龔成會，陳又麟

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610061)

白河正溝位于九寨溝縣西北部，距九寨溝縣城約17 km。正溝系典型的冰川侵蝕，冰磧物堆積形成的高山湖泊，池面海拔1210 m，九環(huán)線從溝口通過，是進(jìn)入九寨景區(qū)的重要通道。近年來正溝主要水源來自上游主要支溝(小冬溝、大冬溝、馬路溝)，泥石流暴發(fā)頻繁，攜帶上游源區(qū)的大量泥沙進(jìn)入正溝，在正溝下游形成了一個泥沙淤積區(qū)，這使得正溝堆積線在1964～2009 m，降低了旅游景區(qū)的質(zhì)量，而且進(jìn)一步威脅著下游居民的財(cái)產(chǎn)安全。為了拯救正溝，有必要對正溝泥石流的侵蝕淤積及其防治問題加以研究。

白河正溝的泥石流是一個典型的冰川和降雨的混合類型，十分獨(dú)特，其淤積的歷史較長，淤積的結(jié)果十分清楚，并且有直接觀測的泥石流資料，可以成為該類泥石流研究的典范，具有一定的研究意義。本文即對正溝泥石流的特征、泥石流導(dǎo)致的侵蝕與淤積的泥沙數(shù)量、泥石流可能的發(fā)展趨勢和相應(yīng)的防治對策進(jìn)行研究。

1 正溝上游流域概況

正溝上游區(qū)域是正溝泥沙來源的重要區(qū)域，其海拔1200～4540 m，流域地勢南高北低，整個流域的水系發(fā)育，其走向?yàn)槟媳毕颍嫌喂舶l(fā)育3個支溝，各支溝(主要有小冬溝、大冬溝、馬路溝)水源主要為冰雪融水和地表降雨，地貌參數(shù)參見表1。

正溝上游源區(qū)博格達(dá)峰山地由于強(qiáng)烈的刨蝕、侵蝕切割，形成溝壑縱橫、群峰林立的山岳地貌。正溝上游(特別在海拔3500 m 以上的高山帶)冰川地貌廣泛分布(有冰川、角峰、仞脊、石海、石河、倒石錐等)。整個上游地區(qū)擁有冰川928.6×104m2。正溝上游流域的地勢南高北低，各次一級小流域的形態(tài)多為長條形。主要的水源有冰雪融水和大氣降水，前者形成溝道的基礎(chǔ)徑流。按泥石流形成過程劃分，各流域都可明顯地劃分為泥石流清水區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)。

本區(qū)地層巖性主要為二疊系、三疊系和侏羅系的輝巖、安山巖，并含有少量的玄武巖及硅質(zhì)巖。由于上游泥石流(也包含一些山洪)的長期堆積，在正溝形成一個大面積的堆積扇，該堆積扇為北西～南東走向，扇長約2528 m，平均縱比降為32.83‰，面積約為0.749 km2，堆積區(qū)內(nèi)最高點(diǎn)海拔1288 m，池面海拔1210 m，相對高差78 m，其形狀為兩端窄，中部略鼓，頂部較扇緣比降大，寬度小。堆積區(qū)表面河床不穩(wěn)定，其頂部位與大冬溝的交匯處。

表1 正溝上游各支溝地形地貌參數(shù)

工作區(qū)內(nèi)人口密度高，在正溝內(nèi)共615 戶人家，3017人，這些人主要從事牧業(yè)和旅游業(yè)。

2 正溝上游典型的泥石流特征

正溝上游各支溝常年都有徑流，隨著雨季(5月～8月)的來臨，正溝上游經(jīng)常有泥石流發(fā)生。依據(jù)正溝附近水文站資料和對當(dāng)?shù)鼐用裾{(diào)訪可知，近幾十年來正溝上游明顯的泥石流共有5 次，其時間分別為1966年7月、1985年7月、1987年7月、1992年夏、1996年7月20日上午。由于以前的泥石流留下的痕跡有限，難以調(diào)查，考察時所見的主要是1996年泥石流留下的痕跡，故僅以1996年泥石流的特征進(jìn)行深入的調(diào)查和研究，以便說明本區(qū)泥石流的基本特征。

2.1 泥石流暴發(fā)的降雨激發(fā)條件

據(jù)調(diào)查，1996年7月20日正溝上游泥石流的暴發(fā)是由降雨的作用所引起。

2.2 正溝上游1996年泥石流流速、流量

泥石流流速、流量是泥石流的重要特征參數(shù)值，并成為泥石流調(diào)查研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。目前其估算的方法較多，最準(zhǔn)確的方法是通過直接觀測測量，如1980年美國對圣海倫火山泥石流流量的直接觀測，中國滇東北蔣家溝泥石流的觀測測量。然而大部分泥石流是無法觀測的，對其流速、流量的估算可通過斷面的測量，在經(jīng)驗(yàn)的模型基礎(chǔ)上加以計(jì)算。目前傳統(tǒng)經(jīng)典的滿寧公式應(yīng)用廣泛，在中國，在傳統(tǒng)的經(jīng)典公式基礎(chǔ)上，通過觀測分析，在修正的基礎(chǔ)上，建立了一些流速流量計(jì)算模式，并廣泛地推廣應(yīng)用。在引用當(dāng)?shù)厮木值挠^測資料，獲得了洪峰流量到來前的流量過程和流速數(shù)據(jù)(洪峰到來時斷面被毀，無法測定流速流量)，對洪峰流量的獲取，主要采用斷面測量，并應(yīng)用我國常用的稀性泥石流流速公式計(jì)算流速的基礎(chǔ)上獲得。

2.2.1 泥石流流速、流量的觀測

圖1 實(shí)測斷面1 剖面

針對正溝山洪泥石流暴發(fā)的頻繁性，當(dāng)?shù)厮木衷诂F(xiàn)有的2號斷面下游約50 m 處建立了一個觀測斷面，于1994～1996年對流域的流量進(jìn)行了觀測，觀測流量的儀器采用旋漿ls－251 型流速儀。該系統(tǒng)觀測到了1996年7月18～20日的洪水過程和降雨過程，由于在峰值流量到來之前，整個觀測斷面被沖毀，遂采用人工方法進(jìn)行測量，但斷面的沖淤變化無法觀測。從觀測資料可知，當(dāng)時的最大峰值流量為210 m3/s，該峰值流量出現(xiàn)在20日上午9 時以后，洪峰流量到來之前的實(shí)測最大流速為3.22 m/s。由于洪峰到來時的充淤變換無法觀測，依據(jù)當(dāng)?shù)氐挠^測人員的經(jīng)驗(yàn)和泥石流大沖大淤的特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料和匯流的特征推測目估的流量偏小。因?yàn)橛捎诤榉宓絹碇皵嗝姹粵_毀的同時會造成洪水的侵蝕斷面增大，如果人們無法觀測而沿用原來的斷面估算流量，真實(shí)的峰值流量過程往往偏小需要調(diào)整。

2.2.2 泥石流流速、流量的調(diào)查

鑒于1996年泥石流峰值流量無法很好地觀測，在2002年的調(diào)查中，選擇大冬溝和馬路溝匯合以后的溝床斷面進(jìn)行測量，該斷面與水文局設(shè)置的斷面基本重合(圖1)。該斷面控制集水面積104.7 km2，斷面控制流域主河道長13.2 km。通過斷面面積、比降和洪痕等要素的測量，估算當(dāng)時的流速和流量。

2.2.2.1 流速的計(jì)算

中國的泥石流研究者通過大量的泥石流野外觀測與實(shí)踐提出了一系列稀性泥石流流速計(jì)算模式，常用的如從我國泥石流最多的西南山區(qū)總結(jié)出的計(jì)算公式［13］。

式中:Vc為泥石流斷面平均流速(m/s);Mc為泥石流溝糙率系數(shù);Ic為泥石流水力坡度，一般可用河床縱坡代替，無量綱;R為斷面的水力半徑，用泥石流的泥深代替(m);ρc為泥石流流體的容重;ρw為水體的容重;ρs為泥石流固體物質(zhì)的容重。

該溝溝道平直，溝床由大量粗大卵礫石組成，河槽阻塞輕微，河底降落均勻，泥石流的泥深約2 m，依據(jù)《中國泥石流》，此類溝床的糙率系數(shù)大于9.8，取10。實(shí)地估算的泥石流容重為1.4 g/cm3，固體物質(zhì)的容重取2.65 g/cm3，水體容重取1 g/cm3，通過對泥深和溝床比降的實(shí)際測量可以計(jì)算泥石流的流速(表2)。計(jì)算結(jié)果泥石流的流速為2.87 m/s，該數(shù)值小于在實(shí)際斷面觀測的最大值。這主要是由于當(dāng)時觀測的斷面的位置和筆者測量的斷面位置不完全相同、比降不同的緣故。

表2 主溝1號斷面流速計(jì)算結(jié)果表

2.2.2.2 最大流量的計(jì)算

主溝1996年發(fā)生的大型泥石流洪痕保留良好，在主溝選擇一斷面測量調(diào)查典型洪痕，根據(jù)已有的模型計(jì)算的流速和實(shí)際測量的斷面面積，計(jì)算泥石流流量。

經(jīng)計(jì)算，泥石流的最大峰值流量為290 m3/s。

綜合分析，流量取290 m3/s 作為1996年泥石流的峰值流量，并確定1996年暴發(fā)的泥石流為百年一遇的稀性泥石流。

2.2.2.3 泥石流的匯流過程

取泥石流的觀測斷面所測量的數(shù)據(jù)，以觀測和目測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過形態(tài)調(diào)查法對峰值流量進(jìn)行修正調(diào)整，得出1996年7月19日～21日的泥石流經(jīng)過斷面1 的流量過程，參照1996年修正后的流量過程曲線得出其總徑流量為562×104m3，從20日9 時后，取泥石流的容重為1.4 t/m3計(jì)，則總輸沙量為63.9×104m3。

2.3 泥石流的顆粒組成與容重

在堆積扇上選取多個坑探點(diǎn)，通過取樣分析得出泥石流的顆粒組成特征。

通過取樣(顆粒不大于100 mm)分析可知，1996年泥石流堆積扇區(qū)堆積物為灰黑色礫石土，雜有植物根系，粒徑大小較懸殊，礫石多數(shù)次磨圓，以礫石為主，礫石含量在50%以上，而粘粒含量極少。依據(jù)當(dāng)?shù)啬繐粽叩拇_認(rèn)，現(xiàn)場取樣配置成當(dāng)年的泥石流漿體，估測1996年泥石流的容重為1.4 t/m3。

3 正溝泥石流的侵蝕與淤積

1964年以來正溝泥石流的淤積區(qū)域在1964年的池岸線以北，這些淤積主要來源于兩部分，一部分為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)泥石流的搬運(yùn)，另一部分為主溝老堆積扇的侵蝕并搬運(yùn)。前者的數(shù)量通過淤積總量和堆積扇侵蝕量之差獲得。后者通過地形疊加法，求平均侵蝕厚度和面積計(jì)算獲得。

3.1 堆積扇侵蝕量的計(jì)算

以1964年測定的正溝堆積區(qū)地形圖為基礎(chǔ)，選取多個基準(zhǔn)點(diǎn)，將2009年8月所測的該地區(qū)1∶1000 的地形圖疊加，計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)海拔高差，可分析出地形的差異，尤其是溝床比降的差異，進(jìn)而可估算這45年來侵蝕的厚度。將堆積扇區(qū)按地形變化劃為4 部分，并求得各段侵蝕區(qū)的平均侵蝕厚度及面積，進(jìn)而分別計(jì)算各段的侵蝕量計(jì)算結(jié)果表明1964～2009年的45年間堆積扇的侵蝕總方量為97.4×104m3。

3.2 扇緣以北區(qū)域堆積總量的計(jì)算

海拔1915 m 處以北為正溝1971～2003年以來的泥沙淤積區(qū)，以1971年和2003年池岸線位置為界，將此區(qū)域劃為兩部分。通過對池岸地形的測量，獲取2003年正溝池底地形縱斷面，并假設(shè)1964年正溝池底地形與2009年的地形有相似輪廓，以此繪出1971年池岸地形縱剖面，再結(jié)合2003年池岸地形比降測算兩個區(qū)域的泥沙平均淤積厚度和面積，進(jìn)而分別計(jì)算各段的淤積量。計(jì)算結(jié)果表明45年內(nèi)淤積在1964年和2003年池岸線之間的泥沙總量為136.6×104m3，按照泥石流的顆粒級配，懸移質(zhì)進(jìn)入湖底區(qū)域，進(jìn)一步估算出2009年池岸線以內(nèi)池底的淤積總量為45.9×104m3。

3.3 源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運(yùn)總量的計(jì)算

正溝自1964年池岸線以北的堆積區(qū)泥沙淤積總量減去主溝老堆積扇的侵蝕量，即為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運(yùn)總量，共計(jì)85.07×104m3。

由上可知，45年來正溝泥沙淤積的總量為182.5×104m3;正溝上游地區(qū)和老堆積扇的侵蝕之比接近1∶1;且堆積中約3/4 的堆積物停積在1964～2009年池岸線之間的新堆積扇上，這個新堆積扇的面積約有0.07 km2(在枯水期可達(dá)0.11 km2)，占正溝水面總面積的2.86%。

4 山洪泥石流的成因與趨勢

正溝上游泥石流的發(fā)生受自然和人為兩方面因素的影響，從自然因素分析可知，正溝各支流溝道比降大，且該區(qū)域降水集中。近年來由于全球氣候的變暖，冰川的退縮，更大面積冰磧物的裸露增大了土源的補(bǔ)給量，短時的高溫結(jié)合集中的暴雨使得流域徑流量極大地增加，1996年7月便出現(xiàn)了百年一遇的特大稀性泥石流。主溝上游有大量的松散固體物質(zhì)，其種類有殘坡積物、溝床堆積的冰磧物，上游有面積達(dá)928.6×104m2的冰川。在全球氣候變暖的情況下，冰川退縮，較多的松散堆積物裸露，徑流沖刷加強(qiáng)，加上地區(qū)降雨的作用，水源豐富，在一定的條件下依然會有山洪泥石流的暴發(fā)。由于本區(qū)上游的生態(tài)環(huán)境對山洪泥石流的發(fā)生具有重要的影響，在生態(tài)環(huán)境惡化的情況下，山洪泥石流暴發(fā)的頻率會增加。如果生態(tài)能得到有效的恢復(fù)和保護(hù)，山洪泥石流將會得到有效的控制。

從人為的因素分析，在1977年以前，正溝上游森林遭到砍伐，導(dǎo)致水土涵養(yǎng)能力急劇降低，地表徑流和水土流失加劇，這種加劇一直影響到1978年以后生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè)。近年來隨著正溝上游人口增長和畜牧業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的牲畜量已經(jīng)嚴(yán)重超過本區(qū)域天然牧場的承載能力，嚴(yán)重的過渡放牧進(jìn)一步破壞了正溝流域的上游植被。由于草甸帶生態(tài)退化，導(dǎo)致松散堆積物及不良地質(zhì)體裸露面積擴(kuò)大，為山洪泥石流的侵蝕提供了豐富的物源。

5 正溝上游泥石流的防治

造成正溝上游水土流失的根本原因是上游生態(tài)環(huán)境惡化，涵水能力降低，使得大量松散土質(zhì)裸露在暴雨之下。上游產(chǎn)生的泥石流進(jìn)一步侵蝕堆積扇，引起更多的泥沙侵蝕。由于泥石流的泥沙侵蝕，治理正溝宜采用生物措施、工程措施和移民措施相結(jié)合的綜合治理方法。工程措施即在正溝上游河段上游修建攔沙壩和排導(dǎo)槽，攔沙壩可以攔截上游來的泥沙，而排導(dǎo)槽可以穩(wěn)定溝床，使老堆積扇免遭進(jìn)一步的侵蝕。生物措施即在堆積區(qū)和上游的泥沙侵蝕嚴(yán)重區(qū)逐步進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，確保泥沙侵蝕量的逐年減少。生態(tài)移民則要解決目前存在的過度放牧問題，使生態(tài)得到良性發(fā)展，減少流域的泥沙侵蝕。

6 結(jié)論

(1)正溝泥石流暴發(fā)頻繁，其百年一遇稀性泥石流最大峰值流量為290 m3/s，容重為1.4t/m3。

(2)1964年以來，正溝泥石流的淤積區(qū)域在1964年的池岸線以北，這些淤積的泥沙和礫石主要來源于兩部分，一部分為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運(yùn)，另一部分為主溝老堆積扇的侵蝕搬運(yùn)。分析計(jì)算結(jié)果顯示1964～2009年的45年間正溝池岸線前進(jìn)了316 m，泥沙淤積總量達(dá)182.5×104m3;來源于正溝上游地區(qū)的泥沙占56%，老堆積扇的泥沙侵蝕占44%，堆積中約3/4 的泥沙停留在1964～2009年池岸線之間，形成新的堆積區(qū)，這個新堆積區(qū)的面積約有0.07 km2(在枯水期可達(dá)0.11 km2)，占正溝水面總面積的2.86%。

(3)由于全球氣候變暖導(dǎo)致正溝上游冰川退縮，加上局地降雨的作用，以及因過度方面造成的生態(tài)環(huán)境的退化，將來正溝的泥石流依然會有可能暴發(fā)。

(4)正溝泥石流防治宜采用生物措施、工程措施和移民措施相結(jié)合的綜合治理方法。

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