白龍江流域泥石流特征分析

黃江成， 楊 順， 潘華利， 歐國強， 柳金峰

(1.云南大學 亞洲國際河流中心， 云南 昆明 650091；2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所， 四川 成都 610041)

白龍江流域是中國著名的泥石流流域，流域內(nèi)分布有眾多的泥石流溝，其分布密度之高、爆發(fā)之頻繁、危害之嚴重在中國極為突出[1]。白龍江屬長江二級支流，嘉陵江一級支流，全長535 km，流域面積3.28×104km2，發(fā)源于甘南藏族自治州碌曲縣南緣，海拔4 072 m，流經(jīng)四川、甘肅兩省，經(jīng)碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣、青川及廣元9個縣，于廣元縣昭化匯入嘉陵江，匯口高程465 m。本文主要研究范圍為白龍江干流區(qū)域，面積1.28×104km2，未考慮較大支流。

1 泥石流分布概況

通過實地考察、現(xiàn)場災害填圖、GPS定點、Alos衛(wèi)星影像解譯，結(jié)合相關(guān)圖件、歷史文獻，初步查明白龍江流域泥石流主要分布于干流中上游地區(qū)，白水江、岷江和拱壩河河谷兩岸，其中以干流中上游地區(qū)最為發(fā)育，災害最為嚴重。干流泥石流集中分布于文縣碧口—迭部旺藏河谷兩岸。碧口以下由于大部分河段受水庫蓄水影響，庫水位以上區(qū)域未發(fā)現(xiàn)一定規(guī)模泥石流溝，迭部旺藏以上鮮有一定規(guī)模泥石流溝。

白龍江干流共分布一定規(guī)模泥石流溝250條，泥石流流域面積共2 776.38 km2[2]。中上游地區(qū)是白龍江流域泥石流分布密度最高、暴發(fā)最為頻率的地區(qū)，主要沿白龍江深大斷裂帶兩側(cè)發(fā)育。另外，中上游地區(qū)河谷兩岸還發(fā)育有大量的坡面泥石流。泥石流左岸較右岸發(fā)育，左岸分布泥石流溝143條，右岸為107條，許多著名的泥石流溝均位于左岸，例如三眼峪溝、羅家峪溝、火燒溝、泥灣溝、柳灣溝、石門溝、甘家溝和北峪河等，根據(jù)資料記載，多條泥石流溝曾多次發(fā)生堵斷白龍江的災害性泥石流。

2 孕災環(huán)境特征分析

2.1 構(gòu)造環(huán)境特征

白龍江流域位于青藏高原東緣的南北構(gòu)造帶北段，該區(qū)構(gòu)造運動強烈，地表破碎、巖性復雜。流域內(nèi)分布有多條活動斷裂，對中上游地區(qū)影響較為直接的有光蓋山—迭山斷裂、迭部—白龍江斷裂、康縣—略陽斷裂和雞石壩—臨江斷裂；下游地區(qū)則主要受青川斷裂和映秀—北川斷裂的影響。其中，對白龍江干流泥石流活動影響最為強烈的斷裂是迭部—白龍江斷裂，它是甘肅省隴南地區(qū)一條規(guī)模較大的區(qū)域性活動斷裂，在河谷兩側(cè)呈不對稱分布，存在明顯位錯[3-4]。

新構(gòu)造運動是白龍江流域泥石流活動興衰的主控因素[5]，該區(qū)域?qū)儆诘刭|(zhì)上的隆起上升區(qū)[6]，流域新構(gòu)造運動主要表現(xiàn)為區(qū)域內(nèi)頻繁而強烈的地震活動。流域主要受蘭州—天水地震帶和武都—邊馬地震帶的影響。根據(jù)地震分布圖，流域內(nèi)及其附近區(qū)域發(fā)生的地震多為淺源地震[3]，共發(fā)生6級以上的地震36次(白龍江流域300 km范圍內(nèi))，平均周期為78 a。對當前白龍江干流泥石流活動影響較為強烈的地震為1879年的文縣8.0級地震和1976年松潘發(fā)生的兩次7.2級的地震。

據(jù)汶川地震后修改的《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，白龍江中游區(qū)域地震動峰值加速度在0.20～0.30 g，其中以武都縣附近較高為0.30 g；根據(jù)汶川8.0級地震烈度分布圖，白龍江干流的地震烈度在Ⅵ—Ⅷ度，其中白龍江中游地區(qū)的地震烈度為Ⅶ度。結(jié)合前人地震誘發(fā)土砂災害的相關(guān)研究，以及汶川地震后的調(diào)查資料，汶川地震對白龍江中游的泥石流活動有一定影響；下游地區(qū)屬地震烈度Ⅷ度區(qū)域，但泥石流溝分布較少，汶川地震對該區(qū)土砂災害的影響主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡增加，對泥石流發(fā)育的影響還有待進一步研究。

白龍江流域地層復雜，從志留系到第四系均有出露。分布最為廣泛的地層為志留系、泥盆系和三疊系，其中又以志留系地層分布最為廣泛，屬軟弱巖層，主要巖性為千枚巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r，上層覆蓋馬蘭黃土。根據(jù)相關(guān)研究[6-7]，白龍江流域從第四系早更新世便存在泥石流活動。流域內(nèi)地層最為破碎、巖性最為復雜的區(qū)域為碧口以上的白龍江中游干流區(qū)域，這一區(qū)域也是泥石流發(fā)育最為集中的地區(qū)。

2.2 地形地貌特征

流域地處我國第一階梯和第二階梯的過渡地帶，地勢呈現(xiàn)出由西北向東南逐漸降低的特征，大部分地區(qū)坡度在15°～40°，干流河道平均坡降約為3.4‰，上游舟曲以上屬山原地區(qū)，中游舟曲至碧口以中山為主，下游則屬川西北高原向四川盆地丘陵過渡地帶。

本文利用Aster 30 m分辨率DEM數(shù)據(jù)，參考中國山地基本地貌形態(tài)劃分標準[8]，利用Arcmap空間分析軟件，以鄰域統(tǒng)計單元面積以21 km2為計算范圍[9-10]，對白龍江流域的地貌類型進行分類。

結(jié)果顯示，流域地貌類型以中起伏度中山和高起伏度中山為主，面積分別占25.16%和48.97%。地貌分類結(jié)果結(jié)合白龍江干流泥石流分布特征的分析顯示，白龍江泥石流主要集中分布在高起伏度中山的地貌區(qū)，起伏的地勢為泥石流的發(fā)育提供了必要的勢能條件。

2.3 降水特征

白龍江位于多種氣候類型的交匯帶，下游地區(qū)屬亞熱帶季風氣候，中游地區(qū)為溫帶季風氣候，上游地區(qū)則屬于高寒氣候類型。流域夏季降水主要受東南季風的控制，降水主要集中在雨季，占全年的80%以上，泥石流發(fā)生與夏季東南季風活動時間大致相當，但更為集中，其中7，8月發(fā)生泥石流的次數(shù)占全年的76%，而同期的降雨占雨季降雨的42.8%(武都縣1978—1996年)。

流域多年平均降水量514.5 mm，空間分異較大，降水范圍在400～1 100 mm，總體上由南至北遞減，至舟曲附近達到最低，再北向至迭部呈現(xiàn)出增加的趨勢，迭部以北降水逐漸減少。24 h最大暴雨均值40～150 mm，由東南向西北遞減。干流泥石流發(fā)育地區(qū)的多年平均降雨量在400～700 mm，24 h最大暴雨均值在40～60 mm。

分析白龍江中游武都站1944—2010年降水資料(圖1)，多年平均降水量為470.5 mm，其中最大值出現(xiàn)在1984年(689.3 mm)，最小為1997年(270.5 mm)，最大值為最小值的2.5倍，年降雨變差較大。武都站的雨季降雨和全年降雨之間同步關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)達到0.97。根據(jù)年降雨量的5 a滑動平均降水量可以看出，白龍江地區(qū)的降水存在周期性的波動，1944—1967年為豐水期，1968—1974年為少水期，1975—1993年是有觀測資料以來降水最豐富的時期，根據(jù)相關(guān)資料[1]，這一時期也是白龍江流域泥石流活動最為頻繁的時期；20世紀90年代中期以來，白龍江流域降水量年際變化呈下降趨勢，且一直處在較低水平。

圖1 武都氣象站降雨量年際變化(1944-2010年)

白龍江中上游地區(qū)大雨日數(shù)較少，武都氣象站多年平均(1961—2010年)的大雨和暴雨次數(shù)僅為2.1和1.1 d/a，但降雨較為集中，歷時較短，強度較大的雨量主要集中在幾個小時或十幾個小時內(nèi)。據(jù)甘肅水文水資源局統(tǒng)計[11]，該區(qū)24 h雨量占3 日雨量的80%以上，12 h雨量占24 h雨量的80%以上，6 h雨量占24 h雨量的65%以上，3 h雨量占24 h雨量的56%。

選取白龍江中上游地區(qū)武都、舟曲、安化和外納等11個氣象站長時間序列(1968—1987年不等)的雨量資料分析發(fā)現(xiàn)，年降雨隨著海拔的增加明顯，并呈現(xiàn)出一定的冪函數(shù)關(guān)系(圖2)。

白龍江流域年降雨量均隨區(qū)域海拔的增加而遞增，存在以下的關(guān)系：

(1)

圖2 白龍江干流河谷雨量隨高程的變化

據(jù)白龍江中游泥石流監(jiān)測資料，許多溝經(jīng)常會出現(xiàn)溝口監(jiān)測點無降雨而溝道卻發(fā)生一定規(guī)模泥石流的現(xiàn)象。如1995年7月19日，甘家溝監(jiān)測點全天無降雨，陽光燦爛，而溝道卻發(fā)生泥水位達2 m，流速達4.5 m/s的黏性泥石流，可見該區(qū)局地降雨特征明顯。

3 泥石流流域形態(tài)特征

3.1 流域面積與主溝長

流域面積反映流域的產(chǎn)砂和匯流狀況。通常，流域面積與流域產(chǎn)砂量成正相關(guān)，產(chǎn)砂量的多少影響到流域內(nèi)松散固體物質(zhì)的儲量，而松散固體物質(zhì)儲量又影響到一次泥石流(可能)最大沖出量，與泥石流活動關(guān)系密切。

表1為白龍江干流泥石流流域面積分布統(tǒng)計結(jié)果，其中，流域面積最小的百草壩上1#溝，流域面積僅0.34 km2，大于100 km2的泥石流溝有3條，分別是溝壩河(227.3 km2)、角弓溝(300.3 km2)和北裕河(429.8 km2)。流域面積集中分布在0.5～20 km2內(nèi)，共214條，占總數(shù)的85.6%，其中又以0.5～5 km2的泥石流溝分布最廣，共162條，占總數(shù)的64.8%。

主溝長度決定著泥石流的流程和沿途接納松散固體物質(zhì)的多少，泥石流流程越遠，表明其能量和破壞力越大，因此，主溝比降的大小可以表征泥石流的能量及活動強弱。

表1 白龍江干流泥石流流域面積統(tǒng)計

表2為干流泥石流溝主溝長度統(tǒng)計表，在所有統(tǒng)計的溝道中，主溝長度最小的為白草壩上1#溝，主溝長1 km，最長的為武都縣城附近的北裕河，主溝長36.9 km，白龍江中上游泥石流溝主溝長度主要集中在1～5 km，占總數(shù)的73.2%，主溝長度在10～15 km的泥石流溝有13條，占總數(shù)的5.2%，主要包括磨溝、甘家溝、佛堂溝、透坊溝和曹家壩溝等。

分析泥石流主溝長與流域面積的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)白龍江干流主溝長隨流域面積的增大而增大，二者呈指數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較高(表2，圖3)。

表2 白龍江干流泥石流主溝長統(tǒng)計

表3 白龍江干流泥石流主溝比降統(tǒng)計

圖3 白龍江干流泥石流溝流域面積和主溝長的關(guān)系

3.2 溝床比降與相對高差

溝床比降是泥石流起動底床條件，是影響泥石流的形成和運動的重要因素，一般來說，在一定范圍內(nèi)泥石流溝床比降愈大，愈有利于泥石流的發(fā)生。

白龍江干流泥石流溝床比降差異較大，在31‰～667‰，其中絕大多數(shù)泥石流溝溝床比降在200‰～500‰，占總數(shù)的76.8%。結(jié)合前人的研究結(jié)果，白龍江干流泥石流主溝比降所處的區(qū)間對泥石流活動較為有利。

白龍江干流泥石流溝主溝比降與流域面積有關(guān)，主溝比降和流域面積呈指數(shù)關(guān)系，隨著流域面積的增加，主溝比降有減小的趨勢(表3，圖4)。

圖4 白龍江泥石流溝流域面積和主溝比降的關(guān)系

相對高差亦是泥石流形成和運動的一個重要因素，溝底與溝頂相對高差越大，則分布于谷坡兩側(cè)的松散固體物質(zhì)的潛在運動性就越大。

表4為各泥石流流域的相對高差統(tǒng)計結(jié)果，白龍江干流泥石流溝流域的相對高差分布范圍為455～2 809 m，其中相對高差小于500 m的泥石流溝有1條，主要集中分布在500～2 000 m，占總泥石流溝數(shù)的90.8%。大多泥石流溝相對高差在1 000～1 500 m，占總數(shù)的48.2%。

表4 白龍江干流泥石流流域相對高差

3.3 流域完整系數(shù)

泥石流流域的平面形態(tài)主要有長條形、橢圓形和近圓形等，對泥石流活動和坡面匯流有影響?？捎昧饔蛲暾禂?shù)表示泥石流流域形態(tài)，可用式(2)表示泥石流流域完整系數(shù)[12]：

Fe=F/L2

(2)

式中：Fe——流域縱橫比；F——流域面積(km2)；L——主溝長(km)。

Fe<0.3(橫軸與y=0.3x之間的區(qū)域)，流域為長條形；0.30.7(y=0.7x左邊的區(qū)域)，流域為近圓形(圖5)。

圖5 白龍江干流泥石流流域形態(tài)

結(jié)果顯示，白龍江干流地區(qū)災害性泥石流流域形態(tài)以長條形和長圓形為主。

4 結(jié) 論

(1)白龍江泥石流發(fā)育受控于區(qū)內(nèi)多條活動斷裂，其中影響最為劇烈的是迭部—白龍江深大斷裂；對當前流域泥石流活動影響最為直接的是1879年文縣8.0級地震以及1972年兩次7.2級地震；汶川地震的影響主要表現(xiàn)為下游地區(qū)松散物源的增多，對泥石流發(fā)育的影響尚不明確；流域泥石流主要發(fā)育于區(qū)內(nèi)地層最為破碎、多軟弱巖性發(fā)育的區(qū)域，該區(qū)地貌類型以高起伏度的中山為主，地貌因素是白龍江上游迭部以上以及下游碧口以下泥石流弱發(fā)育的主要原因。

(2)流域夏季降水主要受東南季風影響，雨季降水占全年80%以上，泥石流活動較降水更為集中，7，8月泥石流占全年的76%；短歷時降水特征表現(xiàn)為少大、暴雨，但降雨十分集中；多年年降水存在一定的周期性波動，在一定范圍內(nèi)，年降水隨海拔的增加而增長，并呈冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.830，降水的豐欠直接決定了白龍江的泥石流活動。

(3)白龍江干流泥石流流域面積主要集中分布在0.5～20 km2，占總數(shù)的85.6%；主溝長73.6%集中分布在1～5 km，主溝長于流域面積之間呈指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好。

(4)泥石流主溝比降集中分布在200‰～500‰，占總數(shù)的76.8%，超過90%的泥石流流域相對高差在500～2 000 m，均較有利于泥石流活動，流域面積與主溝長呈指數(shù)關(guān)系，相關(guān)性較好；干流的災害性泥石流溝的流域形態(tài)絕大大多數(shù)為長條形或長圓形。

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