鐵永波，胡凱衡

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心（成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），四川成都610081；2.中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041）

基于遙感解譯的典型低頻泥石流形成機(jī)制研究
——以四川省寧南縣矮子溝泥石流為例*

鐵永波1，胡凱衡2

（1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心（成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），四川成都610081；2.中國(guó)科學(xué)院·水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041）

2012年6月28日四川省寧南縣矮子溝暴發(fā)泥石流，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。通過(guò)對(duì)比事件前后流域的高精度遙感影像，并結(jié)合泥石流發(fā)生后野外調(diào)查情況進(jìn)行綜合分析。研究結(jié)果表明：矮子溝泥石流具有典型水力類(lèi)泥石流的啟動(dòng)機(jī)制，其形成過(guò)程可分為四個(gè)階段：①?gòu)?qiáng)降雨使得地表徑流快速匯集，使得坡體表層土產(chǎn)生破壞并啟動(dòng)，形成坡面泥石流并匯入主溝；②具有極強(qiáng)侵蝕能力的坡面泥石流開(kāi)始對(duì)溝床內(nèi)的固體物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的揭底侵蝕和側(cè)蝕，使得溝床堆積體的穩(wěn)定性產(chǎn)生破壞并啟動(dòng)；③溝床堆積物在受到揭底侵蝕后，從上游依次往下，形成連續(xù)性的破壞并為泥石流的形成持續(xù)提供固體物質(zhì)，以維持泥石流的運(yùn)動(dòng)并放大其規(guī)模；④在達(dá)到海拔800 m溝口轉(zhuǎn)彎處之后，由于受到地形的限制及泥石流自身的動(dòng)能衰減并產(chǎn)生堆積，泥石流過(guò)程結(jié)束。通過(guò)對(duì)該次泥石流的物源補(bǔ)給過(guò)程進(jìn)一步研究認(rèn)為，其物源補(bǔ)給可分為形成泥石流流體所需的啟動(dòng)型物源和維持泥石流持續(xù)運(yùn)動(dòng)的維持型物源兩類(lèi)。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，低頻泥石流在啟動(dòng)過(guò)程中的物源補(bǔ)給過(guò)程具有明顯的啟動(dòng)型物源和維持型物源兩個(gè)相對(duì)微觀物源補(bǔ)給類(lèi)型及過(guò)程，可為這類(lèi)泥石流防治工程的類(lèi)型選擇及設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

低頻泥石流；物源；補(bǔ)給分類(lèi)；形成過(guò)程；矮子溝；四川寧南縣

泥石流是山區(qū)常見(jiàn)的一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害。在我國(guó)地形陡峻的西部地區(qū)，泥石流數(shù)量多，危害極為顯著，成為山區(qū)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的一個(gè)突出問(wèn)題［1］。對(duì)高頻泥石流而言，其危險(xiǎn)性容易引起人們的注意并對(duì)其加以防范。但對(duì)低頻泥石流而言，因暴發(fā)的間隔時(shí)間長(zhǎng)（數(shù)十年甚至上百年），人們往往意識(shí)不到其危害性，常將低頻泥石流溝堆積扇選為修建城鎮(zhèn)、村莊、學(xué)校及工廠等人口密集建筑區(qū)的場(chǎng)所［2］。故低頻泥石流發(fā)生時(shí)，往往造成遠(yuǎn)比高頻泥石流更嚴(yán)重的災(zāi)害。國(guó)內(nèi)外低頻泥石流造成嚴(yán)重災(zāi)害的事件屢見(jiàn)不鮮［3－5］。如1999年12月中旬在委內(nèi)瑞拉Vagas地區(qū)暴發(fā)的約300年一遇的群發(fā)性泥石流，造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)200億美元、3萬(wàn)余人死亡的舉世罕見(jiàn)重大災(zāi)害［6］；2010年8月7日發(fā)生在甘南藏族自治州舟曲縣城的400年一遇的低頻泥石流導(dǎo)致舟曲縣城幾乎全部被毀，造成1 463人遇難、302人失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)億元［7］；2012年6月27日在寧南縣矮子溝發(fā)生的特大災(zāi)害性泥石流，導(dǎo)致溝口建筑及民房被沖毀，造成40人死亡和失蹤，產(chǎn)生了極大的社會(huì)影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)一般泥石流的形成機(jī)制雖然已有較多的研究成果，但對(duì)低頻泥石流物源補(bǔ)給過(guò)程的微觀機(jī)制研究，尚未有太多的針對(duì)性成果［8］。近年來(lái)，受到強(qiáng)降雨過(guò)程的影響，低頻泥石流的發(fā)生數(shù)量也有增多的趨勢(shì)，不但造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，并造成負(fù)面的社會(huì)影響［7］。為此，本文通過(guò)對(duì)矮子溝泥石流的研究，查明低頻泥石流的物源補(bǔ)給特征，探索其形成過(guò)程機(jī)制，對(duì)更好認(rèn)識(shí)這類(lèi)泥石流的形成機(jī)理并開(kāi)展針對(duì)性的防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

矮子溝位于四川省涼山州寧南縣六城鎮(zhèn)境內(nèi)，為金沙江的一級(jí)支流（圖1）。矮子溝流域面積為66 km2，主溝長(zhǎng)20 km，溝谷平均比降155‰，上游沖溝較為發(fā)育［9］。

圖1 矮子溝泥石流流域特征圖（據(jù)文獻(xiàn)［9］改動(dòng)）

矮子溝流域?qū)儆诘湫偷奈鞑可絽^(qū)地貌，地形起伏較大，第四紀(jì)侵蝕作用強(qiáng)烈。根據(jù)地形特征統(tǒng)計(jì)，矮子溝流域內(nèi)最高海拔為3 572 m，與金沙江交匯處溝口海拔為626 m，垂直高差2 946 m。在大地構(gòu)造上，矮子溝位于準(zhǔn)揚(yáng)子地塊西部，緊鄰川滇菱形塊體。雖然矮子溝發(fā)育在騎騾溝背斜的東翼，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，未發(fā)現(xiàn)大的第四紀(jì)活動(dòng)構(gòu)造斷裂通過(guò)該區(qū)，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，構(gòu)造變形相對(duì)簡(jiǎn)單［9］。但矮子溝距離川滇菱形塊體東部邊界的小江斷裂約20 km，小江斷裂帶在一定程度上對(duì)矮子溝流域的地質(zhì)構(gòu)造具有明顯的影響。矮子溝流域內(nèi)的主要出峨眉山組露玄武巖，下伏地層為三疊系飛仙關(guān)組，以泥巖和粉砂巖為主［9］。由于出露的泥巖和粉砂巖的風(fēng)化相對(duì)較為強(qiáng)烈，巖體破碎，在很大程度上為矮子溝泥石流的形成提供了充足的物源。矮子溝地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有典型的干濕季節(jié)特征，屬于干熱河谷中的干暖河谷區(qū)，氣候垂直變化顯著。區(qū)內(nèi)年平均氣溫15～21℃，年降水量介于600～1 500 mm區(qū)間內(nèi)。在降雨的年季分布上看，區(qū)內(nèi)雨季主要集中在5－10月，在時(shí)間上相對(duì)集中，且多短時(shí)強(qiáng)降雨過(guò)程，為泥石流的形成提供了必備的水動(dòng)力條件，也是泥石流高發(fā)的季節(jié)；其余月份為少雨季節(jié)，降雨強(qiáng)度弱且少，對(duì)泥石流的形成貢獻(xiàn)較小。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

研究主要采用矮子溝泥石流發(fā)生后的現(xiàn)場(chǎng)野外調(diào)查和遙感解譯相結(jié)合的方式進(jìn)行。調(diào)查工作的重點(diǎn)是對(duì)泥石流的物源補(bǔ)給類(lèi)型和方式、分布的地貌部位等進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)查。通過(guò)野外現(xiàn)象和遙感解譯情況進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，綜合分析泥石流的形成過(guò)程。

遙感解譯采用分辨率為0.5 m的4波段World View-02衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)獲取時(shí)間分別為矮子溝泥石流發(fā)生前（2012年2月12日）和發(fā)生后（2013年1月19日），影像比例尺為1：10 000。目的是通過(guò)高精度遙感影像數(shù)據(jù)對(duì)泥石流發(fā)生前后流域內(nèi)崩滑體的數(shù)量、面積和空間變化特征進(jìn)行分析。分析的重點(diǎn)包括泥石流的物源補(bǔ)給區(qū)溝道長(zhǎng)度和寬度、啟動(dòng)位置及堆積部位。同時(shí)，結(jié)合野外調(diào)查情況，確定溝床物源的侵蝕深度，并綜合計(jì)算泥石流啟動(dòng)和堆積規(guī)模的大小。

3 物源補(bǔ)給機(jī)制及形成過(guò)程

3.1 物源補(bǔ)給特征

泥石流發(fā)生前后流域的遙感解譯結(jié)果顯示，2012年矮子溝泥石流形成過(guò)程中的物源具有明顯的兩個(gè)補(bǔ)給過(guò)程，即啟動(dòng)型和維持型物源補(bǔ)給過(guò)程。

（1）啟動(dòng)型物源

啟動(dòng)型物源主要來(lái)自矮子溝流域中游左岸支溝海拔1 720～2 250 m之間的區(qū)域，為坡體上堆積的第四紀(jì)殘坡積物，為2012年矮子溝泥石流形成的最初啟動(dòng)區(qū)（圖2）。從遙感影像圖上可以看出，在泥石流發(fā)生前，坡體表面僅發(fā)育有較小的沖溝（圖2a），在泥石流發(fā)生后，沖溝的寬度和深度均被增大，并產(chǎn)生大量的松散固體物質(zhì)沿著坡面沖下（圖2b）。在坡腳處，因?yàn)楣沸藿ㄔ谄旅嫔闲纬傻乃缮⑼馏w（圖2c），也在降雨形成的地表徑流作用下被沖刷進(jìn)入溝道（圖2d）。而啟動(dòng)型物源對(duì)該次泥石流形成過(guò)程的貢獻(xiàn)主要體現(xiàn)為：坡體上的松散殘坡積物與坡面徑流匯流，形成高濃度流體或準(zhǔn)泥石流流體，使其具備有比洪水高出數(shù)倍的侵蝕能力，并沿坡面沖入主溝內(nèi)，為對(duì)溝床內(nèi)松散堆積物的沖刷提供必要條件。2012年矮子溝泥石流的啟動(dòng)型物源補(bǔ)給過(guò)程并不是一次完成，而是首先從坡體上的坡面徑流開(kāi)始，徑流通過(guò)對(duì)坡體沖溝的沖刷作用，使其規(guī)模沿途增加，故從坡頂?shù)狡碌滓恢边M(jìn)入主溝的過(guò)程均為啟動(dòng)型物源補(bǔ)給過(guò)程。

（2）維持型物源

維持型物源主要為第四紀(jì)沖洪積松散堆積物，主要分布在海拔800～1 720 m之間的溝床內(nèi)，維持型物源對(duì)泥石流形成過(guò)程的貢獻(xiàn)在于增大泥石流的規(guī)模、流量及破壞力。通常情況下，溝床內(nèi)的堆積物在溝道徑流作用下，細(xì)顆粒物質(zhì)被帶走，僅留下表層粒徑相對(duì)較大塊石，并對(duì)底層的細(xì)顆粒物質(zhì)形成保護(hù)層，使其相對(duì)穩(wěn)定（圖3a）。當(dāng)溝道內(nèi)的沖洪積物在進(jìn)入溝道后的坡面泥石流的強(qiáng)烈侵蝕作用時(shí)，表層粗化層的大顆粒固體物質(zhì)受到流體的沖刷，其穩(wěn)定性受到破壞并產(chǎn)生啟動(dòng)，當(dāng)表層大顆粒固體物質(zhì)產(chǎn)生啟動(dòng)后，溝床內(nèi)粒徑相對(duì)較小或細(xì)顆粒物質(zhì)的保護(hù)層便被剝開(kāi)，并產(chǎn)生啟動(dòng)，加入到泥石流流體中（圖3b）。一方面，維持型物源的加入使得流體的濃度得到增加，并使其動(dòng)能增大，在很大程度上擴(kuò)大泥石流的破壞力及沖出距離；另一方面，維持型物源還使得溝道中流體的流量和規(guī)模增加，尤其是在矮子溝主溝彎道較多及溝道內(nèi)狹窄通道的影響下，其流量和規(guī)模會(huì)在很大程度上得到放大。

圖2 矮子溝泥石流發(fā)生前后形成區(qū)啟動(dòng)型物源補(bǔ)給特征

圖3 矮子溝泥石流發(fā)生前后維持型物源（溝道揭底后）補(bǔ)給特征

根據(jù)矮子溝泥石流發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，2012年矮子溝泥石流的容重為1.8 kg／m3［10］。根據(jù)該次泥石流容重和規(guī)模，對(duì)固體物質(zhì)也水體所占的比例估算，此次泥石流過(guò)程中泥石流沖出的固體物質(zhì)約為35×104m3。通過(guò)矮子溝泥石流發(fā)生前后的遙感解譯結(jié)果，泥石流發(fā)生后通過(guò)溝道侵蝕補(bǔ)給的物源規(guī)模約為14×104m3，即2012年矮子溝泥石流過(guò)程的補(bǔ)給型物源規(guī)模占總固體物質(zhì)的40%；該次泥石流過(guò)程的啟動(dòng)型物源規(guī)模約為21×104m3，占該次泥石流的啟動(dòng)型物源占總固體物質(zhì)的60%。

3.2 泥石流形成過(guò)程分析

結(jié)合遙感解譯數(shù)據(jù)及野外調(diào)查結(jié)果，矮子溝泥石流的形成過(guò)程可以分為4個(gè)過(guò)程通過(guò)根據(jù)以上分析，可以將該次泥石流形成過(guò)程分析如下：

（1）坡面泥石流階段：強(qiáng)降雨使得地表徑流快速匯集并沖刷坡體表面，使得坡體表層的殘坡積物產(chǎn)生破壞，通過(guò)坡面侵蝕為泥石流的形成提供物源，并與地表徑流一起匯入溝道，形成坡面泥石流（圖4），這一過(guò)程發(fā)生在海拔1 720～2 250 m之間的溝道左岸的坡體上。

圖4 矮子溝泥石流形成初期的坡面泥石流特征

（2）溝床揭底階段：在泥石流流體極強(qiáng)的侵蝕能力下，開(kāi)始對(duì)海拔1 720 m處溝床內(nèi)的固體物質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的揭底侵蝕和側(cè)蝕，使溝床表層粗顆粒固體物質(zhì)的穩(wěn)定性受到破壞并產(chǎn)生啟動(dòng)（圖5a）。在溝床堆積物表層的粗化層受到破壞后，溝床內(nèi)的固體物質(zhì)隨之被席卷而出，伴隨著對(duì)溝道兩側(cè)岸坡的側(cè)蝕（圖5），使其坍塌后進(jìn)入溝道，共同為泥石流的形成提供物源（圖5b）。

圖5 矮子溝泥石流發(fā)生后的揭底及侵蝕特征

圖6 矮子溝泥石流發(fā)生前后堆積區(qū)變化特征

（3）泥石流維持運(yùn)動(dòng)階段：泥石流溝床堆積物在受到揭底侵蝕后，往下游方向形成長(zhǎng)約8 km的連續(xù)性揭底破壞區(qū)，并為泥石流的運(yùn)動(dòng)提供約14 ×104m3的固的體物質(zhì)，以維持泥石流的運(yùn)動(dòng)并使其流量放大。

（4）泥石流堆積階段：在達(dá)到海拔800 m之后，由于泥石流自身的動(dòng)能衰減，其對(duì)溝床的侵蝕能力減弱，停止對(duì)溝床的侵蝕，通過(guò)堆積對(duì)溝口造成破壞和於埋（圖6a、6b），并造成人員傷亡。在泥石流進(jìn)入金沙江后，整個(gè)過(guò)程結(jié)束。

4 結(jié)論與討論

（1）通過(guò)對(duì)2012年矮子溝泥石流的形成過(guò)程分析可以看出，該次泥石流過(guò)程主要經(jīng)歷了坡面泥石流（啟動(dòng)階段）→溝谷泥石流的過(guò)程。從啟動(dòng)型物源和補(bǔ)給型物源的分類(lèi)看，維持型物源規(guī)模（14×104m3）約為啟動(dòng)型物源規(guī)模（21×104m3）的67%。同樣，通過(guò)對(duì)四川省瀘定縣干溝2005年泥石流過(guò)程中的研究表明，該次泥石流啟動(dòng)型物源規(guī)模（3.0×104m3）約為啟動(dòng)型物源規(guī)模（6×104m3）的50%，兩者的研究結(jié)果極為相似［11］。這表明，低頻泥石流在啟動(dòng)過(guò)程中的物源補(bǔ)給過(guò)程具有明顯的啟動(dòng)型物源和維持型物源兩個(gè)相對(duì)微觀物源補(bǔ)給類(lèi)型及過(guò)程，對(duì)兩者規(guī)模所占比例的量化研究，可為這類(lèi)泥石流防治工程的設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

（2）通過(guò)對(duì)矮子溝泥石流的物源補(bǔ)給分類(lèi)及形成過(guò)程研究，可對(duì)矮子溝泥石流啟動(dòng)型物源區(qū)開(kāi)展針對(duì)性的坡面侵蝕防護(hù)工程控制，如在坡體上修建排水渠，使得地表雨水在匯集過(guò)程中被干擾而不會(huì)形成集中的徑流，從而不對(duì)坡面造成侵蝕而形成坡面泥石流，以達(dá)到有效干擾或抑制泥石流形成的目的。同樣，對(duì)維持型物源區(qū)開(kāi)展針對(duì)性的溝床沖刷防護(hù)工程控制，如在溝道內(nèi)修建能防治泥石流下蝕的潛壩，以保護(hù)溝床不受溝道徑流的沖刷，還可以在維持型物源區(qū)修建多級(jí)谷坊壩，可以有效削弱泥石流的洪峰流量等。

（3）在一次大規(guī)模的低頻泥石流發(fā)生后，該次泥石流過(guò)程搬運(yùn)的大量松散固體物質(zhì)在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，極易在溝道徑流的作用下啟動(dòng)形成高頻率的小規(guī)模泥石流。如何來(lái)界定低頻泥石流與高頻泥石流的差別？根據(jù)目前的研究成果，在對(duì)低頻泥石流定義時(shí)，需要限定特定的規(guī)模條件下的泥石流頻率，否則高頻和低頻泥石流的劃分沒(méi)有實(shí)際意義。

［1］ 崔鵬，韋方強(qiáng)，謝洪，等.中國(guó)西部泥石流及其減災(zāi)對(duì)策［J］.第四紀(jì)研究，2003，23（2）：142－151.

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Formation of Typical Low-frequency Debris Flow Process Based on Remote Sensing Data——Take Aizi Debris Flow in Ningnan，Sichuan Province as An Exanple

Tie Yongbo1and Hu Kaiheng2
（1．Chengdu Center of China Geological Survey，Chengdu Institute of Geology and Mineral Resources，Chengdu 610081，China；2．Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences＆Ministry ofWater Conservancy，Chengdu 610041，China）

Aizi gully in Ningnan country Sichuan province occurred debris flow on 28，June 2012 and caused serious casualties.Based on the field survey after the occurrence of debris flow and the interpretation of satellite image datawith 0.5meter resolution ratio before debris flow occurrence（February 2012）and after the event（January 2013），the difference characteristics of debris flow gully are analyzed and compared.Results show that the debris flow process in 2012 is typical hydraulic-driven type，the process can be divided into four process：①The heavy rainfall generate the slope flow in short time，and the flow damage the stability of deposit on slope by erosion and initiates slope debris flow，then the slope debris flow run into channel of Aizi gully.②The slope debris flow cuts and erodes the gully bed intensively and damages the stability of deposit，then initiates the louse soil in the bed.③After the cutting by flow in channel，the deposit in the channel bed continue damaged from upstream to downstream and provides enough loose source to debris flow movement and enlarge it′s volume.④The kinetic energy of debris flow decreased at the limitation of landform and turn into deposit，which means the finish of debris flow process. The results from the loose source supply shows that the source for debris flow initiation can be divided into two types，one is initiating source which provide necessary loose source for the first step of debris flow initiation，the other one is themaintaining source which provide the loose source tomaintain the continuemovement and enlarge the volume of debris flow.Based on the comparison of themechanism of source supply in Aizi debris flow to others debris flow events，it is found that there have the obviously two source supply phases for lower return period debris flow process，which can be useful for it′smitigation.

debris flow with low return period；source supply；supply classification；formation；Aizi gully；Ningnan in Sichuan province

S423；X43

A

1000－811X（2014）03－0077－04

10.3969／j.issn.1000－811X.2014.03.015

鐵永波，胡凱衡.基于遙感解譯的典型低頻泥石流形成機(jī)制研究——以四川省寧南縣矮子溝泥石流為例［J］.災(zāi)害學(xué)，2014，29（3）：77－80.［Tie Yongbo and Hu Kaiheng.Formation of Typical Low-frequency Debris Flow Process Based on Remote Sensing Data——Take AiziDebris Flow in Ningnan，Sichuan Province as An Exanple［J］.Journal of Catastrophology，2014，29（3）：77－80.］*

2013－12－17 修改日期：2014－01－14

國(guó)家自然科學(xué)基金（41101086）；中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目（12120113010200）

鐵永波（1979－），男，云南大關(guān)人，博士，副研究員，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事環(huán)境地質(zhì)和災(zāi)害地貌方向研究.

E－mail：tyongbo＠cgs.cn