馬 超,何曉燕,胡凱衡
(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室,北京 100083;2.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;3.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室,四川成都 610041)
泥石流臨界雨量反映了泥石流體抵御外界水源條件觸發(fā)、起動的綜合能力。若泥石流激發(fā)閾值低,區(qū)域暴雨頻率高,雨量達到或超過泥石流臨界雨量機率越大,泥石流暴發(fā)頻率高。同一泥石流溝中,物源體勢能和儲量在短時間內(nèi)相對穩(wěn)定,泥石流暴發(fā)隨降雨周期性、季節(jié)性、等突發(fā)性因素而變化,因而形成不同頻率、性質(zhì)的泥石流。
我國高頻率泥石流眾多,這些高頻率泥石流是區(qū)域特殊地質(zhì)構(gòu)造和氣象、水文條件綜合作用的結(jié)果。高頻率泥石流具有與中、低頻率泥石流不具備的形成條件,如物源空間分布、儲備,穩(wěn)定程度等,激發(fā)雨量閾值也低。我國一般用10 min、1 h、24 h雨量,前期雨量以及相應(yīng)指標(biāo)組合來建立預(yù)警預(yù)報模式,針對不同頻率的泥石流溝,選擇不同預(yù)警模式、指標(biāo)。本文以我國高頻率泥石流為對象,搜集基本物源、巖性、植被和觸發(fā)雨量歷史資料,對比分析對其形成條件和觸發(fā)雨量,進一步認(rèn)識我國高頻率泥石流的觸發(fā)雨量。
我國泥石流集中、成帶分布于三大地形階梯的兩大地形過渡帶上。高頻率泥石流主要分布在氣候干濕分明、較暖濕、局部暴雨強度大、水雪融化快的地區(qū)(表1)。如小江流域、白龍江流域是我國著名的暴雨泥石流多發(fā)區(qū)。區(qū)域內(nèi)蔣家溝、大白泥溝、小白泥溝,火燒溝、柳彎溝等每年暴發(fā)泥石流幾次至幾十次[1-2]。西藏高寒山區(qū)是我國冰川泥石流多發(fā)區(qū),區(qū)域內(nèi)地殼運動劇烈,地塊強烈升降,地震頻繁發(fā)生,各種泥石流災(zāi)害發(fā)育[3];成昆鐵路穿越川滇山地和高原崇山峻嶺間,泥石流歷來活躍[4];汶川強震后沿龍門山主斷裂帶山區(qū)受到高頻泥石流襲擊,震后泥石流表現(xiàn)出“高頻率、高量級、閾值低、群發(fā)性”等特征[5-9];北京山區(qū)以及黃土高原是我國暴雨泥石流、泥流的主要分布區(qū)之一,受區(qū)域年降水影響,泥石流暴發(fā)間歇期較長,活動頻率偏低[10-11]。選取以上地區(qū)典型泥石流溝進行物源、巖性和植被條件對比。其中,所選取的泥石流溝不含礦渣型以及物源受人類活動影響明顯的泥石流溝。受區(qū)域地質(zhì)地貌以及自然地理環(huán)境影響,部分泥石流溝屬于中、低等頻率(表2,表3)。
高頻率泥石流溝內(nèi)物源豐富。以崩塌、滑坡形式存在的物源體不穩(wěn)定,多處于極限平衡狀態(tài),坡面、支溝內(nèi)也積累了大量的松散物源體。這些不穩(wěn)定物源不間斷的下滑、墜落,溝道泥石流強烈鏟刮、淤埋導(dǎo)致物源區(qū)多形成裸地景觀。尤其是我國幾條典型的高頻率泥石流溝,如蔣家溝、渾水溝、火燒溝等。蔣家溝、渾水溝、古鄉(xiāng)溝、加馬其美溝等泥石流暴發(fā)頻率與源區(qū)崩塌、滑坡活動次數(shù)和溝道累積物源量緊密相關(guān)[12-14]。中、低頻率泥石流溝物源并不豐富,部分泥石流溝物質(zhì)源于不合理經(jīng)濟活動,如開礦、筑路所導(dǎo)致的廢棄渣;大部分的中、低頻率泥石流溝物源主要以溝岸坍塌、第四系溝床堆積物,坡面水土流失堆積物補給為主,風(fēng)化作用程度低。中等頻率泥石流物源供給方式不僅有溝床物質(zhì)侵蝕沖刷,還有部分坍塌,泥石流活動頻率要高于低頻率泥石流,如海流溝、番字牌西溝泥石流暴發(fā)頻率要稍高于關(guān)廟溝、干溪溝。
表1 我國三大地形階梯泥石流活動環(huán)境條件Table 1 Surrounding conditions of debris flows in three typical terrains of China
表2 泥石流按發(fā)生頻率分類Table 2 Classifications of debris flows according to occurrence of frequency
高頻率泥石流溝內(nèi)巖性軟弱,易風(fēng)化、剝落,多產(chǎn)生黏性顆粒。如泥巖、頁巖、千枚巖、片巖和砂巖等。這些巖層變質(zhì)程度深,內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育,抗風(fēng)化能力弱,黏土含量較高,泥石流體多黏性。單位面積物源補給量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他巖性較堅硬的泥石流溝。中、低頻率泥石流溝內(nèi)的物源體以中、硬質(zhì)巖性為主,如花崗巖、巖漿巖、鈣質(zhì)砂板巖、白云巖等。巖石硬度比高頻率泥石流溝內(nèi)巖性較高,變質(zhì)程度和巖石碎裂程度也較低,部分泥石流溝的巖層夾雜少量泥質(zhì)類頁巖、凝灰?guī)r。
表3 高頻率與中低頻率泥石流形成背景條件對比Table 3 Formation conditions of debris flows with high,medium and low frequency
高頻率泥石流溝內(nèi)因重力侵蝕活動劇烈,多呈裸地景觀。但部分高頻率泥石流溝植被覆蓋度大于中、低頻率泥石流。如渾水溝溯源侵蝕區(qū)、加馬其美溝、三灘中橋溝植被覆蓋度超過70%,但暴發(fā)頻率極高。尤其是渾水溝和加馬其美溝,泥石流暴發(fā)頻率超過40次/年以上。加馬其美溝流域植被覆蓋度達到90%,但是該流域山高、谷深、坡陡,片巖變質(zhì)程度深,風(fēng)化強烈,松散堆積物厚,加上所在區(qū)域雨季長,雨日多,土體含水量高,泥石流非?;钴S。黑水縣蘆花溝雖植被覆蓋高,但物源體以軟弱砂巖為主,泥石流活動仍然活躍。中低頻率泥石流溝內(nèi)無大規(guī)模、成群、片分布的崩塌和滑坡,植被覆蓋度較好。這些特殊泥石流溝所在區(qū)域內(nèi)年平均降雨、最大24 h降雨以及最大1 h降雨普遍比高頻率泥石流溝地區(qū)要高。這說明流域中植被覆蓋程度只能在一定程度上對泥石流起到抑制作用,這種作用非常有限。
第一階梯的高頻率泥石流主要為冰川型,并有部分暴雨泥石流。冰川泥石流可以是降雨誘發(fā),也可以是長期高溫激發(fā)冰崩、崩塌導(dǎo)致。如2007年9月波密縣群發(fā)性泥石流,還有加馬其美溝、古鄉(xiāng)溝等。
重力侵蝕直接轉(zhuǎn)化為泥石流的古鄉(xiāng)溝和加馬其美溝,泥石流暴發(fā)頻率遠(yuǎn)大于暴雨型高頻率泥石流。古鄉(xiāng)溝海拔4000 m以上年降雨超過2000 mm,泥石流多集中于5~10月,僅1964年6月19日—8月17日發(fā)生泥石流上百次,1964—1965年共計暴發(fā)泥石流500多次。2007年9月波密群發(fā)性泥石流暴發(fā)時前期雨量32.3 mm,日降雨量20.4 mm。9月4日康布溝和天摩溝泥石流暴發(fā)之前,累計降雨已達18.7 mm,泥石流暴發(fā)前最大小時雨量僅6 mm/h[15]。根據(jù)加馬其美溝的泥石流暴發(fā)雨量資料記錄:激發(fā)泥石流10 min雨量不超過2 mm,部分雨量甚至小于1 mm,但這些泥石流暴發(fā)時的累計雨量≥20 mm。2007年9月波密群發(fā)性泥石流暴發(fā)時累計雨量達到19.4 mm。
該區(qū)泥石流主要受降雨影響,泥石流與雨季同期,多夜發(fā)。這些高頻率泥石流源于物高位斜坡上的松散土石體,隨含水量增加開始起動,在下滑過程中,受強烈擾動、液化形成泥石流雛形,初期泥石流規(guī)模不大,在運動的過程中通過侵蝕、裹挾松散物質(zhì)才發(fā)展成一定規(guī)模的泥石流。因高頻率泥石流激發(fā)雨量低,導(dǎo)致泥石流活動與雨季同期,多與峰值降雨時段重合或滯后。
我國暴雨泥石流預(yù)警模式多采用10 min、30 min、1 h、24 h單雨量指標(biāo)或“前期雨量+實時雨量”組合模式制定泥石流臨界、暴發(fā)線。如蔣家溝、大橋河、渾水溝、火燒溝等?;馃郎袭?dāng)10 min雨強達8~10 mm,或30 min雨強達到20 mm,必暴發(fā)泥石流,雨強小于2~3 mm/10 min時,一般不暴發(fā)泥石流[16]。柳彎溝雨強為2 mm/10 min,一次降水總量達到7~10 mm時,即可發(fā)生泥石流[17]。渾水溝采用10 min雨強12 mm作為閾值。蔣家溝前期降雨在0~10 mm,10 min雨強達到5 mm時,泥石流多暴發(fā)[18]。在前期降水量接近時,大橋河泥石流10 min雨強要平均高出蔣家溝10 min雨強 2 mm[19]。
蔣家溝、渾水溝、火燒溝等大多數(shù)泥石流暴發(fā)時段與10 min峰值雨量時段重合,實際激發(fā)雨量要比加馬其美溝要高(圖1)。盡管都是高頻率泥石流,但處于第三階梯青藏高原潮濕型氣候區(qū)加馬其美溝泥石流暴發(fā)所需要的臨界雨量要小于處于第二階梯蔣家溝、渾水溝、火燒溝和柳彎溝。此外,根據(jù)蔣家溝泥石流臨界線和暴發(fā)線公式說明,90%渾水溝泥石流暴發(fā)數(shù)據(jù)點位于蔣家溝泥石流臨界線或暴發(fā)線以上區(qū),蔣家溝泥石流臨界線可以作為其他具有類似形成背景的高頻率泥石流溝預(yù)警預(yù)報參照。
該區(qū)泥石流主要以水石型為主,即高強度降雨激發(fā)溝道內(nèi)形成一定水力條件的洪水強烈沖刷侵蝕河床形成。泥石流暴發(fā)時的雨量也比第一階梯和第二階梯泥石流暴發(fā)雨量要高。如北京山區(qū)1968-1972年,1989-1991年間密云、懷柔區(qū)群發(fā)性泥石流暴發(fā)時一次性連續(xù)降雨總量超過150 mm,最大1 h雨量超過100 mm,泥石流暴發(fā)時當(dāng)日雨量均超過100 mm,最大超過300 mm[11]。該區(qū)泥石流物源體主要以硬質(zhì)巖石為主,如花崗巖、片麻巖等,部分山峰海拔達到2000 m,流域相對高差與第一階梯和第二階梯泥石流溝相比較較低,且?guī)r石風(fēng)化程度,新構(gòu)造運動相對較弱,泥石流激發(fā)雨量普遍較高。另外寶島臺灣、近海等部分地區(qū)多受臺風(fēng)強降雨襲擊,泥石流暴發(fā)的激發(fā)雨量也比大多數(shù)第一階梯和第二階梯的泥石流激發(fā)雨量要高[20-21]。
圖1 國內(nèi)高頻率泥石流溝的前期有效雨量和實時雨量組合Fig.1 The relationships of antecedent precipitation and 10 minuts rainfall of high-frequency debris flows in China注:加馬其美溝1976-1977年暴發(fā)59場泥石流,渾水溝1976-1980年共暴發(fā)74場泥石流;金川縣大寨子溝1982-1985年暴發(fā)21場,為較高頻率泥石流;攀枝花三灘溝隔3~5年暴發(fā)一次泥石流,為中頻率。
汶川地震后短時間內(nèi)沿主斷裂的山區(qū)城鎮(zhèn)都遭受了高頻泥石流災(zāi)害威脅,如2008年9月24日北川[22-23],2010年 8 月 13-14 日,清平鄉(xiāng)、龍溪河、白沙河流域,映秀至耿達、岷江上游段[24]。其中,文家溝在2008-2010年共計暴發(fā)5次[25],小崗劍溝共計暴發(fā)10次[26],另外還有震中牛圈溝2008-2011年超過6次[27]。2013年7月8-10日,整個汶川地震災(zāi)區(qū)遭遇大面積的連續(xù)長歷時降雨,映秀至汶川七盤溝、等多條小流域暴發(fā)泥石流[28]。
對災(zāi)區(qū)文家溝、小崗劍溝、牛圈溝以及幾次群發(fā)性泥石流的雨量與其他低頻率泥石流溝前期雨量與10 min雨量進行比較(圖2),災(zāi)區(qū)高頻率泥石流雨量具有以下特點:
(1)汶災(zāi)區(qū)雨量記錄多以1 h為基本監(jiān)測頻率,圖2中泥石流暴發(fā)時的10 min雨強是通過1 h雨量換算而來。災(zāi)區(qū)泥石流暴發(fā)時的10 min雨強與蔣家溝10 min雨強差別不大。文家溝、小崗劍溝、牛圈溝幾次泥石流暴發(fā)時的平均10 min雨量(11.5~13.5 mm/10 min)與云南東川達德溝接近,相當(dāng)于中等頻率泥石流(達德溝1981年暴發(fā)泥石流),但災(zāi)區(qū)這幾條高頻泥石流暴發(fā)時最低10 min雨量都小于7 mm,尤其是2013年7月8-10日映秀上游岷江段泥石流暴發(fā)時的1 h雨量不超過30 mm。
(2)盡管災(zāi)區(qū)泥石流物源量豐富,但以上幾條單溝泥石流事件中,多數(shù)泥石流暴發(fā)時前期雨量及其持續(xù)時間比東川蔣家溝、渾水溝要多、長。震后泥石流的臨界10 min或1 h雨量閾值與我國第二階梯區(qū)其他泥石流多發(fā)區(qū)高頻率泥石流激發(fā)雨量閾值接近。
結(jié)合圖1、2中不同頻率泥石流激發(fā)雨量數(shù)據(jù)點對比得到:
(1)中、低頻率泥石流“前期雨量+10 min雨量”組合相對于蔣家溝、加馬其美溝等高頻率泥石流而言,前期降雨量近似情況下,10 min雨量要高。
(2)根據(jù)蔣家溝泥石流暴發(fā)線、汶川地震災(zāi)區(qū)的高頻率泥石流雨量值點,以及國內(nèi)一些中等頻率、低頻率泥石流可以將“前期雨量+10 min雨量”組合關(guān)系圖分成以下5個區(qū):
圖2 不同暴發(fā)頻率泥石流溝的前期雨量和10 min雨量組合Fig.2 The antecedent precipitation and 10-minute rainfall of debris flows with varied frequency注:“■”包括中、低頻泥石流如:陸王-干溪溝,關(guān)廟溝,黑山溝,達德溝,瀘沽漢羅溝,天山阿拉溝,利子依達溝。
Ⅰ:洪水、高含沙水流區(qū)。這個區(qū)間內(nèi)一般不會產(chǎn)生泥石流,但加馬其美溝、古鄉(xiāng)溝處在這個區(qū)間,這是由于冰雪融化導(dǎo)致冰崩或崩塌直接液化形成泥石流引起。Ⅱ:高頻率泥石流區(qū)。Ⅱ1:低前期含水量條件高頻率泥石流亞區(qū):這類高頻率泥石流多分布于干旱、半干旱,新構(gòu)造活動劇烈,巖石風(fēng)化程度高地區(qū),一般10 min雨強不超過7 mm。Ⅱ2:高前期含水量條件高頻率泥石流亞區(qū);這類高頻率泥石流主要分布于降雨充沛區(qū),巖石風(fēng)化程度低。Ⅲ:中等泥石流區(qū):物源供給主要源于溝岸坍塌。Ⅳ:低頻率泥石流區(qū):物源供給源于洪水對溝道沉積物的沖刷、掀揭。
通過對我國不同區(qū)域的高頻率泥石流溝的“前期雨量+10 min雨強”組合關(guān)系以及汶川地震災(zāi)區(qū)高頻率泥石流雨量得到:
(1)高頻率泥石流形成處于低10 min雨強條件下,而低頻率泥石流激發(fā)閾值較高。干旱、半干旱地區(qū)的泥石流暴發(fā)受前期雨量影響要比亞熱帶,降雨充沛地區(qū)要低。
(2)第一階梯西藏高寒山區(qū)因冰崩、滑坡直接液化形成的高頻泥石流10 min雨強基本上都小于2 mm??梢娪绊懺擃惸嗍髦骺匾蜃邮乔捌诮涤炅亢蜌鉁?。
(3)汶川地震災(zāi)區(qū)的高頻率泥石流溝雨量數(shù)據(jù)點也落在高頻率泥石流溝雨量閾值范圍內(nèi)。即通過我國高頻率泥石流雨量資料建立起來的“前期雨量+10 min雨強”組合關(guān)系預(yù)報模式也可以對災(zāi)區(qū)高頻泥石流進行預(yù)報,而且這些泥石流溝的數(shù)據(jù)不僅落在高頻區(qū)內(nèi),還處于蔣家溝泥石流預(yù)報線之上。
(4)通過對我國高、中、低不同頻率泥石流以及汶川災(zāi)區(qū)的高頻率泥石流“前期雨量+10 min雨量”散點圖,得出我國高頻率泥石流發(fā)生的10 min雨量關(guān)系區(qū)間式(圖2):
我國高頻率泥石流具有不同的形成條件以及區(qū)域特征,通過對我國不同地域條件的泥石流形成背景條件和雨量特征分析得到如下結(jié)論。
(1)高頻率泥石流溝內(nèi)物源豐富,巖性軟弱,以滑坡、崩塌為主的重力侵蝕嚴(yán)重;中低頻率泥石流巖性較為堅硬,物源主要源于溝岸坍塌和溝床物質(zhì)沖刷。大部分高頻率泥石流流溝內(nèi)荒漠化景觀突出;植被只能在一定程度上對泥石流產(chǎn)生抑制作用,控制泥石流活躍程度主要因子仍是物源儲量和巖土體性質(zhì)。
(2)三大階梯的高頻率泥石流雨量閾值隨海拔遞減,雨量閾值逐漸增加,泥石流激發(fā)因子從氣溫+降雨逐漸過渡到暴雨。第一階梯的泥石流激發(fā)雨量低,多受氣溫和前期降雨控制;第二階梯多受前期降雨和實時雨量控制,第三階梯主要受短歷時雨強控制,閾值較高。
(3)除高寒山區(qū)古鄉(xiāng)溝、加馬其美溝外,大部分的高頻率泥石流雨量值點都位于蔣家溝臨界暴發(fā)線上,絕大部分高頻率泥石流溝的10 min雨量都低于7 mm/10 min。
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