震區泥石流物源泥石流轉化率初步研究

屈永平

(四川建筑職業技術學院，四川 德陽 618000)

0 引 言

由于泥石流體自身的粘滯力和沖擊力導致泥石流具有一定的夾裹、鏟蝕能力[1]。前人對泥石流的沖出量估計主要是基于泥石流物源的儲量條件和降雨條件等因素分析[2-3]。汶川地震后，震區內形成大量的滑坡、崩塌、不穩定斜坡等泥石流物源，而泥石流物源的動儲量約為泥石流總儲量的40%[4]。在持續強降雨條件下，震區發生了多次的大規模群發性泥石流事件，主要有“9·26”、“8·14”、“7·03”和“7·10”等。

泥石流的沖出量不僅與泥石流物源總儲量和降雨條件相關[5]，也與泥石流物源的堆積時間和剩余物源儲量相關，即泥石流沖出規模與物源儲量的轉化率和堆積時間呈負函數相關。前人對泥石流物源泥石流轉化率的研究相對較少，泥石流轉化率對預測泥石流沖出規模、泥石流暴發頻率及泥石流剩余物源儲量尤為重要。

1 研究區概況

汶川強震區位于四川盆地西北部，阿壩藏族自治州東南部，龍門山中段。研究區地處龍門山斷裂帶與四川盆地凹陷帶的結合部，G213和G317公路從研究區通過。“5·12”地震作用不僅造成了大量的人員傷亡和財產損失，還引發了大量的地震次生災害，滑坡、不穩定斜坡、崩塌、泥石流等給交通設施、震區重建及當地居民的生命財產構成極大的威脅，特別是G213公路被泥石流事件多次沖毀，給研究區內人民的生活和經濟發展帶來巨大影響。

研究區總體上地形屬于深切割構造侵蝕中、高山地形，溝谷地形陡峻，地形臨空條件發育，泥石流流域內崩塌、滑坡、不穩定斜坡等不良地質現象發育，為泥石流松散固體物源失穩提供了有利的地形條件。“5·12”地震的發震斷裂位于研究區南東側，斷層全長約為500km。研究區災害點分布情況見圖1[6]。

圖1 研究區災害點分布

根據研究區流域內漁子溪水文站25 a實測，多年平均降水量為1 253.1 mm，最大年降水量為1 688 mm，最小年降水量為836.7 mm，連續最大4個月(6月～9月)降水量為853.2 mm，占年降水量的68.2%。汶川地震后效應導致泥石流暴發時所需降雨閥值突降，雨季強降雨為泥石流暴發提供了有利水力條件。

泥石流暴發條件與泥石流溝的地形地貌、物源條件及降雨條件等因素相關。研究區“8·14”大規模群發性泥石流過程中，暴發前1 h的降雨量為16.4 mm，暴發前3 h累計降雨量為23.4 mm，前期累計降雨量為162.1 mm。持續的強降雨匯流條件下，導致研究區泥石流流域內的滑坡、崩塌體失穩，進而形成大規模的泥石流過程[7]。研究區“7·10”群發性泥石流事件的降雨從2013年7月6日開始，降雨歷時近5 d。其中，從7月7日20∶00時至7月11日8∶00 時84 h累計降雨量為207.2 mm。

2 研究方法

2.1 研究區物源分布

GIS解譯可知，研究區震后滑坡崩塌地質災害共2 067處。其中，小型779處，中型1 015處，大型261處，特大型12處。根據前人研究[7]，地形坡度是影響地貌形態最基本的要素之一，研究區的滑坡崩塌災害點分布坡度為30°～60°，主要集中于高程小于3 500 m范圍內[7]。

2.2 研究區泥石流物源轉換

汶川強震區的泥石流物源以滑坡、崩塌堆積體等為主，泥石流物源在自然狀態下處于穩定狀態，隨著泥石流物源內含水量逐漸增加，物源的物理力學性質下降[8]。泥石流物源性質、降雨條件和剩余物源儲量等因素決定了泥石流暴發時的沖出固體方量，即泥石流沖出量為泥石流物源儲量與泥石流侵蝕量的差值。

泥石流物源的孔隙比、密實度、抗剪強度等物理性質與其堆積時間的長短相關[9]，即泥石流物源泥石流轉化率與已經暴發的泥石流次數、泥石流剩余物源儲量、泥石流物源堆積時間、物源性質以及降雨條件等因素相關。

研究區泥石流物源主要為滑坡、崩塌、不穩定斜坡等堆積體以及溝道堆積物，泥石流物源在一次泥石流過程中被部分侵蝕，即剩余物源儲量為下一次泥石流暴發提供物源條件。為研究泥石流物源泥石流轉化率，本文選取汶川震區泥石流溝為研究對象，部分泥石流物源儲量及在多期泥石流事件中的物源侵蝕量見表1。

汶川強震區2008年“9·26”、2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流物源泥石流轉化見圖2。從圖2可知，“9·26”，“8·14”和“7·10”泥石流單個物源點的轉化率變化趨勢相同，且整體上泥石流物源的轉化率與泥石流物源堆積時間呈負相關。

根據泥石流物源轉化率函數的擬合，汶川強震區2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流物源轉化率與2008年“9·26”泥石流物源轉化率的函數關系見圖3。從圖3可知，“9·26”轉化率與“8·14”和“7·10”泥石流物源的轉化率關系為二次函數，且由轉化率函數的斜率可知泥石流物源轉化率的變化趨勢，2010年“8·14”轉化率比2013年“7·10”轉化率高。公式如下

表1 研究區部分災害點的侵蝕特征 104 m3

注：表中B為崩塌；G為溝道物源；P為不穩定斜坡；H為滑坡；S為松散堆積物。

圖2 “9·26”、“8·14”和“7·10”泥石流物源轉化率特征

圖3 泥石流物源轉化率的函數關系

(1)

式中，q9.26、q8.14、q7.10分別為2008年“9·26”、2010年“8·14”、2013年“7·10”泥石流物源單位面積的轉化率；qTot為總轉化率。

泥石流物源轉化率函數的斜率曲線反映了泥石流物源轉化率的變化趨勢，由式(1)可知，泥石流物源的轉化率2010年“8·14”整體趨勢大于2013年“7·10”的整體趨勢，且2010年“8·14”至2013年“7·10”的泥石流物源轉化率下降值Δdp約為9.819%。

綜上所述，泥石流物源泥石流轉化率與泥石流剩余物源儲量條件[10]、流域面積[11]及其物源的堆積時間[11]等因素相關，即泥石流暴發過程中的轉化率與泥石流的流域面積、物源儲量、已經暴發的次數、物源堆積時間等相關。轉化率模型公式如下

(2)

式中，q為泥石流的單位面積的轉化率；A為泥石流流域面積；W為泥石流物源儲量；L為泥石流溝主溝長度；T為泥石流暴發時間；n為泥石流暴發次數。

根據泥石流物源轉化率的統計模型，對比實際泥石流物源侵蝕方量，得到泥石流的轉化率的誤差分析。泥石流物源轉化率的誤差分布特征見圖4。從圖4可知，泥石流物源轉化率誤差范圍在0～0.23%之間。

圖4 泥石流物源轉化率模型誤差

3 模型驗證

為驗證模型的適用性，選取汶川強震區典型的“8·14”和“7·03”泥石流事件為驗證對象。“8·14”和“7·03”泥石流轉化率見圖5。根據泥石流物源轉化率的計算模型，對比實際泥石流物源侵蝕方量得到泥石流的轉化率的誤差分析，泥石流物源轉化率的誤差分布特征見圖6。從圖6可知，泥石流物源轉化率誤差范圍在0～5%之間。因此，泥石流物源轉化率計算模型在研究區有一定的適用性。

圖6 泥石流轉化率誤差分析

4 結 語

本文對汶川強震區“9·26”，“8·14”，“7·03”和“7·10”泥石流物源調查發現，“8·14”泥石流物源轉化率平均值為0.021 m3/km2，“7·03”泥石流為0.007 m3/km2，泥石流物源的轉化率整體呈下降趨勢。通過轉化率模型與實際轉化率對比，“9·26”，“8·14”和“7·10”誤差分析得到的最大誤差為0.23%，而“8·14”和“7·03”泥石流物源轉化率驗證可知，轉化率誤差最大為5%。因此，本文泥石流物源轉化率計算模型在研究區有一定的適用性。