高原暴雨型泥石流形成機制范文

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《水土保持通報雜志》2016年第二期

摘要：

［目的］對青海省玉樹州高原暴雨型泥石流形成機制進行研究，旨在為此類泥石流災害防治及風險減緩提供依據。［方法］以青海省玉樹州稱多縣拉隆溝暴雨型泥石流為例，通過實地調查對其形成因素及形成機制進行研究。［結果］該泥石流主溝道長約3km，流域面積5．25km2，縱坡比降212‰，高差約600m。物源區發育滑坡方量約為6．50×104m3，流域內沖出泥石流物質共約8．5×104m3，溝道內物源補給量2．0×104m3。［結論］青海省玉樹州高原暴雨型泥石流的啟動模式可總結為：滑坡—物源形成—固體物質起動—溝道侵蝕—泥石流形成。

關鍵詞：

青海省玉樹州；暴雨；泥石流；形成機制

泥石流是山區常見的地質災害之一，具有暴發突然、高流速及破壞力巨大等特點［1］。高原暴雨型誘發型泥石流是青藏高原高寒山區常見的一種特殊泥石流，其物源主要來自于坡體表部松散殘坡積物及溝內侵蝕、剝蝕的固體物質，受高海拔高寒因素影響，其水動力條件主要來自于凍融—暴雨共同作用，其中暴雨是該類型泥石流爆發的臨界誘發條件，具有爆發頻率高、高速運移、沖擊距離遠、形成規模大及危害嚴重等特點。由于其形成水動力條件（以暴雨為主，同時伴有冰雪融水）的差異，使其與內地常見暴雨型泥石流具有不同的成因機制。由于區內高寒、高海拔特點加之受自然條件限制早期人類活動較弱，暴雨型誘發型泥石流的危害很少受到人們的關注。20世紀以來，隨著區內經濟發展，旅游開發，人口大幅增加，在區內基礎設施建設中經常都遇到這類泥石流的危害。例如2012年7月3日16：00左右，位于青海玉樹稱多縣稱文鎮北側的上莊村拉隆溝發生了泥石流災害。泥石流爆發導致位于溝口牧民居民點2戶居民的房屋和畜棚等基礎設施完全被毀，5戶居民房屋成為危房，直接經濟損失120余萬元。由坡體表面松散坡積物及溝道侵蝕、剝蝕形成固體物質作為物源補給、暴雨作為其誘發水動力條件的高原暴雨型泥石流在青藏高原高寒山區極為發育，開展全面有效治理防治難度極大。因此，本研究對該區高原暴雨型泥石流形成機制進行研究，以期為防治此類泥石流災害和減緩風險提供依據。

1研究區概況

稱多縣地處青海省南部，玉樹藏族自治州東北部，巴顏額拉山中段南坡，通天河自西北向東南流經縣境西南側，扎曲（河）至雅襲江上游段，縱貫縣境中部，縣境最高巴顏喀拉山主峰5267m，最低在縣境南通天河左岸夏達村，海拔3524m，相對高差1743m。該區屬中高山地貌，山體巖性主體為三疊系砂、板巖，表部為基巖風化層和殘坡積層。區內屬高原大陸性氣候。冬季漫長，氣候寒冷。據清水河氣象站資料（1971—2007年），多年平均氣溫－4．8℃，極端最高氣溫20．4℃，極端最低氣溫－42．9℃。四季不分明，只以0℃上下分為冷暖兩季，無絕對無霜期。全年霜日數266d，日照時數2651．2h，氣溫隨海拔升高而降低。多年平均降水量503．6mm，多集中在6—9月，占全年總降水量的73．4％，50年一遇日最大降水量40．8mm，小時最大降雨量14．3mm。多年平均蒸發量1127．4mm，季節性凍深2．52m。稱多縣地處青藏高原腹地，新構造運動強烈，主要表現為以隆升為主，其繼承性和區域的差異性比較明顯，北部巴顏喀拉山及南部寧靜山大幅度隆升，而中部的河谷谷地則表現為振蕩式的隆升，為泥石流的發育及發生提供了有利的地形地貌條件［2］。根據區內地質災害詳查研究資料，區內主要發育55條泥石流主要分布于通天河左岸支溝，給當地人民生命財產、生產及生活造成較大的威脅和危害。區內泥石流溝總的特征為溝谷切割強烈，一般500～800m，溝槽橫斷面多呈V形，谷坡坡度在40°～50°，植被覆蓋較差，坡面風化剝蝕強烈，主溝縱坡降較大，有利于水流匯集，物質來源主要為坡面凍融風化物及溝內侵蝕，泥石流規模以中小型為主。2012年7月爆發的拉隆溝泥石流具有典型的高原暴雨型泥石流特征，因此，選取該溝作為研究對象具有較好的代表性。

2高原暴雨型誘發型泥石流的形成條件

2．1物源補給特征通過現場調查，從拉隆溝泥石流物源補給上看，該型泥石流物源補給具有方式的多樣性及空間多區段性的典型特征。通過對拉隆溝泥石流的調查研究發現，與崩滑物質作為物源補給和溝谷侵蝕形成固體物質作為物源補給不同，該型泥石流的物源補給同時具備上述兩種物源補給特征，既有滑坡整體滑動過程（圖1），也有在重力、凍融及風化作用下崩落到溝道內的固體物質在溝道流水沖擊下的起動過程（圖2），是兩者綜合作用的結果，是典型的多種物源補給類泥石流。以稱多縣稱文鎮拉隆溝高原暴雨型泥石流為例，經計算，物源區發育滑坡方量約為6．50×104m3，流域內沖出泥石流物質共約8．50×104m3，溝道內物源補給達2．00×104m3之多。此外，該型泥石流的物源補給在空間上還呈多區段性的特征，主要體現在該型泥石流的物源補給在整個溝谷流域內連續補給，這與其它類泥石流物源補給不同，不具備集中性。眾所周知，泥石流的物源補給來自一處或幾處滑坡、崩塌形成的固體物質，或者來自泥石流溝道內侵蝕形成的松散固體物質。但實地現場調查可知，該型泥石流的物源補給空間上表現出多處補給及補給段長的特點，即從上游形成區到中游流通區均有物源加入，呈連續補給，空間上補給段長度可達數公里。例如，稱多縣拉隆溝泥石流溝的補給段范圍從上游一直到溝口，長度約3km。

2．2水源補給的快速性與疊加性大多數泥石流發生的水動力條件均為強降雨，當降雨匯流形成溝道徑流的時候，它可以通過水流的動壓力用而使固體物質產生運動，并會形成“鏟蝕效應”［3－4］和“消防水管效應”［5－6］。通過現場訪問調查，拉隆溝泥石流爆發前，區域內持續強降雨6h，因此其發生的水動力條件仍然來自暴雨形成的溝道徑流；同時，現場調查溝道流域內同時還疊加有冰雪融水。此外，由于受到為以隆升為主的強烈新構造運動加之河谷谷地振蕩式的隆升使得泥石流的上游形成區基巖裸露，且呈漏斗狀，極有利于地表徑流的匯集并快速轉化為溝道徑流（圖3），成為泥石流形成的水動力條件。同時，由于受區內氣候條件的影響，泥石流流域上游山體常年封凍。受氣溫的影響，流域內的冰雪融水也成為泥石流溝道流水補給的另一個重要方面（圖4）。因此，與其它地區泥石流溝道匯流條件相比，高原暴雨型泥石流具有匯流集中，流量疊加的特點。

2．3流域地貌發育特征地貌的發育受地質構造明顯的控制作用，如山脈、河谷的空間展布皆受構造的控制。泥石流作為特殊的地質災害現象，其溝谷的發育及演化受構造運動的影響也較為明顯。通常情況下，在構造穩定地區，溝道下切的速度較為緩慢，泥石流的發育過程也就相對緩慢，反之則較快［7］。受到為以隆升為主的強烈新構造運動加之河谷谷地振蕩式的隆升作用使得區內泥石流流域溝道具備了較大的高差，主溝縱坡比降大，為這類泥石流的發生提供了有利的地形地貌條件。以稱多縣拉隆溝泥石流為例，該泥石流主溝道長約3km，流域面積5．25km2，縱坡比降212‰，溝口高程為3980m，溝腦高程為4590m，高差約600m。溝谷狹窄，山高谷深，橫斷面呈V形，右岸山體坡度50°，左岸山體坡度45°，這些地貌特征為泥石流的發育提供良好的孕育條件。

3高原暴雨型泥石流形成過程分析

高原暴雨型泥石流與其它地區，尤其是與內地典型降雨型泥石流相比，孕育環境、物源補給方式、水動力條件都有明顯的不同。就泥石流災害本質而言，雖然控制暴雨型泥石流形成的主要條件與其他類型泥石流的形成條件（物源形成，溝道水源補給，地形地貌等）大致相同，即“固體物質、水流、空間條件”，但是每個主要條件形成方式卻存在明顯不同。這也決定了這類泥石流必然與其他類型泥石流的形成過程不同。通過對拉隆溝泥石流暴發后的調查可以將其形成過程概括為：物源形成，固體物質起動，溝道侵蝕，泥石流形成。（1）物源形成。該階段為泥石流固體物質形成階段。正如前文所述，在上游形成區既有滑坡整體滑動，在中游流通區也有在重力、凍融及風化作用下崩落到溝道內的固體物質（圖2），暴雨型泥石流物源形成是兩者綜合作用的結果。和其它類型泥石流不同，暴雨型泥石流物源形成具有多樣性與多段性。（2）固體物質起動。這階段是指溝道內固體物質在暴雨、冰雪融水形成溝道徑流沖擊作用下發生運動，主要是指覆蓋、堆積在溝道內的固體物質，多為碎石土。固體物質的受沖擊起動使得堆積在溝道內松散堆積物失去表層保護層，加劇了溝道進一步的侵蝕，為溝道內固體物源的補給提供條件。這種現象在調查中可以明顯看到，在溝道內水流沖刷作用下，溝道內的固體物質表層存在明顯剝蝕跡象（圖5）。（3）溝道侵蝕。溝道侵蝕主要是指溝道內流水沖擊帶動固體物質啟動對溝道造成下蝕和側蝕。這個階段是高原暴雨型泥石流形成過程中的關鍵階段，它表現為泥石流溝道物源補給量顯著增大。對于高原暴雨型泥石流而言，這是泥石流溝道物源補給的重要過程，貫穿著泥石流發生及運動的全過程。下蝕過程主要是溝道流水對溝道底部進行豎向侵蝕，使堆積于溝道底部的固體物質起動，成為固體物質補給的另一來源；側蝕過程是指溝道流水水平幅擺動帶動泥石流固體物質對溝道兩岸松散坡積物進行橫向的“鏟、刮”效應，使得岸坡坡積物基礎被掏空，上部松散坡積物進而塌落進入溝道，成為泥石流固體物質的補給來源。（4）泥石流形成。該階段同時伴隨著溝道匯水集中、溝道侵蝕和岸坡坍塌、能量集中的過程，也是泥石流危害性最強階段（圖6）。泥石流的形成使得流域內的固體物質補給量不斷增加，為保持泥石流的持續運動提供必要條件。根據在稱多縣拉隆溝泥石流的調查顯示，一次泥石流過程對溝道的掏蝕和側蝕從上游到溝口皆有發生，局部溝段下切深度可達4m，岸坡坍塌可達20m寬，足見其侵蝕能量之巨大。

4結論

（1）高原暴雨型泥石流物源形成模式研究。高原暴雨型泥石流的物源形成特征為：溝道匯水橫幅擺動侵蝕溝道岸坡坡腳使得坡腳被掏空，在重力作用下發生坍塌，這是該型泥石流溝道固體物源形成多見的破壞方式。此外，受到凍融作用的影響，融水入滲改變坡體水動力場進而改變坡體物理力學狀態最終沿溝道臨空面產生崩滑，堆積在溝道內，成為泥石流形成區的物源。青海省玉樹州高原暴雨型泥石流的啟動模式可總結為：滑坡—物源形成—固體物質起動—溝道侵蝕—泥石流形成。（2）高原暴雨型泥石流啟動內在耦合研究有待進一步研究。高原暴雨型泥石流的形成過程雖然通過實地調查流域地貌特征可定性判別，但受其高海拔，高寒，人跡罕至、雨量資料缺乏等因素影響，其作用的內在機制定量描述卻很難確定。此外，目前各種泥石流理論還未能較好的揭示該類型泥石流的內在耦合機制。因此，需要開展進一步物理、力學試驗研究，以深入認識這類泥石流的形成機制。

作者：高波 王佳運 張成航 馮衛 單位：國土資源部 黃土地質災害重點實驗室 中國地質調查局 西安地質調查中心