白龍江流域泥石流特征分析

黃江成， 楊 順， 潘華利， 歐國強， 柳金峰

(1.云南大學 亞洲國際河流中心， 云南 昆明 650091；2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所， 四川 成都 610041)

白龍江流域是中國著名的泥石流流域，流域內分布有眾多的泥石流溝，其分布密度之高、爆發之頻繁、危害之嚴重在中國極為突出[1]。白龍江屬長江二級支流，嘉陵江一級支流，全長535 km，流域面積3.28×104km2，發源于甘南藏族自治州碌曲縣南緣，海拔4 072 m，流經四川、甘肅兩省，經碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣、青川及廣元9個縣，于廣元縣昭化匯入嘉陵江，匯口高程465 m。本文主要研究范圍為白龍江干流區域，面積1.28×104km2，未考慮較大支流。

1 泥石流分布概況

通過實地考察、現場災害填圖、GPS定點、Alos衛星影像解譯，結合相關圖件、歷史文獻，初步查明白龍江流域泥石流主要分布于干流中上游地區，白水江、岷江和拱壩河河谷兩岸，其中以干流中上游地區最為發育，災害最為嚴重。干流泥石流集中分布于文縣碧口—迭部旺藏河谷兩岸。碧口以下由于大部分河段受水庫蓄水影響，庫水位以上區域未發現一定規模泥石流溝，迭部旺藏以上鮮有一定規模泥石流溝。

白龍江干流共分布一定規模泥石流溝250條，泥石流流域面積共2 776.38 km2[2]。中上游地區是白龍江流域泥石流分布密度最高、暴發最為頻率的地區，主要沿白龍江深大斷裂帶兩側發育。另外，中上游地區河谷兩岸還發育有大量的坡面泥石流。泥石流左岸較右岸發育，左岸分布泥石流溝143條，右岸為107條，許多著名的泥石流溝均位于左岸，例如三眼峪溝、羅家峪溝、火燒溝、泥灣溝、柳灣溝、石門溝、甘家溝和北峪河等，根據資料記載，多條泥石流溝曾多次發生堵斷白龍江的災害性泥石流。

2 孕災環境特征分析

2.1 構造環境特征

白龍江流域位于青藏高原東緣的南北構造帶北段，該區構造運動強烈，地表破碎、巖性復雜。流域內分布有多條活動斷裂，對中上游地區影響較為直接的有光蓋山—迭山斷裂、迭部—白龍江斷裂、康縣—略陽斷裂和雞石壩—臨江斷裂；下游地區則主要受青川斷裂和映秀—北川斷裂的影響。其中，對白龍江干流泥石流活動影響最為強烈的斷裂是迭部—白龍江斷裂，它是甘肅省隴南地區一條規模較大的區域性活動斷裂，在河谷兩側呈不對稱分布，存在明顯位錯[3-4]。

新構造運動是白龍江流域泥石流活動興衰的主控因素[5]，該區域屬于地質上的隆起上升區[6]，流域新構造運動主要表現為區域內頻繁而強烈的地震活動。流域主要受蘭州—天水地震帶和武都—邊馬地震帶的影響。根據地震分布圖，流域內及其附近區域發生的地震多為淺源地震[3]，共發生6級以上的地震36次(白龍江流域300 km范圍內)，平均周期為78 a。對當前白龍江干流泥石流活動影響較為強烈的地震為1879年的文縣8.0級地震和1976年松潘發生的兩次7.2級的地震。

據汶川地震后修改的《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2001)，白龍江中游區域地震動峰值加速度在0.20～0.30 g，其中以武都縣附近較高為0.30 g；根據汶川8.0級地震烈度分布圖，白龍江干流的地震烈度在Ⅵ—Ⅷ度，其中白龍江中游地區的地震烈度為Ⅶ度。結合前人地震誘發土砂災害的相關研究，以及汶川地震后的調查資料，汶川地震對白龍江中游的泥石流活動有一定影響；下游地區屬地震烈度Ⅷ度區域，但泥石流溝分布較少，汶川地震對該區土砂災害的影響主要表現為崩塌和滑坡增加，對泥石流發育的影響還有待進一步研究。

白龍江流域地層復雜，從志留系到第四系均有出露。分布最為廣泛的地層為志留系、泥盆系和三疊系，其中又以志留系地層分布最為廣泛，屬軟弱巖層，主要巖性為千枚巖、變質砂巖、灰巖，上層覆蓋馬蘭黃土。根據相關研究[6-7]，白龍江流域從第四系早更新世便存在泥石流活動。流域內地層最為破碎、巖性最為復雜的區域為碧口以上的白龍江中游干流區域，這一區域也是泥石流發育最為集中的地區。

2.2 地形地貌特征

流域地處我國第一階梯和第二階梯的過渡地帶，地勢呈現出由西北向東南逐漸降低的特征，大部分地區坡度在15°～40°，干流河道平均坡降約為3.4‰，上游舟曲以上屬山原地區，中游舟曲至碧口以中山為主，下游則屬川西北高原向四川盆地丘陵過渡地帶。

本文利用Aster 30 m分辨率DEM數據，參考中國山地基本地貌形態劃分標準[8]，利用Arcmap空間分析軟件，以鄰域統計單元面積以21 km2為計算范圍[9-10]，對白龍江流域的地貌類型進行分類。

結果顯示，流域地貌類型以中起伏度中山和高起伏度中山為主，面積分別占25.16%和48.97%。地貌分類結果結合白龍江干流泥石流分布特征的分析顯示，白龍江泥石流主要集中分布在高起伏度中山的地貌區，起伏的地勢為泥石流的發育提供了必要的勢能條件。

2.3 降水特征

白龍江位于多種氣候類型的交匯帶，下游地區屬亞熱帶季風氣候，中游地區為溫帶季風氣候，上游地區則屬于高寒氣候類型。流域夏季降水主要受東南季風的控制，降水主要集中在雨季，占全年的80%以上，泥石流發生與夏季東南季風活動時間大致相當，但更為集中，其中7，8月發生泥石流的次數占全年的76%，而同期的降雨占雨季降雨的42.8%(武都縣1978—1996年)。

流域多年平均降水量514.5 mm，空間分異較大，降水范圍在400～1 100 mm，總體上由南至北遞減，至舟曲附近達到最低，再北向至迭部呈現出增加的趨勢，迭部以北降水逐漸減少。24 h最大暴雨均值40～150 mm，由東南向西北遞減。干流泥石流發育地區的多年平均降雨量在400～700 mm，24 h最大暴雨均值在40～60 mm。

分析白龍江中游武都站1944—2010年降水資料(圖1)，多年平均降水量為470.5 mm，其中最大值出現在1984年(689.3 mm)，最小為1997年(270.5 mm)，最大值為最小值的2.5倍，年降雨變差較大。武都站的雨季降雨和全年降雨之間同步關系較好，相關系數達到0.97。根據年降雨量的5 a滑動平均降水量可以看出，白龍江地區的降水存在周期性的波動，1944—1967年為豐水期，1968—1974年為少水期，1975—1993年是有觀測資料以來降水最豐富的時期，根據相關資料[1]，這一時期也是白龍江流域泥石流活動最為頻繁的時期；20世紀90年代中期以來，白龍江流域降水量年際變化呈下降趨勢，且一直處在較低水平。

圖1 武都氣象站降雨量年際變化(1944-2010年)

白龍江中上游地區大雨日數較少，武都氣象站多年平均(1961—2010年)的大雨和暴雨次數僅為2.1和1.1 d/a，但降雨較為集中，歷時較短，強度較大的雨量主要集中在幾個小時或十幾個小時內。據甘肅水文水資源局統計[11]，該區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%。

選取白龍江中上游地區武都、舟曲、安化和外納等11個氣象站長時間序列(1968—1987年不等)的雨量資料分析發現，年降雨隨著海拔的增加明顯，并呈現出一定的冪函數關系(圖2)。

白龍江流域年降雨量均隨區域海拔的增加而遞增，存在以下的關系：

(1)

圖2 白龍江干流河谷雨量隨高程的變化

據白龍江中游泥石流監測資料，許多溝經常會出現溝口監測點無降雨而溝道卻發生一定規模泥石流的現象。如1995年7月19日，甘家溝監測點全天無降雨，陽光燦爛，而溝道卻發生泥水位達2 m，流速達4.5 m/s的黏性泥石流，可見該區局地降雨特征明顯。

3 泥石流流域形態特征

3.1 流域面積與主溝長

流域面積反映流域的產砂和匯流狀況。通常，流域面積與流域產砂量成正相關，產砂量的多少影響到流域內松散固體物質的儲量，而松散固體物質儲量又影響到一次泥石流(可能)最大沖出量，與泥石流活動關系密切。

表1為白龍江干流泥石流流域面積分布統計結果，其中，流域面積最小的百草壩上1#溝，流域面積僅0.34 km2，大于100 km2的泥石流溝有3條，分別是溝壩河(227.3 km2)、角弓溝(300.3 km2)和北裕河(429.8 km2)。流域面積集中分布在0.5～20 km2內，共214條，占總數的85.6%，其中又以0.5～5 km2的泥石流溝分布最廣，共162條，占總數的64.8%。

主溝長度決定著泥石流的流程和沿途接納松散固體物質的多少，泥石流流程越遠，表明其能量和破壞力越大，因此，主溝比降的大小可以表征泥石流的能量及活動強弱。

表1 白龍江干流泥石流流域面積統計

表2為干流泥石流溝主溝長度統計表，在所有統計的溝道中，主溝長度最小的為白草壩上1#溝，主溝長1 km，最長的為武都縣城附近的北裕河，主溝長36.9 km，白龍江中上游泥石流溝主溝長度主要集中在1～5 km，占總數的73.2%，主溝長度在10～15 km的泥石流溝有13條，占總數的5.2%，主要包括磨溝、甘家溝、佛堂溝、透坊溝和曹家壩溝等。

分析泥石流主溝長與流域面積的關系，發現白龍江干流主溝長隨流域面積的增大而增大，二者呈指數關系，且相關性較高(表2，圖3)。

表2 白龍江干流泥石流主溝長統計

表3 白龍江干流泥石流主溝比降統計

圖3 白龍江干流泥石流溝流域面積和主溝長的關系

3.2 溝床比降與相對高差

溝床比降是泥石流起動底床條件，是影響泥石流的形成和運動的重要因素，一般來說，在一定范圍內泥石流溝床比降愈大，愈有利于泥石流的發生。

白龍江干流泥石流溝床比降差異較大，在31‰～667‰，其中絕大多數泥石流溝溝床比降在200‰～500‰，占總數的76.8%。結合前人的研究結果，白龍江干流泥石流主溝比降所處的區間對泥石流活動較為有利。

白龍江干流泥石流溝主溝比降與流域面積有關，主溝比降和流域面積呈指數關系，隨著流域面積的增加，主溝比降有減小的趨勢(表3，圖4)。

圖4 白龍江泥石流溝流域面積和主溝比降的關系

相對高差亦是泥石流形成和運動的一個重要因素，溝底與溝頂相對高差越大，則分布于谷坡兩側的松散固體物質的潛在運動性就越大。

表4為各泥石流流域的相對高差統計結果，白龍江干流泥石流溝流域的相對高差分布范圍為455～2 809 m，其中相對高差小于500 m的泥石流溝有1條，主要集中分布在500～2 000 m，占總泥石流溝數的90.8%。大多泥石流溝相對高差在1 000～1 500 m，占總數的48.2%。

表4 白龍江干流泥石流流域相對高差

3.3 流域完整系數

泥石流流域的平面形態主要有長條形、橢圓形和近圓形等，對泥石流活動和坡面匯流有影響。可用流域完整系數表示泥石流流域形態，可用式(2)表示泥石流流域完整系數[12]：

Fe=F/L2

(2)

式中：Fe——流域縱橫比；F——流域面積(km2)；L——主溝長(km)。

Fe<0.3(橫軸與y=0.3x之間的區域)，流域為長條形；0.30.7(y=0.7x左邊的區域)，流域為近圓形(圖5)。

圖5 白龍江干流泥石流流域形態

結果顯示，白龍江干流地區災害性泥石流流域形態以長條形和長圓形為主。

4 結 論

(1)白龍江泥石流發育受控于區內多條活動斷裂，其中影響最為劇烈的是迭部—白龍江深大斷裂；對當前流域泥石流活動影響最為直接的是1879年文縣8.0級地震以及1972年兩次7.2級地震；汶川地震的影響主要表現為下游地區松散物源的增多，對泥石流發育的影響尚不明確；流域泥石流主要發育于區內地層最為破碎、多軟弱巖性發育的區域，該區地貌類型以高起伏度的中山為主，地貌因素是白龍江上游迭部以上以及下游碧口以下泥石流弱發育的主要原因。

(2)流域夏季降水主要受東南季風影響，雨季降水占全年80%以上，泥石流活動較降水更為集中，7，8月泥石流占全年的76%；短歷時降水特征表現為少大、暴雨，但降雨十分集中；多年年降水存在一定的周期性波動，在一定范圍內，年降水隨海拔的增加而增長，并呈冪函數關系，相關系數為0.830，降水的豐欠直接決定了白龍江的泥石流活動。

(3)白龍江干流泥石流流域面積主要集中分布在0.5～20 km2，占總數的85.6%；主溝長73.6%集中分布在1～5 km，主溝長于流域面積之間呈指數關系，相關性較好。

(4)泥石流主溝比降集中分布在200‰～500‰，占總數的76.8%，超過90%的泥石流流域相對高差在500～2 000 m，均較有利于泥石流活動，流域面積與主溝長呈指數關系，相關性較好；干流的災害性泥石流溝的流域形態絕大大多數為長條形或長圓形。

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