李元靈, 王軍朝, 陳 龍, 劉建康, 楊東旭, 張佳佳

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 探礦工藝研究所, 成都 611734; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心, 成都 611734)

帕隆藏布流域位于西藏東南部，是我國(guó)海洋性冰川的主要分布地區(qū)[1]。由于該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍、山高谷深、降水充沛及現(xiàn)代冰川活躍，導(dǎo)致流域內(nèi)發(fā)生的冰川泥石流數(shù)量多、規(guī)模大、分布集中、暴發(fā)頻率高、危害大[2]。近幾十年來(lái)，帕隆藏布流域內(nèi)頻頻暴發(fā)的泥石流災(zāi)害嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳?，并阻礙G318的正常通行。國(guó)內(nèi)學(xué)者亦對(duì)該區(qū)域的泥石流分外關(guān)注，開(kāi)展了大量的研究工作，分析該區(qū)域泥石流形成的氣象背景、地貌條件、泥石流啟動(dòng)特征等。20世紀(jì)50年代為修建川藏公路，以齊樹(shù)春為代表的工程技術(shù)人員和西藏自治區(qū)交通廳科學(xué)研究所的專(zhuān)家對(duì)帕隆藏布流域的冰川泥石流進(jìn)行了探索研究，積累了大量基礎(chǔ)資料，對(duì)冰川泥石流也形成了初步認(rèn)識(shí)；60,70年代，以中科院蘭州冰川凍土研究所的施雅風(fēng)[3]、杜榕桓[4]等為主的研究人員進(jìn)行了半定位觀測(cè)研究，并對(duì)區(qū)內(nèi)的冰川泥石流進(jìn)行了廣泛的考察研究，提出了著名的古鄉(xiāng)冰川泥石流流速計(jì)算公式；70年代中期—90年代，中科院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所和蘭州冰川凍土研究所等對(duì)區(qū)內(nèi)泥石流進(jìn)行了較為全面的考察、勘測(cè)和研究，較為透徹地分析了冰川泥石流的形成機(jī)制及發(fā)展趨勢(shì)，提出了川藏公路西藏境內(nèi)沿線的泥石流流速計(jì)算公式[5]；2000年以來(lái)，成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所在區(qū)內(nèi)持續(xù)開(kāi)展觀測(cè)及研究工作，得到了不少研究成果[6]。

區(qū)內(nèi)泥石流一直較為活躍，尤其在目前全球變暖的氣候條件下，區(qū)內(nèi)冰川強(qiáng)烈消融，釋放出大量松散冰磧物及冰雪融水，為泥石流活動(dòng)提供了良好的條件。近年來(lái)，區(qū)內(nèi)泥石流時(shí)有發(fā)生。2016年9月5日，帕隆藏布流域古鄉(xiāng)段相鄰幾條泥石流溝集中暴發(fā)，造成較為嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失，并阻礙了G318國(guó)道的正常通行。這幾條泥石流暴發(fā)時(shí)間及空間上均高度集中，分析此次群發(fā)性泥石流事件，利于掌握該區(qū)域泥石流災(zāi)害的現(xiàn)狀，推測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，指導(dǎo)該區(qū)泥石流的監(jiān)測(cè)預(yù)警工作，為防災(zāi)減災(zāi)工作提供支撐，對(duì)川藏鐵路及高等級(jí)公路的修建有重要參考價(jià)值。

1 區(qū)域概況

帕隆藏布位于西藏自治區(qū)東南部，屬青藏高原強(qiáng)烈切割的邊緣山地，山高谷深，地形坡度大。地跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結(jié)合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構(gòu)造結(jié)，為一強(qiáng)烈擠壓、碰撞、旋扭走滑、急劇伸展隆升、地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜的造山帶。近3 Ma以來(lái)的地殼垂直隆升速率達(dá)3 mm/a[5]。帕隆藏布流域范圍內(nèi)主要斷裂為嘉黎斷裂，沿帕隆藏布河谷展布，總體走向近東西向，呈向北凸出的弧形。該區(qū)域地震活動(dòng)頻繁，20世紀(jì)40年代至今發(fā)生3級(jí)以上地震近200余次[7]。地層上歸屬于藏滇地層大區(qū)，巖漿巖、變質(zhì)巖相對(duì)發(fā)育，未變質(zhì)的沉積巖零星出露。高山區(qū)基巖裸露，巖性以花崗巖、片麻巖為主，坡麓為崩坡積物，河谷為沖洪積物。帕隆藏布流域海洋性冰川發(fā)育，由于朝向不同，兩岸溝谷地貌特征及冰川發(fā)育特征存在明顯差異。流域北岸為陽(yáng)坡，溝谷內(nèi)冰川因接受更多日照而更易消融，溝谷上游多發(fā)育有冰斗和冰蝕圍谷，圍谷內(nèi)堆積有大量冰磧物，溝谷下游溝道狹窄，岸坡陡立；南岸為陰坡，日照相較于北岸要少，因而消融量少，冰川運(yùn)動(dòng)更為強(qiáng)烈，因而南岸溝谷多為冰川U型谷。區(qū)內(nèi)降雨充沛，主要受益于來(lái)自印度洋的暖濕氣流。波密縣城年均降雨多在800～1 000 mm。在通麥、東久一帶，由于逆江而上的印度洋氣流受高山阻截，形成多雨、暴雨區(qū)，年降水量可達(dá)1 127 mm?；谂谅〔夭剂饔蛏鲜龅孛病⒌刭|(zhì)、氣象水文等特征，該區(qū)域泥石流形成條件好，暴發(fā)頻次高、規(guī)模大[8]。

2 泥石流活動(dòng)特征

2016年9月5日，位于帕隆藏布流域古鄉(xiāng)段的比通溝、赤擔(dān)隆巴、角隆溝同時(shí)暴發(fā)泥石流，其中比通溝泥石流致使電塔架設(shè)施工工棚損毀、G318短時(shí)中斷，赤擔(dān)隆巴泥石流致使當(dāng)?shù)鼐用癜l(fā)電設(shè)施被毀，道路被淤埋，造成一定經(jīng)濟(jì)損失。本次暴發(fā)泥石流的地理位置如圖1所示。由于比通溝、赤擔(dān)隆巴泥石流分別位于帕隆藏布南北兩岸，在地形地貌、物源特征等方面均具有各自的特性，也代表著帕隆藏布該段南北兩岸的泥石流的特征，且二者暴發(fā)規(guī)模較大、致災(zāi)較重，以下論述比通溝與赤擔(dān)隆巴的泥石流活動(dòng)特征及成因。

2.1 比通溝泥石流

2016年9月5日清晨6：30，比通溝泥石流暴發(fā)，部分泥石流沖出物躍上距溝底4.6 m的鋼橋，淤埋公路，阻礙了G318的通行(圖2)，并損毀了左岸的電力施工工棚，所幸未造成人員傷亡。在匯入主河前，泥石流強(qiáng)烈磨蝕新修筑的排導(dǎo)槽，在排導(dǎo)槽表面形成約5～10 cm深的凹槽，致使混凝土內(nèi)鋼筋裸露出來(lái)，對(duì)排導(dǎo)槽的使用壽命造成不良影響。

圖1研究區(qū)位置

圖2比通溝泥石流躍上鋼橋淤埋公路

根據(jù)實(shí)地調(diào)查及試驗(yàn)，測(cè)算得泥石流的容重為γc=1.8 t/m3，為粘性泥石流。選定出山口處穩(wěn)定溝道，根據(jù)粘性泥石流流速的通用計(jì)算公式(1)，計(jì)算該處泥石流流速Vc=8.77 m/s，按公式(2)計(jì)算峰值流量為447.27 m3/s，按公式(3)計(jì)算其本次過(guò)流總量為2.01萬(wàn)m3。

(1)

Qc=Wc·Vc

(2)

Q=K·T·Qc

(3)

式中：Vc為泥石流流速；nc為粘性泥石流的溝床糙率；Hc為平均泥深；Ic為泥位縱坡率；Qc為峰值流量；Wc為過(guò)流斷面面積；Q為過(guò)流總量；T為泥石流歷時(shí)；K取0.037 8。

2.2 赤擔(dān)隆巴泥石流

同日中午11點(diǎn)，位于帕隆藏布南岸的赤擔(dān)隆巴暴發(fā)泥石流，損毀多個(gè)小型發(fā)電設(shè)施，摧毀轉(zhuǎn)經(jīng)房，淤埋道路(圖3)，致使當(dāng)?shù)鼐用駸o(wú)法出行，對(duì)其生活造成嚴(yán)重影響。據(jù)實(shí)地調(diào)查，溝道內(nèi)泥痕3 m，溝道沿途多處寬緩處可見(jiàn)大量巨石、塊石架空堆積，靠溝道內(nèi)側(cè)塊石塊徑較大，往外側(cè)逐漸減小。由于主溝道方向在出山口處以近直角的角度由向北轉(zhuǎn)為向西，泥石流未沿原溝道沖出，而是翻過(guò)溝道，堆積于老扇之上，新堆積扇寬60余米。部分泥石流沖出物質(zhì)直抵主河，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中掏蝕河堤形成凹槽，由于主河水流速度較大，未在河岸出現(xiàn)大量堆積、擠壓主河的現(xiàn)象。

圖3赤擔(dān)隆巴泥石流淤埋公路

根據(jù)上文所述方法，計(jì)算得出山口處泥石流流速Vc=6.56 m/s，峰值流量為Qc=267.64 m3/s，過(guò)流總量約2.2萬(wàn)m3。本次群發(fā)泥石流的基本信息如表1所示。

表1 泥石流基本特征

3 泥石流成因分析

3.1 地形地貌條件

地形地貌條件是泥石流形成的必要條件，控制著泥石流的啟動(dòng)、搬運(yùn)與堆積[9]。帕隆藏布流域地貌上屬深切割高山峽谷地貌，山勢(shì)險(xiǎn)峻、河流深切，為泥石流的形成提供了良好的地形地貌條件。

比通溝流域形態(tài)呈漏斗狀(圖4)，利于地表徑流的匯流集中。流域面積23.7 km2，主溝長(zhǎng)7.1 km。流域最高點(diǎn)高程為5 560 m，溝口與帕隆藏布交匯處高程為2 429 m，流域相對(duì)高差為3 131 m，巨大的流域高差為泥石流活動(dòng)提供了良好的地勢(shì)條件。溝道平均縱比降321.7‰，物源區(qū)和流通區(qū)平均縱坡降約為464.4‰。溝域兩側(cè)地勢(shì)陡峭，平均坡度大于32°，溝道縱坡降較大，尤其是主溝上游段及各支溝縱坡降都在450‰以上，有利于降雨的匯集。比通溝物源區(qū)呈寬U型谷，利于物源的積累聚集。流通區(qū)溝道狹窄，呈V型谷，易形成堵潰，從而增加泥石流的峰值流量。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，流通區(qū)下段約500 m長(zhǎng)溝道內(nèi)產(chǎn)生堵潰點(diǎn)5處，對(duì)比無(wú)人機(jī)航拍影像及遙感影像，推測(cè)溝道內(nèi)堵潰點(diǎn)達(dá)數(shù)十處。這使泥石流在沖出的過(guò)程中，不斷地產(chǎn)生“堵潰循環(huán)”，從而使得泥石流物質(zhì)逐級(jí)積累，規(guī)模增大。這也是本次比通溝暴發(fā)泥石流規(guī)模不大，龍頭卻足以躍上溝口鋼架橋的原因。

圖4比通溝泥石流流域全貌

赤擔(dān)隆巴流域形態(tài)近矩形(圖5)，流域面積27.5 km2，主溝長(zhǎng)8 km，主溝道上下游坡度較為一致，平均縱比降233.9‰，為泥石流發(fā)育提供良好的地勢(shì)條件。溝源處發(fā)育有冰蝕圍谷，利于物源、水源的聚集。溝谷上下游均呈寬U型谷，溝道整體較為寬緩，泥石流暴發(fā)后多順溝下泄，不易產(chǎn)生堵潰。溝道兩岸山坡坡度較為一致，約30°。流域后緣較為平緩，溝道縱剖面呈直線。因而從地貌特征來(lái)看，赤擔(dān)隆巴流域發(fā)育程度較高，但仍具有形成泥石流的地形條件。

3.2 物源條件

該區(qū)域由于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)劇烈、冰川作用、寒凍風(fēng)化及凍融風(fēng)化作用強(qiáng)烈等原因，松散物質(zhì)儲(chǔ)量豐富[8]。該區(qū)域泥石流物源包括冰磧物源、崩滑物源、溝道物源、坡面物源幾類(lèi)。帕隆藏布流域海洋性冰川廣布，使得該區(qū)域內(nèi)冰磧物分布廣、規(guī)模大，冰磧物厚度達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)百米。而近代以來(lái)受全球氣候變暖的影響，現(xiàn)代冰川劇烈消融、退縮，冰川中的固體物質(zhì)不斷地釋放出來(lái)，補(bǔ)充泥石流松散物源。并且，現(xiàn)代冰川前緣冰磧物結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性差，尤在冰雪融水或大氣降水條件下易失穩(wěn)轉(zhuǎn)化為泥石流物質(zhì)。因而，冰磧物源是該區(qū)域泥石流的主要物源。

圖5赤擔(dān)隆巴泥石流流域全貌

通過(guò)實(shí)地調(diào)查及遙感影像調(diào)查對(duì)本次群發(fā)性泥石流的物源進(jìn)行調(diào)查，查明比通溝與赤擔(dān)隆巴泥石流物源類(lèi)型及其總量和動(dòng)儲(chǔ)量。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，比通溝泥石流的物源以溝源處冰斗內(nèi)巨厚松散的冰磧物源為主(表2)。冰磧物磨圓差、無(wú)分選、未膠結(jié)，經(jīng)溝道侵蝕形成高陡臨空面(圖6)，穩(wěn)定性差，易在降雨或冰雪融水作用下失穩(wěn)進(jìn)入溝道，參與泥石流活動(dòng)。溝道兩岸可見(jiàn)大量崩滑物源，雖規(guī)模不大，但由于流通區(qū)溝道狹窄，崩滑物源進(jìn)入溝道后造成多處堵塞(圖8)，產(chǎn)生堵潰放大效應(yīng)，對(duì)泥石流活動(dòng)的影響較大。統(tǒng)計(jì)比通溝泥石流物源如表2所示。

赤擔(dān)隆巴泥石流松散冰磧物源占其物源總量的大部分(表2)。溝源處左岸現(xiàn)代冰川冰磧物前緣高陡，易失穩(wěn)進(jìn)入溝道參與泥石流活動(dòng)(圖7)。赤擔(dān)隆巴泥石流溝道寬緩，兩岸山坡坡度相對(duì)較緩，植被茂密，因而溝道兩岸的坡面物源及崩滑物源較少，少量溝道松散物質(zhì)在泥石流的沖刷下參與泥石流活動(dòng)(圖9)。

表2 泥石流物源統(tǒng)計(jì) 104m3

圖6比通溝溝源處冰磧物源

圖7赤擔(dān)隆巴溝源處冰磧物源

圖8比通溝泥石崩滑物源

圖9赤擔(dān)隆巴泥石流崩滑物源與溝道物源

3.3 水動(dòng)力條件

分析泥石流的水動(dòng)力條件，應(yīng)選取泥石流溝口及溝源處氣象站所獲的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行研究[10]。然而，研究區(qū)內(nèi)區(qū)域氣象站較少，僅在帕隆藏布河谷有零星分布，當(dāng)前無(wú)高山氣象觀測(cè)站[11]。比通溝溝口建有區(qū)域氣象站(站名：古鄉(xiāng)U4027)，但由于其未完整獲取泥石流暴發(fā)當(dāng)天的氣象數(shù)據(jù)，因此選擇其附近的古鄉(xiāng)U4023區(qū)域氣象站所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(氣象站位置如圖1內(nèi)標(biāo)注所示)。

本次群發(fā)性泥石流前期的日平均溫度及日降雨變化過(guò)程如圖10所示。泥石流暴發(fā)前，區(qū)內(nèi)溫度持續(xù)下降，但接連出現(xiàn)強(qiáng)降雨，可見(jiàn)本次泥石流的主要誘發(fā)因素為強(qiáng)降雨。本次群發(fā)性泥石流暴發(fā)前發(fā)生一次降雨過(guò)程，尤其泥石流暴發(fā)前兩日研究區(qū)內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降雨，溝口氣象站收集到的累計(jì)降雨21.8 mm。研究區(qū)當(dāng)前無(wú)高山氣象站，參照前人根據(jù)古鄉(xiāng)溝溝口觀測(cè)站(海拔2 530 m)與溝源高山站(海拔3 750 m)降雨量觀測(cè)數(shù)據(jù)建立的降雨隨高程變化規(guī)律[12]，對(duì)比此次暴發(fā)泥石流的主要形成區(qū)(海拔3 500～4 000 m一帶)與溝口高差，推測(cè)主要形成區(qū)前兩日累計(jì)降雨約50 mm左右。充沛的前期降雨使得溝內(nèi)松散物質(zhì)含水量增加，趨近飽和，穩(wěn)定性降低，為后續(xù)泥石流的暴發(fā)做好了水源與物源的準(zhǔn)備。泥石流暴發(fā)當(dāng)天，再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨，溝口日降雨23.9 mm，推測(cè)形成區(qū)降雨達(dá)55 mm，短時(shí)強(qiáng)降雨使得溝內(nèi)物源啟動(dòng)，暴發(fā)泥石流。

圖10泥石流暴發(fā)前后日平均氣溫和日降雨

圖11泥石流暴發(fā)當(dāng)日小時(shí)降雨

圖11為泥石流暴發(fā)當(dāng)日小時(shí)降雨分布情況。9月5日6：30比通溝暴發(fā)泥石流，溝口氣象站收集到的小時(shí)降雨僅0.5 mm，但凌晨2點(diǎn)溝口的小時(shí)降雨為3.3 mm，為泥石流暴發(fā)前當(dāng)日最大小時(shí)降雨量。如前文所述比通溝的地形條件及物源條件特征，其溝道存在多處堵潰點(diǎn)，因而認(rèn)為凌晨2點(diǎn)時(shí)，溝源處的短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致冰斗內(nèi)的冰磧物源啟動(dòng)，形成泥石流，但由于溝道狹窄，溝岸崩滑物源豐富，形成數(shù)十處堵點(diǎn)，泥石流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生“堵潰循環(huán)”，泥石流物質(zhì)逐級(jí)停滯累積，最終延遲至6：30泥石流龍頭沖出溝口。因此，本次比通溝泥石流的激發(fā)小時(shí)雨量溝口觀測(cè)值為3.3 mm，按照上文同樣方法，推測(cè)主要形成區(qū)小時(shí)雨量約為7.6 mm。

9月5日11：30赤擔(dān)隆巴暴發(fā)泥石流，溝口氣象站收集到11：00的小時(shí)雨量為3.6 mm，推測(cè)主要形成區(qū)小時(shí)雨量為8.3 mm，與上文分析的比通溝泥石流激發(fā)雨量相近，認(rèn)為當(dāng)日11：00的短時(shí)強(qiáng)降雨導(dǎo)致赤擔(dān)隆巴溝源處的冰磧物源啟動(dòng)，形成泥石流。由于溝道寬緩順直，溝岸崩滑物源較少，未產(chǎn)生溝道堵塞，泥石流直接順溝下泄，堆積于老扇之上。泥石流沖出溝口的時(shí)間延遲較短。

4 結(jié) 論

(1) 北岸比通溝泥石流運(yùn)動(dòng)特征以堵潰為主。因堵潰放大效應(yīng)而形成較高的峰值流量，一方面使其龍頭部分能夠從深切的溝道中翻出，淤埋公路及工棚，形成災(zāi)害。南岸赤擔(dān)隆巴泥石流則直接順溝下泄，沖出出山口后淤埋發(fā)電設(shè)施及道路，形成災(zāi)害。

(2) 本次暴發(fā)的泥石流均擁有的良好地形及物源條件。比通溝流域形態(tài)呈“漏斗”狀，利于水源、物源向溝道內(nèi)聚集，同時(shí)也儲(chǔ)存了大量的松散冰磧物源。主溝縱比降大，為泥石流運(yùn)動(dòng)提供了良好的地勢(shì)條件。流通區(qū)溝道狹窄，崩滑物源發(fā)育，溝道內(nèi)存在數(shù)十處堵點(diǎn)，使泥石流產(chǎn)生堵潰放大效應(yīng)，增加泥石流峰值流量，提高其致災(zāi)能力。赤擔(dān)隆巴溝源處發(fā)育有冰蝕圍谷，同樣儲(chǔ)存有大量松散冰磧物源。冰蝕圍谷坡度較陡，利于物源、水源聚集，啟動(dòng)泥石流。主溝縱比降較大，溝道寬緩順直，溝岸崩滑物源較少，利于泥石流運(yùn)動(dòng)、下泄。

(3) 本次群發(fā)性泥石流的主要誘發(fā)因素為強(qiáng)降雨。泥石流暴發(fā)前兩日出現(xiàn)強(qiáng)降雨，使得溝內(nèi)松散物質(zhì)含水量增加，趨近飽和，穩(wěn)定性降低，為后續(xù)泥石流的暴發(fā)做好了水源與物源的準(zhǔn)備。泥石流暴發(fā)當(dāng)日再次出現(xiàn)強(qiáng)降雨，溝口氣象站收集到的累計(jì)降雨23.9 mm，推測(cè)溝源處降雨達(dá)55 mm，集中強(qiáng)降雨直接激發(fā)了泥石流。經(jīng)對(duì)暴發(fā)當(dāng)日小時(shí)雨量進(jìn)行分析，結(jié)合比通溝地形及物源特征，認(rèn)為其由凌晨2：00的集中降雨啟動(dòng)，但由于溝道堵塞嚴(yán)重，龍頭數(shù)小時(shí)后才到達(dá)溝口。赤擔(dān)隆巴則由11：00的集中降雨啟動(dòng)，隨后順溝下泄，堆積于老扇之上。經(jīng)分析，溝口觀測(cè)的激發(fā)本次泥石流的小時(shí)雨量為3.3～3.6 mm，推測(cè)主要形成區(qū)激發(fā)泥石流的小時(shí)雨量約為7.6～8.3 mm。

致謝：特別感謝加拿大Laval大學(xué)方向博士給予本文的熱情指導(dǎo)。