漆力健，王兆印，王旭昭

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑工程系，四川 雅安625014；2.清華大學(xué) 水沙科學(xué)國家重點實驗室，北京100084；3.北京礦產(chǎn)地質(zhì)研究院，北京100012）

汶川地震引發(fā)了大量山體滑坡、崩塌、滾石等次生山地災(zāi)害，在河谷、山坡上形成大量的松散堆積物，估算震區(qū)堆積物總量超過5.0×109m3［1－4］。汶川地震次生山地災(zāi)害具有沿河流水系呈線狀分布特點，絕大部分都是沿岷江以及大體垂直龍門山走向的深切河谷及其支流。這些河谷切割強烈，地形陡峻，形成了大量地震次生山地災(zāi)害［1，5］。地震引起的崩塌滑坡及隨后的泥石流等次生災(zāi)害過程對流域產(chǎn)沙量產(chǎn)生顯著影響，而且這種影響至少持續(xù)100a［6］。地震后崩塌滑坡的活躍期將持續(xù)5～10a，泥石流的活躍期持續(xù)10～30a［4，7－9］。

當(dāng)山體受到地震波的強烈沖擊時失穩(wěn)而發(fā)生位移，以致地面形態(tài)改變。地震引發(fā)的直接侵蝕主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡，后續(xù)的影響主要為泥石流。在汶川地震導(dǎo)致強烈的地表變化情況下，崩塌、滑坡體破壞了大量的山體和森林植被，并形成大面積裸露面，加劇了水土流失。震區(qū)河流的泥沙輸移狀況會對下游產(chǎn)生多大程度的影響引起了關(guān)注［2，4］。從2008年12月開始至今本研究對綿遠河進行了連續(xù)觀測，在此基礎(chǔ)上初步分析了地震侵蝕產(chǎn)沙對流域泥沙輸移的影響。

1 研究區(qū)域與研究方法

研究區(qū)域為發(fā)源于川西北九頂山南麓的綿遠河山區(qū)河段，處在汶川地震高烈度區(qū)（Ⅷ—Ⅺ）內(nèi)，地震時激發(fā)了大量的崩塌滑坡，區(qū)域內(nèi)形成眾多的堰塞湖；震后又有密集的泥石流爆發(fā)。河流受到地震的影響非常劇烈，具有次生山地災(zāi)害種類多、數(shù)量大的特點，在震區(qū)是一條具有代表性的河流。綿遠河是沱江正源，位于四川省著名的鹿頭山暴雨中心區(qū)，全長129km。其中山區(qū)河段長50.1km2，流域面積357.1 km2，多年平均徑流量4.66×108m3。調(diào)查區(qū)域為漢旺鎮(zhèn)以上的山區(qū)河段，區(qū)間長約38km，高差1 052 m，河道平均坡降27.7‰。數(shù)據(jù)獲取主要是通過野外實地測量、室內(nèi)樣品分析實現(xiàn)的。堆積體、河床淤積的幾何特征用電子經(jīng)緯儀和激光測距儀測量，通過測量誤差＜1m的高精度GPS接收器確定地理位置；利用1954年的1∶5萬地形圖以及震后遙感圖與實測數(shù)據(jù)綜合分析。泥沙懸移質(zhì)輸移量通過在出山口（漢旺）定點采用積深法采集水樣獲得。顆粒級配測定方法是漂石等粗顆粒則在堆積現(xiàn)場進行量測統(tǒng)計，對60mm以下的顆粒則取樣5～10kg篩分稱重，對小于0.075mm的顆粒用激光粒度測試儀分析。

2 地震侵蝕堆積物總量

綿遠河山區(qū)河段河谷深切，河谷狹窄曲折，兩岸山勢陡峻。地震時，崩塌滑坡絕大部分直接進入支溝或主河。綿遠河流域次生災(zāi)害在數(shù)量上以崩塌為主，規(guī)模一般較小；滑坡雖然不多，但規(guī)模巨大，如文家溝滑坡為汶川地震的第二大滑坡；此外，地震侵蝕的大量松散堆積物導(dǎo)致震后泥石流溝密集出現(xiàn)。崩塌滑坡在主河形成22個堰塞湖，其中御軍門、小崗劍等4個均被列為震后初期排險重點關(guān)注的堰塞湖。震后又因泥石流形成5處堰塞湖。后因人工開挖或沖潰，現(xiàn)存有24個堰塞湖。

對區(qū)域內(nèi)體積在1 000m3以上的堆積體進行了測量和統(tǒng)計（表1）。1.0×107m3以上的堆積體僅兩個（文家溝、東河），但二者總體積超過9.0×107m3；而100～1 000×104m3范圍的堆積量約1.3×107m3。10～100×104m3有59個，總堆積量約5.0×106m3。0.1～1×104m3范圍的個數(shù)有113個，但總規(guī)模不大，僅為2.3×105m3。不同規(guī)模堆積體的個數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)分布（圖1）。

山區(qū)河段上游的崩塌滑坡體分布密集，尤其是1 000m3以下的小崩塌體幾乎連接不斷，而下游分布明顯稀疏。從總體上看，下游的單個體積比上游的大。調(diào)查區(qū)域內(nèi)1.0×103m3以上的堆積體共計196個，總體積約為1.2×108m3；其中約90%的松散物質(zhì)堆積在支溝中。

汶川地震前的綿遠河流域植被覆蓋率很高，主要是面狀侵蝕，侵蝕產(chǎn)沙顆粒較細，每年土壤侵蝕量約為1.1×106m3。那么汶川地震侵蝕導(dǎo)致的綿遠河流域松散堆積物總量相當(dāng)于正常年份的103倍。

表1 綿遠河流域主要堆積體統(tǒng)計

3 震時與震后的泥沙輸移與堆積特征

地震時引發(fā)的侵蝕主要表現(xiàn)為崩塌和滑坡，而震后又由于強降雨的影響引發(fā)大量的泥石流，泥沙從支溝進入主河發(fā)生堆積。

主河中的細顆粒物質(zhì)在洪水作用下進入下游。根據(jù)泥沙進入主河后的運移距離與堆積特征，將侵蝕總量進行了分類統(tǒng)計。

圖1 綿遠河流域主要崩滑體統(tǒng)計

3.1 主河臨岸侵蝕與泥石流堆積量

綿遠河主河上的堆積物可以分為兩部分：一部分是地震發(fā)生時河流兩岸山體崩塌滑移直接進入主河道的；也有少量由支溝進入主河，如文家溝滑坡的高速遠程碎屑流一部分運行距離達4km進入綿遠河。崩塌滑坡的物質(zhì)顆粒比較粗大，進入河道后一般停留在原地，體積較大滑坡體的一般會形成堰塞體，如黑洞巖、小崗劍等堰塞體；體積較小的堆積體即使在大暴雨的情況下，參與運動的量以及運動距離也極其有限。這部分物質(zhì)的總量在震后基本上不會增加，總計約5.1×106m3。另外一部分為泥石流從支溝攜帶進主河。泥石流爆發(fā)的頻率高，地震后的前兩年在降雨量超過30mm／d，支溝內(nèi)的松散堆積物就可能形成泥石流進入主河。這些泥石流堆積物有很強的抵御洪水沖刷能力，入河之后大部分立即沉積下來。2008—2012年輸入綿遠河的泥石流總量大約6.8×106m3。在2010年“8·13”特大群發(fā)泥石流災(zāi)害后，危害性最大的文家溝、走馬嶺溝、小崗劍泥石流已經(jīng)重點治理。雖然綿遠河主河的堆積物在5～10a內(nèi)總體上還會有增加的趨勢，但是增加量將明顯減少。另外由于眾多崩塌滑坡體堆積在河道兩側(cè)山體上，大雨時還會形成數(shù)量眾多的邊坡泥石流進入河道，但經(jīng)過2010年8月強降雨之后，將來總體規(guī)模增加應(yīng)不大，新的入河泥沙量將很有限。綿遠河主河上這兩類堆積物質(zhì)的總量約1.2×107m3。它們共同的特點是以粗大顆粒為主，進入到主河后運行距離很短甚至停留在原地。

3.2 短距離輸運與堆積的泥沙量

支溝中的粒徑較小的顆粒在汛期時在水流作用下進入主河以及上面兩種堆積物在洪水作用下會有短距離的運動，導(dǎo)致有些河段淤積明顯。如庫容較小的桃花坪堰塞湖在2009年一次暴雨過后，庫尾三角洲向前推移約60m，淤積厚度超過5m，2010年汛期后已近淤滿。由于堰塞體的出現(xiàn)，并形成一定的庫容，對泥沙產(chǎn)生截留作用。推移質(zhì)運動范圍大致以堰塞體作為節(jié)點在兩個堰塞體之間河道運動，最后停積在堰塞湖內(nèi)。局部河段淤積程度和兩堰塞體之間以及所在河段區(qū)間支溝中的崩滑堆積物的規(guī)模關(guān)系密切。統(tǒng)計得到的推移質(zhì)運動總量約2.5×106m3。崩滑體形成堰塞湖與推移質(zhì)的堵淤，使得大多河段河床抬升明顯，在伐木場附近的河床抬高超過10m。這樣使得河床局部相對變寬緩，降低了水流的挾沙能力，懸移質(zhì)也因進入堰塞湖時水流流速減慢而部分沉積在堰塞湖內(nèi)的中下游區(qū)域，楊家溝、小崗劍等堰塞湖壩前泥沙沉積厚度均超過30cm。堰塞湖內(nèi)淤積的懸移質(zhì)總量約為1.23×105m3。因受到堰塞湖的影響，推移質(zhì)和部分懸移質(zhì)運行距離有限。這兩種短距離輸運的物質(zhì)總量約2.6×106m3。

3.3 長距離輸移泥沙量

2009—2011年綿遠河山區(qū)河段出口（漢旺）平均含沙量約為0.381kg／m3。根據(jù)2010年綿遠河（漢旺）徑流量為5.1×108m3計算可得，汶川地震后綿遠河山區(qū)段出口的年輸沙量約為1.9×105t。這些物質(zhì)與泥沙輸移方式有關(guān)，一部分是地震時就堆積在主河，可以直接被輸送到下游，也有一部分先由支溝進入主河，再被水流帶往下游。

3.4 沉積與輸移特征

對大量不同類型堆積物樣品的級配分析結(jié)果表明，崩塌滑坡體的物質(zhì)粒徑大，大小懸殊，級配寬。從表1和圖2可知，絕大部分的崩塌滑坡堆積體的中值粒徑在200～3 000mm之間，作為地震的最初產(chǎn)物，崩塌滑坡體中粒徑小于1mm的顆粒不到5%。泥石流的顆粒也較粗，觀測到的最大粒徑超過4 000mm，中值粒徑在70～700mm之間（圖2）。泥石流中粒徑在1mm以下的顆粒比例在6%左右。圖2中所示主河中推移質(zhì)的中值粒徑相對較小，但也在4～30mm之間。由于堰塞湖減緩水流速度，也有相當(dāng)數(shù)量的粒徑0.1mm以下的細顆粒沉積在湖內(nèi)（圖2）。實測結(jié)果表明，地震主河河岸侵蝕物質(zhì)與泥石流占地震侵蝕總量的10.4%，推移質(zhì)和沉積在堰塞湖內(nèi)的懸移質(zhì)之和約為主河河岸侵蝕與泥石流堆積物的21.6%；而年均輸移到下游的懸移質(zhì)只有短距離輸運泥沙量的3.8%。隨著泥沙運動距離的增加，地震侵蝕產(chǎn)沙→河岸侵蝕與泥石流→短距離輸移泥沙→長距離輸移泥沙過程中，以固體物質(zhì)的搬運距離進行比較，運行距離長的為下一級，則每下一級的輸移量相應(yīng)減小一個數(shù)量級，能夠進入到綿遠河平原河段的泥沙量年均不到地震總侵蝕量的1‰。另外，加之河流上的堰塞體、水壩具有攔沙作用，所以汶川地震產(chǎn)生的松散堆積物中絕大部分都會停留在侵蝕發(fā)生區(qū)域附近。

圖2 研究區(qū)主要崩塌滑坡、泥石流及推移質(zhì)級配

4 震后泥沙輸移的計算分析

汶川地震造成重災(zāi)區(qū)地表侵蝕量的劇增，引起了地震區(qū)內(nèi)河流的顯著演變，其對下游河流的影響引人關(guān)注。正常年份時，岷沱江上游懸移質(zhì)泥沙主要來自面蝕，大都是細沙，只有少量粗沙；而重力侵蝕量只占總侵蝕量的10%左右，侵蝕物中小于細沙級的泥沙占5%～10%［10］。而即使在侵蝕泥沙大都是細沙情況下，沱江、岷江流域的泥沙輸移比僅0.16和0.20［11］，說明大量的細顆粒泥沙滯留在離侵蝕位置不遠處。

王兆印等［9］的研究也證實，長江上游幾乎所有大于0.5mm粒徑的泥沙和約50%粒徑小于0.5mm的顆粒沉積在溝谷和支流中。在不考慮輸移過程中泥沙顆粒破碎、磨蝕和溶蝕的情況下，地震后短期內(nèi)的綿遠河泥沙運移情況可通過代表粒徑分析法［9］進行估算。

4.1 推移質(zhì)輸移計算

根據(jù)粒徑大小將圖2中每一個崩塌滑坡體的泥沙粒徑分成n組：D1～D2，D2～D3，D3～D4，…，其中下標(biāo)為順序數(shù)。ΔPi為粒徑介于Di～Di＋1之間的泥沙在總量中所占的百分比。區(qū)域內(nèi)粒徑介于Di～Di＋1之間的崩滑體總量SDi計算公式為：

式中：Sd——某一個崩滑體的泥沙量。最后可以得到停留在原處的總崩滑體平均級配。考慮到其中已有一部分被水流帶走，那么在最初狀態(tài)下的級配（初始級配）可粗略表示為：

式中：Sm——最初狀態(tài)下崩滑體的代表粒徑級配；Sa——停留在原處的崩滑體平均級配；Sb——被水流帶走物質(zhì)的級配，對于崩滑體而言，應(yīng)該包含進入主河道泥石流、推移質(zhì)及懸移質(zhì)3類，因后二者的比例很小，可忽略以簡化計算。α，β——相應(yīng)類型物質(zhì)在總量中占的比例。

類似地，可求得泥石流和推移質(zhì)的代表粒徑級配，級配曲線如圖3所示。

圖3 綿遠河崩塌體、泥石流、推移質(zhì)及懸移質(zhì)代表粒徑級配曲線

區(qū)域內(nèi)對于某一類物質(zhì)不能被水流搬運走的粒徑介于Di～Di＋1之間的沙量STi可以用下式計算：

式中：Su，Sd——上一級和下一級運移的泥沙量，下標(biāo)u，d分別代表上一級、下一級。

流域內(nèi)的崩滑體與泥石流級配在大部分范圍內(nèi)接近（圖3），泥石流具有將崩塌滑坡體中粒徑1m以下的全部顆粒以及1～5m中95%的固體物質(zhì)搬運至下游的能力，5m以上的則難以帶走。但是實際上，泥石流發(fā)生不僅受到降雨條件的影響，也會因泥石流發(fā)生后溝谷地形變化以及治理工程的作用，而逐漸減弱；因此泥石流的規(guī)模在地震侵蝕總量中的比例并不大。如文家溝滑坡體的物質(zhì)基本上以泥石流形式進入綿遠河，2008—2010年共計4.1×106m3，僅占其總量的5%。文家溝滑坡在2010年“8·13”泥石流后進行高強度治理后，基本上穩(wěn)定，堆積體中只有很少量的細顆粒以懸移質(zhì)形式輸送到綿遠河。

由圖3可知，推移質(zhì)的粒徑在100mm以下，也就意味著主河中的崩滑體和泥石流中粒徑大于100mm的物質(zhì)均停留在原地。由公式（3）計算可得：粒徑大于100mm的泥沙量ST為7.4×106m3，粒徑10～100mm的泥沙量ST為1.8×106m3，粒徑小于10mm的泥沙量ST為2.1×105m3。由此可知，已位于（或進入）主河的崩滑體和泥石流中的物質(zhì)有可能被水流挾帶到下游大約2.0×106m3，占其中的20%，而且這20%中的物質(zhì)向下游輸移也需要經(jīng)過多年的水流作用才有可能達到。在今后還可能因泥石流或山洪爆發(fā)而將支溝的泥沙帶入主河，但是其中可以運移到主河下游的物質(zhì)的比例是相近的。

4.2 懸移質(zhì)輸移計算

圖3給出了2009—2011年綿遠河山區(qū)河段中下游三處地方懸移質(zhì)的平均級配曲線。清平大橋位于綿遠河山區(qū)河段的中游，下游右側(cè)有一條較大的支溝入?yún)R；卸軍門（取樣點在堰塞體上游）位于山區(qū)河段下游，至出山口沒有較大的支流入?yún)R；金魚嘴位于出山口。

根據(jù)泥沙收支平衡概念：

河段沉積量＝∑河段輸入沙量－∑河段輸出沙量

結(jié)合公式（3），卸軍門與金魚嘴的懸移質(zhì)級配中最大值分別為0.229和0.089mm，可以大致推定這一區(qū)間粒徑大于0.089mm的泥沙都淤積在河道與堰塞湖內(nèi)，而粒徑小于0.089mm的泥沙中約35%沒有被輸運到下游。如果不考慮支流入?yún)R影響，則從綿遠河中游（清平大橋）至出山口（金魚嘴）的河道區(qū)間，懸移質(zhì)有超過50%在沿程落淤。

汶川地震后，綿遠河流域最大日降雨量以2010年為最大，達227.5mm。與1992—2005年14a的最大日降雨量比較［12］，有3a明顯高于2010年，有5a相近，其余年份的最大日降雨量均小于150mm。2010年水文氣象數(shù)據(jù)處于較高值，加之降雨量較小的2009年（文家溝溝口實測最大日降雨量96mm）和2008年（最大日降雨量88mm），2010年綿遠河的年徑流量（5.1×108m3）比典型豐水年（P＝25%）徑流量（4.89×108m3）大。對于泥沙輸移而言，這幾年水文情況有一定的代表性。按沱江流域的多年平均輸沙模數(shù)540t／（km2·a）計算［11］（因缺少震前綿遠河泥沙方面的資料，參照沱江數(shù)據(jù)），得綿遠河山區(qū)段出口的汶川地震前年輸沙量約為1.9×105t，實測震后年輸沙量約為1.9×105t，因此可認為在一段時期內(nèi)震后與震前年輸沙量相近。

實際上，云南小江流域眾多泥石流溝的物質(zhì)相比地震區(qū)松散堆積物的粒徑小得多，但每年侵蝕物質(zhì)中只有2%的泥沙向下游輸運進入小江［9］。汶川地震引起的地表侵蝕量巨大，但顆粒平均粒徑比正常年份侵蝕情況下大得多，粒徑小于0.5mm的顆粒比例相應(yīng)少得多。在水文氣象條件不變的情況下，震區(qū)的松散堆積物大部分會停留在原區(qū)域內(nèi)，而可以被輸送到下游的物質(zhì)進入主河道及下游也需要一個長期的過程。當(dāng)然，今后綿遠河的泥沙輸移可能會出現(xiàn)新的變化，如修建泥石流防治工程，堰塞湖淤滿、上游采礦等對泥沙攔排的影響，值得長期關(guān)注。

5 結(jié)論

汶川地震造成的侵蝕產(chǎn)沙量巨大，數(shù)十倍甚至百倍于正常年份的產(chǎn)沙量，導(dǎo)致震區(qū)內(nèi)的水土流失非常嚴重。由于地震形成的崩塌滑坡堆積體的組成顆粒粗大，細顆粒比例很小。在當(dāng)?shù)厮臍庀髼l件基本不變的情況下，幾乎所有的粗顆粒泥沙都沉積在發(fā)生侵蝕位置的附近，大部分中等粒徑也只能短距離的運移，甚至一部分細顆粒泥沙也會沉積在支溝和上游河道。初步研究表明，汶川地震侵蝕導(dǎo)致進入綿遠河下游的泥沙量較地震前不會有明顯的增加。因此，汶川地震造成綿遠河上游侵蝕變化很大，但是在近期內(nèi)對綿遠河下游與沱江的輸沙量及河床演變的影響有限；長期變化受到一些因素的影響，還需要進一步的觀測。

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