷深切，河谷狹窄曲折，兩岸山勢(shì)陡峻。地震時(shí)，崩塌滑坡絕大部分直接進(jìn)入支溝或主河。綿遠(yuǎn)河流域次生災(zāi)害在數(shù)量上以崩塌為主，規(guī)模一般較??；滑坡雖然不多，但規(guī)模巨大，如文家溝滑坡為汶川地震的第二大滑坡；此外，地震侵蝕的大量松散堆積物導(dǎo)致震后泥石流溝密集出現(xiàn)。崩塌滑坡在主河形成22個(gè)堰塞湖，其中御軍門、小崗劍等4個(gè)均被列為震后初期排險(xiǎn)重點(diǎn)關(guān)注的堰塞湖。震后又因泥石流形成5處堰塞湖。后因人工開挖或沖潰，現(xiàn)存有24個(gè)堰塞湖。

對(duì)區(qū)域內(nèi)體積在1 000m3以上的堆積體進(jìn)行了測(cè)量和統(tǒng)計(jì)（表1）。1.0×107m3以上的堆積體僅兩個(gè)（文家溝、東河），但二者總體積超過9.0×107m3；而100～1 000×104m3范圍的堆積量約1.3×107m3。10～100×104m3有59個(gè)，總堆積量約5.0×106m3。0.1～1×104m3范圍的個(gè)數(shù)有113個(gè)，但總規(guī)模不大，僅為2.3×105m3。不同規(guī)模堆積體的個(gè)數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)分布（圖1）。

山區(qū)河段上游的崩塌滑坡體分布密集，尤其是1 000m3以下的小崩塌體幾乎連接不斷，而下游分布明顯稀疏。從總體上看，下游的單個(gè)體積比上游的大。調(diào)查區(qū)域內(nèi)1.0×103m3以上的堆積體共計(jì)196個(gè)，總體積約為1.2×108m3；其中約90%的松散物質(zhì)堆積在支溝中。

汶川地震前的綿遠(yuǎn)河流域植被覆蓋率很高，主要是面狀侵蝕，侵蝕產(chǎn)沙顆粒較細(xì)，每年土壤侵蝕量約為1.1×106m3。那么汶川地震侵蝕導(dǎo)致的綿遠(yuǎn)河流域松散堆積物總量相當(dāng)于正常年份的103倍。

表1 綿遠(yuǎn)河流域主要堆積體統(tǒng)計(jì)

3 震時(shí)與震后的泥沙輸移與堆積特征

地震時(shí)引發(fā)的侵蝕主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡，而震后又由于強(qiáng)降雨的影響引發(fā)大量的泥石流，泥沙從支溝進(jìn)入主河發(fā)生堆積。

主河中的細(xì)顆粒物質(zhì)在洪水作用下進(jìn)入下游。根據(jù)泥沙進(jìn)入主河后的運(yùn)移距離與堆積特征，將侵蝕總量進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。

圖1 綿遠(yuǎn)河流域主要崩滑體統(tǒng)計(jì)

3.1 主河臨岸侵蝕與泥石流堆積量

綿遠(yuǎn)河主河上的堆積物可以分為兩部分：一部分是地震發(fā)生時(shí)河流兩岸山體崩塌滑移直接進(jìn)入主河道的；也有少量由支溝進(jìn)入主河，如文家溝滑坡的高速遠(yuǎn)程碎屑流一部分運(yùn)行距離達(dá)4km進(jìn)入綿遠(yuǎn)河。崩塌滑坡的物質(zhì)顆粒比較粗大，進(jìn)入河道后一般停留在原地，體積較大滑坡體的一般會(huì)形成堰塞體，如黑洞巖、小崗劍等堰塞體；體積較小的堆積體即使在大暴雨的情況下，參與運(yùn)動(dòng)的量以及運(yùn)動(dòng)距離也極其有限。這部分物質(zhì)的總量在震后基本上不會(huì)增加，總計(jì)約5.1×106m3。另外一部分為泥石流從支溝攜帶進(jìn)主河。泥石流爆發(fā)的頻率高，地震后的前兩年在降雨量超過30mm／d，支溝內(nèi)的松散堆積物就可能形成泥石流進(jìn)入主河。這些泥石流堆積物有很強(qiáng)的抵御洪水沖刷能力，入河之后大部分立即沉積下來。2008—2012年輸入綿遠(yuǎn)河的泥石流總量大約6.8×106m3。在2010年“8·13”特大群發(fā)泥石流災(zāi)害后，危害性最大的文家溝、走馬嶺溝、小崗劍泥石流已經(jīng)重點(diǎn)治理。雖然綿遠(yuǎn)河主河的堆積物在5～10a內(nèi)總體上還會(huì)有增加的趨勢(shì)，但是增加量將明顯減少。另外由于眾多崩塌滑坡體堆積在河道兩側(cè)山體上，大雨時(shí)還會(huì)形成數(shù)量眾多的邊坡泥石流進(jìn)入河道，但經(jīng)過2010年8月強(qiáng)降雨之后，將來總體規(guī)模增加應(yīng)不大，新的入河泥沙量將很有限。綿遠(yuǎn)河主河上這兩類堆積物質(zhì)的總量約1.2×107m3。它們共同的特點(diǎn)是以粗大顆粒為主，進(jìn)入到主河后運(yùn)行距離很短甚至停留在原地。

3.2 短距離輸運(yùn)與堆積的泥沙量

支溝中的粒徑較小的顆粒在汛期時(shí)在水流作用下進(jìn)入主河以及上面兩種堆積物在洪水作用下會(huì)有短距離的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致有些河段淤積明顯。如庫容較小的桃花坪堰塞湖在2009年一次暴雨過后，庫尾三角洲向前推移約60m，淤積厚度超過5m，2010年汛期后已近淤滿。由于堰塞體的出現(xiàn)，并形成一定的庫容，對(duì)泥沙產(chǎn)生截留作用。推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)范圍大致以堰塞體作為節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)堰塞體之間河道運(yùn)動(dòng)，最后停積在堰塞湖內(nèi)。局部河段淤積程度和兩堰塞體之間以及所在河段區(qū)間支溝中的崩滑堆積物的規(guī)模關(guān)系密切。統(tǒng)計(jì)得到的推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)總量約2.5×106m3。崩滑體形成堰塞湖與推移質(zhì)的堵淤，使得大多河段河床抬升明顯，在伐木場(chǎng)附近的河床抬高超過10m。這樣使得河床局部相對(duì)變寬緩，降低了水流的挾沙能力，懸移質(zhì)也因進(jìn)入堰塞湖時(shí)水流流速減慢而部分沉積在堰塞湖內(nèi)的中下游區(qū)域，楊家溝、小崗劍等堰塞湖壩前泥沙沉積厚度均超過30cm。堰塞湖內(nèi)淤積的懸移質(zhì)總量約為1.23×105m3。因受到堰塞湖的影響，推移質(zhì)和部分懸移質(zhì)運(yùn)行距離有限。這兩種短距離輸運(yùn)的物質(zhì)總量約2.6×106m3。

3.3 長距離輸移泥沙量

2009—2011年綿遠(yuǎn)河山區(qū)河段出口（漢旺）平均含沙量約為0.381kg／m3。根據(jù)2010年綿遠(yuǎn)河（漢旺）徑流量為5.1×108m3計(jì)算可得，汶川地震后綿遠(yuǎn)河山區(qū)段出口的年輸沙量約為1.9×105t。這些物質(zhì)與泥沙輸移方式有關(guān)，一部分是地震時(shí)就堆積在主河，可以直接被輸送到下游，也有一部分先由支溝進(jìn)入主河，再被水流帶往下游。

3.4 沉積與輸移特征

對(duì)大量不同類型堆積物樣品的級(jí)配分析結(jié)果表明，崩塌滑坡體的物質(zhì)粒徑大，大小懸殊，級(jí)配寬。從表1和圖2可知，絕大部分的崩塌滑坡堆積體的中值粒徑在200～3 000mm之間，作為地震的最初產(chǎn)物，崩塌滑坡體中粒徑小于1mm的顆粒不到5%。泥石流的顆粒也較粗，觀測(cè)到的最大粒徑超過4 000mm，中值粒徑在70～700mm之間（圖2）。泥石流中粒徑在1mm以下的顆粒比例在6%左右。圖2中所示主河中推移質(zhì)的中值粒徑相對(duì)較小，但也在4～30mm之間。由于堰塞湖減緩水流速度，也有相當(dāng)數(shù)量的粒徑0.1mm以下的細(xì)顆粒沉積在湖內(nèi)（圖2）。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，地震主河河岸侵蝕物質(zhì)與泥石流占地震侵蝕總量的10.4%，推移質(zhì)和沉積在堰塞湖內(nèi)的懸移質(zhì)之和約為主河河岸侵蝕與泥石流堆積物的21.6%；而年均輸移到下游的懸移質(zhì)只有短距離輸運(yùn)泥沙量的3.8%。隨著泥沙運(yùn)動(dòng)距離的增加，地震侵蝕產(chǎn)沙→河岸侵蝕與泥石流→短距離輸移泥沙→長距離輸移泥沙過程中，以固體物質(zhì)的搬運(yùn)距離進(jìn)行比較，運(yùn)行距離長的為下一級(jí)，則每下一級(jí)的輸移量相應(yīng)減小一個(gè)數(shù)量級(jí)，能夠進(jìn)入到綿遠(yuǎn)河平原河段的泥沙量年均不到地震總侵蝕量的1‰。另外，加之河流上的堰塞體、水壩具有攔沙作用，所以汶川地震產(chǎn)生的松散堆積物中絕大部分都會(huì)停留在侵蝕發(fā)生區(qū)域附近。

圖2 研究區(qū)主要崩塌滑坡、泥石流及推移質(zhì)級(jí)配

4 震后泥沙輸移的計(jì)算分析

汶川地震造成重災(zāi)區(qū)地表侵蝕量的劇增，引起了地震區(qū)內(nèi)河流的顯著演變，其對(duì)下游河流的影響引人關(guān)注。正常年份時(shí)，岷沱江上游懸移質(zhì)泥沙主要來自面蝕，大都是細(xì)沙，只有少量粗沙；而重力侵蝕量只占總侵蝕量的10%左右，侵蝕物中小于細(xì)沙級(jí)的泥沙占5%～10%［10］。而即使在侵蝕泥沙大都是細(xì)沙情況下，沱江、岷江流域的泥沙輸移比僅0.16和0.20［11］，說明大量的細(xì)顆粒泥沙滯留在離侵蝕位置不遠(yuǎn)處。

王兆印等［9］的研究也證實(shí)，長江上游幾乎所有大于0.5mm粒徑的泥沙和約50%粒徑小于0.5mm的顆粒沉積在溝谷和支流中。在不考慮輸移過程中泥沙顆粒破碎、磨蝕和溶蝕的情況下，地震后短期內(nèi)的綿遠(yuǎn)河泥沙運(yùn)移情況可通過代表粒徑分析法［9］進(jìn)行估算。

4.1 推移質(zhì)輸移計(jì)算

根據(jù)粒徑大小將圖2中每一個(gè)崩塌滑坡體的泥沙粒徑分成n組：D1～D2，D2～D3，D3～D4，…，其中下標(biāo)為順序數(shù)。ΔPi為粒徑介于Di～Di＋1之間的泥沙在總量中所占的百分比。區(qū)域內(nèi)粒徑介于Di～Di＋1之間的崩滑體總量SDi計(jì)算公式為：

式中：Sd——某一個(gè)崩滑體的泥沙量。最后可以得到停留在原處的總崩滑體平均級(jí)配?？紤]到其中已有一部分被水流帶走，那么在最初狀態(tài)下的級(jí)配（初始級(jí)配）可粗略表示為：

式中：Sm——最初狀態(tài)下崩滑體的代表粒徑級(jí)配；Sa——停留在原處的崩滑體平均級(jí)配；Sb——被水流帶走物質(zhì)的級(jí)配，對(duì)于崩滑體而言，應(yīng)該包含進(jìn)入主河道泥石流、推移質(zhì)及懸移質(zhì)3類，因后二者的比例很小，可忽略以簡化計(jì)算。α，β——相應(yīng)類型物質(zhì)在總量中占的比例。

類似地，可求得泥石流和推移質(zhì)的代表粒徑級(jí)配，級(jí)配曲線如圖3所示。

圖3 綿遠(yuǎn)河崩塌體、泥石流、推移質(zhì)及懸移質(zhì)代表粒徑級(jí)配曲線

區(qū)域內(nèi)對(duì)于某一類物質(zhì)不能被水流搬運(yùn)走的粒徑介于Di～Di＋1之間的沙量STi可以用下式計(jì)算：

式中：Su，Sd——上一級(jí)和下一級(jí)運(yùn)移的泥沙量，下標(biāo)u，d分別代表上一級(jí)、下一級(jí)。

流域內(nèi)的崩滑體與泥石流級(jí)配在大部分范圍內(nèi)接近（圖3），泥石流具有將崩塌滑坡體中粒徑1m以下的全部顆粒以及1～5m中95%的固體物質(zhì)搬運(yùn)至下游的能力，5m以上的則難以帶走。但是實(shí)際上，泥石流發(fā)生不僅受到降雨條件的影響，也會(huì)因泥石流發(fā)生后溝谷地形變化以及治理工程的作用，而逐漸減弱；因此泥石流的規(guī)模在地震侵蝕總量中的比例并不大。如文家溝滑坡體的物質(zhì)基本上以泥石流形式進(jìn)入綿遠(yuǎn)河，2008—2010年共計(jì)4.1×106m3，僅占其總量的5%。文家溝滑坡在2010年“8·13”泥石流后進(jìn)行高強(qiáng)度治理后，基本上穩(wěn)定，堆積體中只有很少量的細(xì)顆粒以懸移質(zhì)形式輸送到綿遠(yuǎn)河。

由圖3可知，推移質(zhì)的粒徑在100mm以下，也就意味著主河中的崩滑體和泥石流中粒徑大于100mm的物質(zhì)均停留在原地。由公式（3）計(jì)算可得：粒徑大于100mm的泥沙量ST為7.4×106m3，粒徑10～100mm的泥沙量ST為1.8×106m3，粒徑小于10mm的泥沙量ST為2.1×105m3。由此可知，已位于（或進(jìn)入）主河的崩滑體和泥石流中的物質(zhì)有可能被水流挾帶到下游大約2.0×106m3，占其中的20%，而且這20%中的物質(zhì)向下游輸移也需要經(jīng)過多年的水流作用才有可能達(dá)到。在今后還可能因泥石流或山洪爆發(fā)而將支溝的泥沙帶入主河，但是其中可以運(yùn)移到主河下游的物質(zhì)的比例是相近的。

4.2 懸移質(zhì)輸移計(jì)算

圖3給出了2009—2011年綿遠(yuǎn)河山區(qū)河段中下游三處地方懸移質(zhì)的平均級(jí)配曲線。清平大橋位于綿遠(yuǎn)河山區(qū)河段的中游，下游右側(cè)有一條較大的支溝入?yún)R；卸軍門（取樣點(diǎn)在堰塞體上游）位于山區(qū)河段下游，至出山口沒有較大的支流入?yún)R；金魚嘴位于出山口。

根據(jù)泥沙收支平衡概念：

河段沉積量＝∑河段輸入沙量－∑河段輸出沙量

結(jié)合公式（3），卸軍門與金魚嘴的懸移質(zhì)級(jí)配中最大值分別為0.229和0.089mm，可以大致推定這一區(qū)間粒徑大于0.089mm的泥沙都淤積在河道與堰塞湖內(nèi)，而粒徑小于0.089mm的泥沙中約35%沒有被輸運(yùn)到下游。如果不考慮支流入?yún)R影響，則從綿遠(yuǎn)河中游（清平大橋）至出山口（金魚嘴）的河道區(qū)間，懸移質(zhì)有超過50%在沿程落淤。

汶川地震后，綿遠(yuǎn)河流域最大日降雨量以2010年為最大，達(dá)227.5mm。與1992—2005年14a的最大日降雨量比較［12］，有3a明顯高于2010年，有5a相近，其余年份的最大日降雨量均小于150mm。2010年水文氣象數(shù)據(jù)處于較高值，加之降雨量較小的2009年（文家溝溝口實(shí)測(cè)最大日降雨量96mm）和2008年（最大日降雨量88mm），2010年綿遠(yuǎn)河的年徑流量（5.1×108m3）比典型豐水年（P＝25%）徑流量（4.89×108m3）大。對(duì)于泥沙輸移而言，這幾年水文情況有一定的代表性。按沱江流域的多年平均輸沙模數(shù)540t／（km2·a）計(jì)算［11］（因缺少震前綿遠(yuǎn)河泥沙方面的資料，參照沱江數(shù)據(jù)），得綿遠(yuǎn)河山區(qū)段出口的汶川地震前年輸沙量約為1.9×105t，實(shí)測(cè)震后年輸沙量約為1.9×105t，因此可認(rèn)為在一段時(shí)期內(nèi)震后與震前年輸沙量相近。

實(shí)際上，云南小江流域眾多泥石流溝的物質(zhì)相比地震區(qū)松散堆積物的粒徑小得多，但每年侵蝕物質(zhì)中只有2%的泥沙向下游輸運(yùn)進(jìn)入小江［9］。汶川地震引起的地表侵蝕量巨大，但顆粒平均粒徑比正常年份侵蝕情況下大得多，粒徑小于0.5mm的顆粒比例相應(yīng)少得多。在水文氣象條件不變的情況下，震區(qū)的松散堆積物大部分會(huì)停留在原區(qū)域內(nèi)，而可以被輸送到下游的物質(zhì)進(jìn)入主河道及下游也需要一個(gè)長期的過程。當(dāng)然，今后綿遠(yuǎn)河的泥沙輸移可能會(huì)出現(xiàn)新的變化，如修建泥石流防治工程，堰塞湖淤滿、上游采礦等對(duì)泥沙攔排的影響，值得長期關(guān)注。

5 結(jié)論

汶川地震造成的侵蝕產(chǎn)沙量巨大，數(shù)十倍甚至百倍于正常年份的產(chǎn)沙量，導(dǎo)致震區(qū)內(nèi)的水土流失非常嚴(yán)重。由于地震形成的崩塌滑坡堆積體的組成顆粒粗大，細(xì)顆粒比例很小。在當(dāng)?shù)厮臍庀髼l件基本不變的情況下，幾乎所有的粗顆粒泥沙都沉積在發(fā)生侵蝕位置的附近，大部分中等粒徑也只能短距離的運(yùn)移，甚至一部分細(xì)顆粒泥沙也會(huì)沉積在支溝和上游河道。初步研究表明，汶川地震侵蝕導(dǎo)致進(jìn)入綿遠(yuǎn)河下游的泥沙量較地震前不會(huì)有明顯的增加。因此，汶川地震造成綿遠(yuǎn)河上游侵蝕變化很大，但是在近期內(nèi)對(duì)綿遠(yuǎn)河下游與沱江的輸沙量及河床演變的影響有限；長期變化受到一些因素的影響，還需要進(jìn)一步的觀測(cè)。

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