蘭州榆中地區泥石流發育的地形因子研究

王紅偉

（甘肅省地礦局第三地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

黃土高原大多位于我國西北部，是泥石流易發地帶，就甘肅地區而言，從20世紀50年代始，近40年間發生災害性泥石流237次[1]，對環境造成重大威脅。針對影響泥石流的發育因素，劉廣寧等[2]總結了涉及地形地貌、地層巖性和地質構造等多個因素。其中作為表征地表起伏的地形因子，數據獲取較為簡單，分析最為直觀，可在短期和快速評價中發揮巨大作用，如楊元麗等[3]就通過遙感、無人機航拍和雷達等技術，開展地質災害調查，分析了高程、坡度與災害間聯系。李文彥等[4]通過Flow-R模型，將高程、坡度及平面曲率等地形數據與地層巖性結合，比較山洪和泥石流易發性。李升甫等[5]更是將地形地貌作為災害研究的重點進行分析，探討地形坡度、坡向和地形起伏度下的滑坡發育概率。

上述討論凸顯了地形地貌對地質災害的重要性。甘肅地區多為黃土地貌，地表支離破碎，溝壑縱橫[6]，是泥石流等災害的高發地，如何正確把握好地形地貌與泥石流之間的聯系，對黃土區災害研究和防治都有重要意義。因此，通過對蘭州市榆中地區泥石流發育的研究，探討地形地貌中影響泥石流發生的關鍵因子。

2 地形地貌

蘭州市榆中地區地處內陸，南北地勢高，中部凹陷。南部地勢較北部高，主峰興隆山和馬銜山海拔分別為3 670 m和3 250 m，北部海拔處在2 200～2 400 m，而中部海拔只有1 600～2 200 m，多為黃土丘陵和沖洪積平原展布區。

榆中地處祁連山造山帶的祁連地塊，總體上處在兩級古夷平面上，經過第四系時期地塊上升和流水切割作用，區內地貌分為3類（如圖1所示），一類是侵蝕—構造中高山，面積占比達58.60%，位于中北部和部分南部地區，進一步細分為中高山地貌，中山地貌，侏羅系、白堊系、古近系砂巖、礫巖構成基底的低中山和晚元古界皋蘭巖群變質巖、加里東花崗巖構成基底的低中山；二類是侵蝕—剝蝕黃土丘陵，集中在榆中西南部，包括中部黃土丘陵和馬蘭黃土覆蓋下的高階地丘陵兩種類型；三類是堆積平原類型，分布于榆中東南部地區，由第四系上更新統砂礫卵石夾砂性土構成的山前傾斜沖洪積平原和第四系上更新統、全新統砂礫卵石夾砂性土構成的沖積河谷階狀平原構成。

總體上看，榆中地貌分布較為復雜，侵蝕—剝蝕黃土丘陵和堆積平原相互穿插，因此也導致榆中地區地質災害風險較大。

圖1 榆中縣地貌圖

3 地形影響因子

通過調查，地形的控制主要體現在溝床比降、溝坡坡度、流域面積、相對高差及溝壑密度5個方面。本次研究選取泥石流35處，統計其在不同指標因子中泥石流的分布特征。

3.1 溝床比降

溝床比降反映底床條件，影響流體能量轉換。從表1看出，溝谷平均溝床比降在50‰～200‰泥石流分布較多，為82.86%，尤以區間100‰～200‰占比最大，達62.86%。到區間200‰～300‰時，泥石流數量陡然下降，此為物源較少導致，較大比降不利于松散物質堆積，因此，泥石流發生概率降低。通過表1分析，榆中地區泥石流發育的溝床比降上、下界限值分別為100‰、200‰。

表1 榆中泥石流溝床比降統計

3.2 溝坡坡度

溝坡坡度的影響表現在物質補給和匯流速度2個方面。經調查，區內溝坡坡度呈近似對稱分布，偏度系數為0.39。

如表2所示，泥石流發育優勢區間為20°～30°和35°～50°。結合野外調查，得出在工作區中部黃土丘陵區，坡度在20°～30°時坡面固體松散物堆積較多，以溝面、坡面地表徑流侵蝕和滑坡為主；北部青城和南部柴溝河支溝的基巖山區，泥石流主要位于40°～50°，大多以崩滑災害和風化坡積物等為物質來源。

表2 榆中泥石流溝坡坡度統計

3.3 流域面積

經統計（見表3），流域面積在1～10 km2共發育泥石流23條，占比65.71%。易發性較強的泥石流集中發育在10～70 km2，此區間匯水面積大，上游溝道坡降大，利于泥石流的流通。

表3 榆中泥石流流域面積統計

泥石流流域面積對滑坡作用不呈單一線性影響，主要是當流域面積增大，地面起伏更多，造成物源補給分散，隨時間推移，下游物質堆積，溝谷加寬，高差減小，溝道長度進一步拉大，沖溝進一步變成支溝，分散水流。同時在各支溝出口處，匯流沖擊產生干擾，能量被耗散。因此，當流域面積達到某一臨界，泥石流溝谷就演變為洪水溝谷，泥石流發生概率降低。同樣泥石流溝谷流域面積也存在一個下限值，即泥石流不具備固體物質累計條件的最小流域面積。

考慮到泥石流溝谷流域面積的臨界值受到地質構造、地層巖性、氣候、水文、植被等多方面因素的限制，大致確定榆中地區泥石流溝谷發育的流域面積的極限區間為0.1～70 km2。

3.4 相對高差

相對高差反映出流域內受內外地質作用地表被切割破壞的強度。區內泥石流發育區間集中在100～300 m，共發育泥石流16條，占總量的45.71%（見表4）。

表4 榆中泥石流相對高差統計

一般而言，相對高差較大的溝谷已經成型，侵蝕強度相對較低，而高差在100～300m之間多屬壯年期，第四紀黃土覆蓋較多，受流水、風力等物理、化學侵蝕作用，易引發兩側溝坡失穩，發生掉塊、土溜等不良地質現象，從而轉化為松散固體物質補給泥石流。但是從另一個角度來講，相對高差作為溝床比降的分子，二者呈顯著相關性，但溝床比降還受溝道長度影響，兩者變化又有所區別。從理論上說，相對高差越大，能量越多，泥石流易發性更強，表4未考慮各區間實地面積的影響，導致數據間差距不明顯。

3.5 溝壑密度

溝壑密度反映地形切割破碎程度，從表5看出，區內溝壑密度集中分布在0～1.5 km/km2內。由圖2所示，工作區溝壑密度較集中在和平、銀山、金崖和青城等地，地表破碎，水土流失嚴重，泥石流分布較多。在上述范圍內，區間1～1.5 km/km2占主導地位，占比48.57%。

表5 榆中泥石流溝壑密度統計

圖2 榆中縣小流域溝壑密度分布

當溝壑密度進一步增加，泥石流發育出現急劇下降，根據圖2分析是由于溝壑密度大于1.5 km/km2的范圍占地面積較少，導致滑坡數量不高。

4 結論與討論

（1）溝床比降對泥石流的影響呈正太分布，比降過高或過低都會使得泥石流的發生概率大大降低，榆中地區泥石流發育的溝床比降上、下界限值分別為100‰、200‰。

（2）泥石流發育的優勢溝坡坡度在20°～30°和35°～50°，在榆中中部黃土丘陵區，提供泥石流固體物源最多的坡度處在20°～30°之間；北部青城和南部柴溝河支溝的基巖山區則處在40°～50°。

（3）流域面積對泥石流的影響也近似呈正態分布，流域面積在1～10 km2區間內泥石流數量較多。榆中地區泥石流溝谷發育流域面積的極限區間為0.1～70 km2。

（4）根據高程和能量的關系，泥石流易發性與相對高差大致呈正相關。

（5）榆中地區泥石流溝大多發育在溝壑密度為1～1.5 km/km2的區間之中，且在該區間內呈現出泥石流易發性隨溝壑密度增加而增強的趨勢。