文光菊，楊 樂，鄧文杰

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042;2.重慶市地質(zhì)災(zāi)害自動化監(jiān)測工程技術(shù)研究中心(重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院)，重慶 400042;3.重慶川東南地質(zhì)工程勘察設(shè)計院，重慶 400038)

0 引言

礦山泥石流是山地礦山最常見的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。以山城著名的重慶具備礦山泥石流形成的地形地貌條件。隨著山區(qū)工程建設(shè)活動的加劇，尤其是以往礦山環(huán)境的破壞，一些處于萌芽期的礦山泥石流逐步進(jìn)入發(fā)展期和活躍期，使得此類災(zāi)害的比例正在逐年上升。例如:2004年6月5日重慶南桐東林煤礦煤矸石山滑坡形成矸石流造成11人失蹤死亡;2009年6月30日重慶合川煤矸石山發(fā)生泥石流造成2人遇難。

為預(yù)防、減輕礦山泥石流災(zāi)害，學(xué)者們通過試驗分析了礦山泥石流的物源特征［1-2］;基于水動力條件分析了礦山泥石流的形成原因及特征［3］;通過調(diào)查、測繪，提出了礦渣侵蝕泥石流形成過程呈降雨-侵蝕-崩滑-搬運復(fù)合型和循環(huán)型模式［4］;并通過總結(jié)、分析，提出了礦山泥石流的防治措施［5-6］。為加強礦山泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作，部分學(xué)者還用模糊數(shù)學(xué)理論對礦山泥石流危險性進(jìn)行了評價［7-8］。這些研究為防治礦山泥石流災(zāi)害奠定了重要基礎(chǔ)。

研究發(fā)現(xiàn)，泥石流溝在流域地形地貌上有特殊反映［9］，且泥石流溝的地貌特征是泥石流災(zāi)變過程的一個重要因子［10］，它很大程度上控制著泥石流的發(fā)育程度、規(guī)模等［11］，然而不同區(qū)域的泥石流溝具有不同地貌形態(tài)［12］，故研究礦山泥石流溝的地貌形態(tài)特征具有重要意義，尤其是礦山泥石流高易發(fā)區(qū)的山區(qū)，很有必要弄清礦山泥石流溝的形態(tài)特征，以期為礦山泥石流防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

汾河礦區(qū)位于重慶市奉節(jié)縣，屬于剝蝕侵蝕中低山地貌，地形總體表現(xiàn)為北東高、南西低。流域面積約130 km2，最高海拔為白槽煤礦，標(biāo)高+1612.1 m，最低點為汾河下游段，溝底標(biāo)高+310.2 m左右，相對高差近1301.9 m，地形坡角15°～35°。流域內(nèi)大部分地段被第四系土層覆蓋，局部基巖裸露。土層厚度0～1.5 m。斜坡類型主要為順向坡及切向坡。

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶溫暖季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量在1109.1 mm左右，最大降水量1635.2 mm，日最大降水量127.9 mm。區(qū)內(nèi)屬長江水系，地表徑流為長江支流草堂河，季節(jié)性間隙沖溝發(fā)育，溪溝水具有暴落暴漲的特點，雨后不久便無流水。大氣降水以地表徑流為主，井田內(nèi)的山溝水匯入草堂河后再注入長江。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

研究區(qū)處于川東褶皺帶萬縣弧形構(gòu)造東端之紅巖向斜南翼，局部處于龍池坪背斜兩翼，構(gòu)造線方向為近東西向。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2010)，區(qū)內(nèi)地震基本烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.05g。

1.4 泥石流基本特征

礦區(qū)內(nèi)煤礦資源豐富，20世紀(jì)80年代開始開采，2005年8月以前，流域共有96個中小型煤礦，經(jīng)閉坑、整合后僅剩3個煤礦。多年的開采活動在流域內(nèi)形成了規(guī)模不等的矸石山31座，矸石山隨意堆放致使流域內(nèi)的草堂河上游約11 km范圍內(nèi)河床淤高5～15 m成為“懸河”(圖1)，毀壞河流沿線農(nóng)田數(shù)百畝，房屋4間，一家磚廠無法正常生產(chǎn)，嚴(yán)重威脅流域內(nèi)居民的正常生產(chǎn)生活及生命財產(chǎn)安全。

圖1 草堂河Fig．1 Caotang river

礦區(qū)發(fā)育有1條泥石流主溝，16條樹枝狀支溝(圖2)。溝道匯水區(qū)兩岸植被茂盛，溝頭呈圈椅狀，崩坡積物較為發(fā)育，并堆有大量的散落煤矸石和矸石山，為泥石流的形成提供了豐富的物源。

圖2 泥石流溝分布圖Fig．2 Distribution of debris flow gullies

2 研究方法

分形理論由Mondelbrot教授于1975年首次提出，主要用于研究自然界中沒有特征長度但具有自相似性的圖形和現(xiàn)象［13］。這種自相似不僅是嚴(yán)格的幾何相似，還包括統(tǒng)計呈現(xiàn)出的自相似性。分形理論的定量表征為分形維數(shù)，常用的分形維數(shù)為相似維數(shù)，即假設(shè)某一個集合由N(r)個相似比為r的部分組成，則相似維數(shù)Ds表示為［14］:

3 礦山泥石流溝的分形分析

地形地貌是泥石流形成所需的基本條件之一，它影響著泥石流的起動和運動過程。地形地貌可細(xì)分為溝道比降、坡角、溝道長度、流域面積和流域形態(tài)等因素。研究發(fā)現(xiàn)，溝道比降、溝道長度和流域面積的大小及其組合對泥石流的形成起著重要作用［12］。本文利用分形理論，從流域面積、溝道比降和溝道長度3方面分析奉節(jié)縣汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)特征。

3.1 流域面積

根據(jù)礦區(qū)17條礦山泥石流溝的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1)，礦山泥石流溝的流域面積最大為130 km2，最小為0.188 km2;流域面積大小與溝道數(shù)量的分布較離散，流域面積與溝道數(shù)量總體上呈遞減趨勢，即流域面積越小，相應(yīng)的溝道數(shù)越多，而隨著流域面積的增加，溝道數(shù)量急劇減小;流域面積集中分布于［0.2，0.4］范圍內(nèi)，共有5條泥石流溝，占總數(shù)的29.4%。經(jīng)雙對數(shù)相關(guān)性分析(圖3)，泥石流溝的流域面積與溝道數(shù)量具有較好的相關(guān)性，根據(jù)分形理論，說明礦山泥石流溝的流域面積存在分形現(xiàn)象，即流域面積存在自相似性，相應(yīng)的分維值為0.69。

表1 流域面積與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系Table 1 Statistical relationship between basin area and gully number

3.2 溝道比降

圖3 流域面積與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關(guān)系Fig．3 Logarithm relationship between basin area and gully number

泥石流的起動和運動過程與溝道比降密切相關(guān)，當(dāng)其他條件一定時，溝道比降越大，松散物質(zhì)越易起動，泥石流流速也越大。統(tǒng)計顯示(表2)，汾河流域泥石流溝的比降主要分布于［25%，30%］，相應(yīng)的泥石流溝為6條，占總數(shù)的35.3%。經(jīng)雙對數(shù)相關(guān)性分析(圖4)，溝道比降與泥石流溝道數(shù)量具有較好的相關(guān)性，說明礦山泥石流溝道比降存在分形現(xiàn)象，即其比降存在自相似性，相應(yīng)的分維值為2.07。

表2 溝道比降與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計關(guān)系Table 2 Statistical relationship between gully gradient and gully number

圖4 溝道比降與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關(guān)系Fig．4 Logarithm relationship between gully gradient and gully number

3.3 溝道長度

溝道長度對泥石流的影響與匯水面積的相似。汾河流域泥石流溝的長度主要分布于［1，1.5］范圍，共有6條泥石流溝，占總數(shù)的35.3%(表3)。將溝道長度與溝道數(shù)量做雙對數(shù)分析得到(圖5)，溝道長度與泥石流溝道數(shù)量具有較好的相關(guān)性，說明溝道長度也存在分形現(xiàn)象，并存在自相似性，其分維值為1.35。

表3 溝道長度與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計分析Table 3 Statistical relationship between gully length and gully number

圖5 溝道長度與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關(guān)系Fig．5 Statistical relationship between gully length and gully number

4 討論

為進(jìn)一步揭示重慶山區(qū)礦山泥石流溝的特征，現(xiàn)將汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分別與自然泥石流溝和典型礦山泥石流溝的溝谷形態(tài)特征進(jìn)行比較。

4.1 與自然泥石流溝形態(tài)的比較

蔣家溝和白龍江流域是我國典型的自然泥石流溝，其中蔣家溝流域位于滇東北高山峽谷地帶，流域內(nèi)新構(gòu)造運動活躍，地震活動也較強烈;白龍江流域大部分位于甘肅省南部，為高山峽谷地貌，流域內(nèi)新構(gòu)造運動劇烈，地震頻繁且強烈［11］。兩個流域泥石流溝的形態(tài)主要地質(zhì)環(huán)境受地質(zhì)環(huán)境的影響。汾河礦區(qū)屬于剝蝕侵蝕中低山地貌，地震基本烈度為Ⅵ度。相比之下，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)除了地質(zhì)環(huán)境的影響，還有人為活動的改造。但由表4知，兩種泥石流的溝谷形態(tài)均以流域面積分維值最小，溝道長度次之，溝道比降分維值最大。根據(jù)溝谷形態(tài)分形維值的意義，分維值越小對應(yīng)的指標(biāo)對泥石流溝谷的影響越顯著，則流域面積對自然泥石流和礦山泥石流溝的形態(tài)影響越顯著，說明兩種泥石流的溝谷形態(tài)具有相似性，故流域面積、溝道長度和比降三個指標(biāo)也適用于重慶山區(qū)礦山泥石流溝形態(tài)特征的分析。

4.2 與典型礦山泥石流溝形態(tài)的比較

神府-東勝礦區(qū)和小秦嶺礦區(qū)分別為煤礦和金礦區(qū)，隨著采礦活動的不斷進(jìn)行，區(qū)內(nèi)礦山泥石流較發(fā)育，是我國典型的礦山泥石流區(qū)域。其中，神府-東勝礦區(qū)原為游牧地區(qū)且無泥石流暴發(fā)歷史，隨著煤田的大規(guī)模開采，區(qū)內(nèi)礦山泥石流頻頻發(fā)生，泥石流主要由人為誘發(fā)，泥石流溝的形態(tài)也主要是人為活動的結(jié)果。小秦嶺礦區(qū)和奉節(jié)縣汾河礦區(qū)地處山區(qū)，泥石流溝的形態(tài)除了地質(zhì)環(huán)境影響，還受人為活動的作用。

從溝谷形態(tài)分維值變化趨勢看(表4)，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分維值變化趨勢與神府-東勝礦區(qū)和小秦嶺礦區(qū)的總體一致，但因地質(zhì)環(huán)境和人為活動強度的不同，三個區(qū)域的分維值仍存在差異，如汾河礦區(qū)泥石流溝的流域面積分維值與小秦嶺礦區(qū)的相近，而比神府-東勝礦區(qū)的流域面積分維值小30%;汾河礦區(qū)的溝道長度分維值與神府-東勝礦區(qū)的相近，而比小秦嶺礦區(qū)的溝道長度分維值小15%;汾河礦區(qū)的溝道比降分維值又明顯大于其他兩個礦區(qū)的分維值。據(jù)此得到，不同區(qū)域的礦山泥石流溝的形態(tài)是地質(zhì)環(huán)境和人為活動共同作用的結(jié)果。

表4 不同泥石流溝的形態(tài)分維值Table 4 Fractal dimension values of different debris flow gullies

5 結(jié)論

(1)基于汾河礦區(qū)內(nèi)17條泥石流溝的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用分形理論分析了重慶山區(qū)礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)特征，得到泥石流溝的流域面積、溝道比降和溝道長度存在分形特征，其分維值分別為0.69、2.07和1.35。

(2)將汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)與自然泥石流溝的對比，兩種泥石流的溝谷形態(tài)具有相似性，均受流域面積的影響顯著;流域面積、溝道長度和比降三個指標(biāo)也適用于重慶山區(qū)礦山泥石流溝形態(tài)特征的分析。

(3)根據(jù)溝谷形態(tài)分維值的變化趨勢，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分維值變化趨勢與典型礦山泥石流溝的變化趨勢總體一致，但因人類活動強度和地質(zhì)環(huán)境的不同而存在差異，并且不同區(qū)域礦山泥石流溝的形態(tài)是地質(zhì)環(huán)境和人為活動共同作用的結(jié)果。

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