阿圖什市稀性泥石流成災(zāi)特性研究

呂喬森，董瑋瑋

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆地質(zhì)工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830091；3.新疆烏魯木齊市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

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阿圖什市稀性泥石流成災(zāi)特性研究

呂喬森1，2，董瑋瑋3

(1.新疆地礦局第一水文工程地質(zhì)大隊(duì)，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆地質(zhì)工程勘察院，新疆 烏魯木齊 830091；3.新疆烏魯木齊市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

新疆南部山區(qū)泥石流災(zāi)害發(fā)育程度高，災(zāi)害暴發(fā)頻發(fā)，以南疆阿圖什市為例，對(duì)成災(zāi)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析，闡明稀性泥石流災(zāi)害賦存的地質(zhì)環(huán)境條件與基本特征，對(duì)致災(zāi)三大要素——地形地貌特征、泥石流物源與水源條件進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明，該市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的破面侵蝕溝谷型稀性泥石流，爆發(fā)頻率及規(guī)模為中型。厘清成災(zāi)特性，為后續(xù)的防治工程設(shè)計(jì)奠定研究基礎(chǔ)。

地質(zhì)災(zāi)害；稀性泥石流；成災(zāi)特性；重度

泥石流是我國(guó)《地質(zhì)災(zāi)害防治條例》中規(guī)定的六大災(zāi)種之一，主要發(fā)育在山區(qū)溝谷，由暴雨、冰川、地震等外界因素誘發(fā)，通過(guò)水體混合并裹攜大量泥沙、石塊、土體形成特殊洪流，是介于崩塌、滑坡等塊體運(yùn)動(dòng)和高含沙水流運(yùn)動(dòng)之間的一種不良地質(zhì)現(xiàn)象，具有暴發(fā)突然、致災(zāi)性強(qiáng)、破壞性大、防治難度高等特點(diǎn)[1-3]。新疆存在廣袤的山區(qū)溝谷地貌，且多植被稀疏、基巖風(fēng)化嚴(yán)重，為泥石流災(zāi)害的發(fā)育提供了良好的地質(zhì)條件，嚴(yán)重制約地方城市建設(shè)發(fā)展。

阿圖什市位于新疆西南部克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃?以下簡(jiǎn)稱“克州”)中部，下轄6鄉(xiāng)1鎮(zhèn)。該市是克州州府所在地，是新亞歐大陸橋上重要的節(jié)點(diǎn)。由于地處博孜塔格山脈區(qū)域，該市泥石流災(zāi)害發(fā)育程度高，災(zāi)害暴發(fā)頻仍，成災(zāi)特征典型，業(yè)已對(duì)市區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成嚴(yán)重的不良影響。如2001年8月23日，由于克州地區(qū)突降暴雨，阿圖什市遭受洪水泥石流災(zāi)害，整個(gè)市區(qū)被厚度30 cm左右的泥石流沖出物質(zhì)掩埋，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)6 300萬(wàn)元。因此，亟需研究分析阿圖什市代表性的泥石流災(zāi)害，厘清其成災(zāi)特性[4-5]，為阿圖什市乃至其他南疆地區(qū)相似的泥石流災(zāi)害防治工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)環(huán)境條件

1.1 氣象水文條件

阿圖什市地處中緯度歐亞大陸腹地，屬典型的暖溫帶大陸性干旱氣候，主要表現(xiàn)為四季分明，日照充足，干旱少雨，無(wú)霜期長(zhǎng)，氣溫晝夜變幅大。市區(qū)年平均氣溫13.7℃，平均最高氣溫33.6℃，極端最高氣溫41.2℃，平均最低氣溫-5.3℃，極端最低氣溫-24.4℃。年最大降水量165.5 mm，最小降水量18.3 mm，多年平均降水量78.0 mm。多年平均日照時(shí)長(zhǎng)2 785.6 h，最大凍土深度68 cm，多年平均風(fēng)速2.1 m/s，最大風(fēng)速為22 m/s。

阿圖什市土地遼闊、河網(wǎng)密布，較大水系為博古孜河和恰克瑪克河。城區(qū)處于博古孜河下游，屬平原游蕩性河流，河床寬淺，河灘密布，主流位置不定，具有淺、寬、亂的特點(diǎn)。根據(jù)水文資料顯示，歷年最大洪峰流量發(fā)生以7～9月最高，其次為5、6月份，與泥石流災(zāi)害集中暴發(fā)時(shí)間相吻合。

1.2 地形地貌條件

阿圖什市地處天山西南坡博孜塔格山一側(cè)，總體地勢(shì)北高南低，海拔1 350～1 650 m。該市南部為山前沖洪積傾斜平原，海拔1 300～1 350 m，平原地帶地表覆蓋人工種植植被，覆蓋率約70%～80%；北部為山區(qū)，山區(qū)溝谷中基巖裸露，上覆少量第四系殘坡積物，植被極稀疏。

1.3 地層巖性條件

1.3.1 二疊系下統(tǒng)卡侖達(dá)爾組(P1k)

主要分布在北部中低山丘陵區(qū)，巖性為海相較細(xì)碎巖夾少量灰?guī)r。其下部為黃色、灰綠色鈣質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖與砂質(zhì)泥巖互層夾泥質(zhì)灰?guī)r；上部為絳紅色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)中細(xì)粒長(zhǎng)石富巖屑砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)砂巖不均勻互層夾砂巖、粉砂巖。

1.3.2 第三系上新統(tǒng)阿圖什組(N2a)

主要分布在北部的低山丘陵區(qū)，巖性主要為泥巖、砂巖和礫巖，呈紅褐色～淺棕色，礫巖主要由塊石、碎石、砂膠結(jié)形成。

1.3.3 第四系(Q)

第四系(Q)在阿圖什市內(nèi)廣泛分布，主要分布于泥石流溝谷、坡腳及山坡坡面，主要為第四系上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)沖洪積物(Q3-4apl)、全新統(tǒng)殘坡積物(Q4dl+el)與第四系全新統(tǒng)崩積物(Q4col)等，是構(gòu)成泥石流物源的重要組成部分。

1.4 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)溝谷內(nèi)第四系為透水不含水層，地下水主要分布于溝谷的沖洪積扇部位，地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水。含水巖組巖性為第四系砂、礫石，單井涌水量為20～200 m3/d，富水性中等。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)取水樣簡(jiǎn)分析結(jié)果，地下水化學(xué)類型為HCO3·SO4·Cl-Na·Ca，礦化度0.446～1.301 g/L，屬淡水-弱礦化水，體現(xiàn)沉積巖地區(qū)淺層溶濾水的特征。地下水補(bǔ)給方式一則為山區(qū)洪流的入滲補(bǔ)給，二則為汛期博古孜河河水的側(cè)向補(bǔ)給。主要排泄方式一種為枯水期向東南側(cè)的博古孜河排泄，另一種是以蒸發(fā)或蒸騰的方式排泄。

1.5 研究區(qū)泥石流災(zāi)害基本特征

基于研究區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可以得出，阿圖什市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的坡面侵蝕溝谷型稀性泥石流，暴發(fā)頻率一般為中頻，暴發(fā)規(guī)模一般為中型。其中，以市區(qū)北部吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村泥石流災(zāi)害最為典型。該泥石流災(zāi)害處于發(fā)展期(壯年期)，易發(fā)程度綜合量化評(píng)價(jià)結(jié)果為87分，處于“易發(fā)”狀態(tài)，泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性等級(jí)小～中型，泥石流潛在危險(xiǎn)性等級(jí)中型，受災(zāi)體處于災(zāi)變的臨界狀態(tài)，須警惕成災(zāi)可能性。

2 阿圖什市泥石流的成災(zāi)特性

如上所述，發(fā)育于該市北部吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村的泥石流規(guī)模大、致災(zāi)強(qiáng)、威脅廣，具有重要的研究意義。因此，以其為研究對(duì)象，對(duì)成災(zāi)特性進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖1 泥石流區(qū)域劃分示意圖

2.1 地形地貌特征

研究區(qū)整體屬中低山區(qū)，地勢(shì)北高南低，呈“箕”形，其中北、西、東部三面為山體環(huán)繞，朝南開(kāi)口，溝口堆積有大量較完整的扇形松散堆積物，主溝在“箕”形當(dāng)中大致呈北西-南東向延伸。地貌類型包括中山、構(gòu)造剝蝕丘陵、山前沖洪積傾斜平原等，最高點(diǎn)平均海拔1 871.6 m，最低點(diǎn)平均海拔1 630.8 m，主溝最長(zhǎng)約2.81 km?？瓶怂敬迥嗍髁饔蚩偯娣e約為4.54 km2。溝谷整體呈樹(shù)杈狀，共5條支溝、1條主溝，溝谷平均縱坡約55.0‰，溝道寬2～140 m。其中一號(hào)、二號(hào)支溝呈“V”型，三號(hào)、四號(hào)、五號(hào)支溝及主溝呈寬“U”型，如圖1所示。

2.1.1 形成區(qū)

將最下游處的五號(hào)支溝與主溝交匯處以上的流域范圍劃分為泥石流的形成區(qū)，其溝谷流域面積約2.35 km2，發(fā)育支溝5條，各支溝縱坡坡率、溝道形態(tài)、物理地質(zhì)特征如表1所示。

形成區(qū)北部為陡峻山體，坡度一般35°～80°，坡體基巖裸露，無(wú)植被覆蓋，巖性主要為礫巖，微～中風(fēng)化，由塊石、碎石和砂組成，鈣質(zhì)或泥鈣質(zhì)膠結(jié)；巖體堅(jiān)硬，錘擊有回彈，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)偏強(qiáng)。工程地質(zhì)條件良好至一般。形成區(qū)東西兩側(cè)為強(qiáng)風(fēng)化基巖，巖性主要為粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)灰?guī)r，大部基巖表層全風(fēng)化成泥質(zhì)，厚度0.3～0.8 m，坡度一般25°～65°，植被極稀疏，基本喪失固土保水能力；該部分巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)偏弱～Ⅴ級(jí)，局部發(fā)育傾倒～墜落式崩塌，工程地質(zhì)條件較差。形成區(qū)的一號(hào)與二號(hào)支溝溝道狹窄且多急灣，呈“V”型，存在大量陡坎與跌水，溝內(nèi)堆積物主要為沖洪積形成的碎石、角礫，以及一些大粒徑的塊石、漂石，堵塞程度嚴(yán)重；三號(hào)～五號(hào)支溝寬敞，呈寬“U”型，溝道較短，溝內(nèi)堆積物較多，主要為沖洪積形成碎石、角礫，有零星植被；其中四號(hào)與五號(hào)支溝溝頭一帶存在大量崩塌堆積物，塊徑極大，但基本不參與泥石流形成。

綜上所述，該段區(qū)域內(nèi)陡峻的地形地貌有利于匯集周圍山坡上的水流，坡面松散固體物質(zhì)易在水流作用下啟動(dòng)。

2.1.2 流通區(qū)

從五號(hào)支溝與主溝匯集處至泥石流溝口劃分為流通區(qū)，其溝谷流域面積約為0.56 km2，主溝平均縱坡約為45‰，溝道寬180～310 m，呈寬“U”形。

流通區(qū)溝谷兩側(cè)出露強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、砂質(zhì)泥巖以及泥質(zhì)灰?guī)r，巖性變化過(guò)渡復(fù)雜，整體呈逆沖推覆體接觸，其中砂質(zhì)泥巖風(fēng)化剝蝕嚴(yán)重，大部基巖表層全風(fēng)化成泥質(zhì)，厚度0.3～0.6 m，坡度一般25°～55°，植被極稀疏，基本喪失固土保水能力；該部分巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)～Ⅴ級(jí)，東側(cè)山體于溝口位置發(fā)育傾倒式崩塌，工程地質(zhì)條件較差。流通區(qū)東側(cè)一帶可見(jiàn)殘留泥位，西側(cè)一帶可見(jiàn)沖擊侵蝕痕跡。

流通區(qū)溝道堆積物較多，主要為沖洪積形成的角礫層，含少量碎石、圓礫，骨架顆粒間以礫砂、中粗砂、少量粉土充填為主，中密～密實(shí)，干燥～稍濕，主要母巖成分為砂巖、凝灰?guī)r等。流通區(qū)溝道較順直，但縱坡較緩，易于泥石流固相物質(zhì)的沉淀，但由于區(qū)內(nèi)堵塞程度一般～輕微，水體流動(dòng)暢通，因此可直泄下游，對(duì)堆積區(qū)的扇體產(chǎn)生較強(qiáng)的沖刷與掏蝕。

2.1.3 堆積區(qū)

從泥石流溝口至博古孜河西岸一側(cè)劃分為堆積區(qū)及其影響區(qū)，面積約1.63 km2，沖積扇長(zhǎng)約900 m，寬約1 500 m，擴(kuò)散角約100°，平均縱坡33‰。

泥石流堆積區(qū)為泥石流物質(zhì)的停積場(chǎng)所，位于山口外，地形較平緩。由于地形豁然開(kāi)闊平坦，泥石流動(dòng)能急劇變小，最終停積下來(lái)形成近似扇形的堆積體(洪積扇)。由于存在多次泥石流暴發(fā)堆積，溝口以南區(qū)域形成了巨厚堆積層，角礫層厚度大于80 m，扇形相對(duì)較完整，且沖淤變幅明顯。堆積區(qū)東西兩側(cè)發(fā)育多條沖溝，寬度0.8～2.0 m不等，深度0.3～0.6 m。堆積區(qū)地層主要為角礫，灰黃～雜色，分選性較差，級(jí)配良好，顆粒呈次棱角-次圓狀，含少量碎石，骨架顆粒間以礫砂、中粗砂、少量粉土充填為主，母巖成分主要為砂巖、凝灰?guī)r、灰?guī)r等，中密～密實(shí)，干燥～稍濕。

2.2 泥石流物源組成

科克塔木村泥石流的松散堆積物主要由兩部分組成：主要來(lái)源為流域范圍內(nèi)各溝道沖洪積所形成的堆積物，其他來(lái)源為溝道兩側(cè)山體直面上風(fēng)化形成的殘積物、坡積物、少量崩積物及泥石流沖擊掏蝕坡腳產(chǎn)生的塌岸物質(zhì)。

對(duì)于形成、流通區(qū)山體坡面上風(fēng)化形成的殘積物、坡積物、少量崩積物而言，降雨入滲后，松散殘坡積物吸水產(chǎn)生蠕變，并與水體充分摻混，強(qiáng)度衰減，誘發(fā)物質(zhì)啟動(dòng)。物質(zhì)啟動(dòng)后，一邊侵蝕不穩(wěn)定土層一邊滑行，最終匯入溝道成為物源。

對(duì)于溝道內(nèi)沖洪積所形成的松散堆積物而言，降雨匯集后裹攜大小粒徑石塊順坡降徑流，形成強(qiáng)烈紊動(dòng)固液混合相紊流，龍頭聚集大顆粒卵石形如一座緩慢推進(jìn)的石壩，沖刷力較強(qiáng)。在泥漿挾帶下部卵石運(yùn)動(dòng)中，卵石周圍的液相通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)把能量傳遞給卵石顆粒，同時(shí)上部泥漿流借助于紊動(dòng)擴(kuò)散作用不斷把動(dòng)能傳遞到下層，使下部液相物質(zhì)可維持不斷推動(dòng)卵石運(yùn)動(dòng)，并持續(xù)地沖刷揭底溝床。當(dāng)泥漿深度提升到一定程度后，高黏性遏制了紊動(dòng)，加之泥石流運(yùn)動(dòng)至溝口一帶后，地形陡然開(kāi)闊，流速迅速下降，紊流漸次轉(zhuǎn)化為層流，大顆粒固相物質(zhì)逐步停止并沉淀，龍頭消逝，僅剩下洪流及少量細(xì)顆粒固相物質(zhì)繼續(xù)向下游排泄，

綜上所述，科克塔木村泥石流物源以沖溝侵蝕為主、淺層坍塌為輔，動(dòng)力學(xué)特征主要體現(xiàn)為水力作用導(dǎo)致的溝床起底掏蝕。在形成區(qū)與流通區(qū)上游，其流體性質(zhì)以稀性為主，在流通區(qū)中下游則黏性略有提高。

2.3 水源條件

2.3.1 植被條件

研究區(qū)內(nèi)基巖山體表層植被極稀疏，植被覆蓋率不足1%，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。泥石流溝道內(nèi)生長(zhǎng)有零星植株，主要為一年生耐旱草本植物，多為梭梭柴，覆蓋率小于5%。因此，植被穩(wěn)固坡面松散物的能力十分有限，可忽略不計(jì)。

2.3.2 降雨影響

降雨具有構(gòu)成泥石流重要組成部分和搬運(yùn)介質(zhì)雙重意義，特大暴雨是泥石流爆發(fā)的基本動(dòng)力條件?？瓶怂敬迥嗍鳒瞎人诘闹猩郊皠兾g丘陵形成的匯水區(qū)域?yàn)槟嗍鞯陌l(fā)育提供了水動(dòng)力條件，同時(shí)也成為水流的流通通道。

如前所述，研究區(qū)主要接受大氣降水補(bǔ)給，大氣降水多集中在5～9月，尤以7～8月為甚，多呈連續(xù)數(shù)日的大雨或短時(shí)間的暴雨。降雨的集中出現(xiàn)形成強(qiáng)大的地表徑流，沖刷裹攜固體物質(zhì)形成泥石流。據(jù)走訪調(diào)查，最近一次較大規(guī)模的泥石流爆發(fā)于2012年7月。當(dāng)時(shí)泥石流的沖起高度約0.4 m，泥砂淤積厚度0.1 m，對(duì)村內(nèi)新建牧民安居房造成了較大的危害。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)通過(guò)闡明阿圖什市氣象水文條件、地形地貌條件、地層巖性條件、水文地質(zhì)條件，明確了阿圖什市泥石流類型主要為由暴雨誘發(fā)的坡面侵蝕溝谷型稀性泥石流，暴發(fā)頻率一般為中頻，暴發(fā)規(guī)模一般為中型。

(2)以吐古買提鄉(xiāng)科克塔木村泥石流災(zāi)害為研究對(duì)象，通過(guò)分析其形成區(qū)、流通區(qū)、堆積區(qū)的地形地貌特征，物源組成，水源條件等，基本厘清了泥石流災(zāi)害的成災(zāi)特性，為后續(xù)的泥石流防治對(duì)策研究奠定了理論基礎(chǔ)。

[1]吳積善，田連權(quán)，康志成，等. 泥石流及其綜合治理[M]. 北京：科學(xué)出版社.1993.

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2017-03-14

呂喬森(1986-)，男，福建古田人，工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)與防治方面的研究。

P642.23

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1004-1184(2017)03-0217-03