白龍江舟曲段泥石流孕災(zāi)條件及發(fā)育特征分析

楊強(qiáng)　王高峰　楊旭東　丁偉翠　高幼龍

關(guān)鍵詞：白龍江舟曲段;泥石流;物源;孕災(zāi)條件;發(fā)育特征

白龍江流域地處我國地貌第一階梯向第二階梯的過渡地帶，地形地貌復(fù)雜，新構(gòu)造活動及地震活動頻繁，加之汶川地震的影響，致使該區(qū)泥石流災(zāi)害的發(fā)育程度、暴發(fā)頻率、發(fā)生規(guī)模和危害程度均居全國前列（楊強(qiáng)等，2021;王高峰等，2020;黃忠恕等，1998;蘇琦等，2016;孟興民等，2013;黃江成等，2014）。特別是白龍江舟曲段泥石流分布密度之高、暴發(fā)之頻繁、危害之嚴(yán)重表現(xiàn)極為突出，嚴(yán)重威脅人民生命和財產(chǎn)安全，嚴(yán)重制約社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民安居樂業(yè)。掌握泥石流孕災(zāi)條件及發(fā)育特征是開展泥石流防治的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，本文基于白龍江舟曲段241條泥石流實(shí)測調(diào)查資料（中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心，2019），在分析泥石流孕災(zāi)條件基礎(chǔ)上，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析研究了泥石流發(fā)育特征，以期為舟曲段泥石流災(zāi)害防治、國土空間規(guī)劃和生態(tài)文明建設(shè)提供理論依據(jù)。

1自然地理及地質(zhì)環(huán)境概況

白龍江舟曲段從石門鄉(xiāng)經(jīng)舟曲縣城至洛大鎮(zhèn)，河道長136 km，流域面積約2195 km²，海拔1066～3840 m，縱比降均值為8.01%，年平均徑流量為12.10×10⁸m³、流量為39.35 m³·s^-1，年洪峰流量均值為690m³·s^-1，徑流系數(shù)為0.499。多年平均氣溫為10.9℃，多年平均降水為550mm，降雨多集中在7—9月，約占全年降雨量的60%，多為短時強(qiáng)降雨事件。

白龍江舟曲段地貌為中高山侵蝕一剝蝕地貌，山地高陡、溝谷深切、溝壑縱橫、溝坡坡度大;主要受北北西向的光蓋山-迭山斷裂帶及次級斷裂帶坪定-化馬斷裂的影響（圖1），構(gòu)造活動及地震活動強(qiáng)烈;出露主要地層為三疊系、志留系和第四系，千枚巖、板巖、黃土和殘坡積層等軟弱巖層分布廣泛，并形成了大量松散堆積物，是泥石流發(fā)育的主要物源;地下水主要類型為賦存于基巖中的基巖裂隙水和第四系及松散堆積物中的松散巖類孔隙水;主要工程活動為開挖建房及修路、開采礦山等。

2泥石流孕災(zāi)條件分析

2.1地形地貌

白龍江舟曲段以中高山地貌為主，山高坡陡，溝谷深切。匯水面積、斜坡坡度、地形起伏度、地形高差、縱比降均有利于泥石流物源的形成及啟動。泥石流形成區(qū)多呈“漏斗型”“魚尾型”，有利于快速匯水形成強(qiáng)大的水動力，物源攜帶能力強(qiáng)。流通區(qū)多呈“S”形，陡坎發(fā)育，存在巨石卡口，易堵塞泥石流通道，存在潰決。堆積區(qū)地形多開闊平坦，多期泥石流發(fā)育，泥石流新扇堆積在老扇上，威脅老扇上居住的居民。在較大規(guī)模的泥石流溝口兩側(cè)或相鄰兩條泥石流溝口中間三角地帶，發(fā)育多條沖溝，形成多條具有較大威脅的“小溝大扇”坡面型泥石流。對白龍江舟曲段241條典型泥石流進(jìn)行分析，相對高差大于1000m占總數(shù)74.3%，特殊的地形地貌條件決定了該區(qū)泥石流易發(fā)、多發(fā)。

2.2地層巖性及巖組

白龍江致災(zāi)地層主要為軟硬相間或互層的千枚巖、碳質(zhì)板巖、片巖、變質(zhì)砂巖，覆蓋層主要為殘坡積層、黃土、全風(fēng)化巖層或幾種巖土體組合。對區(qū)內(nèi)241個典型泥石流溝內(nèi)物源斜坡結(jié)構(gòu)及主要致災(zāi)地層組合進(jìn)行分析（表1），分析得出下伏基巖為千枚巖、板巖，殘坡積層、黃土、全風(fēng)化巖層或幾種軟弱巖層組合的崩塌、滑坡堆積體為泥石流的主要物源。涉及致災(zāi)地層物源在順向坡、逆向坡、橫向坡3種結(jié)構(gòu)物源中所占體積比分別為87.5%、86.5%、87.7%，物源與下伏基巖的坡向關(guān)系不大。在海拔3200m以上山體冰磧物崩滑體風(fēng)化嚴(yán)重，表層較為破碎，在暴雨條件下易產(chǎn)生高位型崩滑物源，甚至以災(zāi)害鏈形式揭底補(bǔ)給泥石流，如三眼峪特大泥石流災(zāi)害。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

主要受光蓋山-迭山斷裂帶中次級斷裂帶坪定-化馬斷裂影響，形成了明顯的斷裂凹陷，并沿斷裂破碎帶發(fā)育的眾多巨型、特大型、大型滑坡堆積體是泥石流的主要物源?；卵財嗔殉蕳l帶狀分布，巨型、特大型滑坡沿斷裂帶呈“長條狀”“背滑”“對滑”相間線狀分布特征（圖2）。斷裂破碎帶物質(zhì)結(jié)構(gòu)、成分、成因復(fù)雜，坪定-化馬斷裂是SW傾向的逆沖斷裂，次級斷裂（寬度達(dá)30 m以上）極為發(fā)育，斷裂破碎帶寬度可達(dá)數(shù)千米。

2.4地震

舟曲段地震動峰值加速度為0.15～0.3 g，歷史上曾發(fā)生多次破壞性地震，鄰區(qū)強(qiáng)震也波及于此。歷史上地震活動非常頻繁，其主要活動特征是頻度高、強(qiáng)度大、災(zāi)害重。地震對泥石流形成的影響主要表現(xiàn)為地震引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害，地震使原來基本穩(wěn)定的坡體變得不穩(wěn)定，產(chǎn)生大量規(guī)模不等的拉張裂縫，巖土體結(jié)構(gòu)更有利于崩塌、滑坡災(zāi)害的發(fā)生，增加了泥石流物源量。

2.5降雨及人類工程活動

白龍江降雨多集中在7-9月，多以連續(xù)降雨和暴雨形式出現(xiàn)，降雨量大而集中利于泥石流形成（周健等，2016）。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程加快，人類工程活動不斷增強(qiáng)，開采礦山、修建公路、開挖隧道等產(chǎn)生的棄渣無序堆積，擠占泥石流通道，加劇了泥石流發(fā)生頻率。特別是工程建設(shè)產(chǎn)生的棄渣堆積于溝道內(nèi)或堆積扇兩側(cè)，增加了泥石流物源動儲量，增大泥石流的規(guī)模。修路切坡及開礦采石，殘留的松散碎石土可隨雨量徑流堆積于溝道，甚至堵塞溝道，易發(fā)生潰決型泥石流災(zāi)害。

3泥石流的分布及發(fā)育特征

3.1泥石流分布特征

白龍江舟曲段共發(fā)育溝谷型、坡面型泥石流241條，其中溝谷型泥石流占69.7%，坡面型泥石流占30.3%。白龍江舟曲段泥石流分布密度高、暴發(fā)頻繁，如三眼峪溝、羅家峪溝、峪子溝等。泥石流物源主要沿坪定一化馬活動性斷裂呈條帶狀分布，在小型斷裂和褶皺密集區(qū)集中發(fā)育;泥石流物源與地層巖性關(guān)系密切，高易發(fā)區(qū)主要集中在志留系及泥盆系灰?guī)r、千枚巖、板巖出露區(qū);泥石流物源多在溝壑密集區(qū)集中發(fā)育。

3.2泥石流發(fā)育特征

3.2.1流域面積與主溝長

流域面積與匯流、泥石流產(chǎn)砂量呈正相關(guān)，產(chǎn)砂量影響流域內(nèi)松散堆積物儲量，直接決定暴發(fā)泥石流時沖出物質(zhì)多少，與泥石流活動頻率關(guān)系巨大;主溝長度大小決定泥石流流經(jīng)路程及沿途攜帶松散物源的儲量，主溝長度越長能量及破壞力越大。

白龍江舟曲段泥石流主要特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。流域面積最小為0.09 km²，大于50km²的泥石流溝有8條，無大于100 km²的河谷型泥石流。流域面積小于20 km²有215條，占泥石流總數(shù)的89.2%，其中小于5km²的泥石流溝166條，占泥石流總數(shù)的68.88%，分布較為廣泛。泥石流主溝道長度0.53～16.25 km，主要集中在1～5 km，占泥石流總數(shù)的75.52%，主溝長度大于10 km的有13條，占泥石流總數(shù)的5.39%。泥石流主溝長度隨流域面積的增大而增大，二者呈較好的冪函數(shù)關(guān)系（圖3）。

3.2.2溝床比降與相對高差

溝床比降是泥石流溝段上河床落差與長度比值，是泥石流起動和運(yùn)動的基礎(chǔ)條件，直接影響泥石流的形成，一般溝床比降越大泥石流發(fā)生的可能性越大。

白龍江舟曲段泥石流溝床比降差異性較大，分布在99.8‰至876.28‰之間，200‰～500‰占泥石流總數(shù)的60.2%，大于500‰占泥石流總數(shù)的33.2%（表2）。泥石流主溝比降與流域面積相關(guān)性強(qiáng)，主溝比降和流域面積呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，隨著流域面積的增大，主溝比降呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢（圖4）。

相對高差與泥石流形成和運(yùn)動關(guān)系密切，溝頂和溝底高差越大，雨水匯流后動能就越大，攜帶溝谷兩側(cè)松散堆積物的能力就越大。

白龍江舟曲段241條泥石流溝相對高差分布在357m至2771m之間，相對高差小于500 m的泥石流溝僅6條，主要集中在500～2000 m，占總數(shù)的83%，大多數(shù)泥石流溝相對高差1000～1500 m，占總數(shù)的40.25%，較大的相對高差為泥石流的發(fā)生提供了有利條件。研究區(qū)泥石流相對高差與流域面積有關(guān)，相對高差和流域面積呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著流域面積的增大，相對高差呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢（圖5）。

3.2.3流域完整系數(shù)

流域完整系數(shù)反映了流域地表徑流的匯流條件和水動力特征，完整系數(shù)越大，流域發(fā)育越完整，具有較好的匯流條件，利于泥石流發(fā)生，反之亦然。用Fe=F/L²表示泥石流流域形態(tài)完整系數(shù)，式中Fe為流域縱橫比，F(xiàn)為流域面積（km²），L為主溝長（km）。Fe<0.3，流域平面形態(tài)為長條形;0.3≤Fe<0.5，流域平面形態(tài)為長圓形;0.5≤Fe<0.7，流域平面形態(tài)為橢圓形;Fe≥0.7，流域平面形態(tài)為近圓形（沈昌玉等，1986）。計(jì)算得出白龍江舟曲段泥石流流域平面形態(tài)以長圓形和橢圓形為主（圖6），F(xiàn)e值相對較大，利于坡面匯流形成泥石流。

3.2.4重點(diǎn)泥石流溝發(fā)展階段評價

對白龍江舟曲段241條泥石流溝進(jìn)行綜合分析，從發(fā)生頻率、物源儲量、威脅危害等方面綜合考慮，篩選出21條重點(diǎn)泥石流作為研究對象，采用地貌信息熵理論結(jié)合隴南舟曲段泥石流發(fā)育的特點(diǎn)進(jìn)行泥石流發(fā)育階段劃分（任玉鵬等，2018;艾南山，1987），充分考慮流域面積及流域高差來反映地貌總體演化過程。流域侵蝕系統(tǒng)地貌信息熵計(jì)算公式為：H=S-lnS-1，H為地貌信息

計(jì)算過程：通過ArcGIS平臺Spatial Analyst工具中水文分析模塊，從DEM中提取子流域等高線圖層，合并21條泥石流地形等高線及流域邊界線，并將線圖層轉(zhuǎn)換為面。利用ArcGIS柵格計(jì)算器，算出每個面的面積。統(tǒng)計(jì)各條等高線以上的面積a_i匯總該等高線高程與流域中最低點(diǎn)高程的差h_i。通過MATLAB軟件擬合Strahler曲線（橫坐標(biāo)a_iA_i、縱坐標(biāo)h_i/H_i）。泥石流溝發(fā)展階段參考DZ/T 0220—2006《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》和DZ/T 0261—2014《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害調(diào)查規(guī)范（1：50000）》的劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合地貌信息熵值劃分標(biāo)準(zhǔn)（艾南山，1987;李雅輝等，2011），同時綜合考慮隴南白龍江舟曲段的泥石流發(fā)育實(shí)際情況，采用的劃分標(biāo)準(zhǔn)為H<0.111為幼年期、0.111≤H<0.200為壯年偏幼年期、0.200≤H<0.300為壯年期、0.300≤H<0.400為壯年偏老年期、0.400≤H為停歇或終止期。隴南白龍江舟曲段重點(diǎn)泥石流溝地貌信息熵評價結(jié)果見表3。

從表3得出：河南大溝、雙溝、大溝頭、百草壩、廟溝5條泥石流處于幼年期，武都關(guān)溝、寨子溝、峪子溝、化馬溝等13條泥石流處于壯年偏幼年期;大溝里溝、拓石溝、紅土灣溝3條處于壯年期。該區(qū)重點(diǎn)泥石流均處于幼年期—壯年期，利于泥石流的形成，泥石流潛在危險性巨大。

4結(jié)論

1）白龍江舟曲段泥石流主要受地形地貌、地層巖性及巖組、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動影響。主要致災(zāi)地層有殘坡積層、黃土、全風(fēng)化巖層或幾種巖土體組合，致災(zāi)地層中發(fā)育的崩塌、滑坡堆積體是泥石流的主要物源;涉及致災(zāi)地層的物源在順向坡、逆向坡、橫向坡3種結(jié)構(gòu)物源中所占體積比分別為87.5%、86.5%、87.7%;沿著坪定-化馬活動斷裂分布有“長條狀”“背滑”“對滑”相間的巨型、特大型滑坡、崩塌物源;降雨和工程建設(shè)是泥石流的主要誘發(fā)因素。

2）白龍江舟曲段泥石流流域面積<20km²的有215條，占89.2%;主溝長度主要集中在1～5 km，占75.52%，主溝長度隨流域面積的增大而增大，二者呈較好的冪函數(shù)關(guān)系;溝床比降差異性較大，200‰～500‰占總數(shù)的60.2%，大于500‰占總數(shù)33.2%，主溝比降和流域面積呈負(fù)冪函數(shù)關(guān)系，隨著流域面積的增大，主溝比降呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

3）白龍江舟曲段泥石流流域相對高差主要集中在500～2000 m，占總數(shù)的83%;相對高差在1000～1500 m占總數(shù)的40.25%;相對高差和流域面積呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，隨著流域面積的增大，相對高差呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。泥石流發(fā)育的流域形態(tài)主要為長圓形和橢圓形。

4）對21條重點(diǎn)泥石流溝發(fā)育階段進(jìn)行評價，得出5條泥石流處于壯年偏幼年期，13條泥石流處于壯年偏幼年期，3條泥石流處于壯年期，所有泥石流均處于幼年—壯年期，潛在危險性巨大，需要根據(jù)發(fā)育特征及威脅的具體情況進(jìn)行針對性防治。