藏東南帕隆藏布流域波密縣城至索通泥石流堆積扇形成的制約因素與特征

鄒任洲, 張佳佳, 王軍朝, 陳 龍, 李 勇*, 黃 亮, 田 海

(1. 成都理工大學(xué) 油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610059;2. 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734)

青藏高原是國(guó)際地質(zhì)學(xué)界最具爭(zhēng)論的焦點(diǎn)地區(qū)[1],位于青藏高原東南緣的帕隆藏布流域?yàn)樯钋懈呱降膷{谷,受印度板塊與歐亞板塊碰撞和東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)的影響,使得新構(gòu)造活動(dòng)非常強(qiáng)烈[2-3].該地區(qū)氣候獨(dú)特,是西南季風(fēng)和印度洋暖流進(jìn)入青藏高原的交匯處,具有極其豐富的海洋性冰川和充沛的降雨[4].獨(dú)特的氣候和地質(zhì)條件使得該地區(qū)泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生,給當(dāng)?shù)鼐用駧?lái)巨大的危害[5].泥石流堆積扇主要形成于地形陡變的溝谷出山口處的開(kāi)闊平緩地帶,受控因素為泥石流本身的性質(zhì)、規(guī)模和流域的氣候與構(gòu)造背景等,這些因素對(duì)于推導(dǎo)泥石流的形成過(guò)程和預(yù)測(cè)泥石流的危害范圍意義重大[6].國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于泥石流堆積扇進(jìn)行了大量的研究:Marino等[7]使用堆積扇和流域特征以及物質(zhì)供應(yīng)率之間的關(guān)系,來(lái)研究堆積扇的類(lèi)型、形態(tài)與環(huán)境條件的關(guān)聯(lián)程度;唐川等[8]通過(guò)對(duì)小江流域泥石流堆積扇調(diào)查和觀測(cè),闡述了泥石流堆積扇的形成過(guò)程,并得出了泥石流堆積扇群的組合特征;劉希林[9]研究了小江流域河床平面形態(tài)對(duì)堆積扇的影響;陳杰等[10]研究了小江流域腹地中的流域面積及溝床比降與泥石流堆積扇面積的關(guān)系,并得出流域面積與堆積扇面積之間是正指數(shù)關(guān)系,溝床比降與堆積扇面積之間是負(fù)指數(shù)關(guān)系;前人對(duì)于帕隆藏布流域波密縣城至索通村地區(qū)泥石流堆積扇的研究較少,本文主要總結(jié)歸納了波密縣城至索通村泥石流堆積扇的分布規(guī)律,并研究了主溝流域面積、主溝縱坡降與堆積區(qū)特征和泥石流堆積扇之間的關(guān)系.

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處雅魯藏布江最大支流帕隆藏布江的中游地帶,位于藏東南地區(qū)的波密縣城至索通村段(圖1).研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,橫跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結(jié)合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構(gòu)造結(jié),處于三大山脈即念青唐古拉山脈、喜馬拉雅山脈和橫斷山脈交匯復(fù)合部,為各種構(gòu)造極其復(fù)雜的造山帶,大地構(gòu)造分區(qū)見(jiàn)圖2.研究區(qū)地勢(shì)陡峭,為高山峽谷地貌,山地地形相當(dāng)復(fù)雜,并且常年發(fā)育海洋性冰川[4,11],是泥石流災(zāi)害爆發(fā)的高頻地區(qū)[5,12].波密縣城為帕隆藏布江的中游地區(qū),重要的交通樞紐318川藏公路從帕隆藏布江的右岸通過(guò),兩岸高頻爆發(fā)的泥石流對(duì)川藏公路和附近的居民構(gòu)成重大威脅.

圖1研究區(qū)地理位置[13]

Fig.1Geographicalpositionofthestudiedarea[13]

圖 2 研究區(qū)構(gòu)造單元分區(qū)[14]

2 泥石流堆積扇發(fā)育特征

泥石流堆積扇是帕隆藏布流域兩岸最為常見(jiàn)的地貌單元,根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查帕隆藏布流域波密段36條泥石流堆積扇(圖3),主要分布在帕隆藏布河谷兩岸,兩岸泥石流堆積扇規(guī)模和形態(tài)各異,并且不同泥石流溝的流域面積、主溝縱坡降也相差較大,規(guī)模最大的古鄉(xiāng)溝泥石流堆積扇面積達(dá)4.84 km2,而最小的堆積扇面積只有0.039 km2.

這些泥石流堆積扇的面積在空間上是否存在一定的規(guī)律？筆者根據(jù)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感影像對(duì)研究區(qū)泥石流堆積扇面積進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)(表1),發(fā)現(xiàn)研究區(qū)泥石流堆積扇面積在帕隆藏布南北岸和古鄉(xiāng)為界存在空間分布規(guī)律:以古鄉(xiāng)為界,古鄉(xiāng)以西沿著帕隆藏布至波密段泥石流堆積扇的面積比古鄉(xiāng)以東至索通村段泥石流堆積扇的面積明顯要大,面積大于2.5 km2的堆積扇都在古鄉(xiāng)以西至波密段發(fā)育,且泥石流堆積扇在波密至古鄉(xiāng)段分布的更為密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆積扇比南岸更為發(fā)育,北岸堆積扇面積占總面積的57%,面積明顯要比南岸的泥石流堆積扇面積大,并且其中著名特大泥石流溝古鄉(xiāng)溝就在北岸發(fā)育.

圖 3 研究區(qū)泥石流堆積扇分布

位置<0.10.1～0.50.5～1.01.0～1.51.5～2.02.0～2.52.5～3.0>3.0總面積/(km2)波密縣城至古鄉(xiāng)段6662001218.63古鄉(xiāng)至索通村段074200006.80帕隆藏布北岸2651000214.39帕隆藏布南岸4753001010.95

注:資料由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所“藏東南重要城鎮(zhèn)和交通干線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”項(xiàng)目組提供.

3 泥石流堆積扇制約因素

研究區(qū)泥石流堆積扇在空間分布上存在一定規(guī)律性,這種規(guī)律是否是受到泥石流溝自身因素的影響？

為了深入研究該區(qū)域流域面積和主溝縱坡降與泥石流堆積扇面積之間的關(guān)系,對(duì)帕隆藏布流域波密段泥石流堆積扇面積和對(duì)應(yīng)的流域面積、主溝縱坡降進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.數(shù)據(jù)獲取的方法主要是以高精度遙感影像和野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查為基礎(chǔ),結(jié)合1∶5萬(wàn)地形圖圈定出堆積扇的范圍,再運(yùn)用ArcGIS得到泥石流堆積扇面積、流域面積和主溝縱坡降(表2).

表 2 研究區(qū)36條泥石流堆積扇基礎(chǔ)資料[1]

3.1流域面積對(duì)泥石流堆積扇的影響流域面積是影響泥石流堆積扇規(guī)模的一個(gè)重要因素,研究表明[10,15]:流域面積大的泥石流溝往往形成面積大的泥石流堆積扇,其原因是由于流域面積越大相應(yīng)的松散物質(zhì)儲(chǔ)量和水動(dòng)力條件比流域面積小的溝道更優(yōu)越,更容易形成面積大的泥石流堆積扇.研究區(qū)的各個(gè)泥石流堆積扇面積差異明顯,但基本上符合大流域面積的溝道對(duì)應(yīng)形成的堆積扇面積大,小流域面積的溝道對(duì)應(yīng)形成的堆積扇面積小.對(duì)研究區(qū)堆積扇面積和溝道的流域面積進(jìn)行回歸分析,得出兩者的回歸曲線(xiàn)(圖4)和(1)式:

(1)

其中,Sf為堆積扇面積,Sd為流域面積.(1)式中的復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.623,表明泥石流堆積扇面積和流域面積之間回歸效果顯著,能夠?qū)⒘饔蛎娣e作為泥石流堆積扇面積的影響因子.國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者[16-19]對(duì)于泥石流堆積扇面積與流域面積的關(guān)系做了大量的研究,并得出了兩者確實(shí)存在S=C*Sb(c、b為常數(shù))指數(shù)關(guān)系.因此推測(cè)本區(qū)范圍內(nèi)的泥石流堆積扇面積與流域面積之間也存在這種指數(shù)關(guān)系.從這種正指數(shù)關(guān)系可知,流域面積大的溝道較流域面積小的溝道更容易形成面積大的堆積扇.在帕隆藏布流域,流域面積先通過(guò)流域的集水條件和松散固體物質(zhì)的含量來(lái)決定泥石流爆發(fā)的頻率和堆積扇的規(guī)模,進(jìn)而影響到泥石流堆積扇的面積,流域面積大的溝道容易爆發(fā)大型的泥石流,相應(yīng)的堆積扇的增速和最終的面積就比流域面積小的溝道形成的堆積扇大.

圖 4 泥石流堆積扇面積與流域面積回歸曲線(xiàn)

3.2主溝縱坡降對(duì)泥石流堆積扇的影響主溝縱坡降是指流域內(nèi)的相對(duì)高差與主溝長(zhǎng)度的比值,流域內(nèi)的相對(duì)高差主要體現(xiàn)在流域內(nèi)泥石流物源所具有的勢(shì)能,流域高差越大勢(shì)能越大,泥石流物源所具有的勢(shì)能就越大,那么它搬運(yùn)能力就越強(qiáng),同樣在堆積區(qū)沉積的范圍就廣,形成堆積扇的面積越大.而主溝是泥石流搬運(yùn)的必經(jīng)之道,在泥石流搬運(yùn)過(guò)程,它將停留在溝內(nèi)或者攜帶溝內(nèi)的物源一起沖出溝口形成更大規(guī)模的堆積扇.為了研究主溝縱坡降和泥石流堆積扇面積的關(guān)系,將表1的堆積扇面積和主溝縱坡降數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,得出兩者的回歸曲線(xiàn)圖(圖5)和(2)式:

(2)

其中,Sf為堆積扇面積,Dd為主溝縱坡降.復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.421,表明堆積扇面積和主溝縱坡降之間具有一定的相關(guān)性,并且它們之間也存在指數(shù)關(guān)系,這種指數(shù)關(guān)系和流域面積的指數(shù)關(guān)系相反,為負(fù)指數(shù)關(guān)系,從(圖5)中可以看出總體上主溝縱坡降大的泥石流溝形成的泥石流堆積扇相應(yīng)的小.

圖 5 泥石流堆積扇面積與流域面積回歸曲線(xiàn)

3.3堆積區(qū)特征對(duì)泥石流堆積扇的影響堆積區(qū)的可容納空間和主河能量條件主要對(duì)于泥石流堆積扇的完整性有影響,對(duì)于有開(kāi)闊可容納空間的堆積區(qū)來(lái)說(shuō),泥石流堆積物在沖出溝口后在堆積區(qū)上能夠形成完整的堆積扇,這種空間可以是江河床面、主河形成的河流階地和河漫灘[20].主河的能量大小對(duì)泥石流堆積扇的完整性影響大,若主河的能量大于泥石流強(qiáng)度則可能無(wú)法形成堆積扇而被主河沖走或堆積扇的前緣被主河破壞無(wú)法形成完整的堆積扇.

以古鄉(xiāng)溝和天摩溝泥石流堆積扇(圖6)為例分析可容納空間和主河能量對(duì)泥石流堆積扇完整性的影響.古鄉(xiāng)溝是著名的高頻冰川泥石流溝,在高溫多雨的6～7月爆發(fā)次數(shù)最多[21-24],堆積扇的面積為4.84 km2(表2),在該處帕隆藏布主河寬度約300 m,開(kāi)闊的河床為泥石流堆積扇的形成提供了空間巨大的可容納空間.另一方面,從波密縣城至古鄉(xiāng),帕隆藏布河床變寬,流速變緩,主河能量降低,對(duì)于古鄉(xiāng)泥石流堆積扇破壞力度減小,有利于形成形態(tài)較為完整的泥石流堆積扇.天魔溝是一條高頻泥石流溝,在2009年9月爆發(fā)特大泥石流,一次性沖出固體物總量約1.34×106m3,泥石流堆積物堵塞帕隆藏布約1 h[25].由于天摩溝位于帕隆藏布中下游位置,主河道從古鄉(xiāng)以下溝道變窄,在天摩溝位置處主溝道寬度僅約70 m,堆積區(qū)可容納空間非常小,且受到對(duì)面比通溝堆積扇的頂托,其泥石流堆積扇規(guī)模受到很大的影響,另一方面,這段主河河床變窄,主河能量增加,對(duì)堆積扇的破壞作用增加,相當(dāng)一部分的泥石流堆積物被帕隆藏布帶走,很難在堆積區(qū)堆積形成新的堆積扇,所以天摩溝泥石流堆積扇規(guī)模和形態(tài)很難擴(kuò)展,很難形成面積大的堆積扇.

4 討論

影響泥石流堆積扇面積大小的因素有多種,大的方面包括地質(zhì)構(gòu)造、地貌特征和水文氣象[20],更為具體的方面有流域面積和主溝比降[26],另外堆積區(qū)的可容納空間和主河能量也是影響堆積扇的重要因素[27],要對(duì)泥石流堆積扇的形成和演變過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)研究,需要建立一個(gè)影響泥石流堆積扇發(fā)育的各個(gè)變量的格架[10].對(duì)于帕隆藏布流域兩側(cè)支溝來(lái)說(shuō),它們具有基本相同的地質(zhì)構(gòu)造、巖性和氣候條件,若不考慮到泥石流從形成到堆積過(guò)程的力學(xué)機(jī)理和具體過(guò)程,則形成泥石流堆積扇的必要條件為流域特征和堆積區(qū)特征,而流域特征中的流域面積、主溝縱坡降和松散物儲(chǔ)量都是影響堆積扇面積的重要因素[10].從圖4和圖5可以明顯地看出堆積扇面積和流域面積與主溝縱坡降之間存在線(xiàn)性關(guān)系,和流域面積的線(xiàn)性關(guān)系為正相關(guān),大體上隨著流域面積的增大而增大,和主溝縱坡降之間存在是負(fù)相關(guān),大體上隨著主溝縱坡降的增大而減小.但這種關(guān)系并不是絕對(duì)的,堆積扇面積不管是和流域面積還是與主溝縱坡降之間的關(guān)系都存在一些動(dòng)蕩,比如大的流域面積比小的流域面積的溝道形成的堆積扇面積要小的多,主溝縱坡小的溝道比主溝縱坡降大的溝道形成的堆積扇面積要小的多,這種動(dòng)蕩的關(guān)系可能受除流域面積和主溝縱坡降以外的因素影響.流域內(nèi)的松散物源儲(chǔ)量的多少能夠說(shuō)明上述的動(dòng)蕩關(guān)系,表1中的N33(古鄉(xiāng)溝)、N08(縮瓦隆巴)、N01(索不隆巴)流域面積和主溝縱坡降大致相同,松散物源儲(chǔ)量[1]分別為200×106、30.1×106和28.4×106m3,對(duì)應(yīng)的堆積扇的面積卻大不相同,特別是古鄉(xiāng)溝堆積扇面積達(dá)4.84 km2.

圖6古鄉(xiāng)溝泥石流堆積扇和天磨溝泥石流堆積扇對(duì)比圖

Fig.6DebrisflowstackedFancomparisonchartinGuxiangandTianmovalley

表1中波密縣城至古鄉(xiāng)段發(fā)育較多面積大的泥石流堆積扇,而古鄉(xiāng)至索通村段基本上沒(méi)有發(fā)育面積的泥石流堆積扇,主要是由于帕隆藏布流經(jīng)波密縣城時(shí)河谷寬度突然變寬,有足夠的可容納空間給泥石流堆積扇形成,并且河流的能量相對(duì)減小,對(duì)泥石流堆積扇扇緣的破壞能力降低,使得該段堆積扇形態(tài)發(fā)育完整;古鄉(xiāng)至索通村段,帕隆藏布河谷的寬度突然變小,形成泥石流堆積扇的可容納空間不足,并且河谷寬度的減小導(dǎo)致主河能量的增加,主河對(duì)泥石流堆積扇的破壞能力增強(qiáng),即使有足夠的泥石流堆積物補(bǔ)給,也很難形成規(guī)模大的泥石流堆積扇,所以表1中的古鄉(xiāng)至索通村段沒(méi)有面積大的泥石流堆積扇.

5 結(jié)論

1) 在研究區(qū)圈定36條泥石流堆積扇范圍,這些泥石流堆積扇在空間分布上存在一定的規(guī)律:以古鄉(xiāng)為界,古鄉(xiāng)以西沿著帕隆藏布至波密段泥石流堆積扇的面積比古鄉(xiāng)以東至索通村段泥石流堆積扇的面積明顯要大,且泥石流堆積扇在波密至古鄉(xiāng)段分布的更為密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆積扇比南岸更發(fā)育,堆積扇總面積明顯比南岸大,著名特大泥石流溝古鄉(xiāng)溝就在北岸發(fā)育.

2) 在帕隆藏布流域波密縣城至索通村段,泥石流溝道的流域面積和主溝縱坡降分別與泥石流堆積扇面積之間存在正、負(fù)指數(shù)關(guān)系,堆積扇面積總體上隨流域面積的增大而增大,而隨主溝縱坡降的增大而減小.但這種關(guān)系存在動(dòng)蕩,主要體現(xiàn)在溝道物源總量的多少.

3) 堆積區(qū)的可容納空間和主河能量對(duì)于泥石流堆積扇的發(fā)育具有抑制和破壞作用.在帕隆藏布流域古鄉(xiāng)至索通村段,堆積區(qū)可容納空間的減小和主河能量的增強(qiáng),對(duì)泥石流堆積扇具有限制和破壞作用,很難形成完整的大面積泥石流堆積扇.相反,在波密縣城至古鄉(xiāng)段容易形成完整且面積較大的泥石流堆積扇.

致謝研究所“藏東南重要城鎮(zhèn)和交通干線(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查”項(xiàng)目組全體成員:劉健康、李元靈、高波、楊棟、楊東旭等提供論文資料,項(xiàng)目組司機(jī)何均堰、李明斌、楊昌明在野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查時(shí)的幫助,成都理工大學(xué)顏照坤、閆亮老師對(duì)本文的指導(dǎo),謹(jǐn)致謝意.

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