高寒高海拔山原區(qū)溝谷型泥石流成因與特征——以四川省雅江縣祝桑景區(qū)為例

倪化勇，陳緒鈺，周 維，王德偉，唐業(yè)旗

（1.成都地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，四川 成都610081；2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局 成都水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊，四川 成都610072）

溝谷型泥石流廣泛發(fā)育于深切峽谷地區(qū)，是我國成災(zāi)最為典型、危害最為嚴(yán)重的泥石流類型［1－2］。然而調(diào)查表明，除深切峽谷地區(qū)外，在我國高寒高海拔山原地區(qū)同樣發(fā)育溝谷型泥石流［3－5］，但目前對該類型泥石流的研究較少，相關(guān)報道也是鮮見。隨著西部大開發(fā)的進(jìn)行，這類泥石流對川藏公路等交通設(shè)施以及牧民安居等民生工程構(gòu)成不同程度的威脅［6－7］。調(diào)查同時發(fā)現(xiàn)，無論是泥石流的流域地貌還是泥石流形成—堆積過程，高寒高海拔山原地區(qū)溝谷型泥石流同深切峽谷地區(qū)泥石流存在一定的差異性。雅江縣祝桑景區(qū)位于川西高原西北部，為典型的丘狀高原地貌，泥石流比較發(fā)育，特征典型［3］。本文將以雅江縣祝桑景區(qū)拉魯河左岸（果多至扎庫段）集中分布的7條泥石流溝為研究對象，對該類泥石流的形成和特征進(jìn)行初步研究。

1 環(huán)境地質(zhì)背景

祝桑景區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣東部，G318國道南側(cè)，屬于半農(nóng)半牧地區(qū)。由于其獨特的氣候特征和高原牧場風(fēng)貌，祝桑景區(qū)是夏季旅游休閑的好去處，有“雪域桃園”之稱，旅游資源開發(fā)潛力較大。

研究區(qū)位于祝桑鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地奔達(dá)村及其周邊，海拔3 680m以上，屬于典型的高原山原地貌，山脊渾圓，河流淺切，谷底寬闊，山勢平緩。拉魯河沿北東向流經(jīng)，屬于大渡河水系，支溝比較發(fā)育。

雅江縣地處松潘—甘孜褶皺系巴顏喀拉印支冒地槽褶皺帶雅江復(fù)向斜中段核心部位區(qū)內(nèi)地，境內(nèi)發(fā)育一系列北西向為主的次級褶皺和斷裂，而祝桑鄉(xiāng)境內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造簡單，褶皺斷裂構(gòu)造不發(fā)育，對泥石流影響較小。該區(qū)出露地層比較單一，主要為三疊系和第四系地層，在研究區(qū)北部分布有巖漿巖，基巖主要為三疊系上統(tǒng)侏倭組（T3zh）厚—中厚層硬石英砂巖與軟硬板巖互層，第四系河流相砂卵石沉積于寬闊河谷。

區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆诟呱絹喓畮夂颍昃鶜鉁?.3℃，最高月平均氣溫12.5℃，無霜期短，多少于30d，時常發(fā)生霜災(zāi)和雪災(zāi)。

2 泥石流分布與危害

研究區(qū)發(fā)育7條典型泥石流溝，分別為果多溝、八車溝、真窮溝、扎庫溝、奔達(dá)溝、仲九溝和大宗吉溝。這7條泥石流溝均位于拉魯河左岸（果多至扎庫段），祝桑鄉(xiāng)鄉(xiāng)政府所在地（奔達(dá)村）附近（圖1）。近年來，泥石流時常發(fā)生，2009年和2010年，八車溝和仲九溝發(fā)生泥石流，規(guī)模以中型為主，泥石流沖出溝口堆積，淤埋高（爾寺山）祝（桑）公路，導(dǎo)致交通受阻。

目前，這7處泥石流威脅對象主要包括村社、田地和公路。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，這7處泥石流尚威脅著177名雅江縣祝桑景區(qū)群眾的生命安全和價值約340萬元的財產(chǎn)安全，尤其是真窮溝，因其位于鄉(xiāng)政府所在地的背后，對鄉(xiāng)政府已構(gòu)成威脅。

圖1 祝桑景區(qū)泥石流溝分布

3 泥石流成因

祝桑鄉(xiāng)處于高寒高海拔地區(qū)，泥石流形成條件具有明顯的高原特性，這在泥石流形成的3大基本條件（降雨、地形與物源）中均有體現(xiàn)。同一般泥石流不同，氣候?qū)Ω吆吆０紊皆嗍鞯男纬善鸬搅酥匾挠绊懽饔茫ㄈ鐖D2所示）。

圖2 祝桑景區(qū)泥石流形成條件與影響關(guān)系

3.1 氣候條件

區(qū)內(nèi)氣候?qū)儆诟呱絹喓畮夂颍０胃叨栞椛鋸?qiáng)，氣溫低而晝夜溫差大，干旱寒冷而無霜期短，降雨少而季節(jié)性集中成為了祝桑景區(qū)氣候的典型特征。高寒氣候從2個方面對泥石流產(chǎn)生影響，分別為地質(zhì)條件和植被條件。（1）地質(zhì)條件。受氣候影響，研究區(qū)凍融等物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，砂板巖風(fēng)化嚴(yán)重，泥石流溝流域內(nèi)山坡上覆蓋風(fēng)化形成的殘坡積層，土體為碎石角礫土，厚度可達(dá)5～10m，粒徑多在2～10cm，含量35%～50%，而在裸露溝床及殘坡積層和基巖接觸帶可見大量覆蓋風(fēng)化破碎的砂板巖，片狀或塊狀，塊度多在5～10cm，充填少量的顆粒細(xì)小的巖屑或砂、黏土等。（2）植被條件。受高寒氣候的影響，祝桑地區(qū)植被幾乎全為草甸，少量地方生長有稀疏的低矮灌叢。氣候影響下的地質(zhì)條件和植被條件對泥石流形成的物源條件奠定了基礎(chǔ)，同時高寒高海拔地區(qū)獨特的植被條件有利于汛期降雨產(chǎn)流和匯流過程的形成。

3.2 地形地貌條件

地形地貌條件是泥石流形成和發(fā)生、發(fā)展的最基本條件，高寒高海拔山區(qū)泥石流的形成與地形地貌條件關(guān)系密切。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查與1∶5萬地形圖判讀，研究區(qū)7條泥石流溝的流域地貌要素如表1所示。

從表1可見，7條泥石流溝流域相對高差介于350～800m，溝床縱坡降多在100‰～200‰，而真窮溝和大宗吉溝的溝床比降較大，分別為260‰和320‰，為泥石流的啟動提供了一定的勢能和動力條件。

表1 研究區(qū)泥石流溝流域地貌要素

另外，流域形狀對泥石流匯水區(qū)、形成區(qū)的匯水速度以及溝道中洪峰流量大小具有重要影響。從圖1可以看出，研究區(qū)7條泥石流溝流域地形開闊，面積較大的真達(dá)溝和扎庫溝，流域形態(tài)呈長、寬接近的平行四邊形，面積較小的八車溝和大宗吉溝流域形態(tài)則呈明顯的漏斗狀或扇形。為進(jìn)一步說明流域形態(tài)對泥石流的影響，通過式（1）［8］對研究區(qū)7條泥石流溝流域的形態(tài)指數(shù)進(jìn)行了定量計算：

式中：δ——形態(tài)指數(shù)（無量綱）；A——流域面積（km2）；L——主溝長度（km）。

研究區(qū)泥石流溝流域形態(tài)指數(shù)計算結(jié)果見表2。除果多溝外，研究區(qū)泥石流溝流域形態(tài)指數(shù)普遍較大，其中以大宗吉溝流域形態(tài)指數(shù)最大（0.70），其次為奔達(dá)溝和真窮溝，再次為扎庫溝、八車溝和仲九溝，流域形態(tài)指數(shù)的大小反映了流域的匯水能力。

表2 研究區(qū)泥石流溝流域形態(tài)指數(shù)

3.3 物源與補給條件

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)7條泥石流溝的物源補給條件存在一定差異性，但其物源補給可歸納為2個方面：

（1）滑坡轉(zhuǎn)化或補給形成泥石流。這主要體現(xiàn)在八車溝和大宗吉溝泥石流的形成中。根據(jù)調(diào)查，在八車溝和大宗吉溝下游均見一定規(guī)模的殘坡積土質(zhì)滑坡，八車溝滑坡位于下游北東轉(zhuǎn)南東拐彎處左岸，斜坡坡度近35°，滑體厚度4～5m，長50～60m，寬近150m，滑坡后壁明顯，但受狹窄河床與右岸斜坡的阻擋，滑坡下滑僅0.5～1m。滑坡前部在汛期洪水侵蝕作用下，滑坡發(fā)生累進(jìn)性破壞，近1／2的滑體已被洪水掏蝕垮塌并卷入洪水形成泥石流，這成為了八車溝早期泥石流的主要物源；大宗吉溝下游地勢開闊，呈明顯漏斗狀，斜坡坡度約30°，溝口可見早期滑坡和泥石流形成的扇狀堆積，調(diào)查推測系早期滑坡和泥石流所致。目前，在漏斗狀斜坡與上游平緩斜坡的交匯處（大宗吉溝下游右岸）發(fā)育一滑坡，長約50m，寬30～40m，厚度3～4m，小型，但在降雨和侵蝕作用下，已經(jīng)發(fā)生滑動并形成數(shù)次小型泥石流，在該滑坡汛期長期遭受侵蝕作用下，滑坡同樣呈現(xiàn)累進(jìn)性破壞，并導(dǎo)致泥石流時常發(fā)生。

（2）侵蝕揭底補給形成泥石流。果達(dá)溝、真窮溝、奔達(dá)溝、扎庫溝和仲九溝泥石流在形成的過程中，主要是受到洪水侵蝕溝床，松散的溝床堆積遭受揭底，同時，侵蝕導(dǎo)致兩岸斜坡沿溝發(fā)生垮塌。溝床松散堆積和垮塌的殘坡積土體卷入洪水從而形成泥石流。在這些溝谷中，看似岸坡平緩，草地覆蓋，崩滑等不良地質(zhì)現(xiàn)象不是很發(fā)育，但溝床底部往往存在一條窄淺的切溝或沖溝，寬度一般1～5m，且均覆蓋一層松散的殘坡積堆積或沖洪積堆積物。洪水發(fā)生時，這些覆蓋物易被掏蝕揭底而卷入泥石流，隨著揭底下切，兩岸的松散殘坡積物也開始發(fā)生垮塌并補給泥石流，增大泥石流的規(guī)模。

4 泥石流特征

4.1 流域特征

同深切峽谷地區(qū)泥石流相比，因其獨特的地理位置和地貌景觀，高寒高海拔山區(qū)泥石流在流域方面呈現(xiàn)出不同的特征。

4.1.1 分區(qū)特征 祝桑景區(qū)高寒高海拔山區(qū)泥石流往往可以劃分出明顯的匯水區(qū)、形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)4個區(qū)域。同深切峽谷區(qū)泥石流相比，高寒高海拔山區(qū)泥石流的匯水區(qū)和形成區(qū)界限明顯，匯水區(qū)位于流域上部，地形開闊，地勢平緩，形成區(qū)位于流域中下游，地形變陡，溝床開始變窄，該段主要為洪水侵蝕、岸坡崩滑而導(dǎo)致泥石流形成的溝段，而形成區(qū)與流通區(qū)往往出現(xiàn)疊加和交叉現(xiàn)象，流通段也為泥石流物源補給段，而不容易分開，這主要由沿溝侵蝕補給所決定的。堆積區(qū)較為明顯，位于溝口以外的寬闊區(qū)域，堆積空間開闊，一直延伸至拉魯河，長度可達(dá)數(shù)百米。

4.1.2 溝床比降 溝床比降是泥石流勢能轉(zhuǎn)化為動能的條件，影響著泥石流的形成和運動。據(jù)統(tǒng)計，我國西南山區(qū)泥石流溝中，溝床比降在100‰～300‰的溝谷發(fā)生泥石流的可能性較大，而溝床比降在300‰～500‰的溝谷發(fā)生泥石流的可能性大［2］。對于深切峽谷地區(qū)泥石流溝來說，溝谷中上游段是泥石流物質(zhì)聚集和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵啟動段，也是常見的泥石流形成段，溝床陡峻，下游溝床開闊，可以容納泥石流的堆積，整個溝床縱坡曲線呈現(xiàn)出上段較陡下段較緩的下凹形態(tài)。然而，野外調(diào)查和1∶5萬地形圖讀圖分析表明，高寒高海拔區(qū)泥石流溝谷形態(tài)和縱坡曲線呈現(xiàn)出顯著的差異，其溝床縱坡曲線總體呈現(xiàn)出上游溝床平緩，中游溝床較陡，而下游至溝口進(jìn)一步變陡的折線形態(tài)。這隨著溝谷的發(fā)育演化而表現(xiàn)出不同，如果多溝，主溝較長，其縱坡曲線呈現(xiàn)出4個陡與緩的轉(zhuǎn)折，呈現(xiàn)出扁平S狀。在7條泥石流溝溝床縱坡曲線形態(tài)中，下游至溝口進(jìn)一步變陡段長度幾乎一致，均距離溝口400～600m段。值得一提的是，由緩變陡的溝段是泥石流容易啟動而形成的地區(qū)，如八車溝、仲九溝泥石流都是在下游至溝口進(jìn)一步變陡段啟動而發(fā)生的。

4.2 動力特征

八車溝近年來曾發(fā)生2次中型規(guī)模泥石流，泥石流泥位等現(xiàn)象明顯。因此，以八車溝為例，探討祝桑景區(qū)泥石流的動力特征。

4.2.1 泥石流容重 由于沒有泥石流現(xiàn)場觀測的容重值，因此，本文通過經(jīng)驗法來確定，即通過訪問當(dāng)?shù)鼐用瘢^客觀地了解泥石流體中的固液兩相的體積比例，按照下式計算泥石流容重［8］：

式中：rc——泥石流容重（t／m3）；rs——固體物質(zhì)密度（t／m3）；f——泥石流流體中固體物質(zhì)體積和水的體積之比。

通過對當(dāng)?shù)鼐用裨L問和現(xiàn)場調(diào)查，八車溝泥石流流體中水、土比例約為5∶5～4∶5，計算中取泥石流中固體物質(zhì)比重平均值為2.65t／m3，由此可以計算出祝桑景區(qū)八車溝泥石流容重為1.83～1.92，初步判定泥石流性質(zhì)為黏性泥石流。

4.2.2 泥石流流速 泥石流流速是泥石流動力特性的重要參數(shù)之一。八車溝下游至溝口段（高程3 768m），溝谷相對順直，溝床為基巖，泥石流流動后泥痕明顯，故選取該段對其斷面進(jìn)行了測量。根據(jù)八車溝泥石流的特點，采用東川泥石流流速改進(jìn)公式對該處泥石流流速進(jìn)行計算［8］：

式中：Vc——泥石流流速（m／s）；I——泥位縱坡，現(xiàn)場測量為227‰；H——泥深（m），現(xiàn)場測量為1.03m；K——黏性泥石流流速系數(shù)，本文根據(jù)表3取10。

表3 黏性性泥石流流速系數(shù)

計算得知，祝桑景區(qū)八車溝泥石流的流速Vc＝3.74m／s。

4.2.3 泥石流流量 泥石流流量采用形態(tài)調(diào)查法計算，即根據(jù)泥石流流通段河槽岸坡上遺留的最高泥痕，測量過流斷面橫斷面積并乘上該處計算得到的對應(yīng)泥石流流速，其表達(dá)式如下：

式中：Qc——泥石流的流量（m3／s）；Wc——泥石流過流斷面面積（m2）；Vc——泥石流流速（m／s）。

通過調(diào)查，選擇高程3 768m處溝床斷面進(jìn)行測量，測量該處泥石流泥深為1.03m，過流斷面面積為2.52m2，根據(jù)上述計算得到的該處泥石流流速為3.74m／s，從而計算出2010年該處泥石流的峰值流量為9.43m3／s。

4.3 堆積特征

泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運的產(chǎn)物，包含著大量泥石流形成、運動和堆積過程的信息，因此在一定程度上反映了泥石流形成機(jī)理、運動特征及搬運介質(zhì)的特點。祝桑景區(qū)7條泥石流溝中，由于泥石流黏性不同，泥石流堆積呈現(xiàn)出一定差異性。

4.3.1 堆積扇形態(tài)特征 根據(jù)泥石流堆積扇的形態(tài)，祝桑景區(qū)泥石流堆積扇可以分為2種類型，一種是扇狀堆積，一種是帶狀堆積。前者以流域面積較小的八車溝、大宗吉溝和真窮溝泥石流為代表，堆積扇縱、橫比降都比較大，反映了黏性泥石流的整體堆積特征。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，八車溝2010年發(fā)生的泥石流從西南側(cè)切穿老堆積扇并在高祝公路外側(cè)堆積，從而形成串珠狀結(jié)構(gòu)，早期和2010年2次泥石流堆積扇縱比降（堆積幅角）分別為11.6°和9.5°，擴(kuò)散角約45°。大宗吉溝泥石流堆積扇縱比降（堆積幅角）為7.5°，擴(kuò)散角約50°。后者以流域面積較大的仲九溝、扎庫溝、果多溝和奔達(dá)溝泥石流為代表，泥石流自出山溝口開始堆積，一直延伸到拉魯河，扇面平整，堆積扇縱、橫比降都很小，形態(tài)呈帶狀，反映了稀性泥石流的散體沉積特征。據(jù)測量，仲九溝2009年發(fā)生泥石流，堆積長度達(dá)到270m，擴(kuò)散角不足30°，而堆積幅角僅約3°。

4.3.2 堆積物質(zhì)組成特征 祝桑景區(qū)泥石流堆積物具有高原凍融區(qū)的典型特征，由于風(fēng)化因素的影響，堆積物塊度相對較小且粒度分布相對均勻，少見塊度0.5m以上的漂石。在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，對泥石流堆積物進(jìn)行了取樣，并在實驗室進(jìn)行了測試分析，得到了祝桑高寒高海拔山原區(qū)泥石流堆積物的物質(zhì)組成和粒度分布（如圖3所示）。

圖3 祝桑景區(qū)泥石流堆積物粒度分布曲線

可見，祝桑景區(qū)泥石流堆積物粒度分布曲線呈下凹形態(tài)，粒度分布相對均勻，物質(zhì)組成以小于20mm的礫石和砂為主，一般呈次棱角狀或次磨圓狀。分析結(jié)果顯示，八車溝、大宗吉溝和真窮溝泥石流堆積物混雜程度高，粒度級配較寬，含有少量黏土，不足2%，而仲九溝、扎庫溝、果多溝和奔達(dá)溝泥石流堆積物具有一定分選型，礫石占55%～65%，砂占35%～45%，并且從扇頂至扇緣泥石流堆積物粒度變細(xì)。

5 結(jié)論

（1）高寒高海拔山原地區(qū)日照強(qiáng)烈但晝夜溫差大，干旱寒冷無霜期短，強(qiáng)日照、大溫差的氣候條件使得物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，土體松散，斜坡穩(wěn)定性差，物源豐富，同時高寒高海拔山原地區(qū)氣候影響下的以草地為主的植被條件有利于汛期降雨產(chǎn)流和匯流過程的形成。可見，同深切峽谷地區(qū)溝谷型泥石流相比，氣候?qū)δ嗍鞯男纬善鸬搅酥匾淖饔谩?/p>

（2）溝谷中上游段是深切峽谷地區(qū)泥石流物質(zhì)聚集和能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵啟動段，也是常見的泥石流形成段。而高寒高海拔山原地區(qū)泥石流溝主溝縱坡呈現(xiàn)出上游平緩，中游較陡，而下游至溝口進(jìn)一步變陡的折線形態(tài)，匯水區(qū)和形成區(qū)分界明顯，泥石流形成往往在中游或下游，動力條件較小。

（3）祝桑景區(qū)泥石流堆積物粒度分布曲線呈下凹形態(tài)，粒度分布相對均勻。

（4）祝桑景區(qū)泥石流目前多處于發(fā)展期，發(fā)生規(guī)模以中、小型為主，威脅對象主要包括高（爾寺山）祝（桑）公路、村社和農(nóng)田，在景區(qū)開發(fā)過程中，建議根據(jù)泥石流發(fā)生頻率和威脅程度，選擇監(jiān)測、警示、疏導(dǎo)治理等措施進(jìn)行防御，尤其加強(qiáng)對八車溝泥石流的監(jiān)測和防范。

致謝：雅江縣國土資源局對考察予以了大力支持，李明輝教授和高延超工程師先后對本文進(jìn)行了指導(dǎo)，徐偉工程師對圖文進(jìn)行了修改完善，一并致謝。

［1］康志成，李焯芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：18－19.

［2］中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.中國泥石流［M］.北京：商務(wù)印書館，2000：364－365.

［3］中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心.甘孜地區(qū)（雅江縣）地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報告［R］.成都：中國地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，2011.

［4］中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.川藏公路南線（西藏境內(nèi)）山地災(zāi)害及防治對策［M］.北京：科學(xué)出版社，1995.

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