九龍縣踏卡河流域?yàn)趵獪系皖l泥石流特征與危險(xiǎn)性

鐘 政, 胡桂勝, 楊 溢, 倪華勇, 劉恩龍, 韓 征

(1.昆明理工大學(xué) 公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，昆明 650093；2.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；3.中國地質(zhì)調(diào)查局 成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610041； 4.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都610065； 5.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院,長沙 410075)

中國西南地區(qū)山地范圍廣、地形復(fù)雜、地形地貌特殊，且?guī)r體破碎、物源豐富，加之氣候條件獨(dú)特，降雨量充沛，為泥石流的形成與發(fā)育提供了有利的地形、物源和水動力條件[1-3]。自汶川地震以來，區(qū)域性極端氣候事件頻發(fā)，泥石流成為災(zāi)區(qū)最活躍的地質(zhì)災(zāi)害之一，給災(zāi)區(qū)重建和人民生活帶來嚴(yán)重威脅[4-7]。這些泥石流災(zāi)害中, 既有高頻泥石流也有低頻泥石流。高頻泥石流的暴發(fā)周期短，因而人們對其尤為重視。而多數(shù)泥石流通常為幾年至幾十年才暴發(fā)一次的中、低頻泥石流[8]，物源形成周期較長、泥石流隱蔽性強(qiáng)、規(guī)模大，其危害性常常被忽視[9]。在中國西南山區(qū)，多數(shù)建筑物建立在平坦的泥石流堆積扇上，沒有考慮到低頻泥石流危險(xiǎn)性，所以當(dāng)泥石流來臨時(shí)，通常會造成毀滅性災(zāi)害。例如2017年8月8日普格縣蕎窩鎮(zhèn)發(fā)生百年一遇泥石流，造成1.6億元的經(jīng)濟(jì)損失[10-11];2010年8月7日舟曲縣暴發(fā)四百年一遇的低頻泥石流，造成 1 463人遇難，302人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)億元[12]。因此，越來越多的學(xué)者開展了低頻泥石流防治研究。而泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)是泥石流災(zāi)害防治的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[13]，對泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析與防治規(guī)劃具有重要意義。近幾年來，各種泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)理論與方法層出不窮，例如，適用于單溝泥石流的模糊綜合評判法[14]、灰色系統(tǒng)評價(jià)法[15]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法[16]。較為科學(xué)的區(qū)域性評價(jià)方法有多因子綜合評價(jià)[17]、灰色關(guān)聯(lián)分析[18]、信息熵理論[19]等。不同的評價(jià)法有其特定的適用范圍，對于不同的災(zāi)害條件應(yīng)選取對應(yīng)的、科學(xué)合理的評價(jià)方法。

四川省甘孜州九龍縣踏卡鄉(xiāng)甲鋪?zhàn)哟宓奶たê有×饔驗(yàn)趵獪蠟槔夏嗍鳒?，歷史上曾多次暴發(fā)泥石流，最近一次于1997年暴發(fā)較大規(guī)模泥石流，一次沖出量約(4～5)×104m3，沖毀房屋3間、農(nóng)田約80畝、橋梁一座、大牲畜損失約120頭，直接經(jīng)濟(jì)損失約300萬元，災(zāi)情為較大級。近年來，受“5·12”汶川特大地震、“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震、“11·22”康定地震及頻發(fā)極端天氣和不合理人類工程活動影響，踏卡鄉(xiāng)地質(zhì)環(huán)境變得脆弱，誘發(fā)大量崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，對踏卡河流域內(nèi)的踏卡電站帶來嚴(yán)重安全隱患，并嚴(yán)重制約著當(dāng)?shù)氐纳鐣?jīng)濟(jì)發(fā)展。本文以烏拉溪溝為對象，探索這類低頻泥石流的形成條件、運(yùn)動特征以及成災(zāi)特征，通過多因子綜合評價(jià)的方法對其進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)，旨在為該區(qū)域低頻泥石流災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

烏拉溪溝位于九龍縣縣城東南部約90 km，溝口地理坐標(biāo)：北緯28°46′44.91″，東經(jīng)101°48′04.60″，流域內(nèi)多年平均降雨量為950 mm，且多集中于6～7月份(占全年平均降雨量的60.7%)。

烏拉溪溝地形屬于構(gòu)造侵蝕中山地貌，溝域形態(tài)近似扇形，平均縱向長度6.3 km，平均比降208.75‰，平均寬度3 km， 面積23.5 km2；溝域形態(tài)分布較為對稱，總體為“V”型峽谷地貌，上游溝谷及支溝相對較為狹窄，下游寬度略大(圖1)。溝域最高點(diǎn)位于溝源頂部積雪段，海拔高度4 600 m；溝域最低段為烏拉溪溝匯入踏卡河處，海拔高度2 475 m，相對高差2 125 m。溝域兩側(cè)岸坡以陡坡地貌為主，一般坡度45°～75°。

烏拉溪溝流域位于松潘-甘孜地槽褶皺帶的東南部，區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育。流域范圍出露的地層主要為第四系松散堆積層(Q)、上二疊統(tǒng)薩彥溝組(P2s)及玄武巖組(P2β)。

2 泥石流基本形成條件及動力特征

2.1 泥石流形成條件

2.1.1 地形條件

烏拉溪溝域內(nèi)總體地形陡峻，溝域兩側(cè)岸坡以陡坡地貌為主，地形臨空條件發(fā)育，為溝內(nèi)崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育及溝內(nèi)松散固體物源匯集提供了有利地形條件。流域由1條主溝及1條支溝組成，呈樹狀分布，均為常年性沖溝，勘查期間測得主溝流量3 m3/s左右，主要接受大氣降水及山體頂部融雪補(bǔ)給，流量受降雨影響大。兩溝交匯處(圖2)以上溝谷以“V”型谷為主，且溝道狹窄，縱比降大；交匯處以下以寬“U”型谷為主，溝道較寬，縱比降小。這樣的地形有利于徑流匯集，為發(fā)生泥石流提供了有利條件。

圖1 烏拉溪溝小流域平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of small watershed of Wulaxi Gully

表1 主、支溝的溝道特征Table 1 Watershed characteristics of main ditch and branch ditch

圖2 主、支溝匯水區(qū)Fig.2 Main and branch catchment areas

2.1.2 物源條件

烏拉溪溝泥石流物源類型主要包括崩滑堆積物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源。其中崩滑堆積物源為點(diǎn)狀分布的集中性物源。據(jù)本次勘查，烏拉溪溝域內(nèi)森林覆蓋率約50%，兩側(cè)岸坡大部分地段基巖出露，基巖風(fēng)化程度較高，節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌滑坡不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育(圖3)。松散固體物質(zhì)儲量十分豐富，主要分布于烏拉溪溝中下游溝道兩側(cè)岸坡及坡地上，厚度2～10 m不等，為烏拉溪泥石流的主要物源類型。共發(fā)育不同規(guī)模的崩滑堆積物源點(diǎn)12處，其中崩塌2處，滑坡10處，為泥石流提供物源量36.9×104m3，其中可參與泥石流活動的動儲量為11.4×104m3(表2)。

圖3 崩滑堆積物源Fig.3 Collapse and landslide sources

表2 烏拉溪溝物源統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of total debris flow sources in Wulaxi Gully

溝道堆積的松散固體物源主要分布于溝域中下游至溝口段，溝道堆積物多以(漂)塊碎石混砂礫石為主(圖4)，流域內(nèi)的分布長度3.27 km，不連續(xù)，部分溝段以基巖跌水相間，寬度3～40 m，分布面積0.49 km2，堆積厚度為0.8～15 m，堆積總量約19.47×104m3(表2)。

坡面侵蝕物源分布在流域中下游坡面兩岸(圖5)，堆積松散，松散孔隙水廣泛發(fā)育，在山頂附近有季節(jié)性凍土。殘坡積物全流域分布總面積約6.34 km2，總量約471.48×104m3(表2)。殘坡積物一般處于較穩(wěn)定的狀態(tài)，通常在大暴雨的沖刷下或流域的植被破壞后，土體才會失穩(wěn)。

綜上所述，烏拉溪溝流域內(nèi)物源總量約527.85×104m3，豐富的物源條件有利于泥石流的暴發(fā)。

2.1.3 水源條件

縣城1971～2015年的年均降水量為919.1 mm，1992～1997年降水量較少，1998年以來保持在1 000 mm左右。每年6～7月份的月均降水量最大，分別為189.5 mm和195.9 mm。降水分布嚴(yán)重不均，6～7月份高強(qiáng)度集中降雨會直接誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害大規(guī)模暴發(fā)。

圖4 溝道堆積物源Fig.4 Channel debris flow sources

圖5 坡面侵蝕物源Fig.5 Slope erosion sources

根據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊》和查皮爾遜Ⅲ型曲線得到不同頻率下模比系數(shù)，并求得不同頻率下的雨強(qiáng)值如表3。

由表3可知，當(dāng)1 h雨量達(dá)到32.76 mm以上時(shí)，烏拉溪溝極可能暴發(fā)二十年一遇泥石流。根據(jù)單溝泥石流暴雨強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算公式[20]，計(jì)算烏拉溪溝暴雨強(qiáng)度

R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))

(1)

式中：R為暴雨強(qiáng)度無量綱計(jì)算值，R≥3.1時(shí)，將可能發(fā)生泥石流；K為前期降雨量修正系數(shù)，本次取1.1；H24、H1、H1/6分別為24 h、1 h、10 min最大降雨量(單位:mm)；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)分別為可能發(fā)生泥石流的24 h、1 h、10 min界限雨值。研究區(qū)位于中國年均降雨量800～1 200 mm區(qū)，可能發(fā)生泥石流的24 h、1 h、10 min界限雨值分別為60、20、10 mm。因此，在二十年一遇的降雨條件下，暴雨強(qiáng)度無量綱計(jì)算值R=3.48>3.1，暴發(fā)泥石流的可能性大。

2.2 動力特征

由于烏拉溪溝泥石流屬于低頻泥石流，最近幾年都沒有暴發(fā)過，因此本次研究采用實(shí)驗(yàn)法，在烏拉溪溝主溝泥石流堆積區(qū)采取泥石流堆積物樣品3組，每組質(zhì)量不少于15 kg。根據(jù)當(dāng)?shù)鼐用裰刚J(rèn)，將堆積物樣品加水?dāng)嚢?，配置成泥石流暴發(fā)時(shí)的流體狀態(tài)(主要參照1997年泥石流性狀)，然后分別測出每組樣品的總質(zhì)量和體積，并計(jì)算3組樣品的容重，取其算術(shù)平均值作為泥石流的容重。本次采用半徑為11.5 cm、高度為25.3 cm的塑料桶進(jìn)行泥石流容重試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，烏拉溪溝泥石流平均容重為1.685 g/cm3，屬于稀性泥石流。泥石流流速4.35 m/s，峰值流量達(dá)221.09 m3/s，1997年泥石流爆發(fā)規(guī)模為二十年一遇，一次沖出固體物質(zhì)總量為4.18×104m3(表4)。

3 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)

3.1 不同暴雨泥石流堵河分析

3.1.1 堵潰點(diǎn)調(diào)查

根據(jù)泥石流發(fā)生斷流的特點(diǎn)是溝內(nèi)水流出現(xiàn)短時(shí)間斷流現(xiàn)象，過后泥石流瞬間流量劇增，溝道強(qiáng)烈下切，導(dǎo)致泥石流規(guī)模超常，破壞力強(qiáng)。通過現(xiàn)場勘查，在烏拉溪溝溝道內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處堵潰點(diǎn)，2處堵潰的原理基本一致，是因?yàn)闇系廓M窄，最窄處<5 m， 攜帶有大量大塊石的泥石流在該處局部壅堵，從而形成的堵潰。圖6為1號堵潰點(diǎn)，兩側(cè)山坡陡峭，坡度可達(dá)60°以上，主要由河道右岸滑坡坍塌而成，目前整個(gè)滑塌體前緣擠壓溝道，溝道明顯彎曲，前緣已被水流或泥石流切割成高約3 m的臨空面。坡體表面被雨水沖刷形成多條沖溝，沖溝深度0.2～0.5 m，整個(gè)堆積體前緣長約70 m，堆積厚度3～5 m，物質(zhì)組成以塊碎石為主，最大粒徑可達(dá)1 m以上。該處坡體結(jié)構(gòu)較為疏松，目前處于穩(wěn)定狀態(tài)，如遇大規(guī)模的泥石流淘蝕基腳，坡體上的土體失穩(wěn)下滑會瞬間堵塞溝道，形成壅堵。但是該區(qū)域的松散體量相對較小，容易被泥石流沖毀，形成潰決，瞬間增大泥石流規(guī)模。調(diào)查期間流水面寬度僅為3 m。圖7為2號堵潰點(diǎn)，主要由河道左岸滑坡坍塌而成，滑塌體呈扇形，兩邊弧長約30 m，中部寬50 m，厚4～6 m，其物質(zhì)構(gòu)成主要為塊碎石土，最大粒徑達(dá)3 m左右，目前整個(gè)滑塌體前緣擠壓溝道，溝道明顯彎曲，流水面寬度僅為1.5 m。

表3 烏拉溪溝不同頻率下的降雨強(qiáng)度Table 3 Rainfall intensity at different frequencies in Wulaxi Gully

表4 泥石流估算模型Table 4 Debris flow estimation model

圖6 1#堵潰點(diǎn)Fig.6 The 1# blocking point

3.1.2 泥石流堵潰分析

影響泥石流堵河的主要因素有泥石流的性質(zhì)和規(guī)模、主支溝流量、主支溝交匯角等[21]。具體

判別式如下

CF=lnFR-0.883(1-cosθ)2-2.587γ<-8.572

(2)

FR=QM/QB

(3)

γ=γc/γm

(4)

式中：CF為堵河判別系數(shù)；QM為主河單寬流量；QB為支槽泥石流單寬流量；θ為主支槽夾角；γc為支槽泥石流容重；γm為主槽水流容重。考慮到溝口上游踏卡電站的影響，烏拉溪溝溝口附近踏卡河流量取20 m3/s。計(jì)算泥石流堵河的可能性見表5。

結(jié)果顯示，當(dāng)降雨頻率達(dá)到二十年一遇時(shí)，泥石流就會堵塞踏卡河，與1997年泥石流實(shí)際情況相符，因此需要采取防災(zāi)減災(zāi)措施。

3.2 基于權(quán)重分析法的泥石流危險(xiǎn)性分析

據(jù)調(diào)查，烏拉溪溝泥石流主要威脅對象包含甲鋪?zhàn)哟搴鸵蛔⌒妥冸娬?。結(jié)合烏拉溪溝泥石流活動受威脅對象在流域內(nèi)的分布情況，按1997年左右泥石流暴發(fā)時(shí)在前期堆積扇上的沖淤范圍(考慮暴發(fā)頻率按5%)，劃分烏拉溪溝溝道右側(cè)185 m、左側(cè)220 m的扇形區(qū)為危險(xiǎn)區(qū)，危險(xiǎn)區(qū)總面積約0.97×104m2(圖8)。

本文依據(jù)侯蘭功[22]提出的模型對不同暴雨頻率下烏拉溪溝的泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)。單溝泥石流危險(xiǎn)度H計(jì)算公式如下

(5)

圖7 2#堵潰點(diǎn)Fig.7 The 2# blocking point

表5 不同頻率下泥石流堵河可能性判別結(jié)果Table 5 Discretionary results on the possibility of blocking river by debris flow at different frequencies

圖8 泥石流危險(xiǎn)區(qū)Fig.8 Debris flow danger zone

式中：Gi為評價(jià)因子的權(quán)重；Dj為危險(xiǎn)系數(shù)，取值為0～1；p為降雨強(qiáng)度級別。

泥石流危險(xiǎn)度的計(jì)算是泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的基本工作，本文根據(jù)劉希林[23]的分級標(biāo)準(zhǔn)，將危險(xiǎn)度分為4個(gè)等級，即輕度危險(xiǎn)(0～0.35)，中度危險(xiǎn)(0.35～0.6)，高度危險(xiǎn)(0.6～0.85)及極度危險(xiǎn)(0.85～1)，且分級標(biāo)準(zhǔn)不受評價(jià)因子數(shù)量及類型的影響。

評價(jià)因子選取及權(quán)重計(jì)算方面，李秀珍[24]提出的單溝泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)模型應(yīng)用廣泛，認(rèn)可度較高。本文結(jié)合烏拉溪溝實(shí)際情況，篩選出以下7個(gè)評價(jià)因子進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)：松散物源量C1；24小時(shí)最大降雨C2；溝谷流域面積C3；主溝長度C4；流域相對高差C5；泥石流規(guī)模C6；不穩(wěn)定溝床比降C7。

踏卡溝在1997年暴發(fā)過一次大型泥石流，至2008年頻率有所降低。2008年之后受“5·12”汶川特大地震、“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震、“11·22”康定地震及頻發(fā)極端天氣和不合理人類工程活動影響，泥石流災(zāi)害又頻繁發(fā)生?；谠摐夏嗍靼l(fā)生頻率變化較大，故本文舍去泥石流發(fā)生頻率這一評價(jià)指標(biāo)。

踏卡溝流域雨季降雨集中，且易發(fā)生突發(fā)性暴雨，誘發(fā)大量泥石流災(zāi)害。因此本文選取24 h降雨量作為評價(jià)指標(biāo)。對各因子進(jìn)行分級確定危險(xiǎn)度，計(jì)算結(jié)果見表6。權(quán)重計(jì)算采用層次分析法(AHP)，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算結(jié)果見表7。

將計(jì)算的權(quán)重值、危險(xiǎn)度以及降雨強(qiáng)度級別p代入侯蘭功[22]模型，計(jì)算結(jié)果見表8。結(jié)果表明：烏拉溪溝屬于高危險(xiǎn)性泥石流溝，二十年一遇的危險(xiǎn)等級達(dá)到極度危險(xiǎn)，與1997年泥石流現(xiàn)場調(diào)查情況相符。

4 結(jié)論與減災(zāi)對策

4.1 結(jié)論

烏拉溪溝為一老泥石流溝，歷史上曾多次發(fā)生過泥石流，目前泥石流正處于活躍期，其泥石流類型為低頻稀性溝道型泥石流。本文通過野外調(diào)查、參數(shù)計(jì)算、模型評價(jià)的方法，取得以下結(jié)論和認(rèn)識：

a.烏拉溪溝泥石流平均容重為1.685 g/cm3， 二十年一遇泥石流流速為4.35 m/s，峰值流量達(dá)221.09 m3/s，一次沖出固體物質(zhì)總量為4.18×104m3。

表6 泥石流危險(xiǎn)因子等級劃分Table 6 Classification of debris flow risk factors

表7 評價(jià)因子判斷矩陣權(quán)重計(jì)算Table 7 Matrix weight calculation of evaluation factor judgment

表8 不同頻率下泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果Table 8 Evaluation of risk degree of Wulaxi Gully debris flow at different frequencies

b.烏拉溪溝流域目前能為泥石流提供的物源類型較豐富、數(shù)量較大，特別是受“5·12”汶川地震和“4·20”蘆山地震的影響，流域內(nèi)松散固體物質(zhì)儲量大量增加，且該區(qū)域的表層松散土體變得極為活躍。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，物源總量約527.85×104m3，其中崩滑類物源量36.90×104m3，坡面侵蝕類物源量471.48×104m3，溝道堆積類物源總量19.47×104m3；各類物源中可能參與泥石流活動的物源動儲量約105.57×104m3，占總物源量的18.90%。

c.根據(jù)堵河危險(xiǎn)性分析表明，烏拉溪溝爆發(fā)二十年一遇泥石流就可能會堵塞踏卡河，從而大幅度提高洪水水位，影響洪水流向，嚴(yán)重威脅甲鋪?zhàn)哟宕迕竦纳c財(cái)產(chǎn)安全。并且基于權(quán)重分析方法得出烏拉溪溝屬于高危險(xiǎn)性泥石流溝。

4.2 減災(zāi)對策

a.目前烏拉溪溝泥石流主要威脅溝口左側(cè)居住的居民和一座小型變電站，險(xiǎn)情為大型。根據(jù)二十年一遇防治設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可在烏拉溝流通區(qū)下游(海拔高度2 583.9 m處，距溝口約370 m)修建泥石流攔擋壩，主要攔擋泥石流中的固體物質(zhì)，同時(shí)還能穩(wěn)固溝床和兩側(cè)岸坡。為了能夠滿足烏拉溪溝1次二十年一遇泥石流固體物質(zhì)沖出量(41 800 m3)的攔截能力，設(shè)計(jì)攔擋壩回淤庫容應(yīng)為46 200 m3。

b.烏拉溪溝泥石流為典型的干旱河谷區(qū)低頻泥石流，可利用對降雨、氣溫的實(shí)時(shí)預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對泥石流災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)。同時(shí)加強(qiáng)溝道內(nèi)物源的活動監(jiān)測，利用高精度遙感影像，定期進(jìn)行新增物源面積和體積調(diào)查，掌握溝道內(nèi)物源發(fā)展動態(tài)。