青海某溝谷“8·21”泥石流發(fā)育特征及危險性評價

常文娟，任光明, 李 暢，劉 騰

(1.陜西秋海汲清石油科技有限公司，陜西 西安 710000；2.地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室(成都理工大學)，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流是指由于降雨(暴雨、冰川、積雪融化水)在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種挾帶大量泥砂、石塊或巨礫等固體物質(zhì)的特殊洪流[1]，其特征是形成、運動機理復雜、影響因素眾多、暴發(fā)突然、歷時短、危害性大；其危險性是潛在泥石流發(fā)生的可能性大小[2]，對泥石流危險性評價是泥石流災情評估、監(jiān)測預警和減災防災工作中的重要內(nèi)容和決策基礎(chǔ)，現(xiàn)已經(jīng)成為國內(nèi)外泥石流研究的熱點問題之一[3]。自1976年美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局的VARNES D J開始進行泥石流危險性研究以來[4]，泥石流危險性評價工作不斷深入，并取得了豐碩的研究成果[5-12]，灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學、可拓理論、層次分析等多種方法被應用于泥石流的危險性評價。近年來，通過數(shù)值模擬、GIS技術(shù)等方式開展泥石流危險性評價也大大提高了泥石流危險性評價的精度與可靠性，更加促進了該研究領(lǐng)域的發(fā)展。

位于青海的某溝谷屬黃河右岸的一大型沖溝，溝口扇形地明顯。早期泥石流堆積扇發(fā)育深切沖溝，沖溝側(cè)壁上揭露多期泥石流的堆積特征，揭示了該溝谷在歷史上曾多次暴發(fā)規(guī)模較大的泥石流。最新一次發(fā)生于2016年8月21日凌晨，沖毀了溝谷中礦產(chǎn)開采的部分設(shè)備，直接威脅流域內(nèi)廠礦駐地、溝口的鄉(xiāng)村公路與居民的安全。由于該流域內(nèi)植被稀少、巖體風化卸荷強烈、人類工程活動頻繁、物源豐富，在強降雨的作用下具有再次暴發(fā)泥石流災害的可能。因此，分析本次泥石流的發(fā)育特征、評價其危險性對該區(qū)域泥石流的預警預報、防治等具有重要的指導意義。

1 泥石流的形成條件

1.1 基本地質(zhì)條件

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖與泥石流活動分區(qū)圖Fig.1 Geological sketch and debris flow activity zoning map of the research area

1.2 泥石流的形成條件

1.2.1地形條件

該溝谷為深切侵蝕高山地貌，地勢北東高、南西低，溝源最高處山脊高程4 075 m，堆積扇前緣高程2 667 m，相對高差1 408 m，流域面積7.78 km2；主溝溝長8.27 km，總體走向為NE65°～75°，溝谷縱比降162‰，流域完整性系數(shù)為0.114，形狀呈長條形，屬于易發(fā)型泥石流溝谷[13](圖1)。

在泥石流的形成區(qū)，溝谷長度2 655 m，相對高差768 m，平均溝谷縱比降為289.3‰，溝谷形態(tài)呈“V”字型，溝底寬度約5～25 m，溝谷兩岸坡度較陡，約30°～75°，主要為基巖出露區(qū)，植被覆蓋率較低，有利于地表水的匯集。較大的高差與溝谷縱比降為溝道徑流提供了有利的勢能，為泥石流的啟動奠定了較好的地形條件。

1.2.2降雨條件

研究區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候。區(qū)內(nèi)多年降雨資料統(tǒng)計表明，多年平均降水量為247.85 mm，一般為59.4～337.6 mm。但降雨量分布不均勻，降雨多集中在5～9月，尤其是6～9月降水量最多，這4個月多年平均降雨量均在101.3～166 mm，10 min最大降雨量達36 mm。對泥石流發(fā)生前的降雨資料的統(tǒng)計，“8·21”泥石流發(fā)生前累積降雨量69.9 mm(圖2)，根據(jù)前期有效降雨量計算公式(式1)獲得“8·21”泥石流發(fā)生的前期有效降雨為34.28 mm，其中8月20日的降雨20.6 mm，降雨歷時7小時。本次泥石流的產(chǎn)生是在長時間的前期降雨與短歷時的強降雨的共同作用下而誘發(fā)的，具有慢速激發(fā)的特征[14]。

(1)

式中：Pa——前期有效降雨量，mm；

Pi——泥石流發(fā)生前1～n天中各日降雨量，mm；

K——衰減系數(shù)，取值范圍為0.78～0.85。

通過類比分析、以及相關(guān)的計算檢驗，取0.84時計算效果較好[15]。一般而言，一次降雨量逐日衰減，一般經(jīng)歷20天左右基本耗盡，故n取20[16]。

圖2 2016年8月降雨統(tǒng)計Fig.2 August 2016 rainfall statistics

1.2.3物源條件

松散固體物源量的大小決定著泥石流規(guī)模、流體性質(zhì)、破壞強度等，是泥石流暴發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)[17]?，F(xiàn)場調(diào)查、統(tǒng)計表明，流域內(nèi)松散固體物源有：溝谷兩岸不同規(guī)模的崩滑堆積物、溝床堆積物以及坡面侵蝕物源及少量人工開挖棄渣(圖3)，這些物源多集中于溝道干、支溝溝床及兩側(cè)斜坡地帶，統(tǒng)計的各類主要物源見表1。顯然，流域內(nèi)松散物源豐富，易在強降雨作用下形成泥石流。

表1 流域內(nèi)主要物源特征Table 1 Provenance characteristics in the basin

1.2.4泥石流形成機制分析

現(xiàn)場的調(diào)查分析表明，“8·21”泥石流的形成為長時間的前期降雨與短歷時的強降雨造成。如前所述，該流域內(nèi)松散固體物源豐富，溝床比降大，前期累積降雨69.9 mm，前期有效降雨34.28 mm，其中8月20日的降雨量為20.6 mm，降雨歷時7小時，于8月21日凌晨形成泥石流。

長時間的前期降雨使松散堆積體內(nèi)含水量逐漸增加、強度降低，在短歷時強降雨到來之前，溝道與坡面物源含水量已達到最大甚至飽和，此時松散土體的入滲率已經(jīng)降至最低值或達到飽和，強度值亦降低至最低值或臨界值。在短時間的強降雨開始后迅速形成坡面徑流，同時攜帶已被軟化、飽和的松散土體向溝道匯集，增加了溝道徑流的物源量。尤其在后緣右側(cè)支溝溝底高程約3 600 m附近、溝谷右岸發(fā)育一規(guī)模較大的滑坡(圖3(a))，其部分堆積體直接堆積于溝道內(nèi)。暴雨作用下，降雨使坡面滑坡體飽水、軟化，滑坡前緣部分堆積體發(fā)生失穩(wěn)并堆積在溝道內(nèi)形成滑坡堰塞體，溝道上游地表水及攜帶的固體徑流逐漸淤積于溝道內(nèi)，形成堰塞湖。隨著地表水的不斷匯集，堰塞湖的水位不斷抬升，在湖水壓力以及堰塞體底部堆積物飽水、軟化等共同作用，最終導致堰塞體潰決。由于潰決后的放大效應，溝道徑流流量陡增，從而繼續(xù)侵蝕、沖刷下游溝道，溝道內(nèi)及溝道兩側(cè)的堆積物被掀起、揭底，溝道徑流的流量與流速在此過程中也不斷地增加；不斷掏蝕、搬運溝道兩側(cè)的崩滑物源，溝道徑流的含沙量超過攜帶水流的含沙量，從而形成泥石流。另外，在流通區(qū)的中部高程約3 070 m一帶，由于溝床地形變窄、流水對溝道松散堆積物的沖刷以及人類工程活動產(chǎn)生的松散土石也導致部分溝道堵塞，泥石流在該處產(chǎn)生短暫的淤積、形成小規(guī)模堰塞體潰決后，再次產(chǎn)生放大效應，泥石流的流速與流量進一步增大，從而在短時間內(nèi)產(chǎn)生了此次“8·21”泥石流。因而，該次泥石流屬于堵潰特征的降雨啟動型溝谷稀性泥石流。

2 泥石流特征的計算

2.1 泥石流的容重

泥石流性質(zhì)主要由松散碎屑物質(zhì)中黏粒決定[18]。為確定該溝谷流域泥石流的性質(zhì)，結(jié)合“8·21”泥石流顆粒分布特點(圖4)，采用式(2)計算本次泥石流的容重[19]，計算結(jié)果見表2。

(2)

式中：γc——泥石流容重(t/m3)；

P05——小于0.05 mm的細顆粒的百分含量(小數(shù)表示)；

P2——大于2 mm的粗顆粒的百分含量(小數(shù)表示)；

γv——黏性泥石流的最小容重，取2.0 t/m3；

γx——泥石流的最小容重，取1.4 t/m3。

通過式(2)計算“8·21”泥石流容重為1.635 t/m3，參照相關(guān)泥石流的分類規(guī)范[1]，屬稀性泥石流。

表2 泥石流容重計算Table 2 Calculation of debris flow density

2.2 泥石流流速

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查本次泥石流洪痕斷面特征，選用鐵一院建立的西北地區(qū)泥石流流速計算公式(3)～(4)對“8·21”泥石流流速進行計算[1]，結(jié)果見表3。

(3)

(4)

式(3)～(4)中：Vc——泥石流流速,m/s；

γH——泥石流中固體顆粒容重,t/m3，通過室內(nèi)試驗確定該值為2.548 t/m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

HC——水力半徑,m；

IC——泥石流水力坡度；

a——阻力系數(shù)；

φ——泥沙修正數(shù)。

從表3可見，“8·21”泥石流的流速為3.79 m/s。

表3 泥石流流速計算Table 3 Calculation of debris flow velocity

2.3 泥石流流量

泥石流流量采用雨洪法與泥痕斷面法進行評價。雨洪法計算的溝谷泥石流流量，一方面可以表示溝谷不同降雨頻率下泥石流的峰值流量；二是根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查泥石流的洪痕特征，可以對不同洪痕泥石流發(fā)生的暴雨頻率進行對比分析。

(1)雨洪法：采用雨洪法計算泥石流峰值流量，首先需要通過暴雨頻率推求設(shè)計洪峰流量，并結(jié)合泥石流特征計算泥石流流量[18]。

洪峰設(shè)計流量計算公式如下：

(5)

泥石流峰值流量計算公式如下：

Qc=QB(1+φ)DC

(6)

式中：QB——設(shè)計洪水流量(m3/s)；

SP——暴雨雨力(mm/h)；

τ——匯流時間(h)；

n——暴雨公式指數(shù)；

F——流域面積(km2)；

Qc——泥石流斷面峰值流量(m3/s)；

φ——泥石流修正系數(shù)；

DC——溝道堵塞系數(shù)。

采用上式、溝道堵塞系數(shù)DC取1.8，計算不同降雨頻率下泥石流峰值流量結(jié)果見表4。

表4 不同頻率下泥石流流量特征Table 4 Characteristics of debris flow discharge at different frequencies

(2)洪痕法：采用形態(tài)調(diào)查法進行泥石流流量計算，計算公式為：

Qc=WC·VC

(7)

式中：Qc——泥石流斷面峰值流量,(m3/s)；

Wc——泥石流過流斷面面積,(m2)，采用調(diào)查測繪獲取的溝道形態(tài)參數(shù)；

Vc——泥石流斷面平均流速,(m/s)，計算結(jié)果見表5。

表5 “8·21”泥石流流量計算Table 5 Calculation of “8·21” debris flow discharge

2.4 一次泥石流總量及固體物質(zhì)沖出量

根據(jù)現(xiàn)場泥石流洪痕實測參數(shù)，由下式計算一次泥石流總量及一次固體物質(zhì)沖出量：

Q=19TQc/72

(8)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(9)

式中：Q——泥石流一次過流總量,m3；

T——泥石流歷時,s；

Qc——泥石流斷面峰值流量,m3/s；

QH——一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量,m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

γH——泥石流中固體顆粒容重,t/m3；

γw——水的重度(t/m3)，取1.0t/m3。

按式(8)～(9)對“8·21”泥石流的沖出量計算結(jié)果也列于表5中。

對比表4、表5可見，新近暴發(fā)的“8·21”泥石流暴發(fā)頻率低于P=10%，一次泥石流堆積總量為3.89×104m3，屬于中型泥石流。

3 泥石流危險性評價

3.1 評價因子選取

特定的流域形態(tài)、豐富的松散固體物源以及集中的水源驅(qū)動是泥石流發(fā)生的三個必要條件，而這些條件均受控于地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件與人類工程活動等因素及其組合狀態(tài)。因此，泥石流危險性評價因子的選擇必須遵循以下四個原則[20]：①所選取的因子必須具有代表性與明確的物理意義；②各個因子間盡量要相對獨立；③因子容易獲取并易于量化；④因子數(shù)量適中。

劉希林所提出的單溝泥石流危險性評價方法是應用較為廣泛的一種方法，但該方法中未考慮泥石流產(chǎn)生中的降雨條件。因此，依據(jù)上述原則同時參考劉希林單溝泥石流危險性評價因子[21]，并針對該方法中的不足，補充24小時最大降雨量作為泥石流危險性評價的一項重要評價因子，初步選取以下8項作為泥石流危險性評價因子，即：泥石流規(guī)模X1(×103m3)、發(fā)生頻率X2(次/百年)、流域面積X3(km2)、主溝長度X4(km)、流域相對高差X5(km)、流域切割密度X6(條/km)、不穩(wěn)定溝床比例X7(%)、24小時最大降雨量X8(mm)。

3.2 泥石流危險性評價

由于地質(zhì)災害往往是多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素錯綜復雜，危險性評價時所選取的各影響因素的客觀數(shù)據(jù)常有不確定性。因此，可將地質(zhì)災害系統(tǒng)看成是一個具有某種混亂程度的非線性的開放系統(tǒng)，借助熵理論就可以表達系統(tǒng)因子的效用價值，從原始數(shù)據(jù)本身出發(fā)計算得到各影響因素的權(quán)重[22]，計算過程如下：

(1)計算熵權(quán)前為了消除各因子間單位量綱不同，需要先進行無量綱化處理：

(10)

式中：rij——無量綱化處理后的數(shù)據(jù)；

min(j)——j項因子中最小值；

max(j)——j項因子中的最大值；

xij——原始數(shù)據(jù)。

(2)熵值的建立：根據(jù)下式建立信息熵：

(11)

(12)

式中：Ej——第j項因子熵值；

Pij——第j項指標下第i個樣本中該指標值的比重，rij=0時，PijlnPij=0；

m——樣本的個數(shù)；

n——因子的個數(shù)。

(3)評價指標權(quán)重計算：信息熵計算權(quán)重是利用該指標的信息效用值來評價其對泥石流災害形成的重要性，其值越大，表明該指標越活躍，越容易觸發(fā)泥石流災害。第j項評價指標權(quán)重W(j)計算公式如下，計算結(jié)果見表6。

(13)

表6 各評價因子權(quán)重值Table 6 Weight values of each evaluation factor

(4)溝谷泥石流的危險性評價：計算出各項指標的權(quán)重后，按下式計算每個樣本的危險性值F(i)，其值越大，表明發(fā)生泥石流的可能性越大。

(14)

利用式(14)計算的“8·21”泥石流的危險性值為0.57，按泥石流危險性分級標準(表7)可知，該溝谷泥石流為中度危險。若不考慮降雨對泥石流的影響，采用劉希林單溝泥石流危險性評價方法對本次泥石流進行危險性評價，得到的泥石流危險性值為0.429，屬于中度危險性泥石流。雖然通過兩種方法均得到了相同的結(jié)果，但從泥石流危險性值來說，采用熵權(quán)法并考慮降雨的影響所得到的值高于采用單溝泥石流危險性評價所得到的值，由此也表明考慮降雨的影響能更合理地揭示泥石流的危險性。

表7 泥石流危險性分級Table 7 Risk classification of debris flow

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)綜合研究，得到如下結(jié)論與認識：

(1)流域內(nèi)松散固體物源豐富，主要為崩滑物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源，總的物源量約4.181 5×106m3，其中可參加泥石流的不穩(wěn)定物源量約6.875×105m3，占總儲量的16.44%。

(2) “8·21”泥石流為長時間的前期降雨與短歷時的強降雨造成，其中前期累積降雨69.9 mm，前期有效降雨34.28 mm，其中8月20日的降雨量為20.6 mm激發(fā)了該次泥石流。

(3) “8·21”泥石流為一具有堵潰特征的降雨啟動型溝谷稀性泥石流，其容重為1.635 t/m3，流速為3.79 m/s，一次泥石流堆積總量為3.89×104m3，屬于中型泥石流。該次泥石流暴發(fā)頻率與P=10%接近。

(4)利用熵權(quán)法、并考慮最大降雨量因子對“8·21”泥石流危險性評價結(jié)果表明，該次泥石流危險性為中度危險。通過與劉希林單溝泥石流危險性評價結(jié)果進行對比表明考慮降雨量這一指標能夠較合理地揭示該溝谷泥石流的危險性。