德昌縣角半溝泥石流發(fā)育特征及臨界雨量研究

劉士偉，喻邦江，王小群

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550001)

德昌縣角半溝泥石流發(fā)育特征及臨界雨量研究

劉士偉1，喻邦江2，王小群1

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550001)

分析角半溝地形地貌及其泥石流物源條件發(fā)現(xiàn), 角半溝上部滑坡積物源豐富，溝域面積大，地形陡峻。暴雨條件容易誘發(fā)大規(guī)模泥石流。采用頻率法計(jì)算得到泥石流臨界雨量的上下限值范圍。

角半溝；泥石流；臨界雨量；頻率法

泥石流是一種全球性的自然災(zāi)害，是各種自然因素(地質(zhì)、地貌、水文、氣象、植被等因素)和人為因素綜合作用的結(jié)果。泥石流因其形成過程復(fù)雜、爆發(fā)突然、來勢兇猛、歷時(shí)短暫、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn)對山區(qū)居民的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了很大的威脅[1]。

四川省涼山州角半溝泥石流溝位于涼山彝族自治州德昌縣德州鎮(zhèn)角半村，角半溝泥石流溝在歷史上已經(jīng)多次發(fā)生過泥石流。目前，在分析其現(xiàn)有的物源、地形條件的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)暴雨條件可能會誘發(fā)其發(fā)生大規(guī)模的泥石流，直接威脅溝域內(nèi)約1 400名居民生命財(cái)產(chǎn)安全，以及學(xué)校、耕地等，威脅資產(chǎn)約1 352萬元，可見其危害性是非常巨大的。因此對其發(fā)育特點(diǎn)和臨界雨量進(jìn)行研究便具有十分重要的意義。

1 泥石流的形成條件

泥石流是暴雨、地形和松散固體物質(zhì)不利組合的產(chǎn)物。泥石流的形成，既需要可供搬運(yùn)并能增大流體容重的松散固體物質(zhì)，又需要在一定的坡度上可將固體物質(zhì)啟動的水力條件，因此泥石流的發(fā)育受控于地貌、構(gòu)造、巖性、氣候、植被等自然環(huán)境條件和人為活動[2]。

1.1 地形地貌條件

角半溝地形地貌以構(gòu)造侵蝕中山峽谷地貌和侵蝕堆積河谷平原地貌兩類為主(圖1)。上部為構(gòu)造侵蝕中山地貌，局部溝谷深切，地形陡峻，兩岸岸坡坡度一般大于30°，沖刷和側(cè)蝕作用強(qiáng)烈，呈“V”型谷。泥石流主溝長約12.3 km，匯水面積51.71 km2，流域形態(tài)近似樹枝狀，西部高，東部低。整個(gè)泥石流流域內(nèi)最高海拔約3 350 m，最低海拔約1 310 m，位于泥石流溝口處，相對高差約2 040 m。因此，良好的地形條件將有利于泥石流的形成。

1.2 物源條件

角半溝泥石流物源主要包括：坡面侵蝕物源、崩塌堆積物源、滑坡堆積物源和溝道堆積物源4類。主溝和2條支溝溝道兩側(cè)岸坡上崩塌、滑坡現(xiàn)象較發(fā)育，崩坡積物質(zhì)及滑坡積物質(zhì)大多堆積于溝道旁及溝道內(nèi)，在暴雨洪水沖刷或泥石流攜帶作用下，堆積體以“被切腳+揭底沖刷”的方式參與泥石流活動；而堆積于溝道內(nèi)的物質(zhì)“被切腳+揭底”后，堆積體上部將繼續(xù)滑塌，直至達(dá)到穩(wěn)定休止角，這部分物源將形成泥石流的主要物源。其次，角半溝流通堆積區(qū)地段，溝床內(nèi)松散堆積物十分豐富，主要以碎塊石為主，這部分溝內(nèi)堆積物為溝發(fā)生泥石流的潛在物源，在遭遇大暴雨的情況下，溝床水動力條件將大大提高，可能將溝床刨蝕，裹挾大量溝床堆積物形成大規(guī)模的泥石流活動。泥石流物源估算匯總見表1。

1.3 氣象降水條件

角半溝所在的德昌縣屬亞熱帶半干旱氣候，雨量充沛，但季節(jié)分配不均，季風(fēng)性強(qiáng)，垂直氣候明顯，小氣候多樣等，區(qū)域雨量充沛，年均降雨量為1 077 mm，但一年內(nèi)各個(gè)時(shí)期分配不均勻，5～10月達(dá)958.2 mm；而11月～次年4月只有59.8 mm，干濕季明顯，降水量相差很大，多發(fā)生相對集中的暴雨(具體情況見圖2和圖3)。譚萬沛[3](1992)在研究四川省泥石流活動的區(qū)域性特點(diǎn)時(shí)得到，四川省泥石流在4～11月都會發(fā)生，但是集中發(fā)生在5～9月，約占發(fā)生頻率的95%以上。其中，7月份是泥石流發(fā)生的高峰季節(jié)，占全年泥石流發(fā)生頻次的30%。川西地區(qū)的泥石流主要發(fā)生在6～9月，呈單峰型式。這一泥石流發(fā)生季節(jié)性集中的特點(diǎn)與圖3中降雨量季節(jié)性集中加強(qiáng)的趨勢具有很好的一致性，這也進(jìn)一步說明暴雨條件對泥石流的激發(fā)性。

2 泥石流的發(fā)育分布特征

角半溝屬于安寧河右岸一級支流，該溝總體流向?yàn)橛晌飨驏|，溝內(nèi)常年流水，河水補(bǔ)給主要來源于大氣降水。主溝為米米屋基溝，主溝左岸有兩條較大的支溝，為哨房梁子1#溝和哨房梁子2#溝；主溝米米屋基溝源最高海拔為2 950 m，且上部溝道較陡，下部較平緩。海拔2 100 m以上部分溝道平均縱坡降約為282.8 ‰，海拔2 100 m以下部分溝道平均縱坡比降約為91.4 ‰。主溝溝道整體平均縱坡比降約165.9 ‰。左岸哨房梁子1#支溝源最高海拔約3 050 m，溝道長約2.93 km，溝道平均縱坡比降約為284.4 ‰；哨房梁子2#支溝溝源最高海拔約2 810 m，溝道長約1.73 km，溝道平均縱坡比降約為358 ‰。溝道兩側(cè)山體切割較強(qiáng)烈，上部溝道兩側(cè)山坡坡度可達(dá)40°～50°，最大可達(dá)60°。下部溝道兩側(cè)山坡坡度相對上部較緩，坡度25°～40°不等。整個(gè)溝域內(nèi)植被發(fā)育較好，植被覆蓋率60%以上，主要以林地為主。由于溝道兩側(cè)切割較強(qiáng)烈，溝谷呈“V”字型谷。溝域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，主要以滑坡為主。詳見圖4角半溝泥石流遙感影像圖及圖5角半溝泥石流流域范圍平面圖。

根據(jù)以上描述角半溝泥石流上部溝源處支溝發(fā)育，且上游溝域面積大、地形陡峻。一方面為大氣降水和地表水的匯集提供了有利的地形條件，有利于大氣降水迅速轉(zhuǎn)化為地表徑流，為泥石流的形成提供充足的水源和水動力條件；另一方面，上游主溝米米屋基溝溝源處滑坡積物源豐富，為泥石流形成提供了充足的物源條件。因此，將上游海拔2 100 m以上至溝源劃分為泥石流形成區(qū)。海拔2 100 m以下至溝口，溝道平均縱坡降較小，既為泥石流的流通通道，溝道內(nèi)又堆積了較多的固體物質(zhì)，流通區(qū)及堆

積區(qū)分區(qū)不明顯，因此統(tǒng)一劃分為泥石流流通堆積區(qū)(圖6)。

3 臨界雨量的分析

以上分析已知角半溝泥石流溝的主溝和支溝不僅都具有較大的縱坡降，為泥石流的發(fā)生創(chuàng)造了有利的水動力條件。而且溝源處豐富的滑坡堆積物和崩塌堆積物以及流通堆積區(qū)溝道內(nèi)具有較多的泥石流松散物質(zhì)顆粒級配較差，為泥石流的發(fā)生提供了充足的物源條件。豐富的物源、有利的地形條件和大量的水源是形成泥石流的三個(gè)基本條件[4]。水源不僅是泥石流的組成物質(zhì)，更是泥石流發(fā)生的激發(fā)條件。降雨、冰川融雪和水體潰決等水動力條件都可以激發(fā)泥石流，但是世界上絕大多數(shù)泥石流是由降雨激發(fā)的。一定的時(shí)期內(nèi)，在正常情況下，地形條件的變化緩慢，可視為相對穩(wěn)定；物源條件也是需要長時(shí)間的累積，也就是說物源條件的變化是漸進(jìn)的。但是降雨條件的變化卻是非常大的，因此泥石流的發(fā)生及其規(guī)模的大小，往往取決于流域內(nèi)的降雨條件[5]。綜合分析角半溝泥石流的地形地貌、物源和氣象條件后得出該泥石流屬暴雨溝谷型泥石流。

暴雨溝谷型泥石流的啟動機(jī)制有淺層滑坡啟動型和溝道啟動型兩種。淺層滑坡啟動形式[6]：雨水經(jīng)過入滲，流入坡面土壤后，降低土壤內(nèi)固體物質(zhì)間的摩擦力與凝聚力，并使得土壤內(nèi)孔隙水壓上升。若降雨持續(xù)入滲，并且入滲速度大于土壤內(nèi)的滲透速度時(shí)，淺層土壤孔隙會在下方不透水層上，或是另一層特性不同雨水弱滲透層的上方，上層土壤出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，而產(chǎn)生臨時(shí)地下水。隨著臨時(shí)地下水的水位上升，孔隙水壓力逐漸增加，土體強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)臨時(shí)地下水的水位達(dá)到地面時(shí)，該飽和土壤的有效強(qiáng)度趨零，土體于是發(fā)生滑動形成泥石流。溝道啟動型[7]：一般來說，溝道中松散固體物質(zhì)的粘粒含量通常不超過 15%，空隙較大，具有很好的導(dǎo)水能力，在啟動這些堆積在溝道的固體碎屑物質(zhì)時(shí)，并不能使其達(dá)到飽和狀態(tài)，故溝道內(nèi)固體物質(zhì)主要是由于水動力作用引起啟動。角半溝泥石流在形成區(qū)主要以淺層滑坡啟動形式為主，在流通堆積區(qū)主要以溝道啟動型為主。川西地區(qū)在6～9月份主要以短歷時(shí)的降雨為主，而溝道啟動型泥石流一般要比淺層滑坡啟動型泥石流需要更大的降雨強(qiáng)度。但無論是淺層滑坡啟動型還是溝道啟動型，都需要一定的降雨強(qiáng)度。因此，泥石流臨界雨量的確定對泥石流的預(yù)報(bào)預(yù)警具有十分重要的意義。

3.1 泥石流及暴雨頻率計(jì)算臨界雨量

泥石流臨界雨量指的是泥石流溝谷在降雨條件達(dá)到某一閾值后便會暴發(fā)泥石流，這一臨界值被稱為泥石流臨界雨量。泥石流臨界雨量的確定，是暴雨泥石流預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)。許多臨界雨量計(jì)算的模式都是基于在泥石流溝流域或附近設(shè)立雨量觀測點(diǎn),通過長期降雨觀察資料與泥石流發(fā)生記錄的分析比較,確定臨界雨量條件。但是基于角半溝泥石流溝流域?qū)嶋H的情況，無法獲取長期詳細(xì)的降雨觀測數(shù)據(jù)。因此必須選取具有現(xiàn)實(shí)意義的臨界雨量的確定方法。本文采用姚令侃[8](1988)提出泥石流發(fā)生頻率及暴雨頻率推求臨界雨量的方法，簡稱頻率法。

一條泥石流溝的臨界雨量，是由其地面條件所決定的固有特征，它也反映了泥石流溝抵御泥石流發(fā)生的能力。若一條泥石流溝的臨界雨量越低，而其地區(qū)暴雨頻率也越高，則達(dá)到或超過泥石流形成臨界條件的機(jī)率越大，當(dāng)然發(fā)生泥石流的頻率也越高；反之亦然。顯然這三者之間不僅相關(guān)而且還存在著直接的因果關(guān)系。根據(jù)三者之間的相關(guān)關(guān)系可建立以泥石流發(fā)生頻率和暴雨頻率作為自變量X1和X2、臨界雨量為因變量K的方程

K=f(X1,X2)

(1)

泥石流臨界雨量一般應(yīng)包括前期累積降雨RE，當(dāng)場最大降雨小時(shí)雨強(qiáng)I60和10 min雨強(qiáng)I10。該方法構(gòu)造了一個(gè)新指標(biāo)K來表征臨界雨量，并導(dǎo)出了K和上述各指標(biāo)間的函數(shù)關(guān)系G，這使(1)式簡化為單因變量問題，同時(shí)當(dāng)K值確定后其余的指標(biāo)可據(jù)G求得。

(RE,I60)=G1(K)

(2)

(RE,I10)=G2(K)

(3)

在利用18條溝的資料進(jìn)行多元線性回歸后，得到反映K和X1、X2的關(guān)系式：

K=-0.10X1+0.073X2+0.60

(4)

式中,K為反映臨界雨量的指數(shù)，它與RE、I60、I10之間的關(guān)系見表2；X1為泥石流發(fā)生頻率，其取值方法見表3；X2為暴雨頻率，按當(dāng)?shù)孛磕耆战涤炅俊?0 mm的暴雨頻率取值。

根據(jù)以上頻率法的計(jì)算原理，H1/6、H1由《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》所附暴雨量等值線圖，德昌縣德州鎮(zhèn)角半村地區(qū)的1/6 h、1 h多年最大暴雨量平均值分別為13.5 mm、30 mm。所以，計(jì)算得到角半溝泥石流臨界雨量，計(jì)算結(jié)果詳見表4。

根據(jù)頻率法得到的以上的結(jié)果，在前期有效累積降雨量為25 mm時(shí)，臨界小時(shí)雨強(qiáng)的界限為35.03～40.97 mm/h。此結(jié)果與譚萬沛[3]提出的四川省暴雨泥石流區(qū)域臨界雨量分區(qū)表中，川西地區(qū)安寧河谷地帶的臨界小時(shí)雨強(qiáng)為30～40 mm/h的結(jié)果基本一致，可見采用此方法計(jì)算臨界雨量對于泥石流的預(yù)警具有一定的指導(dǎo)意義。

注：H1/6為一年最大10 min暴雨量均值；H1為一年最大1 h暴雨量均值。

4 結(jié)論

綜合以上的分析研究，角半溝泥石流上部溝源處支溝發(fā)育，且上游溝域面積大、地形陡峻。陡峻的地形條件和大面積的溝域?yàn)槟嗍鞯男纬蓜?chuàng)造了十分有利的匯水動力區(qū)。上游主溝米米屋基溝溝源處滑坡積物源豐富，同時(shí)也為泥石流的發(fā)生提供了充足的固體物質(zhì)補(bǔ)給。因此，將上游海拔2 100 m以上至溝源劃分為泥石流形成區(qū)。海拔2 100 m以下至溝口，溝道平均縱坡降較小，既為泥石流的流通通道，溝道內(nèi)又堆積了較多的固體物質(zhì)，流通區(qū)及堆積區(qū)分區(qū)不明顯，因此統(tǒng)一劃分為泥石流流通堆積區(qū)。

角半溝泥石流屬于暴雨溝谷型泥石流，因此降雨條件成為控制泥石流發(fā)生的關(guān)鍵性因素。臨界雨量是研究暴雨溝谷型泥石流發(fā)生可能性中最基本的問題。在結(jié)合實(shí)際情況的條件下，利用頻率法推算得到了角半溝臨界雨量的范圍。在前期有效累積降雨量RE=25 mm時(shí)，I60的臨界范圍為35.03～40.97 mm/h;I10的臨界范圍為15.76～19.01 mm/10 min。在RE=50 mm時(shí)，I60的臨界范圍為25.79～31.80 mm/h;I10的臨界范圍為11.61～14.86 mm/10 min。臨界雨量范圍的確定對于角半溝泥石流在預(yù)報(bào)預(yù)警方面一定程度有著很好的指導(dǎo)意義。

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[2] 石豫川，黃潤秋，王學(xué)武,等.某水電站庫區(qū)泥石流發(fā)育特征及其非線性特征研究[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2004,19(增刊)：267-269.

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DEVELOPMENT CHARACTERISTICS AND CRITICAL RAINFALLS OF JIAOBANGOU DEBRIS FLOW IN DECHANG

LIU Shi-wei1,YU Bang-jiang2,WANG Xiao-qun1

(1.National Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-environment Protection of Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Communications Planning, Survey & Design Institute of Guizhou,Guiyang 550001,China)

By analyzing the topography and debris source, it’s found that there are rich sources at the top of the Jiaobangou valley and the valley’s area is large with steep terrains. Storms are likely to cause large-scale landslides. The frequency method was used to calculate the value range of critical rainfall for debris flows.

Jiaobangou Valley; debris flow; critical rainfall; frequency method

1006-4362(2015)03-0001-05

2015-05-10改回日期：2015-08-20

貴州省交通廳科技項(xiàng)目資助(編號：2015-121-025)

P642.23

A

劉士偉(1992- )，男，漢族，碩士研究生，主要從事巖土工程方向研究。E-mail:1367952874@qq.com