白龙江流域泥石流特征分析

2014-09-13黄江成潘华利欧国强柳金峰

水土保持通报 2014年1期

黄江成，杨顺，潘华利，欧国强，柳金峰

(1.云南大学亚洲国际河流中心，云南昆明 650091；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所，四川成都 610041)

白龙江流域是中国著名的泥石流流域，流域内分布有众多的泥石流沟，其分布密度之高、爆发之频繁、危害之严重在中国极为突出[1]。白龙江属长江二级支流，嘉陵江一级支流，全长535 km，流域面积3.28×104km2，发源于甘南藏族自治州碌曲县南缘，海拔4 072 m，流经四川、甘肃两省，经碌曲、若尔盖、迭部、舟曲、宕昌、武都、文县、青川及广元9个县，于广元县昭化汇入嘉陵江，汇口高程465 m。本文主要研究范围为白龙江干流区域，面积1.28×104km2，未考虑较大支流。

1 泥石流分布概况

通过实地考察、现场灾害填图、GPS定点、Alos卫星影像解译，结合相关图件、历史文献，初步查明白龙江流域泥石流主要分布于干流中上游地区，白水江、岷江和拱坝河河谷两岸，其中以干流中上游地区最为发育，灾害最为严重。干流泥石流集中分布于文县碧口—迭部旺藏河谷两岸。碧口以下由于大部分河段受水库蓄水影响，库水位以上区域未发现一定规模泥石流沟，迭部旺藏以上鲜有一定规模泥石流沟。

白龙江干流共分布一定规模泥石流沟250条，泥石流流域面积共2 776.38 km2[2]。中上游地区是白龙江流域泥石流分布密度最高、暴发最为频率的地区，主要沿白龙江深大断裂带两侧发育。另外，中上游地区河谷两岸还发育有大量的坡面泥石流。泥石流左岸较右岸发育，左岸分布泥石流沟143条，右岸为107条，许多著名的泥石流沟均位于左岸，例如三眼峪沟、罗家峪沟、火烧沟、泥湾沟、柳湾沟、石门沟、甘家沟和北峪河等，根据资料记载，多条泥石流沟曾多次发生堵断白龙江的灾害性泥石流。

2 孕灾环境特征分析

2.1 构造环境特征

白龙江流域位于青藏高原东缘的南北构造带北段，该区构造运动强烈，地表破碎、岩性复杂。流域内分布有多条活动断裂，对中上游地区影响较为直接的有光盖山—迭山断裂、迭部—白龙江断裂、康县—略阳断裂和鸡石坝—临江断裂；下游地区则主要受青川断裂和映秀—北川断裂的影响。其中，对白龙江干流泥石流活动影响最为强烈的断裂是迭部—白龙江断裂，它是甘肃省陇南地区一条规模较大的区域性活动断裂，在河谷两侧呈不对称分布，存在明显位错[3-4]。

新构造运动是白龙江流域泥石流活动兴衰的主控因素[5]，该区域属于地质上的隆起上升区[6]，流域新构造运动主要表现为区域内频繁而强烈的地震活动。流域主要受兰州—天水地震带和武都—边马地震带的影响。根据地震分布图，流域内及其附近区域发生的地震多为浅源地震[3]，共发生6级以上的地震36次(白龙江流域300 km范围内)，平均周期为78 a。对当前白龙江干流泥石流活动影响较为强烈的地震为1879年的文县8.0级地震和1976年松潘发生的两次7.2级的地震。

据汶川地震后修改的《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)，白龙江中游区域地震动峰值加速度在0.20～0.30 g，其中以武都县附近较高为0.30 g；根据汶川8.0级地震烈度分布图，白龙江干流的地震烈度在Ⅵ—Ⅷ度，其中白龙江中游地区的地震烈度为Ⅶ度。结合前人地震诱发土砂灾害的相关研究，以及汶川地震后的调查资料，汶川地震对白龙江中游的泥石流活动有一定影响；下游地区属地震烈度Ⅷ度区域，但泥石流沟分布较少，汶川地震对该区土砂灾害的影响主要表现为崩塌和滑坡增加，对泥石流发育的影响还有待进一步研究。

白龙江流域地层复杂，从志留系到第四系均有出露。分布最为广泛的地层为志留系、泥盆系和三叠系，其中又以志留系地层分布最为广泛，属软弱岩层，主要岩性为千枚岩、变质砂岩、灰岩，上层覆盖马兰黄土。根据相关研究[6-7]，白龙江流域从第四系早更新世便存在泥石流活动。流域内地层最为破碎、岩性最为复杂的区域为碧口以上的白龙江中游干流区域，这一区域也是泥石流发育最为集中的地区。

2.2 地形地貌特征

流域地处我国第一阶梯和第二阶梯的过渡地带，地势呈现出由西北向东南逐渐降低的特征，大部分地区坡度在15°～40°，干流河道平均坡降约为3.4‰，上游舟曲以上属山原地区，中游舟曲至碧口以中山为主，下游则属川西北高原向四川盆地丘陵过渡地带。

本文利用Aster 30 m分辨率DEM数据，参考中国山地基本地貌形态划分标准[8]，利用Arcmap空间分析软件，以邻域统计单元面积以21 km2为计算范围[9-10]，对白龙江流域的地貌类型进行分类。

结果显示，流域地貌类型以中起伏度中山和高起伏度中山为主，面积分别占25.16%和48.97%。地貌分类结果结合白龙江干流泥石流分布特征的分析显示，白龙江泥石流主要集中分布在高起伏度中山的地貌区，起伏的地势为泥石流的发育提供了必要的势能条件。

2.3 降水特征

白龙江位于多种气候类型的交汇带，下游地区属亚热带季风气候，中游地区为温带季风气候，上游地区则属于高寒气候类型。流域夏季降水主要受东南季风的控制，降水主要集中在雨季，占全年的80%以上，泥石流发生与夏季东南季风活动时间大致相当，但更为集中，其中7，8月发生泥石流的次数占全年的76%，而同期的降雨占雨季降雨的42.8%(武都县1978—1996年)。

流域多年平均降水量514.5 mm，空间分异较大，降水范围在400～1 100 mm，总体上由南至北递减，至舟曲附近达到最低，再北向至迭部呈现出增加的趋势，迭部以北降水逐渐减少。24 h最大暴雨均值40～150 mm，由东南向西北递减。干流泥石流发育地区的多年平均降雨量在400～700 mm，24 h最大暴雨均值在40～60 mm。

分析白龙江中游武都站1944—2010年降水资料(图1)，多年平均降水量为470.5 mm，其中最大值出现在1984年(689.3 mm)，最小为1997年(270.5 mm)，最大值为最小值的2.5倍，年降雨变差较大。武都站的雨季降雨和全年降雨之间同步关系较好，相关系数达到0.97。根据年降雨量的5 a滑动平均降水量可以看出，白龙江地区的降水存在周期性的波动，1944—1967年为丰水期，1968—1974年为少水期，1975—1993年是有观测资料以来降水最丰富的时期，根据相关资料[1]，这一时期也是白龙江流域泥石流活动最为频繁的时期；20世纪90年代中期以来，白龙江流域降水量年际变化呈下降趋势，且一直处在较低水平。

图1 武都气象站降雨量年际变化(1944-2010年)

白龙江中上游地区大雨日数较少，武都气象站多年平均(1961—2010年)的大雨和暴雨次数仅为2.1和1.1 d/a，但降雨较为集中，历时较短，强度较大的雨量主要集中在几个小时或十几个小时内。据甘肃水文水资源局统计[11]，该区24 h雨量占3 日雨量的80%以上，12 h雨量占24 h雨量的80%以上，6 h雨量占24 h雨量的65%以上，3 h雨量占24 h雨量的56%。

选取白龙江中上游地区武都、舟曲、安化和外纳等11个气象站长时间序列(1968—1987年不等)的雨量资料分析发现，年降雨随着海拔的增加明显，并呈现出一定的幂函数关系(图2)。

白龙江流域年降雨量均随区域海拔的增加而递增，存在以下的关系：

(1)

图2 白龙江干流河谷雨量随高程的变化

据白龙江中游泥石流监测资料，许多沟经常会出现沟口监测点无降雨而沟道却发生一定规模泥石流的现象。如1995年7月19日，甘家沟监测点全天无降雨，阳光灿烂，而沟道却发生泥水位达2 m，流速达4.5 m/s的黏性泥石流，可见该区局地降雨特征明显。

3 泥石流流域形态特征

3.1 流域面积与主沟长

流域面积反映流域的产砂和汇流状况。通常，流域面积与流域产砂量成正相关，产砂量的多少影响到流域内松散固体物质的储量，而松散固体物质储量又影响到一次泥石流(可能)最大冲出量，与泥石流活动关系密切。

表1为白龙江干流泥石流流域面积分布统计结果，其中，流域面积最小的百草坝上1#沟，流域面积仅0.34 km2，大于100 km2的泥石流沟有3条，分别是沟坝河(227.3 km2)、角弓沟(300.3 km2)和北裕河(429.8 km2)。流域面积集中分布在0.5～20 km2内，共214条，占总数的85.6%，其中又以0.5～5 km2的泥石流沟分布最广，共162条，占总数的64.8%。

主沟长度决定着泥石流的流程和沿途接纳松散固体物质的多少，泥石流流程越远，表明其能量和破坏力越大，因此，主沟比降的大小可以表征泥石流的能量及活动强弱。

表1 白龙江干流泥石流流域面积统计

表2为干流泥石流沟主沟长度统计表，在所有统计的沟道中，主沟长度最小的为白草坝上1#沟，主沟长1 km，最长的为武都县城附近的北裕河，主沟长36.9 km，白龙江中上游泥石流沟主沟长度主要集中在1～5 km，占总数的73.2%，主沟长度在10～15 km的泥石流沟有13条，占总数的5.2%，主要包括磨沟、甘家沟、佛堂沟、透坊沟和曹家坝沟等。

分析泥石流主沟长与流域面积的关系，发现白龙江干流主沟长随流域面积的增大而增大，二者呈指数关系，且相关性较高(表2，图3)。

表2 白龙江干流泥石流主沟长统计

表3 白龙江干流泥石流主沟比降统计

图3 白龙江干流泥石流沟流域面积和主沟长的关系

3.2 沟床比降与相对高差

沟床比降是泥石流起动底床条件，是影响泥石流的形成和运动的重要因素，一般来说，在一定范围内泥石流沟床比降愈大，愈有利于泥石流的发生。

白龙江干流泥石流沟床比降差异较大，在31‰～667‰，其中绝大多数泥石流沟沟床比降在200‰～500‰，占总数的76.8%。结合前人的研究结果，白龙江干流泥石流主沟比降所处的区间对泥石流活动较为有利。

白龙江干流泥石流沟主沟比降与流域面积有关，主沟比降和流域面积呈指数关系，随着流域面积的增加，主沟比降有减小的趋势(表3，图4)。

图4 白龙江泥石流沟流域面积和主沟比降的关系

相对高差亦是泥石流形成和运动的一个重要因素，沟底与沟顶相对高差越大，则分布于谷坡两侧的松散固体物质的潜在运动性就越大。

表4为各泥石流流域的相对高差统计结果，白龙江干流泥石流沟流域的相对高差分布范围为455～2 809 m，其中相对高差小于500 m的泥石流沟有1条，主要集中分布在500～2 000 m，占总泥石流沟数的90.8%。大多泥石流沟相对高差在1 000～1 500 m，占总数的48.2%。

表4 白龙江干流泥石流流域相对高差

3.3 流域完整系数

泥石流流域的平面形态主要有长条形、椭圆形和近圆形等，对泥石流活动和坡面汇流有影响。可用流域完整系数表示泥石流流域形态，可用式(2)表示泥石流流域完整系数[12]：

Fe=F/L2

(2)

式中：Fe——流域纵横比；F——流域面积(km2)；L——主沟长(km)。

Fe<0.3(横轴与y=0.3x之间的区域)，流域为长条形；0.30.7(y=0.7x左边的区域)，流域为近圆形(图5)。

图5 白龙江干流泥石流流域形态

结果显示，白龙江干流地区灾害性泥石流流域形态以长条形和长圆形为主。

4 结论

(1)白龙江泥石流发育受控于区内多条活动断裂，其中影响最为剧烈的是迭部—白龙江深大断裂；对当前流域泥石流活动影响最为直接的是1879年文县8.0级地震以及1972年两次7.2级地震；汶川地震的影响主要表现为下游地区松散物源的增多，对泥石流发育的影响尚不明确；流域泥石流主要发育于区内地层最为破碎、多软弱岩性发育的区域，该区地貌类型以高起伏度的中山为主，地貌因素是白龙江上游迭部以上以及下游碧口以下泥石流弱发育的主要原因。

(2)流域夏季降水主要受东南季风影响，雨季降水占全年80%以上，泥石流活动较降水更为集中，7，8月泥石流占全年的76%；短历时降水特征表现为少大、暴雨，但降雨十分集中；多年年降水存在一定的周期性波动，在一定范围内，年降水随海拔的增加而增长，并呈幂函数关系，相关系数为0.830，降水的丰欠直接决定了白龙江的泥石流活动。

(3)白龙江干流泥石流流域面积主要集中分布在0.5～20 km2，占总数的85.6%；主沟长73.6%集中分布在1～5 km，主沟长于流域面积之间呈指数关系，相关性较好。

(4)泥石流主沟比降集中分布在200‰～500‰，占总数的76.8%，超过90%的泥石流流域相对高差在500～2 000 m，均较有利于泥石流活动，流域面积与主沟长呈指数关系，相关性较好；干流的灾害性泥石流沟的流域形态绝大大多数为长条形或长圆形。

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