任泓穎, 何林芝, 程濟(jì)帆, 許 超, 陳典坤, 漆力健

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 雅安 625014)

1 研究背景

泥石流是發(fā)生在山區(qū)中的自然災(zāi)害,由固體物與水相混合在重力或強(qiáng)大外力作用下沿陡峻溝坡急劇運(yùn)動(dòng)的飽和流體[1]。中國多高原和山地,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,地表起伏大,表層巖體破碎,植被覆蓋率因人類活動(dòng)而降低,近年來泥石流等地質(zhì)災(zāi)害愈加頻繁[2],每年給國家造成了數(shù)十億的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失[3]。對于經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的偏遠(yuǎn)山區(qū),頻繁的泥石流災(zāi)害更是成為了制約當(dāng)?shù)亟煌?、?jīng)濟(jì)和生產(chǎn)生活的重要因素。在中國,泥石流分布在26個(gè)省市的廣大山區(qū),遍及全國138個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),近十年共發(fā)生泥石流15 000余起[4]。

田灣河位于四川省雅安市石棉縣西北,環(huán)繞貢嘎雪山,系大渡河右岸的一級支流。田灣河流域的地理坐標(biāo):東經(jīng)101°41′～102°11′,北緯29°12′～29°47′。流域面積1 441 km2,全長86 km,全段天然落差為3 580 m,河道總比降41.6%[5]。由于田灣河流域位于川滇南北向構(gòu)造帶與甘孜斷褶帶交匯的復(fù)合地帶,區(qū)域內(nèi)構(gòu)造地質(zhì)復(fù)雜,尤其在燕山運(yùn)動(dòng)和新生代第三紀(jì)開始的喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)構(gòu)造作用的影響下,該區(qū)褶皺強(qiáng)烈,斷裂發(fā)育,巖性破碎。流域內(nèi)大部分溝谷較為陡峭,為泥石流固體堆積物匯集提供了勢能條件。該流域內(nèi)主要巖性為變質(zhì)巖與巖漿巖,但在不同區(qū)域又不盡相同,田灣河谷地帶巖性以石英巖、大理巖、云母石英片巖及板巖為主;龔家溝、油坊溝、唐家溝的中、下游均發(fā)育在巖漿巖出露區(qū),巖性以斜長花崗巖、黑云母花崗巖及閃長巖為主,上游主要出露變質(zhì)巖,巖性主要為變質(zhì)砂巖、板巖夾變質(zhì)頁巖等。這些巖體在貢嘎山雪水及氣候影響下,凍融風(fēng)化強(qiáng)烈,容易形成大量破碎物,為當(dāng)?shù)啬嗍鞯亩喟l(fā)提供了充分的松散物質(zhì)來源。再配合地勢形成的動(dòng)力條件,田灣河流域內(nèi)因此多發(fā)泥石流,并且通過對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),該流域內(nèi)的泥石流分布具有明顯的差異性[6]。分析其差異性的特征和成因,對于深入認(rèn)識泥石流和探尋泥石流的防治方案具有重要意義。

近年來,對泥石流發(fā)生影響因素的研究較多,如張新社[7]等從泥石流形成的物源條件、地形地貌條件入手,以ArcGIS為平臺,利用DEM數(shù)據(jù)研究泥石流發(fā)生特征;張晨[8]等運(yùn)用分形理論,通過編程輔助計(jì)算研究了水系的盒維數(shù)值與泥石流各特征之間的關(guān)系;蔣忠信[9]等通過溝谷縱剖面形態(tài)指數(shù)N,計(jì)算小流域系統(tǒng)的超熵,定量評價(jià)流域穩(wěn)定性和泥石流溝谷的演變過程;戚國慶[10]等依據(jù)非飽和土強(qiáng)度理論研究降雨型泥石流形成機(jī)理,為泥石流的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供強(qiáng)有力的理論依據(jù)。目前對于泥石流影響因素的研究大多采用實(shí)地調(diào)查結(jié)合歷史調(diào)研數(shù)據(jù)的方式,最終通過統(tǒng)計(jì)與分析得到相應(yīng)的評價(jià)機(jī)制。但是這些研究多局限在某一單因子、少數(shù)多因子且屬于單一地貌因素方面或是單一水文因素方面,將幾種影響因子進(jìn)行綜合考慮分析的研究并不多見,目前鮮少有關(guān)于田灣河整體流域的相關(guān)研究。

2 研究工具和方法

田灣河水系發(fā)育,支流較多。該流域內(nèi)的各溝谷具有相似的水文氣象條件和地質(zhì)條件,但其中有的溝近期爆發(fā)過一次甚至多次泥石流,有的溝卻長期未曾爆發(fā)過泥石流。田灣河流域內(nèi)的龔家溝、唐家溝、楊家溝、油坊溝等眾多泥石流溝近期均爆發(fā)了規(guī)模不等的泥石流災(zāi)害,例如2007年8月10日,草科鄉(xiāng)楊家溝在建的大發(fā)水電站突然遭受到泥石流災(zāi)害,造成了11人死亡、1人失蹤、約800萬元的經(jīng)濟(jì)損失[11];2012年7月14日,草科鄉(xiāng)唐家溝發(fā)生泥石流,造成2人死亡、5人失蹤、該村經(jīng)濟(jì)損失超過6 000萬元[12]。

本文主要分析田灣河流域內(nèi)溝谷的地貌特征和整體水系結(jié)構(gòu),分析易引發(fā)泥石流的流域特征。通過地形測繪,輔助Google Earth三維地圖功能,獲取田灣河流域內(nèi)大小支流的相關(guān)參數(shù)如溝谷長度、溝床比降、支溝流域面積和數(shù)目等,并根據(jù)Horton理論確定田灣河流域的水系級別,計(jì)算得到各級之間的Horton比(即低級河流的相關(guān)參數(shù)與相鄰高級河流的相關(guān)參數(shù)的比值),作為反映水系發(fā)育和河網(wǎng)形態(tài)的指標(biāo),最后利用Horton理論分析田灣河流域的水系發(fā)育情況,與實(shí)際調(diào)研情況進(jìn)行分析比對,探尋水系發(fā)育和地貌特征對泥石流分布的影響。溝床比降作為地貌方面的特征參數(shù),而Horton比則屬于水系方面的特征參數(shù),表征了水系的結(jié)構(gòu)特征和數(shù)量關(guān)系。

3 溝床比降與泥石流發(fā)生的相關(guān)性

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在描述溝谷特征時(shí),溝床縱比降(即溝床高程差H/溝床長度L)比溝谷流域的相對高程差更具有特征性和代表性。溝床縱比降是泥石流溝谷發(fā)育情況的重要參數(shù),一般情況下,隨著泥石流溝谷發(fā)育,溝床縱比降會(huì)逐漸降低。

據(jù)統(tǒng)計(jì),田灣河河道左右岸兩側(cè)共有82條溝谷,其中共計(jì)有20條溝谷發(fā)生過一次及以上泥石流,將其稱為泥石流溝。根據(jù)在地形圖上收集到的溝床縱比降數(shù)據(jù)顯示,未發(fā)生過泥石流的62條溝谷中有54條即總數(shù)87%的溝谷平均比降集中分布在0.2～0.5,20條泥石流溝中有19條即95%的溝谷平均比降集中分布在0.2～0.7(圖1)。未發(fā)生泥石流的溝谷的安全比降較集中分布在0.23～0.5,而易發(fā)生泥石流的溝谷相對未發(fā)生泥石流的溝谷的比降范圍更大、分布區(qū)間更大。

計(jì)算得到田灣河右岸溝谷的比降平均值為0.333,左岸溝谷的比降平均值比右岸偏大,為0.398,流域內(nèi)所有溝谷比降平均值為0.358。

圖1 田灣河兩岸泥石流的溝谷縱比降分布圖Fig.1 Distribution map of gully gradient of debris flow on both banks of Tianwan River

根據(jù)實(shí)地調(diào)查情況,田灣河右岸較左岸來說更易發(fā)生泥石流,20條泥石流溝中有15條分布于右岸。為了尋找兩岸泥石流發(fā)生頻率較大差異的原因,除了對比左右岸各溝谷的平均縱比降,將各溝谷的縱剖面曲線繪制出來后,對各溝谷的上、下段比降進(jìn)行更細(xì)致的劃分和對比還可以發(fā)現(xiàn):左岸大部分溝谷呈現(xiàn)出“先陡后緩”的共性,各溝谷上段比降大致范圍為0.4～0.6,而各下段比降大致范圍為0.2～0.4;右岸大部分溝谷的上下段比降呈現(xiàn)出“先緩后陡”的共性,各溝谷上段比降大致范圍為0.2～0.4,各下段比降大致范圍為0.3～0.6。

從理論上講,只要坡度>15°(即比降在0.26左右),泥石流就有發(fā)生的可能性,但當(dāng)比降大至一定程度時(shí),溝谷內(nèi)不易形成堆積物,泥石流反而不容易發(fā)生。當(dāng)溝谷上段坡度較緩時(shí),容易滯留堆積物,較長時(shí)間后會(huì)形成堆積臺地,在堆積臺地前緣由于下段坡度變陡會(huì)形成陡而高的臨空面,若遇雨水豐沛,在臨空面附近,堆積物便會(huì)混合雨水發(fā)生失穩(wěn)下滑,演化成泥石流。所以從兩岸溝谷上下段的比降數(shù)據(jù)來看,右岸更易發(fā)生泥石流。

4 水系發(fā)育及河網(wǎng)形態(tài)與泥石流發(fā)生的相關(guān)性

除地形地貌因素以外,流域的水系結(jié)構(gòu)對泥石流起動(dòng)的影響作用也十分明顯。所以除研究各溝谷的地形地貌特征以外,把水系發(fā)育及河網(wǎng)形態(tài)作為研究泥石流的起動(dòng)影響因素之一也很重要。將田灣河整個(gè)流域按照Horton-Strahler體系劃分,結(jié)合地形圖手動(dòng)勾勒出不同級別流域的邊界以及各級別河流的河床線,根據(jù)地形圖進(jìn)行測量和記錄。Horton-Strahler體系劃分標(biāo)準(zhǔn)為:1級河流為提取的最低級別,兩條1級河流匯合成為一條2級河流,兩條2級河流匯合成為一條3級河流[13],以此類推。根據(jù)地形圖上肉眼可識別程度,設(shè)置0.1 km為提取的河流長度的閾值,以此來確定選擇1級河流,按照Horton-Strahler體系進(jìn)行提取,田灣河為5級河流(圖2)。

圖2 田灣河流域水系圖Fig.2 Water system map of Tianwan River Basin

在Horton-Strahler河網(wǎng)分級體系中,按照不同河流級別X的河流數(shù)量N、平均長度L以及平均河谷坡降J計(jì)算以下比值,可以從宏觀上分析河網(wǎng)結(jié)構(gòu)[14]。

式中:RNX、RLX、RJX分別為河網(wǎng)的分支比、長度比以及坡降比,統(tǒng)稱為Horton比。根據(jù)Horton定律,河網(wǎng)的分支比即RNX為低級河流的河流數(shù)目比上相鄰高級河流的河流數(shù)目,河網(wǎng)長度比RLX為高級河流的河流平均長度比上相鄰的低級河流平均長度,河網(wǎng)坡降比RJX為低級河流的平均縱比降比上相鄰的高級河流的平均縱比降[15]。

田灣河流域中泥石流溝在主河兩岸分布極其不對稱,表現(xiàn)出很大的差異性。20條泥石流溝中有15條溝分布在田灣河右岸,僅5條泥石流溝分布于田灣河左岸,且右岸的大部分泥石流溝相對于左岸偏長,發(fā)生泥石流的規(guī)模也偏大。因?yàn)閮砂兜哪嗍鞣植汲尸F(xiàn)較大差異性,因此在考慮水系結(jié)構(gòu)帶來的影響時(shí),本文將對田灣河流域左右岸這兩個(gè)差異性區(qū)域分別進(jìn)行分析(表1)。

Horton定律表明:Horton比值在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)變化,河網(wǎng)分支比在3～5之間,河網(wǎng)長度比在1.5～3之間,河網(wǎng)坡降比在1.5～3之間,多數(shù)天然河網(wǎng)都滿足該線性規(guī)律[16]。由上述田灣河流域的Horton數(shù)據(jù)(表2)可知,田灣河流域河網(wǎng)的分支比為4.53、2.05、1.85,符合Horton定律。

表1 田灣河兩岸的水系結(jié)構(gòu)原始數(shù)據(jù)一覽表Table 1 List of original data of river system structure along both banks of Tianwan River

表2 田灣河兩岸的Horton比計(jì)算結(jié)果一覽表Table 2 List of calculation results of Horton ratio on both banks of Tianwan River

根據(jù)計(jì)算得到的田灣河流域的Horton值繪制右岸相對左岸的各級Horton比變化趨勢圖(圖3),其中橫坐標(biāo)代表相對比的相鄰兩級,縱坐標(biāo)代表相鄰兩級的Horton比值的相對變化率,可以發(fā)現(xiàn)左岸的河網(wǎng)分支比、河網(wǎng)長度比、河網(wǎng)坡降比三個(gè)比值在1～4級隨著河網(wǎng)級別升高分別趨于4、2、2,逐漸穩(wěn)定;而右岸的三個(gè)Horton比雖然在正常范圍內(nèi),但是比起左岸來說偏離4、2、2較多。單就分支比RNX而言,左右岸各級變化趨勢一致,但右岸的值較大,說明右岸上一級的支流相對更多,即水系相對更加發(fā)育;就長度比RLX和坡降比RJX而言,右岸的最終平均比雖然接近2,但是各級比值變幅較大:左岸的長度比和坡降比各級變幅最大不超過0.2,而右岸長度比低至1.546,高至2.74,坡降比低至1.47,高至2.32。Horton比出現(xiàn)較大波動(dòng),說明該流域水系結(jié)構(gòu)還未發(fā)育穩(wěn)定,在流域的構(gòu)造演化作用下,更易引發(fā)泥石流,增大了該區(qū)域內(nèi)泥石流發(fā)生的可能性。

圖3 田灣河流域Horton比的各級趨勢變化圖Fig.3 Trend change map of Horton ratio at different levels in Tianwan River Basin

從右岸相對于左岸的Horton比變化率(表3)可以看出來:右岸河網(wǎng)的分支比相較左岸大,穩(wěn)定增幅為0.08左右;而右岸的長度比和縱比降比與左岸相比在數(shù)值上本是偏小的趨勢,卻在3～4級之間出現(xiàn)驟變,相對變化率由負(fù)轉(zhuǎn)為正,且變幅的幅值較大,可以反映出Horton比在這里出現(xiàn)了較大波動(dòng),這也合理解釋了為何4級溝谷即田灣河兩岸主支溝易發(fā)生泥石流。

表3 右岸相對于左岸各級Horton比值的變化率Table 3 Rate of change of Horton ratios on the right bank relative to the left bank at different levels

5 結(jié)論

(1) 田灣河流域內(nèi)未發(fā)生泥石流的溝谷的安全比降較集中分布在0.23～0.5,而易發(fā)生泥石流的溝谷相對未發(fā)生泥石流的溝谷的比降范圍更大、分布區(qū)間更大。研究數(shù)據(jù)表明,當(dāng)溝谷上段坡度較緩時(shí),容易在溝谷內(nèi)滯留堆積物,較長時(shí)間后會(huì)形成堆積臺地,在堆積臺地前緣若下段坡度變陡會(huì)形成陡而高的臨空面,再遇雨水豐沛,堆積物便會(huì)混合雨水發(fā)生失穩(wěn)下滑,更易演化成泥石流。田灣河流域內(nèi)右岸溝谷的上段比降大致范圍為0.4～0.6,而下段比降大致范圍為0.2～0.4,縱比降自溝谷源頭表現(xiàn)為“先緩后陡”型,而左岸溝谷的上段比降大致范圍為0.2～0.4,下段比降大致范圍為0.3～0.6,縱比降自溝谷源頭表現(xiàn)為“先陡后緩”型,故右岸相比左岸更易發(fā)生泥石流。

(2) 水系發(fā)育且不穩(wěn)定的河網(wǎng)形態(tài)對泥石流有觸發(fā)影響。當(dāng)流域不穩(wěn)定而伴隨構(gòu)造作用進(jìn)行演化的過程中,更易形成泥石流發(fā)生的各類條件,從而觸發(fā)泥石流。用Horton定理進(jìn)行田灣河兩岸河網(wǎng)形態(tài)的研究時(shí)發(fā)現(xiàn),田灣河右岸水系更為發(fā)育且河流溝谷的形態(tài)尚不穩(wěn)定,還在演化而趨于平衡的過程中,所以發(fā)生泥石流的次數(shù)遠(yuǎn)大于相對較穩(wěn)定的左岸。