汶川8.0級地震震區潰決型和一般型泥石流沖出量研究

方群生，唐　川

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

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汶川8.0級地震震區潰決型和一般型泥石流沖出量研究

方群生，唐川

(成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室, 四川 成都 610059)

摘要:汶川8.0級地震后，震區在強降雨作用下不僅誘發形成大量的一般暴雨型泥石流災害，還誘發形成危害性更大的潰決型泥石流。通過泥石流勘查應急報告和野外實地調查，核實選取了汶川震區9條潰決型泥石流溝和34條一般型泥石流溝沖出量的相關參數作為樣本數據，先對汶川震區潰決型泥石流的特征進行分析總結，其次對比分析汶川震區潰決型泥石流與一般型泥石流沖出量的特點及其是否堵江的原因，結果表明潰決型泥石流沖出量較一般型泥石流要大出幾十倍，且比一般型泥石流更易造成堵江。最后建立一般型泥石流沖出量多因子統計預測模型，提高了一般型泥石流沖出量普遍預測模型的精度，驗證顯示該預測模型對汶川震區一般型泥石流沖出量的預測具有科學有效性。研究結果為進一步深入研究震區潰決型泥石流提供理論依據，也為震后災區一般型泥石流的減災防災工程設計提供計算方法。

關鍵詞:汶川震區；潰決型；一般型；泥石流；沖出量

汶川8.0級地震后，震區的滑坡、崩塌、泥石流等山地災害異常強烈[1]。地震后災區暴雨泥石流將進入一個新的活躍期,泥石流活動在未來的5~10年會是震區內最主要的地質災害之一[2]。2010年8月12-14日，汶川縣部分地區降暴雨,局部地區降大暴雨，致使汶川縣映秀鎮和都江堰市龍池鎮均發生了群發性泥石流,給災區人民生命和財產帶來了慘重的損失[3-4]。2013年7月6-10日，汶川縣普降特大暴雨，歷時近5 d。特大暴雨在汶川縣城周邊、國道G213及省道S210沿線誘發形成大量地質災害。泥石流流域內的大量松散固體物質在震后4個雨季強降雨的激發作用下啟動形成潰決型泥石流和一般暴雨型泥石流，致使震區泥石流危險性范圍進一步擴大。震區泥石流溝道內堆積了大量由地震觸發的崩滑物質，極易形成天然堵塞壩。在降雨徑流與上游水流的不斷侵蝕沖刷作用下，此類溝道內的天然堵塞體很容易發生失穩潰決，對溝道形成高強度洪水沖蝕，從而形成沖出規模大、成災快及破壞力強的潰決型泥石流。此類泥石流若發育于河流兩岸發育則極易造成堵江災害鏈，其導致的災害損失嚴重程度要比一般的暴雨型泥石流大[5]。大量研究也表明，在同一流域下，震區泥石流暴發規模較震前要大數倍[6-8]。

因此，本文通過泥石流勘查應急報告及實際野外調查，選取了汶川震區9條潰決型泥石流和34條一般暴雨型泥石流的相關參數作為樣本數據，對比分析汶川震區潰決型泥石流與一般型泥石流沖出量的特點及其是否堵江的原因，結果表明潰決型泥石流沖出量較一般型泥石流要大出幾十倍，且比一般型泥石流更易造成堵江。這為進一步深入研究震區潰決型泥石流，以及為更有效地進行泥石流的風險評估、預警預報、工程治理提供理論依據。同時，本文還對汶川震區34條一般暴雨型泥石流沖出量和流域內的總物源量、流域面積、流域縱向長度、流域高差進行回歸判別，建立泥石流沖出量多因子統計預測模型，驗證結果顯示，所建立的預測模型有效，這為震后災區一般型泥石流的減災防災工程設計提供計算方法，同時采用較多的因子判別泥石流的沖出量，提高了沖出量普遍預測模型的精度。

1研究區潰決型泥石流特征

泥石流堵塞壩的潰決方式對潰決過程和潰決洪水的特征具有直接決定作用，由壩體堆積物的泥沙運動特征出發，可將堵塞壩潰決模式分為沖刷潰決、有表面流的泥石流堆積體水力再啟動、沒有表面流的泥石流堆積體重力再啟動三種基本模式[9]。汶川地震后，我國境內潰決型泥石流的分布和類型均發生了變化。在強降雨作用下，汶川震區有些泥石流溝道內形成的大型堵塞體很容易激發形成規模龐大、危害高的潰決型泥石流，這打破了汶川地震前大多分布在新疆和西藏地區的多為冰湖潰決型泥石流的布局[10]。筆者通過對汶川震區泥石流的多次野外實際調查發現，汶川地震觸發的大量山體崩滑體堆積于溝道，極易形成天然堵塞體。潰決型泥石流是由形成堰塞湖的滑坡壩、終磧堤潰決和地震作用、水流不斷沖刷、堤壩自身不穩定性引起的各種攔水堤壩潰決，而引發了突發性高強度洪水沖蝕的泥石流[11]。

汶川震區潰決型泥石流活動在泥石流容重、流量或流速、沖擊力三個表征其特征的重要指標上較一般型泥石流均發生了變化。容重是泥石流最基本的物理指標，它反映了泥石流的成因類型；流速和流量是研究泥石流動力過程的關鍵因子，它反映了流域的產匯過程；泥石流沖擊力是揭示泥石流動力性質的重要參數，它包括泥沙漿體的整體沖壓力和大石塊的沖擊力[12]。通過野外調查及相關研究分析發現，映秀鎮紅椿溝泥石流在流通區內的容重、流量與流速，以及泥石流體整體沖壓力三個重要指標在泥石流運動過程中具有同步增長現象，同時發現支溝甘溪鋪溝溝口附近的增幅最大。原因是該支溝溝口附近的崩塌滑坡等大量松散物源堵塞溝道，堵塞體被上游流水不斷地沖刷侵蝕，最后發生潰決。泥石流溝道內典型的堵潰情況如圖1所示。由于潰決型泥石流發生潰決的突發性及一次性攜帶的松散固體物質量較大，因此其沖出方量也是巨大的，據統計此次紅椿溝的沖出方量就達到了80.5萬m3，巨大的沖出方量經溝口堆積扇直接沖入岷江，從而致使岷江受堵，大大增加了泥石流的危害性[13]。

圖1　紅椿溝泥石流典型堵潰點

總結相關研究和野外調查分析結果得到，對汶川震區潰決型泥石流溝道內的堵塞體潰決起關鍵作用的是降雨徑流和溝道上游流水不斷侵蝕沖刷。這類泥石流具有的基本特征主要包括以下幾點：泥石流溝道內堵塞體的失穩形式以漫頂破壞模式為主；泥石流容重較一般型泥石流存在顯著增加現象，原因是堵塞體潰決時造成的；泥石流流量由于溝道內堵塞體潰決的存在，而在流通區內沿途會出現暴漲暴落現象，流量也會明顯放大，有時甚至會在斷面達到某個極值；堵塞體的攔截致使溝道內物質的勢能增加了幾倍，從而也使流體動能相應增大了幾倍，這樣便直接導致潰決型泥石流的沖擊力較一般型泥石流要大出幾個級數。由于堵塞體潰決的突發性、高強度以及一次沖出松散固體物質方量巨大，因此更容易形成破壞力較強、危害性較大、堵江性較高的災害。

2建立泥石流沖出量模型

泥石流沖出量是指泥石流溝在水條件、物源條件及地形條件三大決定性因素具備時，其溝道內的大量松散固體物質沖出溝口的所有物質方量。潰決型泥石流較一般型泥石流有其特殊的形成過程，由于潰決型泥石流溝道內堵塞體的作用，使其沖出量要比一般型泥石流大很多。通過四川省地震災區泥石流詳細應急勘查報告和野外實際調查復核，本文從中選取了強震后且經過2010年的“8·13”和2013年的“7·10”強降雨后的汶川震區9條潰決型泥石流和34條一般暴雨型泥石流及與沖出量有關的泥石流參數作為樣本數據對震區這兩種類型泥石流進行分析(表1、表2)。

表1　汶川震區34條一般型泥石流基本參數

注：數據部分來自文獻[14]和實地調查核實，部分來自四川省震區泥石流應急勘查報告和實地調查核實。

表2　汶川震區9條潰決型泥石流參數

注：數據部分來自文獻[14]和實地調查核實，部分來自四川省震區泥石流應急勘查報告和實地調查核實。

2.1　潰決型泥石流沖出量特點

潰決型泥石流是一種具有成災快、規模大、破壞力強特點的特殊泥石流，其主要分布于地震區和冰川地區。據表1和表2中的統計數據顯示，一般型泥石流未發生堵江情況，而在潰決型泥石流樣本中卻有89%條由于一次性沖出量規模巨大，沖出物質在河流中形成堰塞體從而堵塞河流(圖2)。在相似地質環境與流域環境下，且流域面積、流域縱向長度、流域高差等地形地貌特征相近條件下，潰決型泥石流的最大沖出長度和最大沖出寬度與一般型泥石流的差異不大，有時一般型泥石流可能沖出范圍還較大些，這說明地形地貌等流域特征對泥石流沖出量是否堵江起不到絕對影響作用。其中不難發現泥石流總物源量及沖出量才是泥石流是否堵江的關鍵因子，潰決型泥石流一次性沖出量規模大，沖出物質進入河流的容量就大，而河流在一定范圍內的攜帶物質量有限，因此剩下的沖出物質量巨大，就會很容易堆積于河流中，一下子將河流堵塞。一般型泥石流沖出量相對而言要比潰決型泥石流小的多，故即使沖出物質能沖入河流，也會因為量小而被河流流水攜帶到下游，無法形成堰塞體堵塞河道。

圖2　典型的潰決型泥石流沖出量特征

圖3　一般型泥石流沖出量與總物源量散點圖

由表1和圖3可看出，一般型泥石流的總物源量集中于0 600萬m3，占樣本數據的88%，總物源量超過600萬m3的極少，僅占樣本數據的12%。同時泥石流沖出量的分布特點與總物源量一致，集中于0 6萬m3，占樣本數據的88%，總物源量超過10萬m3的極少，僅占樣本數據的12%。這說明沖出量與總物源量有密切的關系，泥石流流域內總物源量的多少直接影響沖出量的大小。

圖4　潰決型泥石流沖出量與總物源量散點圖

由表2和圖4可看出，潰決型泥石流的總物源量最小為140.61萬m3，0 600萬m3的占樣本數據的56%，超過600萬m3的占樣本數據的44%。而泥石流沖出量小于10萬m3的只有一個，超過10萬m3的有8個，占樣本數據的89%。對比表1和圖3，可知潰決型泥石流流域內的總物源量總體要比一般型泥石流豐富，同時泥石流沖出量比一般型泥石流大幾十倍。

2.2　建立一般型泥石流沖出量模型

一般型泥石流沖出量與潰決型泥石流沖出量存在很大差異，因此在建立汶川震區泥石流沖出量模型時，應將潰決型泥石流剔除，以往所建立的汶川震區泥石流沖出量模型對該因素考慮不足，將潰決型泥石流也包括于模型中，其模型已不能適應于震區泥石流沖出量的預測。建立預測模型所考慮的相關因子越多，說明模型的有效性、科學性及可靠性越好，本模型將影響一般型泥石流沖出量的關鍵因子都考慮在內。本文選取了研究區汶川內的34條一般型泥石流流域內的流域面積、溝道縱向長度、總物源量、流域高差作為樣本數據進行分析建立回歸方程，利用統計數學中的非線性回歸方法，建立多因子統計模型，利用統計軟件Matlab編寫程序，對研究區內一般型泥石流沖出量進行回歸判別，總結出沖出量的曲線(圖5)和擬合函數關系式：

Vout=0.306·[(H·W)0.274+0.043·A1.002-0.206·L]2-1.503[(H·W)0.274+0.043·A1.002-0.206·L]+2.689。

(1)

式中：Vout表示泥石流沖出量，萬m3；H表示流域高差，km；W表示流域內總物源量，萬m3；A表示流域面積，km2；L表示流域縱向長度，km。經檢驗其復相關性系數的平方R2=0.836，復相關系數是檢驗回歸方程相關性的重要參數，R值介于

表3　驗證區7條一般型泥石流參數

注：數據部分來自文獻[14]和實地調查核實，部分來自四川省震區泥石流應急勘查報告和實地調查核實。

0、1 之間，當R值越接近1時表明回歸效果越好。式(1)的R=0.914，表明泥石流沖出量和流域高差、總物源量、流域面積、流域縱向長度回歸效果顯著，可將其作為預測泥石流沖出量的影響因子。

圖5　一般型泥石流沖出量與泥石流流域相關參數函數值相關性統計圖

3驗證一般型泥石流沖出量模型

為了驗證所建立的一般型泥石流沖出量預測模型的有效性，本文另外選擇北川震區的7條泥石流溝進行驗證，泥石流分布在汶川地震作用區，與模型樣本數據的泥石流有著相似的流域環境背景和地質環境背景，且泥石流的發育背景和暴發機理相同，驗證結果表明了預測模型的可靠性，其基本參數見表3。

此次選擇與一般型泥石流沖出量相關性較好的流域高差、總物源量、流域面積、流域縱向長度作為預測泥石流沖出量的推導因子，將已建立的泥石流沖出量預測模型即式(1)對驗證區的7條一般型泥石流沖出量進行計算，得到預測的泥石流沖出量(表4)。利用預測值與實測值的差值和實測值作比值得到了誤差率。由表4的計算結果可看出，泥石流沖出量的預測值比實測值出現了偏大和偏小的情況(圖6)，預測值分布比較均衡，相對誤差為-22.63%~46.60% 之間，與其他相關經驗模型相比，其誤差范圍是可以接受的[7,14-15]。預測結果與實際情況相對而言比較吻合，說明一般型泥石流沖出量的預測模型可以有效地對研究區或與研究區流域環境地質背景相似的地區的一般型泥石流沖出量進行初步預測。

表4　驗證區7條一般型泥石流沖出量預測模型誤差統計表

圖6　驗證區一般型泥石流沖出量殘差分布

4結論

本文通過泥石流勘查應急報告和野外實地調查核實選取了汶川震區9條潰決型泥石流溝和34條一般型泥石流溝沖出量的相關參數作為樣本數據，先對汶川震區潰決型泥石流的特征進行分析總結及利用影響其沖出規模的相關參數初步分析潰決型泥石流較一般型泥石流在沖出量特點上的異同。其次對34條一般型泥石流沖出量和流域總物源量、縱向長度、流域面積、流域高差進行回歸分析，從而建立一般型泥石流沖出量多因子統計預測模型，驗證顯示該預測模型對于汶川震區一般型泥石流沖出量的預測具科學有效性。

(1)潰決型泥石流容重較一般型泥石流存在顯著增加的現象，溝道內堵塞體的失穩形式以漫頂破壞模式為主，泥石流流量在流通區內沿途出現了暴漲暴落現象，泥石流的沖擊力較一般型泥石流要大出幾個級數。由于堵塞體潰決的突發性、高強度以及一次沖出松散固體物質方量巨大，因此更容易形成破壞力較強、危害性較大、堵江性較高的災害。潰決型泥石流比一般型泥石流發生堵江概率更大。流域面積、流域縱向長度、流域高差等流域特征對潰決型泥石流和一般型泥石流沖出量是否堵江起不到決定性作用，而泥石流總物源量及沖出量才是泥石流是否堵江的關鍵性因子。

(2)由于潰決型泥石流形成、運動和堆積過程較一般型泥石流復雜，目前對潰決型泥石流沖出量計算模型存在不足之處，例如樣本較少，機理復雜，僅統計模型是不足的，應該只有建立基于機理的模型才能比較科學地計算其沖出量，因此對其啟動條件、運動規律和沖出特征等機理還需進行更充分的研究，這樣才能更有效地進行潰決型泥石流沖出量計算模型研究。

(3)基于前人對泥石流沖出量的研究，本文進一步完善了沖出量模型的相關參數，運用統計數學模型理論，采用Matlab軟件對流域總物源量、縱向長度、流域面積、流域高差四個影響因子與泥石流沖出量進行多因子回歸分析，建立一般型泥石流沖出量多因子統計預測模型，使預測模型的精度更加高。檢驗結果顯示，本模型可以利用較其他經驗模型精確度較高的模型對研究區一般型泥石流沖出量進行預測，利用該模型得到的絕對誤差在允許范圍內，這證明了該模型對研究區或與研究區流域環境地質背景相似的地區的一般型泥石流沖出量的預測是有效的。

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Study on Run-out Amount of Break and General Debris Flows in Wenchuan Earthquake Area

Fang Qunsheng and Tang Chuan

(StateKeyLaboratoryforGeo-HazardPreventionandGeo-EnvironmentProtection,ChengduUniversityof

Technology,Chengdu610059,China)

Abstract:A large number of general debris flows were triggered by rainstorm in the seismic area after Wenchuan earthquake. Meanwhile, bam-break debris flows were triggered by rainstorm. Therefore, we select the investigation data from the report of emergency exploration for debris flow in the seismic area and field investigation which conduct 34 common debris flow gullies and 9 break debris flow gullies. Firstly, we analyze and summarize the characteristics of break debris flow in Wenchuan earthquake area. Secondly, break debris flow is easier to block the river than general debris flow, because the run-out amount of break debris flow is several times larger than the common debris flow. Finally, applying the multivariate regression analysis, a multiple-factor and regression-statistical model which has been improved the accuracy ofthe runout volume is established to estimate the run-out volume of the common debris flow. The validation shows that the new model is suitable for predicting the run-out volume of the common debris flow in Wenchuan earthquake areas. The results of the study not only provides more effective and scientific equations to design disaster prevent and mitigation engineering for the common debris flow, but provides the basis theory of researching further depth for dam-break debris flow in the seismic area．

Key words:Wenchuan earthquake area; bam-break; general; debris flow; run-out volume

作者簡介：方群生(1988-)，男，廣東揭陽人，碩士研究生，主要從事環境地質和地質災害方向研究.E-mail: fqshjdz@163.com通訊作者：唐川(1961-),男,安徽合肥人,教授,博士研究生導師,主要從事地質災害、地貌學、工程地質研究. E-mail: tangc@cdut.edu.9cn

基金項目：科技基礎性工作專項 (2011FY110100-3)；國家重點實驗室團隊項目(SKLGP2012Z002)

收稿日期：2015-05-18修回日期：2015-07-08

中圖分類號：X43；P642

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0066-06

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.014