基于堆積物石塊磨圓度的泥石流暴發(fā)頻率判識

高云建, 陳寧生, 田樹峰, 胡桂勝

(1.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 成都 610041; 2.中國科學院大學, 北京 100049)

泥石流暴發(fā)頻率是泥石流性質判識的重要內(nèi)容，而確定泥石流暴發(fā)頻率是目前研究的難點問題。高頻泥石流暴發(fā)頻率一般為1～5 a一遇，中頻泥石流暴發(fā)頻率一般為5～20 a一遇，低頻泥石流暴發(fā)頻率一般為20～100 a一遇[1]。高頻泥石流由于暴發(fā)周期短、規(guī)模相對較小，易于監(jiān)測和防范。中、低頻泥石流由于暴發(fā)周期長、潛伏性高，不利于長期監(jiān)測和準確定位，容易被忽視[2]。因此，豐富泥石流暴發(fā)頻率的判識手段，對泥石流的防災減災具有十分重要的作用。目前，國內(nèi)外學者研究與泥石流暴發(fā)頻率判識的方法主要有：基于粗大塊石粒徑[3]、巖性[4]、巖體堅固系數(shù)特性的判識方法；基于水文計算判識的方法等。如魯科等[5]通過收集地質圖與現(xiàn)場調(diào)查，得到川西地區(qū)17條泥石流溝的巖性數(shù)據(jù)，通過分析統(tǒng)計，得出：高頻、中頻、低頻泥石流區(qū)泥石流堆積區(qū)的巖性堅硬程度系數(shù)分別為F≤7，710。張嬌[6]通過對比泥石流流域堅固系數(shù)與泥石流物源形成情況及暴發(fā)頻率得出：泥石流流域內(nèi)巖體堅固系數(shù)<8為軟巖地區(qū)，物源量較大，形成中高頻泥石流；泥石流流域內(nèi)巖體堅固系數(shù)≥8為硬巖地區(qū)，物源量較小，形成低頻泥石流。規(guī)范則基于泥石流與暴雨同頻率的假設暴雨，基于水文計算，確定泥石流的頻率。

基于巖性堅硬程度判識泥石流暴發(fā)頻率的方法是一個十分間接的方法，而且運用性較差。如汶川地震引發(fā)的諸多硬巖區(qū)發(fā)生大規(guī)模泥石流，而軟巖區(qū)則較少。基于降水頻率確定泥石流頻率的方法，需要準確的降水數(shù)據(jù)支持，并且多數(shù)泥石流流域泥石流暴發(fā)頻率與降水頻率不相符，因為泥石流極大地受土源的控制。基于目前泥石流暴發(fā)頻率判識的局限性，本文通過野外調(diào)查西南山區(qū)34條不同頻率的泥石流樣本溝，探討泥石流堆積物石塊磨圓度與暴發(fā)頻率的關系特征。采用Powers[7]提出的石塊磨圓度確定方法，獲取泥石流溝堆積物石塊磨圓度數(shù)據(jù)。根據(jù)泥石流的暴發(fā)歷史，確定流域泥石流暴發(fā)頻率。通過統(tǒng)計分析，得到泥石流堆積物石塊磨圓度與暴發(fā)頻率的關系。最后應用到典型泥石流溝的泥石流堆積物石塊磨圓度和暴發(fā)頻率特性的判識，力圖為泥石流暴發(fā)頻率的確定提供一種新的方法。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)34條泥石流溝分別位于西南地區(qū)的四川省(31條)、云南省(3條)。西南地區(qū)是我國泥石流災害的高發(fā)區(qū)，泥石流溝個數(shù)和暴發(fā)次數(shù)分別占全國的36.99%和31.06%[1]。西南山區(qū)泥石流分布最廣的2個省是四川省和云南省。四川省31條泥石流溝分布于龍門山區(qū)、安寧河流域、雅礱江流域、大渡河下游峽谷區(qū)、川西高原。云南省3條泥石流溝分布于滇東北高原區(qū)、滇西北峽谷區(qū)。研究區(qū)受東南季風、西南季風影響，氣候以亞熱帶氣候為主，降水豐富。受喜馬拉雅地震帶的影響，地震活動強烈，斷層分布廣泛。研究區(qū)34條泥石流溝堆積物石塊磨圓度數(shù)據(jù)的調(diào)查主要在溝道下游的泥石流堆積區(qū)。調(diào)查石塊主要分布于在常年流水作用下的溝床及兩側。各泥石流流域的地理特性如表1所示。

表1 研究區(qū)泥石流流域地理特性

2 研究方法

本文主要采用Powers[7]提出的確定方法，確定石塊磨圓度值。根據(jù)泥石流暴發(fā)歷史的調(diào)查，確定泥石流暴發(fā)頻率。通過磨圓度和暴發(fā)頻率的關系分析，確定二者的關聯(lián)性，并采用水力學的基本方法，分析二者存在關聯(lián)性的原因。

2.1 堆積物石塊磨圓度確定

2.1.1 數(shù)據(jù)調(diào)查 研究區(qū)泥石流流域堆積物石塊磨圓度測量的石塊粒徑d≥20 mm，包括粗礫(20 mm≤d≤60 mm)、卵石(60 mm≤d≤200 mm)、漂石(d≥200 mm)[8-9]。泥石流堆積區(qū)測量樣本數(shù)50～100個。采用隨機測量方式，石塊測量的間距為1 m，粒徑d≤20 mm的不測量。測量的要素包括石塊大小、巖性和磨圓度。將泥石流堆積物石塊磨圓度的平均值作為該泥石流溝的磨圓度值，磨圓度分為極棱角、棱角、次棱角、次磨圓、磨圓和極磨圓，見表2。

2.1.2 石塊磨圓度確定 采用Powers[7]提出的確定方法，定量確定泥石流堆積物石塊磨圓度值。首先將不同磨圓的顆粒分為兩組，每組進一步分為6種不同圓度的顆粒。第一組為高球性的磨圓度分級，第二組為低球性的磨圓度分級。根據(jù)野外實地考察，對照模型照片確定石塊的磨圓度等級。石塊磨圓度分級和取值分別為極棱角(0.14)、棱角(0.21)、次棱角(0.3)、次磨圓(0.41)、磨圓(0.59)、極磨圓(0.84)。某一條泥石流溝堆積物石塊磨圓度等級的確定，是由堆積物石塊磨圓度數(shù)值的平均值決定，即石塊磨圓度值的總和除以石塊個數(shù)。石塊磨圓度數(shù)值確定見表2[7]：

表2 磨圓度數(shù)值定量確定方法

2.2 泥石流暴發(fā)頻率確定

現(xiàn)場調(diào)訪泥石流的暴發(fā)歷史，確定泥石流暴發(fā)頻率。當歷史上暴發(fā)多次泥石流時，以泥石流暴發(fā)次數(shù)的平均值作為泥石流暴發(fā)頻率。當歷史上僅暴發(fā)過1次泥石流時，以該次泥石流距今的時間間隔作為泥石流暴發(fā)頻率。通過野外調(diào)查泥石流的暴發(fā)歷史，將泥石流分為山洪、低頻、中頻、高頻。低頻泥石流暴發(fā)頻率為20～100 a，中頻泥石流暴發(fā)頻率為5～20 a，高頻泥石流的暴發(fā)頻率為1～5 a[1]。

3 結果與分析

3.1 堆積物石塊磨圓度與泥石流暴發(fā)頻率關系分析

通過34條泥石流溝的野外調(diào)查確定堆積物石塊磨圓度值(表3)。34條泥石流溝，山洪泥石流4條，低頻泥石流16條，中頻泥石流8條，高頻泥石流6條。根據(jù)泥石流暴發(fā)頻率與堆積物石塊磨圓度的關系分析，得出以下結果：(1) 隨著泥石流暴發(fā)頻率的遞增，泥石流堆積物石塊磨圓度數(shù)值(y)總體呈下降趨勢，即以山洪泥石流→低頻泥石流→中頻泥石流→高頻泥石流的次序對應石塊磨圓度值的降低；(2) 山洪泥石流堆積物石塊磨圓度值介于0.41～0.59；(3) 低頻泥石流堆積物石塊磨圓度值基本介于0.3～0.41；(4) 中、高頻泥石流堆積物石塊磨圓度值基本介于0.21～0.3(圖1)。

表3 堆積物石塊磨圓度與泥石流暴發(fā)頻率數(shù)據(jù)統(tǒng)計

通過線性擬合，擬合出泥石流暴發(fā)頻率與堆積物石塊磨圓度值的統(tǒng)計關系式，如公式(1)所示。

y=-0.116x+0.735 (R2=0.8)

(1)

式中：y為磨圓度值；x為泥石流暴發(fā)頻率，x=1，2，3，4，分別表示山洪泥石流、低頻泥石流、中頻泥石流、高頻泥石流；R2為誤差系數(shù)，介于0～1，R2越接近1，表明可行度越高。

圖1泥石流暴發(fā)頻率與堆積物石塊磨圓度值關系

3.2 成因分析

石塊磨圓度的磨蝕程度主要受搬運過程、粒徑大小、巖性等因素的控制[10]，但是流水作用在其中充當關鍵角色。在流水作用下，泥石流溝石塊相互碰撞而產(chǎn)生磨蝕作用。泥石流堆積物通常磨圓度差，大多為棱角和次棱角狀的顆粒[1]，其原因主要是由于泥石流流體中含有大量黏土成分，泥石流流體在快速運移的過程中，石塊相互之間接觸較少，因此磨圓度較低。山洪泥石流由于泥石流暴發(fā)規(guī)模較小、洪水強度大、流水作用強，因此堆積物石塊磨圓度大。低頻泥石流暴發(fā)周期長，低磨圓度的泥石流堆積物較少，同時原有堆積物在長期流水作用影響下，因此石塊磨圓度較高。中、高頻泥石流暴發(fā)周期短，低磨圓度的泥石流堆積物較多，而短期的流水作用很難使石塊的磨蝕程度得到快速提升，因此磨圓度較低。因此，泥石流堆積物石塊磨圓度與泥石流暴發(fā)頻率存在正比關系。

本文研究結果中存在某些異常值，如低頻泥石流具有低磨圓度值(以黑沙河溝為例)、中、高頻泥石流具有高磨圓度值(以白鶴灘溝為例)。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，黑沙河溝溝道中流水較少，溝道流水作用弱，同時河床較寬闊，河道經(jīng)常改道(圖2)，因此磨圓度較低。白鶴灘溝流域面積較大，為43.03 km2，支溝較多，溝道流水作用強(圖3)，因此磨圓度較高。

3.3 應用案例分析

本文以典型泥石流溝娃娃溝為例，基于研究結果進行應用案例分析。娃娃溝位于四川省雅安市漢源縣順河鄉(xiāng)，流域面積23.6 km2，主溝長11.372 km，流域主溝平均縱比降為203‰，相對高差達2 421 m。采用Powers磨圓度確定方法，對流域下游泥石流堆積物石塊進行磨圓度測量。娃娃溝有效石塊測量個數(shù)59個，磨圓度平均值為0.299。根據(jù)磨圓度的定量確定方法(表2)，娃娃溝的磨圓度值為0.3，磨圓度等級為次棱角(表4)。通過野外調(diào)仿，娃娃溝分別在1996年6月和2016年6月暴發(fā)規(guī)模較大的泥石流，另外近20年間還暴發(fā)過數(shù)次小規(guī)模泥石流，因此將娃娃溝泥石流暴發(fā)頻率確定為高頻(1～5 a一遇)。

圖2黑沙河溝道下游流水作用

圖3白鶴灘溝道下游流水作用

根據(jù)擬合關系式(1)，娃娃溝為高頻泥石流，因此x=4，將x=4代入公式(1)，計算得到娃娃溝磨圓度值為0.271，如表2所示，此值介于0.25～0.35，因此磨圓度最終取值為0.3，磨圓度等級為次棱角。娃娃溝磨圓度計算結果符合現(xiàn)場調(diào)查結果，研究結果及擬合關系式比較合理。

表4 娃娃溝泥石流堆積物石塊磨圓度測量

4 結 論

本文通過野外調(diào)查34條不同暴發(fā)頻率的泥石流溝，采用Powers磨圓度確定方法，確定每條泥石流溝的磨圓度等級。同時根據(jù)每條泥石流的暴發(fā)歷史，確定泥石流暴發(fā)頻率。通過研究發(fā)現(xiàn)：隨著泥石流暴發(fā)頻率的遞增，泥石流堆積物石塊磨圓度數(shù)值(y)總體呈下降趨勢，即泥石流暴發(fā)頻率與堆積物石塊磨圓度呈正比關系。其中：山洪泥石流堆積物石塊磨圓度值介于0.41～0.59，磨圓度以次圓、磨圓為主；低頻泥石流堆積物石塊磨圓度值基本介于0.3～0.41，磨圓度以次圓為主；中、高頻泥石流堆積物石塊磨圓度值基本介于0.21～0.3，磨圓度以棱角、次棱角為主?；谘芯拷Y果，擬合了泥石流暴發(fā)頻率與堆積物石塊磨圓度的統(tǒng)計關系式，并應用典型泥石流進行案例分析，其分析結果與現(xiàn)場調(diào)查一致。

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