2016年帕隆藏布流域群發(fā)性泥石流的活動特征及成因分析

李元靈, 王軍朝, 陳 龍, 劉建康, 楊東旭, 張佳佳

(1.中國地質科學院 探礦工藝研究所, 成都 611734; 2.中國地質調查局 地質災害防治技術中心, 成都 611734)

帕隆藏布流域位于西藏東南部，是我國海洋性冰川的主要分布地區(qū)[1]。由于該區(qū)域地質構造復雜、新構造運動活躍、山高谷深、降水充沛及現(xiàn)代冰川活躍，導致流域內發(fā)生的冰川泥石流數(shù)量多、規(guī)模大、分布集中、暴發(fā)頻率高、危害大[2]。近幾十年來，帕隆藏布流域內頻頻暴發(fā)的泥石流災害嚴重影響著當?shù)鼐用竦纳?，并阻礙G318的正常通行。國內學者亦對該區(qū)域的泥石流分外關注，開展了大量的研究工作，分析該區(qū)域泥石流形成的氣象背景、地貌條件、泥石流啟動特征等。20世紀50年代為修建川藏公路，以齊樹春為代表的工程技術人員和西藏自治區(qū)交通廳科學研究所的專家對帕隆藏布流域的冰川泥石流進行了探索研究，積累了大量基礎資料，對冰川泥石流也形成了初步認識；60,70年代，以中科院蘭州冰川凍土研究所的施雅風[3]、杜榕桓[4]等為主的研究人員進行了半定位觀測研究，并對區(qū)內的冰川泥石流進行了廣泛的考察研究，提出了著名的古鄉(xiāng)冰川泥石流流速計算公式；70年代中期—90年代，中科院成都山地災害與環(huán)境研究所和蘭州冰川凍土研究所等對區(qū)內泥石流進行了較為全面的考察、勘測和研究，較為透徹地分析了冰川泥石流的形成機制及發(fā)展趨勢，提出了川藏公路西藏境內沿線的泥石流流速計算公式[5]；2000年以來，成都山地災害與環(huán)境研究所在區(qū)內持續(xù)開展觀測及研究工作，得到了不少研究成果[6]。

區(qū)內泥石流一直較為活躍，尤其在目前全球變暖的氣候條件下，區(qū)內冰川強烈消融，釋放出大量松散冰磧物及冰雪融水，為泥石流活動提供了良好的條件。近年來，區(qū)內泥石流時有發(fā)生。2016年9月5日，帕隆藏布流域古鄉(xiāng)段相鄰幾條泥石流溝集中暴發(fā)，造成較為嚴重的財產(chǎn)損失，并阻礙了G318國道的正常通行。這幾條泥石流暴發(fā)時間及空間上均高度集中，分析此次群發(fā)性泥石流事件，利于掌握該區(qū)域泥石流災害的現(xiàn)狀，推測其發(fā)展趨勢，指導該區(qū)泥石流的監(jiān)測預警工作，為防災減災工作提供支撐，對川藏鐵路及高等級公路的修建有重要參考價值。

1 區(qū)域概況

帕隆藏布位于西藏自治區(qū)東南部，屬青藏高原強烈切割的邊緣山地，山高谷深，地形坡度大。地跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構造結，為一強烈擠壓、碰撞、旋扭走滑、急劇伸展隆升、地質構造極其復雜的造山帶。近3 Ma以來的地殼垂直隆升速率達3 mm/a[5]。帕隆藏布流域范圍內主要斷裂為嘉黎斷裂，沿帕隆藏布河谷展布，總體走向近東西向，呈向北凸出的弧形。該區(qū)域地震活動頻繁，20世紀40年代至今發(fā)生3級以上地震近200余次[7]。地層上歸屬于藏滇地層大區(qū)，巖漿巖、變質巖相對發(fā)育，未變質的沉積巖零星出露。高山區(qū)基巖裸露，巖性以花崗巖、片麻巖為主，坡麓為崩坡積物，河谷為沖洪積物。帕隆藏布流域海洋性冰川發(fā)育，由于朝向不同，兩岸溝谷地貌特征及冰川發(fā)育特征存在明顯差異。流域北岸為陽坡，溝谷內冰川因接受更多日照而更易消融，溝谷上游多發(fā)育有冰斗和冰蝕圍谷，圍谷內堆積有大量冰磧物，溝谷下游溝道狹窄，岸坡陡立；南岸為陰坡，日照相較于北岸要少，因而消融量少，冰川運動更為強烈，因而南岸溝谷多為冰川U型谷。區(qū)內降雨充沛，主要受益于來自印度洋的暖濕氣流。波密縣城年均降雨多在800～1 000 mm。在通麥、東久一帶，由于逆江而上的印度洋氣流受高山阻截，形成多雨、暴雨區(qū)，年降水量可達1 127 mm。基于帕隆藏布流域上述地貌、地質、氣象水文等特征，該區(qū)域泥石流形成條件好，暴發(fā)頻次高、規(guī)模大[8]。

2 泥石流活動特征

2016年9月5日，位于帕隆藏布流域古鄉(xiāng)段的比通溝、赤擔隆巴、角隆溝同時暴發(fā)泥石流，其中比通溝泥石流致使電塔架設施工工棚損毀、G318短時中斷，赤擔隆巴泥石流致使當?shù)鼐用癜l(fā)電設施被毀，道路被淤埋，造成一定經(jīng)濟損失。本次暴發(fā)泥石流的地理位置如圖1所示。由于比通溝、赤擔隆巴泥石流分別位于帕隆藏布南北兩岸，在地形地貌、物源特征等方面均具有各自的特性，也代表著帕隆藏布該段南北兩岸的泥石流的特征，且二者暴發(fā)規(guī)模較大、致災較重，以下論述比通溝與赤擔隆巴的泥石流活動特征及成因。

2.1 比通溝泥石流

2016年9月5日清晨6：30，比通溝泥石流暴發(fā)，部分泥石流沖出物躍上距溝底4.6 m的鋼橋，淤埋公路，阻礙了G318的通行(圖2)，并損毀了左岸的電力施工工棚，所幸未造成人員傷亡。在匯入主河前，泥石流強烈磨蝕新修筑的排導槽，在排導槽表面形成約5～10 cm深的凹槽，致使混凝土內鋼筋裸露出來，對排導槽的使用壽命造成不良影響。

圖1研究區(qū)位置

圖2比通溝泥石流躍上鋼橋淤埋公路

根據(jù)實地調查及試驗，測算得泥石流的容重為γc=1.8 t/m3，為粘性泥石流。選定出山口處穩(wěn)定溝道，根據(jù)粘性泥石流流速的通用計算公式(1)，計算該處泥石流流速Vc=8.77 m/s，按公式(2)計算峰值流量為447.27 m3/s，按公式(3)計算其本次過流總量為2.01萬m3。

(1)

Qc=Wc·Vc

(2)

Q=K·T·Qc

(3)

式中：Vc為泥石流流速；nc為粘性泥石流的溝床糙率；Hc為平均泥深；Ic為泥位縱坡率；Qc為峰值流量；Wc為過流斷面面積；Q為過流總量；T為泥石流歷時；K取0.037 8。

2.2 赤擔隆巴泥石流

同日中午11點，位于帕隆藏布南岸的赤擔隆巴暴發(fā)泥石流，損毀多個小型發(fā)電設施，摧毀轉經(jīng)房，淤埋道路(圖3)，致使當?shù)鼐用駸o法出行，對其生活造成嚴重影響。據(jù)實地調查，溝道內泥痕3 m，溝道沿途多處寬緩處可見大量巨石、塊石架空堆積，靠溝道內側塊石塊徑較大，往外側逐漸減小。由于主溝道方向在出山口處以近直角的角度由向北轉為向西，泥石流未沿原溝道沖出，而是翻過溝道，堆積于老扇之上，新堆積扇寬60余米。部分泥石流沖出物質直抵主河，運動過程中掏蝕河堤形成凹槽，由于主河水流速度較大，未在河岸出現(xiàn)大量堆積、擠壓主河的現(xiàn)象。

圖3赤擔隆巴泥石流淤埋公路

根據(jù)上文所述方法，計算得出山口處泥石流流速Vc=6.56 m/s，峰值流量為Qc=267.64 m3/s，過流總量約2.2萬m3。本次群發(fā)泥石流的基本信息如表1所示。

表1 泥石流基本特征

3 泥石流成因分析

3.1 地形地貌條件

地形地貌條件是泥石流形成的必要條件，控制著泥石流的啟動、搬運與堆積[9]。帕隆藏布流域地貌上屬深切割高山峽谷地貌，山勢險峻、河流深切，為泥石流的形成提供了良好的地形地貌條件。

比通溝流域形態(tài)呈漏斗狀(圖4)，利于地表徑流的匯流集中。流域面積23.7 km2，主溝長7.1 km。流域最高點高程為5 560 m，溝口與帕隆藏布交匯處高程為2 429 m，流域相對高差為3 131 m，巨大的流域高差為泥石流活動提供了良好的地勢條件。溝道平均縱比降321.7‰，物源區(qū)和流通區(qū)平均縱坡降約為464.4‰。溝域兩側地勢陡峭，平均坡度大于32°，溝道縱坡降較大，尤其是主溝上游段及各支溝縱坡降都在450‰以上，有利于降雨的匯集。比通溝物源區(qū)呈寬U型谷，利于物源的積累聚集。流通區(qū)溝道狹窄，呈V型谷，易形成堵潰，從而增加泥石流的峰值流量。根據(jù)實地調查，流通區(qū)下段約500 m長溝道內產(chǎn)生堵潰點5處，對比無人機航拍影像及遙感影像，推測溝道內堵潰點達數(shù)十處。這使泥石流在沖出的過程中，不斷地產(chǎn)生“堵潰循環(huán)”，從而使得泥石流物質逐級積累，規(guī)模增大。這也是本次比通溝暴發(fā)泥石流規(guī)模不大，龍頭卻足以躍上溝口鋼架橋的原因。

圖4比通溝泥石流流域全貌

赤擔隆巴流域形態(tài)近矩形(圖5)，流域面積27.5 km2，主溝長8 km，主溝道上下游坡度較為一致，平均縱比降233.9‰，為泥石流發(fā)育提供良好的地勢條件。溝源處發(fā)育有冰蝕圍谷，利于物源、水源的聚集。溝谷上下游均呈寬U型谷，溝道整體較為寬緩，泥石流暴發(fā)后多順溝下泄，不易產(chǎn)生堵潰。溝道兩岸山坡坡度較為一致，約30°。流域后緣較為平緩，溝道縱剖面呈直線。因而從地貌特征來看，赤擔隆巴流域發(fā)育程度較高，但仍具有形成泥石流的地形條件。

3.2 物源條件

該區(qū)域由于地質構造活動劇烈、冰川作用、寒凍風化及凍融風化作用強烈等原因，松散物質儲量豐富[8]。該區(qū)域泥石流物源包括冰磧物源、崩滑物源、溝道物源、坡面物源幾類。帕隆藏布流域海洋性冰川廣布，使得該區(qū)域內冰磧物分布廣、規(guī)模大，冰磧物厚度達數(shù)十米甚至數(shù)百米。而近代以來受全球氣候變暖的影響，現(xiàn)代冰川劇烈消融、退縮，冰川中的固體物質不斷地釋放出來，補充泥石流松散物源。并且，現(xiàn)代冰川前緣冰磧物結構松散、穩(wěn)定性差，尤在冰雪融水或大氣降水條件下易失穩(wěn)轉化為泥石流物質。因而，冰磧物源是該區(qū)域泥石流的主要物源。

圖5赤擔隆巴泥石流流域全貌

通過實地調查及遙感影像調查對本次群發(fā)性泥石流的物源進行調查，查明比通溝與赤擔隆巴泥石流物源類型及其總量和動儲量。調查發(fā)現(xiàn)，比通溝泥石流的物源以溝源處冰斗內巨厚松散的冰磧物源為主(表2)。冰磧物磨圓差、無分選、未膠結，經(jīng)溝道侵蝕形成高陡臨空面(圖6)，穩(wěn)定性差，易在降雨或冰雪融水作用下失穩(wěn)進入溝道，參與泥石流活動。溝道兩岸可見大量崩滑物源，雖規(guī)模不大，但由于流通區(qū)溝道狹窄，崩滑物源進入溝道后造成多處堵塞(圖8)，產(chǎn)生堵潰放大效應，對泥石流活動的影響較大。統(tǒng)計比通溝泥石流物源如表2所示。

赤擔隆巴泥石流松散冰磧物源占其物源總量的大部分(表2)。溝源處左岸現(xiàn)代冰川冰磧物前緣高陡，易失穩(wěn)進入溝道參與泥石流活動(圖7)。赤擔隆巴泥石流溝道寬緩，兩岸山坡坡度相對較緩，植被茂密，因而溝道兩岸的坡面物源及崩滑物源較少，少量溝道松散物質在泥石流的沖刷下參與泥石流活動(圖9)。

表2 泥石流物源統(tǒng)計 104m3

圖6比通溝溝源處冰磧物源

圖7赤擔隆巴溝源處冰磧物源

圖8比通溝泥石崩滑物源

圖9赤擔隆巴泥石流崩滑物源與溝道物源

3.3 水動力條件

分析泥石流的水動力條件，應選取泥石流溝口及溝源處氣象站所獲的氣象數(shù)據(jù)進行研究[10]。然而，研究區(qū)內區(qū)域氣象站較少，僅在帕隆藏布河谷有零星分布，當前無高山氣象觀測站[11]。比通溝溝口建有區(qū)域氣象站(站名：古鄉(xiāng)U4027)，但由于其未完整獲取泥石流暴發(fā)當天的氣象數(shù)據(jù)，因此選擇其附近的古鄉(xiāng)U4023區(qū)域氣象站所獲取的數(shù)據(jù)進行分析(氣象站位置如圖1內標注所示)。

本次群發(fā)性泥石流前期的日平均溫度及日降雨變化過程如圖10所示。泥石流暴發(fā)前，區(qū)內溫度持續(xù)下降，但接連出現(xiàn)強降雨，可見本次泥石流的主要誘發(fā)因素為強降雨。本次群發(fā)性泥石流暴發(fā)前發(fā)生一次降雨過程，尤其泥石流暴發(fā)前兩日研究區(qū)內出現(xiàn)強降雨，溝口氣象站收集到的累計降雨21.8 mm。研究區(qū)當前無高山氣象站，參照前人根據(jù)古鄉(xiāng)溝溝口觀測站(海拔2 530 m)與溝源高山站(海拔3 750 m)降雨量觀測數(shù)據(jù)建立的降雨隨高程變化規(guī)律[12]，對比此次暴發(fā)泥石流的主要形成區(qū)(海拔3 500～4 000 m一帶)與溝口高差，推測主要形成區(qū)前兩日累計降雨約50 mm左右。充沛的前期降雨使得溝內松散物質含水量增加，趨近飽和，穩(wěn)定性降低，為后續(xù)泥石流的暴發(fā)做好了水源與物源的準備。泥石流暴發(fā)當天，再次出現(xiàn)強降雨，溝口日降雨23.9 mm，推測形成區(qū)降雨達55 mm，短時強降雨使得溝內物源啟動，暴發(fā)泥石流。

圖10泥石流暴發(fā)前后日平均氣溫和日降雨

圖11泥石流暴發(fā)當日小時降雨

圖11為泥石流暴發(fā)當日小時降雨分布情況。9月5日6：30比通溝暴發(fā)泥石流，溝口氣象站收集到的小時降雨僅0.5 mm，但凌晨2點溝口的小時降雨為3.3 mm，為泥石流暴發(fā)前當日最大小時降雨量。如前文所述比通溝的地形條件及物源條件特征，其溝道存在多處堵潰點，因而認為凌晨2點時，溝源處的短時強降雨導致冰斗內的冰磧物源啟動，形成泥石流，但由于溝道狹窄，溝岸崩滑物源豐富，形成數(shù)十處堵點，泥石流運動過程中產(chǎn)生“堵潰循環(huán)”，泥石流物質逐級停滯累積，最終延遲至6：30泥石流龍頭沖出溝口。因此，本次比通溝泥石流的激發(fā)小時雨量溝口觀測值為3.3 mm，按照上文同樣方法，推測主要形成區(qū)小時雨量約為7.6 mm。

9月5日11：30赤擔隆巴暴發(fā)泥石流，溝口氣象站收集到11：00的小時雨量為3.6 mm，推測主要形成區(qū)小時雨量為8.3 mm，與上文分析的比通溝泥石流激發(fā)雨量相近，認為當日11：00的短時強降雨導致赤擔隆巴溝源處的冰磧物源啟動，形成泥石流。由于溝道寬緩順直，溝岸崩滑物源較少，未產(chǎn)生溝道堵塞，泥石流直接順溝下泄，堆積于老扇之上。泥石流沖出溝口的時間延遲較短。

4 結 論

(1) 北岸比通溝泥石流運動特征以堵潰為主。因堵潰放大效應而形成較高的峰值流量，一方面使其龍頭部分能夠從深切的溝道中翻出，淤埋公路及工棚，形成災害。南岸赤擔隆巴泥石流則直接順溝下泄，沖出出山口后淤埋發(fā)電設施及道路，形成災害。

(2) 本次暴發(fā)的泥石流均擁有的良好地形及物源條件。比通溝流域形態(tài)呈“漏斗”狀，利于水源、物源向溝道內聚集，同時也儲存了大量的松散冰磧物源。主溝縱比降大，為泥石流運動提供了良好的地勢條件。流通區(qū)溝道狹窄，崩滑物源發(fā)育，溝道內存在數(shù)十處堵點，使泥石流產(chǎn)生堵潰放大效應，增加泥石流峰值流量，提高其致災能力。赤擔隆巴溝源處發(fā)育有冰蝕圍谷，同樣儲存有大量松散冰磧物源。冰蝕圍谷坡度較陡，利于物源、水源聚集，啟動泥石流。主溝縱比降較大，溝道寬緩順直，溝岸崩滑物源較少，利于泥石流運動、下泄。

(3) 本次群發(fā)性泥石流的主要誘發(fā)因素為強降雨。泥石流暴發(fā)前兩日出現(xiàn)強降雨，使得溝內松散物質含水量增加，趨近飽和，穩(wěn)定性降低，為后續(xù)泥石流的暴發(fā)做好了水源與物源的準備。泥石流暴發(fā)當日再次出現(xiàn)強降雨，溝口氣象站收集到的累計降雨23.9 mm，推測溝源處降雨達55 mm，集中強降雨直接激發(fā)了泥石流。經(jīng)對暴發(fā)當日小時雨量進行分析，結合比通溝地形及物源特征，認為其由凌晨2：00的集中降雨啟動，但由于溝道堵塞嚴重，龍頭數(shù)小時后才到達溝口。赤擔隆巴則由11：00的集中降雨啟動，隨后順溝下泄，堆積于老扇之上。經(jīng)分析，溝口觀測的激發(fā)本次泥石流的小時雨量為3.3～3.6 mm，推測主要形成區(qū)激發(fā)泥石流的小時雨量約為7.6～8.3 mm。

致謝：特別感謝加拿大Laval大學方向博士給予本文的熱情指導。