李 鈺, 甘濱蕊, 王協(xié)康, 陳明亮, 周家文

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室, 四川 成都 610065; 2.四川大學(xué) 水利水電學(xué)院, 四川 成都 610065)

我國山地面積占比大，尤其是西南山區(qū)地勢起伏大、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地質(zhì)構(gòu)造運動活躍，加之每年汛期降雨集中、雨量豐沛，使得山洪泥石流災(zāi)害頻發(fā)，給人民的生命財產(chǎn)安全帶來了巨大威脅。近年來，西南山區(qū)發(fā)生了多次強震事件，導(dǎo)致本就脆弱的西南山區(qū)地質(zhì)環(huán)境發(fā)生劇烈改變，同時產(chǎn)生了豐富的松散固體物質(zhì)，為山洪泥石流災(zāi)害的發(fā)生提供了有利的條件。中國西部山區(qū)已成為世界上山洪泥石流最發(fā)育、危害最嚴重的地區(qū)之一，僅已查明的泥石流溝就15 797條[1]。山洪泥石流是山區(qū)較為典型的一種自然災(zāi)害，具有強大的沖刷與阻塞能力，其造成的人畜傷亡、房屋垮塌、交通破壞、耕地淹埋等生命財產(chǎn)損害是不容忽視的。如2010年8月14日汶川震區(qū)映秀鎮(zhèn)紅椿溝暴發(fā)山洪泥石流，泥石流堰塞堆積體堵斷岷江主河道，引發(fā)洪水泛濫，造成13人死亡、59人失蹤，受災(zāi)群眾8 000余人[2]；2012年8月13日至18日，四川省清平鄉(xiāng)雍家溝連續(xù)降雨，致使區(qū)內(nèi)多處暴發(fā)了山洪泥石流，造成綿遠河全部堵塞，溝口的堆積區(qū)內(nèi)有15戶共56人的生活受到嚴重影響[3]；再如2017年8月8日，四川省普格縣境內(nèi)發(fā)生山洪泥石流災(zāi)害，造成巨大人員傷亡和財產(chǎn)損失(25人死亡，約1.6億元經(jīng)濟損失)[4]。

山洪泥石流含有大量泥沙、石塊，既具有暴發(fā)驟然、活動速度快、破壞力強、危害范圍廣等特征，又存在規(guī)模大小不一、影響因素復(fù)雜、預(yù)測和判別困難等不確定性，防治工作難度較大。因此，研究山洪泥石流的形成機理、動態(tài)演進過程及成災(zāi)、致災(zāi)模式是山洪泥石流災(zāi)害早期識別、監(jiān)控預(yù)警、應(yīng)急搶險與防控減災(zāi)等工作的重要基礎(chǔ)。目前，已有許多學(xué)者對山洪泥石流的形成、運動與堆積特征作了大量研究與分析。亓星等[5]通過物理模擬試驗研究發(fā)現(xiàn)，溝道的坡度對于山洪泥石流的起動特征影響顯著；有研究揭示，震后山洪泥石流啟動的小時雨強和臨界累積雨量均比震前有所降低[6]；崔鵬等[7]分析總結(jié)出，地表產(chǎn)流流量激增、土體破壞物質(zhì)供給激增、溝道堵塞體級聯(lián)潰決流量放大以及動床侵蝕規(guī)模增大，是山洪泥石流形成演化的4個關(guān)鍵過程；郭志學(xué)等[8]以支流入?yún)R水槽試驗為基礎(chǔ)，討論了泥石流堵江的影響因素，揭示了泥石流入?yún)R角、泥石流與主河的流量比、泥石流入?yún)R總量等參數(shù)的增大有利于堵江現(xiàn)象的發(fā)生，而主河寬度和主河比降的增大則不利于泥石流堵江的發(fā)展規(guī)律。

2019年7月28日至7月29日，四川省甘洛縣持續(xù)遭受強降雨，誘發(fā)多起山體滑坡，并引發(fā)山洪泥石流災(zāi)害，共計12個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，39個村落受災(zāi)。災(zāi)害致使多處房屋倒塌，農(nóng)田受災(zāi)，道路中斷，橋梁損毀，水利工程及水電站廠區(qū)受損，河道堵塞，確認造成3人死亡，9人失蹤。2019年8月2日21時至3日10時，該縣再次普降大雨，災(zāi)情加劇，增加失蹤人數(shù)1人。截至8月9日，全縣經(jīng)濟損失約15億元。本文以四川省涼山州甘洛縣2019年群發(fā)性山洪泥石流災(zāi)害為例，通過現(xiàn)場調(diào)查與影像資料解譯，結(jié)合雨情數(shù)據(jù)和理論分析，多方面剖析了甘洛縣山洪泥石流的形成機理、演變機制與成災(zāi)及致災(zāi)模式，針對其成災(zāi)原因、災(zāi)情擴大等問題進行分析，探討了工程防治與生態(tài)防治相結(jié)合的防災(zāi)減災(zāi)對策。

1 山洪泥石流形成條件

山洪泥石流災(zāi)害形成過程的主要影響因素有：陡峭的地形條件、豐富的松散固體物源補給以及短時間內(nèi)充沛的降雨量。下文結(jié)合甘洛縣2019年汛期發(fā)生的群發(fā)性山洪泥石流災(zāi)害現(xiàn)場調(diào)查以及監(jiān)測資料針對上述3類影響因素進行分析。

1.1 地形地貌

甘洛縣位于一級階梯青藏高原到二級階梯川西高原山地的過渡帶上，屬于深切割山區(qū)，全縣山地面積約占90%左右。境內(nèi)最高海拔4 288 m，最低海拔570 m，相對高差3 718 m，總體表現(xiàn)出“四周高、中間低”的地形地貌特征。同時，因受橫斷山脈褶皺、隆起與斷裂等地質(zhì)構(gòu)造作用影響，境內(nèi)山巒起伏、溝壑縱橫，溝床縱坡比降大，河流切割作用強烈。因此，甘洛縣境內(nèi)呈現(xiàn)出的山嶺高聳，坡面陡峭，溝谷深邃，水流湍急的地貌特征，極其有利于松散固體物質(zhì)的堆積、雨后地表徑流的匯集，從而為暴雨條件下山洪泥石流的迅速形成提供了有利的地形條件。

1.2 固體物源

豐富的松散固體物質(zhì)來源是山洪泥石流形成、發(fā)育的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場調(diào)查顯示，甘洛縣境內(nèi)地層自前震旦系至第四系均有出露，出露地層的巖性復(fù)雜。部分巖層性質(zhì)軟弱，巖體卸荷，風化強烈；部分巖層堅硬卻因受構(gòu)造活動影響，易于在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生斷裂、崩落；部分軟弱巖層和堅硬巖層構(gòu)成互層，差異風化強烈，易產(chǎn)生滾石和崩塌[9]。該縣處于揚子地臺西緣的涼山拗褶帶，漢源—甘洛—昭覺大斷裂和石棉—普雄大斷裂縱貫縣境，構(gòu)造十分發(fā)育[9]。巖層長期受構(gòu)造運動的作用，巖石破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，風化剝蝕強烈。因此，當?shù)氐牡貙訋r性與地質(zhì)構(gòu)造運動利于產(chǎn)生大量松散固體物質(zhì)。其次，四川省近年來強烈、頻繁的地震作用，如2008年汶川縣8.0級地震，2013年蘆山縣7.0級地震，2017年九寨溝縣7.0級地震，2019年長寧縣6.0級地震等，使得部分巖體進一步松動、破碎，地質(zhì)條件再度惡化。再者，人類長期生產(chǎn)活動對山區(qū)坡地的不科學(xué)開墾、森林植被的過度砍伐所造成的水土流失，不合理的開礦采石致使邊坡失穩(wěn)、巖體崩落，以及隨意堆放興建各類工程所產(chǎn)生的棄石棄渣，均為山洪泥石流的形成提供了又一物質(zhì)基礎(chǔ)。上述內(nèi)外因素的綜合作用表明，甘洛地區(qū)具有儲蓄量大、補給量足的松散固體物質(zhì)來源。

1.3 降雨條件

降雨是山洪泥石流形成過程中不可忽視的因素。甘洛縣地處北緯28°38′—29°18′，屬亞熱帶氣候，降雨豐沛。該地區(qū)降雨特征主要表現(xiàn)為: ①局部性暴雨頻繁，雨量集中； ②氣候垂直變化明顯，“形成區(qū)”的降雨強度遠遠超過“流通區(qū)和堆積區(qū)”[10]。因而，在此降雨特點下迅速產(chǎn)生的集中而又豐沛的水源是甘洛山洪泥石流形成極其有利的驅(qū)動條件。以甘洛縣前進鄉(xiāng)自物村測站點雨情數(shù)據(jù)為例。圖1顯示了該測站點自2019年7月28日21：00到29日15：00的每小時降雨量及累積降雨量。降雨始于28日22：00，雨量高達37 mm/h；在29日10：00,11：00之間達到最大雨強45.5 mm/h，此后降雨強度逐漸下降；從降雨開始至29日15：00，累積降雨量達到144 mm。數(shù)據(jù)表明，該區(qū)域有著“短歷時、強暴雨”的降雨特征。

圖1 甘洛縣前進鄉(xiāng)自物村測站點2019年7月28-29日降雨數(shù)據(jù)

2 山洪泥石流形成機理分析

山洪泥石流災(zāi)害是洪水與固體物質(zhì)相互作用共同致災(zāi)的產(chǎn)物。由上述固體物源分析可知，多方面因素導(dǎo)致甘洛山區(qū)坡面、溝道內(nèi)堆積著豐富的松散固體物質(zhì)。研究[11]表明，震后溝道松散堆積體失穩(wěn)并形成山洪泥石流，是降雨作用導(dǎo)致堆積體內(nèi)潛水位不斷抬升、水力環(huán)境不斷劣化的結(jié)果。如圖2所示，伴隨著強降雨的發(fā)生，一部分雨水形成地表徑流，不斷沖刷結(jié)構(gòu)松散的坡面土石體，使其迅速匯集于溝道內(nèi)；同時溝道內(nèi)各類松散堆積物的強度也因受雨水浸泡而急劇降低。另一部分雨水則入滲巖土體，增加巖土體自重同時導(dǎo)致巖土體飽和軟化，致使其孔隙水壓力升高，有效應(yīng)力減小，抗剪強度等力學(xué)性能大幅度降低，直至土體結(jié)構(gòu)破壞，成為山洪泥石流又一物質(zhì)補給。

圖2 甘洛縣山洪泥石流形成機理示意圖

當降水量充足時，各類物源開始隨地勢向下輸移。地表水通過其搬運作用不斷沖刷、侵蝕、裹挾著沿程的軟弱巖體、砂石、碎屑參與運動，翻滾、奔涌向地勢較低處。此時，充足的降雨補給，使得物源量不斷增多，流體規(guī)模由小變大，流體的力學(xué)特性也發(fā)生了本質(zhì)變化：密度增大，動能不斷發(fā)育，侵蝕能力、淤堵能力增強，使得山洪泥石流的破壞力不斷增強，災(zāi)害規(guī)模也隨之擴大。有研究者[12-13]將上述山洪泥石流形成與運動機理分析歸納為：雨水匯集—二次堆積—物源飽水開始運動(強度降低)—支溝物源沖出匯入主溝—揭底下切和側(cè)緣沖刷—山洪泥石流形成。

3 人類活動的影響

除自然環(huán)境因素以外，山洪泥石流在運動過程中受到人類活動的影響也較為顯著，主要表現(xiàn)在人居選址阻滯和工程建筑阻滯兩個方面[14]。現(xiàn)場勘查與影像解譯表明，甘洛縣田壩河流域前進鄉(xiāng)爾姑村位于勒古溝溝口處，正好處于山洪泥石流的行洪通道上，阻滯了此次山洪泥石流的流動進程，最終山洪泥石流使得該村落道路被掩埋，兩側(cè)民房均遭受不同程度的沖毀、淤埋或填充(圖3)。此外，田壩河流域前進鄉(xiāng)也因阻滯甘家溝山洪泥石流從而導(dǎo)致大方量的泥土、砂粒、石塊涌入居民區(qū)內(nèi)，部分民房被直接沖毀或掩埋過半(圖3)；上述研究表明，由于部分山洪泥石流溝道難以避繞或前期勘察、判別工作不夠詳盡等，導(dǎo)致人居選址阻滯了山洪泥石流進程，最終誘發(fā)山洪泥石流災(zāi)害，并對人居選址造成掩埋、淤堵等影響。

人類活動中工程建筑的修建也會對山洪泥石流致災(zāi)演化造成影響。此次研究區(qū)域中，位于尼日河流域的涼紅電站，正好位于山洪泥石流溝出山口處，主廠房受損嚴重。在該電站旁修建的一條橋梁由于縮減了山洪泥石流的過流能力，從而導(dǎo)致水、沙在該處的不斷停積，能量不斷蓄積。在水沙不斷沖刷橋面，蓄積能量達到橋梁的臨界承載點后，橋梁被沖毀(圖4)。工程建筑物對山洪泥石流的作用，主要表現(xiàn)為不同程度地改變了山洪泥石流的行進速度、阻礙其行洪路徑、制約其過流能力，最終導(dǎo)致山洪泥石流的能量蓄積。停積的水沙對工程建筑產(chǎn)生沖刷、撞擊等多種作用，蓄積能量的釋放甚至會造成工程建筑物的劇烈損毀，導(dǎo)致更大的災(zāi)害發(fā)生。

圖3 典型山洪泥石流民房致災(zāi)情況

圖4 山洪泥石流進入主河道時典型泥沙淤積致災(zāi)情況

4 山洪泥石流入?yún)R河道

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，山洪泥石流入?yún)R河道所引起的次生災(zāi)害是導(dǎo)致甘洛災(zāi)情規(guī)模進一步擴大的重要原因(圖5)。山洪泥石流具有高強度的輸沙能力和強烈的沖淤作用，能在很短時間內(nèi)將大量大小混雜的固體物質(zhì)輸人主河，改變主河水沙特性和河道形態(tài)，影響主河河床演變[15]。因此，山洪泥石流入?yún)R河流所帶來的間接影響也不容小覷。

在山洪泥石流的流量和密度都相對較大，且動能充足的條件下，山洪泥石流匯入主河時能夠克服主河河床的阻力及其水流的沖擊力，大量固體物質(zhì)不斷向?qū)Π哆\移，最終以堰塞壩的形式堵塞河道，截斷主河(圖6)。此時，洪水將在上游迅速形成堰塞湖，導(dǎo)致上游居民住房、農(nóng)作耕地、交通線路受災(zāi)。更嚴重的是，此堰塞壩本身強度不足，極易發(fā)生潰壩事件，造成大規(guī)模潰決洪水入侵下游區(qū)域。這將嚴重威脅下游人民的生命財產(chǎn)安全，以及沿岸交通線路和建筑工程，使得災(zāi)情規(guī)模再次擴大。

圖5 甘洛縣山洪泥石流匯入河道

圖6 山洪泥石流匯入主河道示意圖

有的山洪泥石流因固體含量相對較少、動能不充分、河道水流沖擊力強等因素，涌入河流而無法運移到對岸，在交匯區(qū)入口附近或河床中部停積下來形成堆積體，局部堵塞河道(圖6)。此類情況下，河道的過流斷面由A1縮減到A2，河道水流受到束窄，導(dǎo)致泄洪能力驟降；主河水流受擠壓后流速劇增，使得洪水不斷淘刷對岸，推移河道，改變河流路徑，致使對岸受災(zāi)。山洪泥石流局部堵塞河道同樣可導(dǎo)致水位上升而造成淹沒災(zāi)害。2019年7月29日10時，甘洛縣蘇雄鄉(xiāng)埃岱村發(fā)生山洪泥石流，約70 000 m3泥石流進入尼日河并造成河道部分阻塞，河床水位上升約8 m，淹沒沿岸工礦企業(yè)及民房(圖7)。

圖7 泥沙突變補給下誘發(fā)尼日河兩岸民房受災(zāi)情況

5 防災(zāi)減災(zāi)對策分析

山洪泥石流災(zāi)害嚴重威脅著山區(qū)人民群眾的生命財產(chǎn)安全，極大程度上制約著山區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展、生態(tài)的修復(fù)。因此，如何采取行之有效的防災(zāi)減災(zāi)措施，成為了人們關(guān)注的焦點。山洪泥石流就是水土流失“慢性病”在特定條件下的“急性發(fā)作”[16]。一方面，水土流失導(dǎo)致土體破損嚴重，土質(zhì)軟弱松散，為山洪泥石流的形成提供了豐富物源；另一方面，水土流失使得失去植被的山坡一定程度上喪失了固土蓄水、調(diào)節(jié)徑流的能力。若不采取有效的防治措施，則研究區(qū)將陷入水土流失誘發(fā)山洪泥石流、山洪泥石流暴發(fā)加劇水土流失的惡性循環(huán)之中。山洪泥石流的防災(zāi)減災(zāi)措施，應(yīng)以加強生態(tài)修復(fù)與水土保持為本，工程防治與生態(tài)防治相結(jié)合，綜合治理、全面防治。

(1) 加強山洪泥石流監(jiān)測預(yù)警工作。準確劃分山洪泥石流危險區(qū)，根據(jù)危險性分區(qū)指導(dǎo)生產(chǎn)、生活活動；建立山洪泥石流災(zāi)害監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，對危險區(qū)域進行災(zāi)害信息采集與處理，尤其在暴雨季節(jié)，還應(yīng)加強危險區(qū)的巡查、監(jiān)視工作，綜合分析山洪泥石流發(fā)生的概率及規(guī)模；健全山洪泥石流報警系統(tǒng)，并充分利用現(xiàn)代通訊技術(shù)與手段，及時向居民發(fā)布預(yù)警信息，提醒其做好必要的防災(zāi)避險措施；根據(jù)各村落實際情況，規(guī)劃撤離路線，制定應(yīng)急避難措施，最大程度地降低山洪泥石流可能造成的生命財產(chǎn)損失。

(2) 加強擬建工程的災(zāi)害評價工作?；谖髂仙絽^(qū)的現(xiàn)實情況，在進行城鎮(zhèn)規(guī)劃，道路、橋梁、水利等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)時，必須在可行性研究階段詳細開展山洪泥石流災(zāi)害專項勘察與評估工作，合理選址，盡量避讓山洪泥石流溝谷以及可能存在災(zāi)害隱患的不良地段；針對無法完全避讓山洪泥石流危險區(qū)的擬建工程，則應(yīng)合理評估山洪泥石流災(zāi)害的影響程度，提前采取必要的排導(dǎo)、攔截等工程措施，或充分考慮來沙量，預(yù)留足夠的空間作為山洪泥石流停淤場地。

(3) 修建必要的工程防護設(shè)施。山洪泥石流的工程治理措施主要是在其形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)，根據(jù)山洪泥石流特征與防護對象的不同，有針對性地修建攔擋、支護、排導(dǎo)、治水、停淤等工程設(shè)施，通過控制山洪泥石流的來沙條件、行洪路徑和輸沙能力等，制約山洪泥石流的發(fā)展與危害。甘洛縣境內(nèi)溝谷切割作用強烈，溝床堆積物豐富。因此，采用攔擋與排導(dǎo)工程相結(jié)合，如修建實體攔沙壩、格柵壩以及導(dǎo)流堤等工程，可使山洪泥石流發(fā)生頻率及規(guī)模得到有效控制，并防治山洪泥石流發(fā)生時粗粒物質(zhì)堵塞河道。

(4) 采取適宜的生態(tài)防治措施。甘洛縣山洪泥石流溝谷眾多，且大小不一，若每條溝谷都采取工程設(shè)施進行治理，經(jīng)濟成本大。因此，加強對受災(zāi)區(qū)以及可能存在災(zāi)害隱患的危險區(qū)域的生態(tài)修復(fù)工作，切實有效地進行水土保持工作，從而改善山區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)節(jié)也必不可少。生態(tài)防治主要是指通過林業(yè)措施、農(nóng)業(yè)措施以及種植措施，固結(jié)松散土體，全面控制水土流失的發(fā)生與發(fā)展。生態(tài)防治可采取積極倡導(dǎo)當?shù)匕傩胀烁€林、鞏固封山育林成果、規(guī)劃實施陡坡階梯化工程等措施，如政府投入一定資金，在退耕還林、坡改梯的地方引導(dǎo)、鼓勵百姓種植果樹、藥材等經(jīng)濟作物。這樣，既協(xié)調(diào)了人類生產(chǎn)活動與自然環(huán)境的關(guān)系，改良和科學(xué)利用了水土資源，又增添了百姓的致富渠道。

(5) 開展宣傳教育工作，增強水土保持意識。西南山區(qū)境內(nèi)山洪泥石流災(zāi)害頻發(fā)，但山區(qū)人民對山洪泥石流的形成、發(fā)展、致災(zāi)特征以及防治、應(yīng)對措施等卻缺乏了解。因此，廣泛宣傳山洪泥石流的基礎(chǔ)知識，普及防災(zāi)減災(zāi)的知識與技能，增強民眾的自我防范意識、水土保持意識也尤為重要。

6 結(jié) 論

(1) 四川省甘洛縣境內(nèi)山高溝深的地形、儲備豐富的物源、集中高強的降雨等孕育條件有利于山洪泥石流災(zāi)害的發(fā)生。其中，短期強降雨是該區(qū)山洪泥石流暴發(fā)的主要驅(qū)動條件。

(2) 山洪泥石流災(zāi)害是洪水與固體物質(zhì)相互作用共同致災(zāi)的產(chǎn)物。固體物質(zhì)的過量供應(yīng)迅速改變著流體的力學(xué)特性，形成大密度、高速度、強侵蝕的山洪泥石流，從而對災(zāi)害規(guī)模產(chǎn)生放大效應(yīng)。

(3) 由于受工程建設(shè)、民房修建等人類活動的影響，山洪泥石流在運動過程中受到部分民房、道路、電站等建筑的阻滯影響比較明顯。

(4) 山洪泥石流對災(zāi)區(qū)的危害有直接與間接之分。山洪泥石流入?yún)R主河導(dǎo)致河道局部堵塞或全面截斷，造成水流淘刷對岸、河道變遷、水位抬升、潰決洪水等一系列次生災(zāi)害，使得災(zāi)情規(guī)模加劇。

(5) 甘洛縣頻發(fā)的山洪泥石流災(zāi)害，很大程度上成為其社會經(jīng)濟發(fā)展、人民安居樂業(yè)的阻礙。因此，以防為主，工程防治與生態(tài)防治相結(jié)合，改良和科學(xué)利用水土資源，采取更加強力、更加務(wù)實的舉措加強災(zāi)區(qū)生態(tài)修復(fù)與水土保持，改善生態(tài)系統(tǒng)，是防災(zāi)減災(zāi)工作的根本所在。