氣候變化影響下泥石流形成機制及治理措施

王辰

（四川省第九地質大隊，四川 德陽 618000）

0 引言

總的來說，四川高山區域泥石流更多是因為冰雪堆積物等物質受到融水、降雨、雪崩等外部條件影響下所形成的，雖然高山區域泥石流大多出現在相對偏遠的凍土或者冰雪坡面，但是因為其規模較大、具有較長的演進距離，所以其具有大面積的破壞力，會對相關設施和人民生命財產安全產生影響。對于高山區域來說，其對于氣候變化非常敏感，隨著全球氣候變化的加快，冰川凍土在不斷加快消融退縮，從而造成這些區域泥石流發育條件更加完善，進而產生大量泥石流災害。氣候變化造成的環境改變使得潛在地質災害更易發生，例如，川藏線鐵路的藏東南區域等多次出現較大規模的泥石流災害，對交通造成嚴重影響，產生巨大損失，基于此，氣候變化影響下的泥石流災害受到了各方廣泛的關注。

為此，國內外的相關研究人員對于高山區泥石流的成因等都進行了相應研究，但是受到復雜起動機制的影響，想要對其進行準確預測是較為困難的。所以需要進一步加快高山區泥石流形成機制的研究，在此基礎上制定出科學的預警機制，這對于降低泥石流的災害具有重要價值和意義?，F階段有關高山區泥石流方面的研究更多集中在成因和起動機制、動力過程和地貌效應、泥石流和氣候條件的關系等，特別是近些年加快了對冰川凍土體消融破壞機制以及冰磧土泥石流起動特征等方面的研究。但是目前還無法完全得到高山區域泥石流形成的物理機制，在此情況下可以通過統計的方式來獲取泥石流的產生和氣候變化之間的關系。為此，本文主要對四川高山區域泥石流的形成機制進行分析研究，同時對于相應的治理措施進行研究，期望可以進一步推動高山區泥石流研究工作。

1 高山區泥石流形成機制

（1）無論是對于高山區還是其他環境，泥石流的形成基本上是類似的，按照起動成因可以將其分成“土力類”以及“水力類”等。所謂的土力類成因主要就是指雪崩、冰崩、冰磧物滑坡等問題引發的泥石流，而水力類成因主要就是指因為降水、融雪等利用底蝕以及側蝕所引發的泥石流。高山區的各種泥石流引發誘因不僅僅會受到降雨影響，同時也會受到溫度等方面的影響。隨著溫度的上下波動，冰體就會處在不穩定狀態，可能會造成消融，這會直接影響到凍土所處狀態，進而對徑流和地下水產生作用。因此，高山區的泥石流成因是綜合因素作用結果，往往是不同類型因素相互作用的結果，所以對其研究也較為復雜，涉及多種類型學科，如土力學、巖石力學、泥沙運動力學等[1]。

（2）通過分析可知，大型和特大型冰川泥石流的產生大多為土力學過程（冰緣或冰磧物坡體巖體的突然崩落、滑坡等）的結果，這些作用會形成大量的“準”泥石流物質。除此之外，受到高山區地質條件的影響，邊緣區域的高程存在著較大的落差，一旦發生邊坡崩塌等情況就會形成非常強烈的沖擊，特別是對于下游的陡峭區域來說，較為松散的冰磧物等非常容易發生失穩。因為此種崩塌主要出現在氣溫較高的時間段，冰磧物中存在著大量的水分，所以一旦失穩就會形成泥石流，并且此種泥石流的流速要更高、破壞力也更強。

近些年針對此種類型的泥石流加強了控制試驗以及野外原型觀測等方面的操作，目的在于通過不同手段來得到更加準確的冰川失穩機制，能夠更加精確確定出溫度等因素對于冰川剪切應力等指標的影響，在此基礎上建立更加完善的預判模型，能夠及時對冰川變動情況進行判定。對于一般性土體來說，其發生失穩情況往往和含水率的變化具有直接關聯，但是高海拔冰川凍土則有所不同，冰體的脆斷不但和含水率相關，同時也和溫度具有緊密關聯性[2]。對于冰川以及基巖凍土區來說，冰填充巖石節理情況比較常見，受到冰分凝作用影響，此種節理會不斷擴展。此種節理的剛度、強度等為正應力以及溫度的函數。

（3）通過多方面的研究可知，巖體的穩定性容易受到冰凍狀態變化的影響，所以近些年更加注重的是對0℃情況下巖體所受到的剪切等影響的分析。通過相應試驗來對冰填充的巖石節理破壞情況實施了較為詳盡的分析，試驗方式主要包括兩種，一方面可以加強高山區原有形態的動態監測，一方面可以通過室內的試驗（對于冰芯樣本分析）來獲取結果，無論何種方式都要利用聲發射檢測技術來具體實施。

從冰川剪切破壞試驗中可知，一旦將巖石表層覆蓋物去除或者溫度上升等變化產生，都可能引發冰填充巖石剪切阻力的顯著降低。在對冰填充巖石臨界剪切力計算時，可以參照摩爾-庫倫準則來進行，具體如下：

式中：τ——冰填充巖石節理破壞情況下剪切應力，受到正應力σ、內聚力c 以及摩擦角ψ 等的影響。

利用控制試驗的方式獲取了冰凍巖石節理破壞臨界剪切力和正應力、溫度之間所具有的關系，具體如下：

雖然對于不同環境來說式（2）和式（3）中相關系數存在一定的不同，但是可以從直觀上表示出內聚力c以及摩擦系數μ 都與溫度T 負相關的一般性特征。除了以上所提到的冰川退化之外，高山區長期的凍土消融也會影響到坡體的穩定性。相對于基巖—坡體穩定性與冰川退化關聯性的長期性研究來說，長期的凍土變化情況對于坡體穩定性的影響研究時間較短，只是在近期才有所涉獵。巖石上長期凍土退化往往會受到巖石裂隙水滲濾等方面的作用，隨著冰的逐漸消融，含有冰的泥沙堆積物孔隙水的壓力會逐漸上升，這樣就會造成泥沙坡積體逐漸失去穩定性。所以受到溫度上升影響造成的凍土消融非常容易造成高山區山坡穩定性不足而引發泥石流[3]。

2 氣候變化影響下泥石流的治理措施

2.1 加強氣候變化的宏觀監測以及氣象數據的高時空分辨

對于高山區來說，其泥石流的產生和氣候變化直接相關，當前所進行的研究更多是針對某一特殊泥石流事件來進行的，研究其和氣候變化之間的關聯性，為了能夠更具普遍性，需要特別注重小流域和區域之間的結合。在對氣候變化（溫度上升、較大強度的降水等）影響高山區泥石流啟動情況的研究中，要以IPCC 氣候報告（2020—2050 年）為參照來對高山區氣候的變化發展情況進行定量研究，要建立并完善多尺度降-氣溫的經驗模型，以此來對區域性氣候變化影響的高山區泥石流形態特征進行分析研究。

為了能夠對泥石流進行預判，常常對典型事件進行相關指標的統計分析，但是無論是準確性還是可靠性都會受到多種因素的影響，如統計的相關樣本量、不同環境條件下氣象數據的情況、時空分辨率等。高山區有著特殊的地形特征，這也造就了其氣象因子空間分布存在較大差異。受制于地形條件等因素影響，高山區的氣象站建設數量較少，站點之間存在較為稀疏的情況，當前在對所在區域泥石流出現因素進行分析時主要采取的是泥石流出現區域周邊臨近站點所得氣象數據來進行的，一定程度上存在著不確定性的問題。所以為了能夠更加準確、及時地了解泥石流易發區域氣候變化情況，得到較為精準的氣象數據，要提升該區域氣象監測站的數量，通過增加其密度方式來縮小監測范圍，從而實現更加精準的監測[4]。隨著技術的快速提升，以RCP 氣候變化情境為基礎來實施空間降尺度分析，同時結合遙感降水柵格數據多邊形區域糾偏等方式來獲取區域性時間序列氣象數據資料屬于較好的方式，能夠獲取更加準確的數據，但是在實際操作時需要增強和地面站點所測數據的對比，對所得數據進一步驗證。

2.2 加強高山區冰川凍土變化情況的分析

受到雪崩、冰崩等土力類作用所引發的高山區泥石流的規模相對較大，破壞力較強，但是針對關鍵影響因素（滑坡失穩時間、位置等）很難進行預判。冰體發生不同形式的災害（失穩、斷裂、崩塌等）在時間方面具有非常大的差異性，時間跨度較長，甚至長達幾年、百年等，所以很難對其進行確定，對于預判冰體失穩破壞造成了較大困難[5]。高山區坡體失穩在時間和斷裂深度上的分布區間如圖1 所示。所以需要加強影響高山區冰體穩定性的條件（地質巖性等）以及激發因子（溫度、冰分凝作用等）方面的深入研究，能夠進一步明確巖體以及冰磧物坡體失穩破壞的核心控制因子和臨界條件。

圖1 高山區坡體失穩在時間和斷裂深度上的分布區間

氣候的變化情況會對冰川凍土以及冰磧物坡的穩定造成較大影響，所以要特別注意因為氣候變化等造成的高山區冰川凍土0℃等溫線的上移變化情況，主要是由于此等溫線上移也就代表著那些長久受到冰雪覆蓋或者始終處在冰凍情況下的巖體狀態發生了改變，存在著消融出露的可能性，隨著時間的積累就會轉化成為泥石流。可以按照之后長期時間內氣候變化的趨勢來預判高山區0℃等溫線上移可能區域，利用遙感以及GIS 技術等進行野外調查，尤其要關注的是大規模崩塌滑坡事件引發的泥石流物源量上升所引發的泥石流爆發可能性。

2.3 加強高山區泥石流發育的動力學機制研究

當前在進行高山區泥石流起動機制研究中還要明確幾方面問題，一是由于冰川滑坡以及崩塌等土力類因素引發的泥石流，要確定出土體液化機制以及關鍵性因素（孔隙壓力等）動態變化的具體規律，這樣就可以得到土力類影響因素轉變成為泥石流的地形地貌以及環境條件；一是對于水力類影響因素所引發的泥石流來說，需要進一步明確水動力條件下土體顆粒起動的屬性情況。在進行泥石流起動研究時，野外原型觀測、物理模型試驗等是最為常用的方式，其中物理模型試驗在近些年的應用越發普遍，但是受到多種因素影響（模型比尺、實驗泥沙顆粒粒徑、高山區冰沙混合物制作、可控溫度條件等），小規模模型試驗并不能準確地展現出高山區野外泥石流起動以及動力過程。隨著近些年信息技術的快速發展，野外原型觀測在泥石流研究方面也得到了廣泛關注。但是高山區較復雜環境下泥石流原型觀測以及監測方面還有所缺失，可以通過多種技術手段（集成地聲、次聲、視頻、壓/應力監測等技術）的綜合應用來對典型泥石流進行分析，建立起更加全面指標，包括氣象（降雨、氣溫）、地震波、次聲波、流速、泥位、孔隙壓力、正壓力等監測系統，進一步加強多斷面高時空分辨率氣象以及泥石流起動原型觀測，更加全面地收集影響泥石流的關鍵因子動態變化情況。利用海量數據來對高山區泥石流起動模型進行修繕，使其更加完善、更加準確，從而能夠提升對泥石流成因方面的理解深度。

3 結語

受到氣候變化等方面的影響，四川高山區的冰川邊緣地帶更容易出現泥石流等災害。為此，很多學者針對泥石流發生和典型成因、氣象條件變化等之間的關聯性進行了廣泛的研究。但是受制于此種區域地質環境的影響，野外觀測以及試驗的難度都比較大，高山區泥石流發育機制以及起動條件等方面的研究還存在較大困難。這就要求在之后的研究中要不斷融入現代信息技術，同時要進行根本性調研，通過多種手段確定出高山區邊坡失穩的臨界條件，進一步明確泥石流的成因，采取針對性手段進行預判以及防范，減少甚至避免其造成的損失。