馬 煜，李彩俠

(成都理工大學工程技術(shù)學院資源勘查與土木工程系，四川 樂山 614000)

0 引言

泥石流的發(fā)生需要滿足地形因子、物源因子和降水因子，這三大因子不同程度上控制著泥石流的發(fā)生。但在一個小流域范圍內(nèi)，物源因子和降水因子被認為基本接近或近似一致，在這樣限定的條件下地形因子對泥石流的發(fā)生起著的首要作用。目前國內(nèi)外學者對泥石流形成的三大因子所占地位孰重孰輕很少給出明確的結(jié)論，以致在泥石流預警評價中仁者見仁或模糊不清[1]。各學者對地形因子研究主要集中在三種方法的研究。(1)統(tǒng)計法。大多學者通過統(tǒng)計法來探討地形因素和泥石流發(fā)生的關(guān)系，但具有局限性[2-3]。范正成等[4]對臺灣地區(qū)泥石流的坡度與匯水區(qū)域進行研究，顯示溝道匯水面積，溝床坡度與發(fā)生泥石流災害的潛能大小成正向。VanDine[5]通過統(tǒng)計近15年某一區(qū)域泥石流資料得出匯水面越小，越容易發(fā)生泥石流。Campbell[6]曾統(tǒng)計美國加州地區(qū)過去數(shù)年發(fā)生的泥石流記錄資料，顯示泥石流發(fā)生平均坡度介于26°～45°。(2)經(jīng)驗或半經(jīng)驗法。吳正堂[7]利用高橋保理論公式，選定以溝床坡度及流域面積兩個為不隨時間變化的地形因子，作為判定泥石流易發(fā)程度的指標。簡佐伊[8]根據(jù)滲流力與孔隙水壓力之間關(guān)系討論巖石種類、溝谷坡面坡向、溝谷坡面坡度、匯水區(qū)面積對泥石流發(fā)生可能性的影響。(3)現(xiàn)場調(diào)查法。朱淵[9], 禹磊[10]和朱云波等[11]通過現(xiàn)場調(diào)查討論了匯水區(qū)面積、主溝長度、形狀系數(shù)和溝床坡度對泥石流易發(fā)性的影響?？梢妵鴥?nèi)外學者對泥石流發(fā)生的地形因素研究雖不在少數(shù)，但缺陷是對某單一因素的研究分析且多數(shù)采用統(tǒng)計的方法進行，并沒有給出明確的判別指標，本文采用統(tǒng)計和調(diào)查法，建立在前人研究的成果基礎(chǔ)上研究地形因子對泥石流易發(fā)程度的影響，尋求一個能夠代表全部地形參數(shù)的綜合因子來初步判定泥石流發(fā)生與否，為初步判斷泥石流的發(fā)生提供一種簡單的途徑且使其具有一定的應(yīng)用性。

本文以龍溪河流域為研究對象，一方面因為龍溪河流域面積96.78 km2，可以保證整個流域范圍內(nèi)物源因子和降水因子基本一致。其二因為在2010年8月13日該流域出現(xiàn)了45條泥石溝，同一時間發(fā)生泥石流可以排除其它因素對泥石流發(fā)生的影響，這也為地形因子的研究創(chuàng)造了一個良好條件。筆者在野外踏勘和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上分析了龍溪河流域泥石流溝的地形因子，選取流域面積、主溝長度、相對高差、溝道縱比降等關(guān)鍵參數(shù)進行研究而獲得一個綜合地形因子G，在同一流域范圍內(nèi)，通過G初步判斷泥石流的發(fā)生與否，對泥石流的預測預報具有重要指導意義。

1 龍溪河流域環(huán)境地質(zhì)條件

龍溪河流域?qū)籴航饔虻囊患壸恿饔?，在地形上屬?中山及河谷平壩階梯狀分布，地貌上屬構(gòu)造侵蝕地貌、堆積侵蝕地貌及構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌。龍溪河始于龍溪河流域北端的龍池崗，至南端的楠木園入岷江，流向總體由北向南，流域面積96.78 km2，主流域全長18.22 km，平均溝床比降達126‰，相對高差2 274 m，平均流量3.44 m3/s，最大流量300 m3/s，最小流量0.2 m3/s。該流域平面呈樹杈狀分布，以主溝龍溪河居中，在其兩側(cè)發(fā)育有多條一級支溝的泥石流溝。

龍溪河流域?qū)偎拇ㄅ璧刂衼啛釒駶櫦撅L氣侯區(qū)，氣候溫和，降水充沛，四季分明。通過對龍池鎮(zhèn)區(qū)域1957年以來近 50 a的氣溫和降雨資料統(tǒng)計分析[12]，龍池鎮(zhèn)極端最高溫35℃，極端最低溫-4.1 ℃，年平均氣溫12.2 ℃；年平均降水量1 134.8 mm，最大月降水量為592.9 mm，最大日降雨量達245.7 mm，最大1 h降雨量為83.9 mm，最大10 min降雨量23.98 mm，降雨主要集中在 5～9月，降雨量占全年降雨量的 80%以上。降雨具有波動變幅大、降水集中、雨強大和暴雨頻率高的特點，這些特點有利于洪水災害和泥石流等災害的發(fā)生。

龍溪河流域內(nèi)出露巖性主要以砂巖、泥巖、碳質(zhì)頁巖為主，安山巖、花崗巖次之?！?·12”地震的發(fā)震斷裂虹口-映秀斷裂帶(映秀—北川斷裂帶一部分)從流域內(nèi)的穿過，導致流域內(nèi)巖層破碎，產(chǎn)生大量崩塌滑坡。汶川地震后，龍溪河流域發(fā)育有大量的崩塌滑坡及松散堆積物，龍池“8·13”群發(fā)泥石流后的龍溪河流域仍然發(fā)育有崩塌滑坡66個，物源量約1.692×107m3，為泥石流的暴發(fā)提供了豐富的物源條件[13]。

2 龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)特征

2.1 地形因子的分析和選取

泥石流形成的地形因子主要包括流域面積、主溝長度、相對高差、溝道縱比降等關(guān)鍵參數(shù)。流域面積的大小反映了匯水區(qū)域形成泥石流的難易程度，較小面積的匯水區(qū)更容易形成泥石流；溝道縱比降的大小反映了松散物源由勢能轉(zhuǎn)化動能的難易程度，縱比降越大，松散物源在降水作用下越容易向下運動形成泥石流；流域面積越大，溝道縱比降會相對降低，從而會減小泥石流運動趨勢；溝道縱比降包括了主溝長度和相對高差兩個因子，相對高差越大勢能轉(zhuǎn)換動能就越大但主溝越長消耗泥石流動能的能力又越多；完整性系數(shù)包含流域面積和主溝長度兩個因子可以在一定程度上反映出二者對泥石流的影響?？梢娔嗍鞯匦我蜃又g有一定聯(lián)系性和制約性。根據(jù)李麗[14]研究，流域溝床比降和發(fā)育程度均與流域面積存在線性相關(guān)性，變化趨勢一致而且流域面積越大，泥石流形成區(qū)面積占流域總面積的比例就越小，相應(yīng)的主要物源區(qū)所占比例也隨之減小。為了簡化地形因子數(shù)量和便于統(tǒng)計分析本文選擇流域面積、完整性系數(shù)和溝道縱比降三個要素作為研究因子。

2.2 龍池泥石流溝地形因子特征值

通過野外實地踏勘和室內(nèi)數(shù)據(jù)分析，得到龍溪河流域泥石流溝溝道的地貌因子特征值(表1)。

表1 龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)

續(xù)表

3 無量綱的引入及之間關(guān)系

泥石流地形因子之間有一定的聯(lián)系性和制約性，根據(jù)余斌[15]和朱淵等[16]的研究，為了能夠?qū)Ρ劝l(fā)生和未發(fā)生泥石流溝地形條件，將地形因子無量綱化。

3.1 流域面積A*

流域面積的大小決定了集水區(qū)域和表層強烈風化物的多少，因此較大流域面積會對泥石流的發(fā)生提供較多物源和水源。由于泥石流溝通常有支溝存在，泥石流溝暴發(fā)泥石流不一定每條支溝也暴發(fā)泥石流，為了消除支溝的差異引入無量綱流域面積。

A*=A/A0

式中：A*——無量綱流域面積；

A——流域面積；A0=1 km2。

3.2 形狀系數(shù)F

形狀系數(shù)反映了流域內(nèi)匯集水流的快慢程度，常用流域面積與溝道長度的平方之比值表示，為無量綱數(shù)，該系數(shù)越大說明該流域有利于水的匯集。

F=A/L2

式中：F——形狀系數(shù)；

A——流域面積；

L——溝道長度。

圖1可知，F(xiàn)與A*的關(guān)系分布比較分散，關(guān)系不是很明確，按照冪函數(shù)擬合曲線近乎于平行于A*坐標。此規(guī)律與學者朱淵[16]和李麗[14]的研究結(jié)論基本一致,可見形狀系數(shù)并不能完全代表地形因子，該區(qū)域內(nèi)巖性、泥石流溝所在坡向和高差對泥石流發(fā)生也有不同影響。

圖1 形狀系數(shù)F與流域面積A*的關(guān)系Fig.1 Relationship between shape factor F and catchment area A*

3.3 溝道縱比降J

溝道縱比降是溝道相對高差與溝道長度的比值，為無量綱數(shù)。按照運動學方程，該值越大，泥石流流動速度越大，造成的沖擊力就越大。

J=H/L

式中：J——溝道縱比降；

H——相對高差；

L——溝道長度。

由圖2可知，溝道坡降隨著A*的增大而減小，J與A*的關(guān)系分布按照冪函數(shù)擬合曲線相關(guān)性較好，各泥石流基本上分布在T=J(A/A0)0.2=0.45曲線的兩側(cè)，可見J隨A*的分布規(guī)律相比F與A*的分布具有較明顯的規(guī)律性，也就是說溝道比降對泥石流發(fā)生的影響要比形狀面積對泥石流發(fā)生的影響重要。

圖2 溝道比降J與流域面積A*的關(guān)系Fig.2 Relationship between channel ratio drop J and catchment area A*

4 綜合地形因子的建立

由圖1、圖2可知，形狀系數(shù)和溝道坡降都與流域面積有一定關(guān)系，只是F與A*的關(guān)系不是很明確，J與A*的關(guān)系相對較明顯但F和J均為無量綱，因此引進另外一個無量綱因子T，使其能包含形狀系數(shù)和溝道縱比降2個地形因子，我們用T=F×J表示。

圖3 綜合地形因子T與流域面積A*的關(guān)系Fig.3 Relationship between comprehensive terrain factor T and catchment area A*

由圖3可知，綜合因子T隨著A*的增大而減小，但T與A*的關(guān)系分布按照冪函數(shù)擬合曲線相關(guān)性較好，各泥石流基本上分布在G=T(A/A0)0.2=0.31曲線的兩側(cè)，T隨A*的分布規(guī)律與J與A*的分布具有相同的冪函數(shù)形態(tài)分布。由于F隨A*的擬合規(guī)律近乎平行于A*軸，所以形狀系數(shù)和溝道縱比降綜合因子T隨A*的分布規(guī)律與J與A*的分布具有相同的冪函數(shù)形態(tài)分布。由于因子T反映了形狀系數(shù)和溝道縱比降2個重要的地形因子，可見T因子對泥石流發(fā)生的影響也要比形狀面積對泥石流發(fā)生的影響重要，另一方面隨著A*的增大，T因子越小即流域面積越大泥石流的發(fā)生程度反而越小。

由圖1～圖3變化趨勢我們綜合考慮再引進一個地形因子G，使其因子即能包含形狀系數(shù)和溝道縱比降，還能體現(xiàn)二者與流域面積之間的關(guān)系。并對其作無量綱化處理， 其公式如下：

G=T(A/A0)0.2=FJ(A/A0)0.2

式中各因子指數(shù)代表了在泥石流發(fā)生地形條件中的重要程度，可以看出溝道比降>形狀系數(shù)>流域面積，且各因子均為無量綱，也便于進行計算和比較。

5 地形因子對龍溪河流域泥石流溝影響

研究區(qū)流域面積96.78 km2，直線距離2008年汶川發(fā)震帶約11 km，區(qū)域出露巖性以花崗巖、安山巖為主，地質(zhì)、地震、水文等條件可認為基本相同，以2010年8月13日該流域發(fā)生的34條泥石流溝和未發(fā)生的13條泥石流溝為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同一區(qū)域、同一時間發(fā)生的泥石流來討論地形因子對泥石流發(fā)生的影響更有合理意義。

圖4 龍溪河流域泥石流溝發(fā)生條件劃分Fig.4 Occuring condition on debris flows in Longxi River Area

圖4可以明顯的看出泥石流的發(fā)生與地形綜合因子T的規(guī)律，發(fā)生泥石流溝和未發(fā)生泥石流溝明顯的分布在G=T(A/A0)0.2=0.20曲線的兩側(cè)。圖4顯示當G≥0.20時為發(fā)生泥石流的溝，G<0.20時為未發(fā)生泥石流的溝。雖然圖中有個別點的偏離比較大，因為本研究只考慮了地形條件而沒有考慮降雨、物源等條件，這樣的偏離有一定的合理性，綜合來說用G=0.20來區(qū)分該區(qū)域泥石流溝是否發(fā)生泥石流有一定指導意義。這種劃分的方法可以省去野外實地調(diào)查的過程，可以在去野外之前通過地形條件初步判定泥石流溝發(fā)生可能性，給野外調(diào)查提供了針對性的方向，使我們有針對性地對其進行重點調(diào)查以減少災害發(fā)生的可能性。但該方法僅僅是通過地形條件判斷泥石流的發(fā)生，沒有綜合考慮，另外該結(jié)論具有一定的局限性，不能涵蓋所有的地形條件，故適應(yīng)性有待進一步的研究。

由以上可以看出G因子可以在一定程度上代表地形條件對泥石流發(fā)生的影響，雖然G因子是龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)的統(tǒng)計結(jié)果，這種統(tǒng)計方法得到的結(jié)論應(yīng)有一定的適用性。為了驗證筆者選取彭州白水河流域泥石流溝對地形因子G進行了驗證。一方面因為白水河流域面積82.93 km2，可以基本保證整個流域范圍內(nèi)物源因子和降水因子基本一致。其二因為在汶川地震后該流域出現(xiàn)了11條泥石溝，基本同一時間段發(fā)生泥石流可以排除其它因素對泥石流發(fā)生的影響，這也為地形因子的研究創(chuàng)造了一個良好條件。G因子對白水河流域泥石流溝發(fā)生與否的影響見圖5，圖5表明發(fā)生泥石流溝和未發(fā)生泥石流溝明顯的分布在G=T(A/A0)0.2=0.25曲線的兩側(cè)，當G≥0.25時為發(fā)生泥石流的溝，G<0.25時為未發(fā)生泥石流的溝?？梢奊因子的影響規(guī)律在該地區(qū)同樣適用。

圖5 白水河流域泥石流溝發(fā)生條件劃分Fig.5 Occurring condition on debris flows in Baishui River Area

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

(1)泥石流形成的地形因子主要包括流域面積、形狀系數(shù)、溝道比降等關(guān)鍵參數(shù)，且各因子對泥石流發(fā)生影響的重要程度為溝道比降>形狀系數(shù)>流域面積。

(2)對各因子進行研究得到了能夠全面反映地形條件的綜合地形因子G；G=T(A/A0)0.2。G因子與泥石流的發(fā)生與否成正向關(guān)系，即G因子越大，越容易發(fā)生泥石流。

(3)通過對龍溪河流域泥石流溝的地形因子分析發(fā)現(xiàn)：G≥0.20時會發(fā)生泥石流，G<0.20時不會發(fā)生泥石流。通過白水河流域的驗證，得到了一致的結(jié)論。但由于兩個區(qū)域不同，G因子值不同。

6.2 建議

該成果是在其他條件相同和近似的基礎(chǔ)上單一來研究地形條件的，因而具有一定局限性。另外選取流域泥石流溝發(fā)生主要是地震后形成的，對于地震前發(fā)生的泥石流不一定適用。

由于研究工作部分基于泥石流的形成機理，研究成果雖有一些不足，但可用于其他區(qū)域的泥石流易發(fā)性的預測，為泥石流的初步預測預報提供了一個較好的方法。

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