城鎮(zhèn)泥石流綜合治理效果評估
——以四川黑沙河溝泥石流工程為例

張 勇，陳寧生，胡桂勝，李 俊

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；2.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041)

0 引言

城鎮(zhèn)泥石流是指對城鎮(zhèn)居民的生命與財(cái)產(chǎn)、生活和生產(chǎn)活動以及城鎮(zhèn)建設(shè)與發(fā)展造成損害或不利影響的泥石流災(zāi)害[1]。為保證城鎮(zhèn)居民和基礎(chǔ)建設(shè)的安全，我國自20世紀(jì)80年代以來修建了大量的泥石流防治工程，但城鎮(zhèn)泥石流防治依然存在較多問題[2-3]?？v觀近年來城鎮(zhèn)泥石流災(zāi)害事件，有部分泥石流溝已經(jīng)實(shí)施了防治工程，如舟曲三眼峪、龍池鎮(zhèn)黃央溝等，但是治理工程沒能有效防治泥石流災(zāi)害，造成了嚴(yán)重的后果[4-7]。目前，泥石流防治工程的研究主要集中于工程設(shè)計(jì)與評估方面[8-11]，針對城鎮(zhèn)泥石流綜合治理效果研究的較少。因此，進(jìn)行已有的典型城鎮(zhèn)泥石流防治工程的效果研究尤為重要。

圖1 黑沙河溝流域圖Fig.1 The map of Heishahe Gully

黑沙河溝是一條典型的城鎮(zhèn)泥石流溝，位于安寧河左岸，歷史上暴發(fā)過多次大規(guī)模泥石流[12-15]：1964年的泥石流災(zāi)害淹沒農(nóng)田74.3 hm2，摧毀房屋74間，沖毀公路1 500 m，直接威脅著溝口G108、成昆鐵路、G5高速和流域下游居民人身財(cái)產(chǎn)安全。隨著1980年左右對黑沙河溝泥石流進(jìn)行了治理，在近40年的時(shí)間里，黑沙河溝泥石流的規(guī)模和頻率逐年降低，至今未再暴發(fā)過大規(guī)模泥石流。

1980年左右，對黑沙河溝泥石流實(shí)施了“工程措施與生物措施相結(jié)合，上中下游全面規(guī)劃，山水林田綜合治理”的方案進(jìn)行了綜合治理，自治理工程實(shí)施至今，該地區(qū)數(shù)次發(fā)生強(qiáng)降雨后均未暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，綜合治理工程對防災(zāi)減災(zāi)起到了決定性的作用，有效地保護(hù)了下游人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，其治理思路和效果值得總結(jié)和評估。本文針對黑沙河溝泥石流防治工程設(shè)計(jì)理念及綜合治理方式進(jìn)行了闡述，提出了城鎮(zhèn)泥石流治理工程評估模式，即通過現(xiàn)場調(diào)查和遙感解譯與模型計(jì)算的方法，對綜合治理的效果進(jìn)行評估。評估結(jié)果表明針對城鎮(zhèn)泥石流采用工程措施與生態(tài)措施結(jié)合的工程治理設(shè)計(jì)理念效果較好，其防治模式可推廣到其他類似的泥石流溝。

1 黑沙河流域概況

黑沙河溝位于四川省涼山彝族自治州北部的喜德縣月華鄉(xiāng)與禮州鎮(zhèn)之間(圖1)，南距西昌市區(qū)23 km。黑沙河溝流域內(nèi)包含黑沙，麥地，麻肚三條支溝，流域面積約23.7 km2，屬于中高山地區(qū)，流域地勢整體西低東高，流域最高海拔2 095 m，高山西面為一由構(gòu)造斷陷形成的山凹盆地，最低海拔1 557 m，相對高差達(dá)538 m，溝床縱坡比降達(dá)211‰。流域溝谷形態(tài)的橫斷面呈“V”字形。

黑沙河溝在地質(zhì)構(gòu)造上處于康滇臺隆安寧河斷裂帶上，地震活動頻繁，歷史上發(fā)生過大于4.75級地震11次，6級以上7次。流域出露的巖層以侏羅紀(jì)益門組和新村組為主，巖性主要為紫紅色頁巖、粉砂巖、礫巖和炭質(zhì)頁巖。由于強(qiáng)烈的風(fēng)化作用，以及構(gòu)造運(yùn)動的破壞和地震的影響，流域內(nèi)巖體破碎，崩塌滑坡體數(shù)量眾多。

黑沙河溝地處亞熱帶氣候區(qū)，干濕季節(jié)明顯，形成“冬無嚴(yán)冬，夏無酷暑”的氣候特點(diǎn)。流域徑流主要以降雨為主，年降雨量1 000 mm以上，但年降雨分配極不均勻，5～10月為濕季或雨季，多雨，其中6～9月更為集中，這四個(gè)月的降水量占全年降水量的75%以上，連續(xù)無降水日不超過10 d，連續(xù)降水最長可持續(xù)30 d以上；11月至4月為旱季，特別是3月到4月，晴朗少雨，隨氣溫和土溫的上升，經(jīng)常伴以大風(fēng)，蒸發(fā)特別強(qiáng)。測區(qū)多年平均濕度69%左右，平均風(fēng)速2.4 m/s，最大風(fēng)速20 m/s，年平均日照時(shí)間約2 400 h。

2 黑沙河泥石流綜合治理工程

2.1 綜合治理思路

黑沙河溝泥石流屬于暴雨型溝谷泥石流，其起動機(jī)理為暴雨作用下，上游形成的強(qiáng)大洪水匯集于溝道，匯流過程中將坡面松散泥沙及坡面的各類松散堆積物源裹夾入溝道，并順溝而下。通過溝道揭底沖刷和強(qiáng)烈的側(cè)蝕作用，將兩側(cè)溝岸松散固體物質(zhì)卷入泥石流中，從而暴發(fā)泥石流災(zāi)害。

針對黑沙河泥石流的形成條件和運(yùn)動特征，治理初期確定了“工程措施與生物措施相結(jié)合，上中下游全面規(guī)劃，山水林田綜合治理”的方針。

第一步是控制并減少集水面積?？紤]到75%水量來自上游的魯基盆地，因此修建了“七一”水庫。一方面攔截上游的全部徑流量，另一方面控制形成泥石流的水動力；

第二步是攔擋泥砂。在流域中下游修筑攔擋工程，控制泥石流運(yùn)動；

第三步是生態(tài)治理。提高流域內(nèi)水土保持能力，減小泥石流運(yùn)動中松散固體物源的補(bǔ)給量。

2.2 工程措施

攔擋工程是防治泥石流的有效且重要的措施。黑沙河溝流域內(nèi)的防治工程如表1所示。除攔擋工程外，還在流域下游修建導(dǎo)流堤、分流堰、排洪溝等相應(yīng)工程措施，用以穩(wěn)定泥石流的流勢、穩(wěn)固溝床，同時(shí)確保將泥石流順利排導(dǎo)入安寧河。

表1 黑沙河流域內(nèi)防治工程統(tǒng)計(jì)表

2.3 生物措施

為削減松散固體物源補(bǔ)給量和形成泥石流的徑流量，在黑沙河溝流域內(nèi)大力開展生物措施，流域內(nèi)生物措施見表2。同時(shí)改善不合理的耕作制度，退耕護(hù)還林還草，積極發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物。

表2 黑沙河流域內(nèi)生物措施統(tǒng)計(jì)表

3 綜合治理效果評估

3.1 泥石流形成條件的改變

豐富的松散固體物源、充足水源條件及較陡地形地貌條件是泥石流暴發(fā)的三個(gè)必要條件，缺一不可。自綜合治理工程實(shí)施后至今，黑沙河溝流域內(nèi)的物源條件，水源條件及地形地貌條件發(fā)生了顯著改變。首先通過現(xiàn)場調(diào)查，將流域內(nèi)泥石流形成的基本情況掌握，進(jìn)而采用遙感解譯的方法評估了治理工程實(shí)施后泥石流形成條件改變情況。

(1)水源條件

水源條件的改變來自兩方面。首先是“七一”水庫將上游魯基盆地的徑流量全部攔截，起到調(diào)節(jié)洪峰，削減泥石流峰值流量的作用。同時(shí)，極大減小了流域的集水面積，通過實(shí)地調(diào)查，集水面積從原來的23.7 km2減小至11.4 km2，降低了形成泥石流的水動力。其次，生物措施的有效實(shí)施，緩解了形成泥石流的徑流量。

(2)物源條件

黑沙河溝泥石流運(yùn)動的物源主要來自流域內(nèi)的滑坡崩塌體、溝道堆積物和人工棄渣。

隨著生物措施的穩(wěn)步實(shí)施以及改變傳統(tǒng)的耕作方式，通過實(shí)地調(diào)查并結(jié)合遙感解譯發(fā)現(xiàn)：流域內(nèi)的植被覆蓋率有了顯著增加，比治理前增加了近60%(圖2)。

圖2 黑沙河流域山區(qū)土地利用類型面積百分?jǐn)?shù)Fig.2 Percentage of land use types in Heishahe Gully

從圖2可知，治理后林地和草地面積逐漸增加，林地面積增加最快，從治理前的2.8%增加到62%，灌木地、裸露地和農(nóng)耕地逐漸減少，灌木地面積減少最快，從原來的22.7%降低到6.1%。

工程措施直接攔截泥石流大顆粒，減小沿途松散固體物質(zhì)的補(bǔ)給以及防止溝道下切。同時(shí)，其間接效果在減少松散固體物源量上也發(fā)揮著重要作用：黑沙河流域內(nèi)滑坡崩塌體巨多，利用攔沙壩和谷坊壩攔蓄的泥沙量，抑制不穩(wěn)定斜坡坡腳處滑動，使溝道岸坡達(dá)到穩(wěn)定，減小不穩(wěn)定斜坡的數(shù)量。

通過實(shí)地調(diào)查并結(jié)合遙感解譯，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過綜合治理以后，流域內(nèi)松散物源量從1.878 3×107m3下降到2.03×106m3(圖3、表3)，極大減小了泥石流運(yùn)動過程中松散物源的補(bǔ)給量和泥石流的運(yùn)動規(guī)模。

圖3 黑沙河流域松散物源分布圖Fig.3 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

物源類型崩滑堆積物坡積物溝道堆積物總量松散固體物質(zhì)總量3812045203

(3)地形地貌條件

隨著攔砂壩庫容的減少，攔擋工程直接攔砂作用減弱，穩(wěn)溝固坡、削減泥石流洪峰流量、提高侵蝕基準(zhǔn)面的作用逐漸增強(qiáng)[14]。

通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，泥石流攔砂壩庫滿后，其淤積物表面不是水平的，而是有一個(gè)回淤坡度，并且該回淤坡度均小于原溝床縱坡。攔沙壩改變溝道縱坡比降如圖4所示。

圖4 攔沙壩改變溝道縱坡比降示意圖Fig.4 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

綜上所述，采用遙感解譯的方法可以準(zhǔn)確的獲取溝道內(nèi)松散物源和植被覆蓋率情況，為治理工程效果的評估提供可靠的手段，由于缺少工程措施的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，包括攔沙壩壩高等相關(guān)參數(shù)，暫時(shí)未評估工程措施的直接攔擋效果和間接穩(wěn)溝固坡效果。

3.2 黑沙河溝泥石流運(yùn)動參數(shù)的改變

黑沙河溝從1874年以來，流域年平均沖出泥沙石塊約8.9×104m3，最大一次達(dá)3.08×105m3，已經(jīng)堆積在出山口的達(dá)9.21×106m3[12]。但在綜合治理的近40年時(shí)間里未再暴發(fā)大規(guī)模泥石流，泥石流發(fā)生的頻率逐年降低，泥石流的容重和運(yùn)動特征也發(fā)生了顯著變化。

泥石流運(yùn)動參數(shù)具體包括泥石流的容重、流速、流量和一次總量等。這些參數(shù)的獲得主要通過泥石流的洪痕和流域地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行模型計(jì)算。因此，本文采用模型計(jì)算的方法，分析黑沙河泥石流容重情況和泥石流運(yùn)動特征情況，反映黑沙河泥石流綜合治理的效果。

(1)泥石流容重

泥石流的容重一般情況下隨其規(guī)模的變化而改變，泥石流的性質(zhì)也會隨之改變。通過對流域內(nèi)典型泥石流原狀堆積物進(jìn)行取樣并進(jìn)行室內(nèi)顆粒分析實(shí)驗(yàn)，參考相關(guān)規(guī)范，根據(jù)公式(1)計(jì)算出不同頻率下泥石流的容重見表4。

p′=0.01T

(1)

rc——百年一遇泥石流容重/(g·cm-3)；

p′——暴發(fā)頻率系數(shù)；

T——泥石流暴發(fā)周期/s。

表4 不同頻率泥石流容重計(jì)算結(jié)果(單位：g·cm-3)

通過表4可以得出，黑沙河溝泥石流百年一遇泥石流容重僅為1.71 g/cm3，屬于稀性泥石流，10年一遇泥石流近于水石流。一般來說，物源量較少，多為稀性泥石流或水石流。

(2)泥石流流速

目前眾多流域計(jì)算公式都是在曼寧公式的基礎(chǔ)上綜合考慮溝床糙率、比降和泥深，并適當(dāng)修正而形成的公式，因此在選擇模型計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)流域特征選擇合適的公式。考慮到該流域內(nèi)無直接觀測設(shè)備，因此通過調(diào)訪和實(shí)地調(diào)查，根據(jù)流域溝槽特點(diǎn)和洪痕位置以及溝道比降，并結(jié)合我國西南山區(qū)泥石流的運(yùn)動特征，采用稀性泥石流計(jì)算公式(2)計(jì)算黑沙河溝泥石流的流速其結(jié)果見表5。

(2)

式中：Mc——稀性泥石流溝床的糙率系數(shù)(通過查表取值)；

a——阻力系數(shù)；

Rc——泥石流水利半徑/m，一般以泥深代替；

φc——泥石流泥沙修正系統(tǒng)；

Ic——泥石流水利坡度/‰；

rc——泥石流容重/(g·cm-3)；

rs——固體物質(zhì)的容重，取2.65～2.7 g/cm3；

rw——水的容重，取1.0 g/cm3。

表5 黑沙河溝主溝不同斷面泥石流流速計(jì)算結(jié)果

(3)泥石流流量

4.3 推進(jìn)殘疾人小康進(jìn)程將更加精準(zhǔn) 國務(wù)院《關(guān)于加快推進(jìn)殘疾人小康進(jìn)程的意見》提出“依托專業(yè)康復(fù)機(jī)構(gòu)指導(dǎo)社區(qū)和家庭為殘疾人實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練，將殘疾人社區(qū)醫(yī)療康復(fù)納入城鄉(xiāng)基層醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)考核內(nèi)容”；《“十三五”加快殘疾人小康進(jìn)程規(guī)劃綱要》提出“加強(qiáng)殘疾人健康管理和社區(qū)康復(fù)，依托專業(yè)康復(fù)機(jī)構(gòu)指導(dǎo)社區(qū)和家庭為殘疾人實(shí)施康復(fù)訓(xùn)練，推動基層醫(yī)療衛(wèi)生機(jī)構(gòu)普遍開展殘疾人醫(yī)療康復(fù)”。這不僅反映了康復(fù)醫(yī)學(xué)在小康進(jìn)程中的重要作用，也明確了康復(fù)醫(yī)學(xué)是殘疾人社區(qū)康復(fù)的重要內(nèi)容之一，是中國30年社區(qū)康復(fù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累[11]。

采用雨洪法計(jì)算流量，雨洪法(公式3)是目前泥石流洪峰流量計(jì)算的基本方法，其計(jì)算步驟是在清水流量的基礎(chǔ)上，考慮堵塞和泥石流的容重特征，然后考慮溝道的堵塞情況，選用堵塞系數(shù)，按下式計(jì)算泥石流洪峰流量，其結(jié)果見表6。

QC=(1+φ)Qw·DC

(3)

式中：QC——頻率為P的泥石流峰值流量/(m3·s-1)；

Qw——頻率為P的暴雨洪水峰值流量/(m3·s-1)；

DC——泥石流堵塞系數(shù)，其取值可查表。

其中：ψ=f(μ,τn)；τn=f(m,s,J,L)

式中：Qw——頻率為P的暴雨洪水設(shè)計(jì)流量/(m3·s-1)；

ψ——洪峰徑流系數(shù)；

s——暴雨雨力/(mm·h-1)；

n——暴雨指數(shù)；

F——流域面積/km2；

L——溝道長度/km；

τ——流域匯流時(shí)間/h；

μ——入滲強(qiáng)度/(mm·h-1)；

m——匯流參數(shù)；

φ—— 泥石流泥沙修正系數(shù)。

φ=(γc-γw)/(γs-γc)

式中：γc——泥石流重度/(g·cm-3)；

γw——清水的重度/(g·cm-3)；

γs——泥石流中固體物質(zhì)比重/(g·cm-3)。

(4)泥石流一次總量

根據(jù)泥石流歷時(shí)T和最大流量Qc，通過斷面的一次泥石流總量Wc由下式計(jì)算：

(4)

表6 黑沙河流域不同頻率泥石流峰值流量

一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量按下式計(jì)算：

(5)

式中：WS——為通過計(jì)算斷面的固體物質(zhì)實(shí)體總量/m3；

CV——泥石流中土體的體積濃度。計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 不同頻率下一次泥石流漿體總量和固體物質(zhì)總量

利用模型計(jì)算的方法很好的掌握了治理工程實(shí)施后泥石流運(yùn)動參數(shù)的改變情況。通過評估結(jié)果可知，經(jīng)過綜合治理后，黑沙河溝泥石流的各項(xiàng)運(yùn)動參數(shù)均呈明顯減小趨勢。溝口位置泥石流流速僅為3.74 m/s。泥石流流速的降低會極大的降低泥石流的揭底沖刷、侵蝕作用，進(jìn)而減小泥石流的運(yùn)動規(guī)模；100年一遇的泥石流峰值流量為219.3 m3/s，一次固體物質(zhì)總量為4.5×104m3，并且10年一遇泥石流的一次固體物質(zhì)總量不到1×104m3，遠(yuǎn)低于治理前的年平均泥沙石塊沖出量8.9×104m3。這說明，流域內(nèi)的防治工程在減小泥石流流速和削減泥石流峰值流量上起到重要作用。同時(shí)，流域內(nèi)植被覆蓋率的提高，加上工程措施的直接攔擋效果和間接穩(wěn)溝固坡效果的多重作用。

4 結(jié)論

(1)通過對黑沙河溝泥石流治理工程效果的評估，提出了現(xiàn)場調(diào)查，遙感解譯和模型計(jì)算相結(jié)合的綜合評估模式(圖5)，很好的評估了治理工程實(shí)施后的防災(zāi)減災(zāi)效果?，F(xiàn)場調(diào)查可以全面了解治理工程概況并獲取模型計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)，并為遙感解譯提供一定的指導(dǎo)；遙感解譯為評估流域內(nèi)植被覆蓋率和松散固體物質(zhì)情況提供了可靠的手段；模型計(jì)算可以較準(zhǔn)確的得出泥石流運(yùn)動參數(shù)，可以評估工程措施的直接攔砂效果和間接穩(wěn)溝效果。該綜合評估模式為城鎮(zhèn)泥石工程治理效果的評估提供了一定的借鑒。

圖5 城鎮(zhèn)泥石流治理工程綜合評估模式Fig.5 Comprehensive evaluation model of urban debris flow control project

(2)經(jīng)過評估得出：黑沙河溝泥石流采用綜合治理的方法很好的控制了泥石流的頻率和規(guī)模；工程措施的直接攔擋和間接穩(wěn)溝固床效益在防治泥石流方面提供了重要保障；生物措施的治理效果主要體現(xiàn)在水土保持作用，一方面可以減小泥石流松散物源的補(bǔ)給量，另一方面緩解降雨直接沖刷坡面松散物質(zhì)，減小水流入滲作用和徑流量。黑沙河泥石流綜合治理的成功為安寧河流域內(nèi)泥石流的防治提供了很好參考價(jià)值，該溝的泥石流防治模式可以推廣至類似的城鎮(zhèn)泥石流溝。

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