西昌市瀘山地區(qū)典型火后泥石流特征與成因機制研究
——以響水溝左岸3#支溝為例

鐵永波， 徐如閣， 劉洪， 王家柱， 巴仁基，向安平， 楊劍， 歐陽淵， 張玙， 王宏

(中國地質調查局成都地質調查中心，成都 610081)

0 引言

2020年3月30日，四川省涼山州西昌市經(jīng)久鄉(xiāng)發(fā)生山火，火勢沿瀘山景區(qū)蔓延，由于山火影響區(qū)緊鄰西昌市城區(qū)，引起社會的廣泛關注。山火發(fā)生后，國家主席習近平、國務院總理李克強均做出重要指示，要求深入排查火災、泥石流及影響安全生產(chǎn)等的各類隱患，全力保障人民群眾生命和財產(chǎn)安全[1]。山火導致瀘山景區(qū)植被破壞嚴重，大量松散的黑色山火灰和燒焦土體裸露地表，在雨水沖刷作用下極易啟動形成泥石流。受降雨影響，2020年5月1日，西昌山火影響區(qū)內的響水溝左岸3#支溝、電池廠后山泥石流溝均發(fā)生小規(guī)?；鸷竽嗍?，對當?shù)孛穹?、耕地造成破壞，直接?jīng)濟損失約2萬元人民幣，這給汛期西昌市瀘山地區(qū)火后泥石流的防災減災工作提出了新的挑戰(zhàn)。據(jù)西昌市自然資源局對“3·30”山火影響區(qū)內地質災害的初步排查，該區(qū)有潛在泥石流60余處，對當?shù)芈糜卧O施、集鎮(zhèn)、學校約17 000余人的生命財產(chǎn)及邛海水質構成威脅，潛在火后泥石流風險極高。

火后泥石流是一種因前期山火影響而形成的一類特殊泥石流，其流體的顏色、容重及黏度等與普通泥石流明顯不同。美國、澳大利亞等經(jīng)常發(fā)生山火的國家或地區(qū)對火后泥石流的研究較多，對其規(guī)模與過火面積的關系、泥石流動力學特征、啟動臨界雨量值及演化趨勢等均有較系統(tǒng)的認識[2-3]； 國內學者近年來也對火后泥石流開展了相關研究，對其形成機理及規(guī)律等有了深入的認識，取得了一些研究成果[4-6]。

本研究以西昌市安哈鎮(zhèn)響水溝左岸3#支溝泥石流為例，通過野外調查、無人機航拍、物探、槽探、現(xiàn)場實驗等手段，對該溝此次火后泥石流特征、成因機制及運動特征等進行了初步研究，提出了防災減災建議，可為深入認識西昌山火地區(qū)火后泥石流的形成機理與未來演化趨勢研判提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

響水溝左岸3#支溝位于四川省涼山州西昌市安哈鎮(zhèn)境內，溝口地理坐標為N27°48′41.09″，E102°14′41.86″。響水溝流域地形總體較陡，呈東高西低、北高南低的特點。氣候屬亞熱帶季風氣候，多年平均降雨1 014 mm，降雨集中于6-9月，占全年降雨的76%，且多為暴雨； 山區(qū)氣候垂直分帶十分明顯，年平均氣溫14～17 ℃，日照時數(shù)2 000～2 400 h。響水溝流域內主要居住彝族，以農(nóng)耕為主，民房和耕地主要沿河谷或溝口寬闊地分布。

響水溝左岸3#支溝流域面積0.078 km2，主溝長度783 m，相對高差370 m，主溝縱坡418‰，流域形態(tài)呈長條狀，總體上寬下窄，支溝不發(fā)育，可分出明顯的形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，如圖1所示。

圖1 泥石流流域分區(qū)特征

形成區(qū)主要位于流域內海拔1 840～2 080 m之間，主溝縱坡約520‰，發(fā)育的2條支溝與主溝呈“Y”字型交匯，溝道兩側平均坡度約40°，溝道呈“V”字形，溝底平均寬度約0.5 m，溝道兩側山坡平均坡度約34°，形成區(qū)為此次山火的重度過火區(qū)，坡表植被幾乎被燒光，殘留在坡體表面的松散山火灰及燒焦土體厚度10～20 cm，暴露在坡體表面，在降雨作用下極易通過面蝕作用進入溝道成為泥石流物源，沿岸無明顯崩滑體分布，兩側坡體垮塌程度較輕。流通區(qū)位于流域內海拔1 710～1 840 m之間，該段主溝縱坡約345‰，無明顯支溝發(fā)育，溝道兩側平均坡度約45°，溝道相對狹窄，平均寬度約1.2 m，溝底有基巖出露，側蝕和掏蝕程度較弱。流通區(qū)溝道兩岸受此次山火影響較小，而兩側接近山脊部分的過火程度則相對較重，但因水動力條件差，該區(qū)域為泥石流形成提供的物源補給有限。堆積區(qū)位于流域內海拔1 678～1 710 m之間，該段主溝縱坡約120‰，堆積區(qū)地勢開闊，為明顯的老沖洪積扇形態(tài)。

圖2 響水溝左岸3#支溝流域縱剖面特征

2 火后泥石流特征

2.1 泥石流堆積特征及容重

從泥石流沖出溝口后在開闊區(qū)域的堆積特征看，堆積泥漿呈褐黑色，黏粒含量較多，干涸后泥漿堆積體表面出現(xiàn)裂痕。堆積體中碎塊石含量較高，夾雜一定燒焦的樹枝等，具有典型的火后影響特征。在堆積區(qū)調查發(fā)現(xiàn)的泥石流沖出最大塊石粒徑0.8 m×0.35 m×0.27 m，基巖巖性為磚紅色砂巖。研究中統(tǒng)計了8組泥石流沖出的燒焦樹枝，其中最長的為2.8 m，直徑為0.25 m，燒焦樹枝的長度和直徑大小都呈現(xiàn)出隨距溝口距離增加而減小的規(guī)律。根據(jù)泥石流發(fā)生后留下的泥痕特征，在現(xiàn)場采用配漿法完成了3組泥石流容重實驗。通過對3組數(shù)據(jù)取平均值，得到響水溝3#支溝此次火后泥石流容重約1.86 t/m3，屬于黏性泥石流。此外，對泥石流物源區(qū)和泥石流發(fā)生后堆積區(qū)土體開展了土體顆粒分析實驗，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過泥石流搬運后堆積的土體中塊石、沙礫、粉粒及黏粒的含量比物源區(qū)高，說明在泥石流運動過程中有溝道侵蝕啟動的塊石、沿途坡面上山火灰等細顆粒的加入(圖3)。

圖3 響水溝3#支溝泥石流物源區(qū)和堆積區(qū)土體顆粒級對比

2.2 泥石流動力學參數(shù)特征

根據(jù)1∶1萬比例尺地形圖提取的泥石流流域參數(shù)特征值，結合野外調查中5條實測剖面中的泥石流泥痕等實測數(shù)據(jù)(圖1)，計算得到泥石流在不同區(qū)的流速(表1)。

表1 泥石流流域參數(shù)及野外實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

2.2.1 流速

在計算中，泥石流流體性質均作為黏性(重度均大于1.8 t/m3)，其流速采用低阻型計算公式(東川泥石流改進公式)進行計算[6]，即

(1)

式中：Vc為泥石流斷面平均流速，m/s；K為黏性泥石流流速系數(shù)，采用內插法查得；Hc為平均泥深，m；Ic為泥位縱坡降。響水溝左岸3#支溝泥石流流速分布特征見表1。

2.2.2 峰值流量

根據(jù)《四川中小流域暴雨洪水計算手冊(1984)》[7]及《四川省暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》[8]，結合暴雨量均值等值線圖計算出暴雨洪峰流量，進而參考《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范(試行)》(T/CAGHP 006—2018)[9]中流量計算方法，對泥石流峰值流量進行計算，即

Qc=(1+Ф)QPDC。

(2)

式中：Qc為泥石流斷面峰值流量，m3/s；QP為暴雨洪峰流量，m3/s；DC為堵塞系數(shù)，可根據(jù)勘查規(guī)范查表確定； Ф為泥沙修正系數(shù)。

通過對降雨過程、降雨強度及頻率特征的分析，選取五年一遇的降雨頻率作為“雨洪法”計算的結果?？紤]到雨洪法是在自然條件下通過區(qū)域植被特征獲取地表匯流參數(shù)的，而山火之后植被及地表土壤結構已發(fā)生較大的變化，因而，此處取值以“形態(tài)調查法”結果為準，即泥石流峰值流量取17.69 m3/s(表2)。

從計算結果看，采用形態(tài)調查法計算得到的泥石流峰值流量比采用雨洪法計算得到的值大許多，這可能是由于泥石流在運動過程中所攜帶的漂木形成的短暫堵塞對峰值流量起到了明顯的放大效應。鑒于在對泥石流流通區(qū)進行調查時，隨處可見容易形成堵塞的卡口地形，因此，此次泥石流峰值

表2 泥石流峰值流量計算結果

流量的確定以形態(tài)調查法計算得到的結果作為參考。

2.2.3 總沖出量

泥石流總沖出量根據(jù)公式[9]

Q=0.264TQc

(3)

進行計算。式中：Q為一次泥石流過程總量，m3；T為泥石流歷時，單位為s，依據(jù)現(xiàn)場訪問，計算時取2 400 s；Qc為泥石流最大流量，m3/s。

根據(jù)計算結果，此次火后泥石流一次沖出總量約1.1×104m3，一次固體物質沖出量約0.6×104m3。

3 火后泥石流成因分析

3.1 山火為泥石流物源顯著增加的“始作俑者”

通過對溝口及附近當?shù)鼐用竦脑L問了解到，響水溝3#支溝為季節(jié)性沖溝，僅在每年雨季時才會有流水，且流量很小，近50 a內均未發(fā)生過泥石流。通過現(xiàn)場調查和無人機航拍，發(fā)現(xiàn)2020年西昌“3·30”山火對響水溝3#支溝流域內植被的破壞較為顯著。統(tǒng)計結果顯示： 整個流域內重度過火區(qū)面積約0.04 km2 ，主要分布在海拔1 840 m以上區(qū)域，地表草本、灌木基本全被燒毀，僅有部分喬木殘留； 中度過火區(qū)面積約0.024 km2，主要分布在流域中下游兩側山脊及溝道兩側山坡中上部，草本基本被燒光，部分灌木殘留，喬木過火程度較輕； 其余區(qū)域為山火未影響區(qū)域，主要分布在流域中下游溝道兩側山坡下部，植被保持完整(圖4)。

(a) 重度過火區(qū)(b) 中度過火區(qū)(c) 山火未影響區(qū)

圖4 山火對泥石流流域植被的影響特征

Fig.4Influenceofthefireonthevegetationinthedebrisflowgully

通過綜合分析認為，此次響水溝左岸3#支溝泥石流形成的物源主要來自山火燃燒過后的松散山火灰及表層燒焦土體。從此次泥石流的堆積區(qū)土體特征可以看出，沖出后的泥石流流體中黏粒含量極高，流體呈稠狀，顏色為褐黑色，流體中夾雜有大量燒焦的樹枝。為合理估算山火過后流域內泥石流物源的儲量規(guī)模及可能通過地表侵蝕而成為泥石流物源的松散土體規(guī)模，如圖5所示，在響水溝左岸3#支溝物源區(qū)布設了2條約450 m的物探剖面線，通過高密度電阻率方法，對泥石流物源區(qū)及流通區(qū)開展了地球物理探測。物探解譯結果表明，在響水溝流域內，地表松散土體和強風化巖體平均厚度約4 m。考慮到地表殘坡積土體厚度和強風化基巖的厚度還無法被細分(圖5)，特采用槽探進一步探索兩者的界面及對應深度。結果表明，地表第四系殘坡積土體的厚度介于0.1～1.0 m之間，厚度隨坡度的不同而有所差異。

圖5 基于高密度電阻率物探的泥石流物源區(qū)地下結構特征(圖1中CC′剖面)

3.2 前期累計降雨與短時強降雨是觸發(fā)泥石流的動力因素

通過實地訪問，3#支溝泥石流發(fā)生在2020年5月1日19： 00—20： 00期間，根據(jù)距離響水溝3#支溝直線距離約8 km的西昌市氣象站(國家站56571)降雨監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，此次降雨主要從2020年4月30日開始，至5月1日結束，24 h累計降雨量約52.2 mm，最大雨強為9 mm/h。從降雨強度分析看，此次泥石流發(fā)生前的累計降雨為16.1 mm，泥石流發(fā)生時最大降雨量為7.1 mm/h，誘發(fā)泥石流的小時降雨強度不大，但考慮前期降雨量因素，此次火后泥石流的降雨過程表現(xiàn)出了“前期累計降雨+短時強降雨”的組合模式(圖6)。

西昌瀘山地區(qū)火后泥石流的誘發(fā)降雨類型與西南其他地區(qū)短時強降雨誘發(fā)的泥石流存在明顯不同[10-12]。

圖6 響水溝3#支溝泥石流發(fā)生與降雨對應關系

3.3 流域陡峻的地形為泥石流形成的必要條件

流域上陡下緩的地形，為此次泥石流形成奠定了動能基礎。據(jù)調查，流域形成區(qū)和流通區(qū)溝道兩側山坡均較陡，植被被燒光后坡體表層土體穩(wěn)定性極差，易在雨水或坡面徑流的沖刷作用下進入溝道，為泥石流的發(fā)生提供物源。同時，流通區(qū)陡峻和狹窄溝道的束流作用，對泥石流流速起到了加速作用，此次泥石流沖出溝口后在堆積區(qū)仍繼續(xù)流動約300余m，并攜帶較高含量的塊石。

4 結論與討論

(1)響水溝左岸3#支溝泥石流是西昌瀘山山火地區(qū)火后泥石流的典型案例，泥石流為黏性泥石流，流體重度大，黏粒含量高，誘發(fā)泥石流的降雨表現(xiàn)為“前期累計降雨+短時強降雨”的組合模式，此次泥石流發(fā)生頻率約為五年一遇。

(2)據(jù)離泥石流發(fā)生地直線距離約3 km的海南鄉(xiāng)降雨站觀測數(shù)據(jù)，5月1日00： 00-24： 00間累計降雨為12 mm，其中18： 00-20： 00間2 h累計降雨量為11 mm，雖然降雨強度的增加時間與泥石流發(fā)生的時間高度吻合，但海南鄉(xiāng)同時段降雨量要比更遠的西昌市區(qū)觀測數(shù)據(jù)低，這也說明西昌市區(qū)降雨在空間分布上的差異性較大，不能完全反映泥石流發(fā)生地的真實降雨特征。因此，下一步需要根據(jù)瀘山山火地區(qū)降雨量空間分布差異特征，有針對性地建立雨量站，獲取詳細的降雨數(shù)據(jù)，為進一步研究和確定火后泥石流的臨界雨量值及監(jiān)測預警模型提供基礎數(shù)據(jù)。

(3)從此次西昌瀘山過火區(qū)地表殘留土體特征分析，山火燒光了地表植被，在地表形成的山火灰和燒焦土體極為松散，對流域內潛在泥石流動儲量物源的增加起到了積極作用。同時，在失去地表植被和落葉層的保護后，松散山火灰及燒焦土體極易在雨滴的濺蝕作用下被侵蝕，雨水亦會迅速形成地表徑流，沖刷坡體表層松散土體，進而形成泥石流。從泥石流物源區(qū)和堆積區(qū)土體粒徑統(tǒng)計結果可以看出，堆積區(qū)土體黏粒含量明顯增加，流體呈褐黑色，表明在泥石流形成過程中有表層山火灰的加入，山火對泥石流潛在物源規(guī)模的影響顯著。

(4)將形態(tài)調查法(剖面4-4’和5-5’)計算得到的泥石流峰值流量與雨洪法計算結果進行比較發(fā)現(xiàn)，通過形態(tài)調查法計算的泥石流峰值流量比雨洪法大得多，這可能與泥石流發(fā)生后攜帶的漂木和流通區(qū)狹窄的溝道地形有關。泥石流攜帶的漂木在溝道狹窄的急轉彎處或有枯樹攔截處會形成短暫的堵潰效應，使得泥石流的峰值流量被放大，這與野外調查過程中發(fā)現(xiàn)的流通區(qū)溝道存在多處狹窄急彎和枯樹橫在溝道內的現(xiàn)象一致，表明山火燒焦的漂木對火后泥石流的動力學參數(shù)具有顯著的影響，今后在這類泥石流防治工程設計中需要充分考慮。

(5)西昌山火地區(qū)火后泥石流物源補給方式在未來一段時間內將以面狀侵蝕為主，對流域內坡體表面松散土體進行有效穩(wěn)固將對后期火后泥石流的暴發(fā)頻率、規(guī)模及破壞程度的控制起到顯著效果，建議加快過火區(qū)生態(tài)植被的修復速度，選擇適宜當?shù)貧夂颦h(huán)境且生長速度相對較快的喬木、灌木及草本植物種子進行播種，起到有效穩(wěn)固坡面松土體的作用。同時對威脅對象較多的潛在高風險火后泥石流開展應急工程治理，在兼顧流域景觀和防災減災效果的前提下，形成生態(tài)治理與工程治理相結合的防治模式，探索針對風景區(qū)火后泥石流綜合防治技術。

致謝：本文是中國地質調查局成都地質調查中心多學科團隊與多家單位共同參與完成的調查研究成果。中國地質調查局成都地質調查中心楊富成、張景華、李華、廖國忠、張騰蛟等參與了野外泥石流調查、剖面測量、現(xiàn)場實驗等工作，電子科技大學周軍博士后參與了泥石流物源區(qū)物探野外與解譯等工作，涼山州地質環(huán)境監(jiān)測站殷萬清站長、西昌市自然資源局唐國蓮局長、四川省核工業(yè)地質局二八一大隊宋鈺朋、茍劍飛及四川省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局攀西地質隊技術人員等在工作期間提供了大力的支持與幫助，在此一并感謝！