馬 煜，李彩俠

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院資源勘查與土木工程系，四川 樂山 614000)

0 引言

泥石流的發(fā)生需要滿足地形因子、物源因子和降水因子，這三大因子不同程度上控制著泥石流的發(fā)生。但在一個(gè)小流域范圍內(nèi)，物源因子和降水因子被認(rèn)為基本接近或近似一致，在這樣限定的條件下地形因子對(duì)泥石流的發(fā)生起著的首要作用。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流形成的三大因子所占地位孰重孰輕很少給出明確的結(jié)論，以致在泥石流預(yù)警評(píng)價(jià)中仁者見仁或模糊不清[1]。各學(xué)者對(duì)地形因子研究主要集中在三種方法的研究。(1)統(tǒng)計(jì)法。大多學(xué)者通過統(tǒng)計(jì)法來探討地形因素和泥石流發(fā)生的關(guān)系，但具有局限性[2-3]。范正成等[4]對(duì)臺(tái)灣地區(qū)泥石流的坡度與匯水區(qū)域進(jìn)行研究，顯示溝道匯水面積，溝床坡度與發(fā)生泥石流災(zāi)害的潛能大小成正向。VanDine[5]通過統(tǒng)計(jì)近15年某一區(qū)域泥石流資料得出匯水面越小，越容易發(fā)生泥石流。Campbell[6]曾統(tǒng)計(jì)美國(guó)加州地區(qū)過去數(shù)年發(fā)生的泥石流記錄資料，顯示泥石流發(fā)生平均坡度介于26°～45°。(2)經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)法。吳正堂[7]利用高橋保理論公式，選定以溝床坡度及流域面積兩個(gè)為不隨時(shí)間變化的地形因子，作為判定泥石流易發(fā)程度的指標(biāo)。簡(jiǎn)佐伊[8]根據(jù)滲流力與孔隙水壓力之間關(guān)系討論巖石種類、溝谷坡面坡向、溝谷坡面坡度、匯水區(qū)面積對(duì)泥石流發(fā)生可能性的影響。(3)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查法。朱淵[9], 禹磊[10]和朱云波等[11]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查討論了匯水區(qū)面積、主溝長(zhǎng)度、形狀系數(shù)和溝床坡度對(duì)泥石流易發(fā)性的影響?？梢妵?guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流發(fā)生的地形因素研究雖不在少數(shù)，但缺陷是對(duì)某單一因素的研究分析且多數(shù)采用統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行，并沒有給出明確的判別指標(biāo)，本文采用統(tǒng)計(jì)和調(diào)查法，建立在前人研究的成果基礎(chǔ)上研究地形因子對(duì)泥石流易發(fā)程度的影響，尋求一個(gè)能夠代表全部地形參數(shù)的綜合因子來初步判定泥石流發(fā)生與否，為初步判斷泥石流的發(fā)生提供一種簡(jiǎn)單的途徑且使其具有一定的應(yīng)用性。

本文以龍溪河流域?yàn)檠芯繉?duì)象，一方面因?yàn)辇埾恿饔蛎娣e96.78 km2，可以保證整個(gè)流域范圍內(nèi)物源因子和降水因子基本一致。其二因?yàn)樵?010年8月13日該流域出現(xiàn)了45條泥石溝，同一時(shí)間發(fā)生泥石流可以排除其它因素對(duì)泥石流發(fā)生的影響，這也為地形因子的研究創(chuàng)造了一個(gè)良好條件。筆者在野外踏勘和室內(nèi)數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上分析了龍溪河流域泥石流溝的地形因子，選取流域面積、主溝長(zhǎng)度、相對(duì)高差、溝道縱比降等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究而獲得一個(gè)綜合地形因子G，在同一流域范圍內(nèi)，通過G初步判斷泥石流的發(fā)生與否，對(duì)泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有重要指導(dǎo)意義。

1 龍溪河流域環(huán)境地質(zhì)條件

龍溪河流域?qū)籴航饔虻囊患?jí)子流域，在地形上屬低-中山及河谷平壩階梯狀分布，地貌上屬構(gòu)造侵蝕地貌、堆積侵蝕地貌及構(gòu)造侵蝕溶蝕地貌。龍溪河始于龍溪河流域北端的龍池崗，至南端的楠木園入岷江，流向總體由北向南，流域面積96.78 km2，主流域全長(zhǎng)18.22 km，平均溝床比降達(dá)126‰，相對(duì)高差2 274 m，平均流量3.44 m3/s，最大流量300 m3/s，最小流量0.2 m3/s。該流域平面呈樹杈狀分布，以主溝龍溪河居中，在其兩側(cè)發(fā)育有多條一級(jí)支溝的泥石流溝。

龍溪河流域?qū)偎拇ㄅ璧刂衼啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣侯區(qū)，氣候溫和，降水充沛，四季分明。通過對(duì)龍池鎮(zhèn)區(qū)域1957年以來近 50 a的氣溫和降雨資料統(tǒng)計(jì)分析[12]，龍池鎮(zhèn)極端最高溫35℃，極端最低溫-4.1 ℃，年平均氣溫12.2 ℃；年平均降水量1 134.8 mm，最大月降水量為592.9 mm，最大日降雨量達(dá)245.7 mm，最大1 h降雨量為83.9 mm，最大10 min降雨量23.98 mm，降雨主要集中在 5～9月，降雨量占全年降雨量的 80%以上。降雨具有波動(dòng)變幅大、降水集中、雨強(qiáng)大和暴雨頻率高的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)有利于洪水災(zāi)害和泥石流等災(zāi)害的發(fā)生。

龍溪河流域內(nèi)出露巖性主要以砂巖、泥巖、碳質(zhì)頁(yè)巖為主，安山巖、花崗巖次之?！?·12”地震的發(fā)震斷裂虹口-映秀斷裂帶(映秀—北川斷裂帶一部分)從流域內(nèi)的穿過，導(dǎo)致流域內(nèi)巖層破碎，產(chǎn)生大量崩塌滑坡。汶川地震后，龍溪河流域發(fā)育有大量的崩塌滑坡及松散堆積物，龍池“8·13”群發(fā)泥石流后的龍溪河流域仍然發(fā)育有崩塌滑坡66個(gè)，物源量約1.692×107m3，為泥石流的暴發(fā)提供了豐富的物源條件[13]。

2 龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)特征

2.1 地形因子的分析和選取

泥石流形成的地形因子主要包括流域面積、主溝長(zhǎng)度、相對(duì)高差、溝道縱比降等關(guān)鍵參數(shù)。流域面積的大小反映了匯水區(qū)域形成泥石流的難易程度，較小面積的匯水區(qū)更容易形成泥石流；溝道縱比降的大小反映了松散物源由勢(shì)能轉(zhuǎn)化動(dòng)能的難易程度，縱比降越大，松散物源在降水作用下越容易向下運(yùn)動(dòng)形成泥石流；流域面積越大，溝道縱比降會(huì)相對(duì)降低，從而會(huì)減小泥石流運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)；溝道縱比降包括了主溝長(zhǎng)度和相對(duì)高差兩個(gè)因子，相對(duì)高差越大勢(shì)能轉(zhuǎn)換動(dòng)能就越大但主溝越長(zhǎng)消耗泥石流動(dòng)能的能力又越多；完整性系數(shù)包含流域面積和主溝長(zhǎng)度兩個(gè)因子可以在一定程度上反映出二者對(duì)泥石流的影響?？梢娔嗍鞯匦我蜃又g有一定聯(lián)系性和制約性。根據(jù)李麗[14]研究，流域溝床比降和發(fā)育程度均與流域面積存在線性相關(guān)性，變化趨勢(shì)一致而且流域面積越大，泥石流形成區(qū)面積占流域總面積的比例就越小，相應(yīng)的主要物源區(qū)所占比例也隨之減小。為了簡(jiǎn)化地形因子數(shù)量和便于統(tǒng)計(jì)分析本文選擇流域面積、完整性系數(shù)和溝道縱比降三個(gè)要素作為研究因子。

2.2 龍池泥石流溝地形因子特征值

通過野外實(shí)地踏勘和室內(nèi)數(shù)據(jù)分析，得到龍溪河流域泥石流溝溝道的地貌因子特征值(表1)。

表1 龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)

續(xù)表

3 無量綱的引入及之間關(guān)系

泥石流地形因子之間有一定的聯(lián)系性和制約性，根據(jù)余斌[15]和朱淵等[16]的研究，為了能夠?qū)Ρ劝l(fā)生和未發(fā)生泥石流溝地形條件，將地形因子無量綱化。

3.1 流域面積A*

流域面積的大小決定了集水區(qū)域和表層強(qiáng)烈風(fēng)化物的多少，因此較大流域面積會(huì)對(duì)泥石流的發(fā)生提供較多物源和水源。由于泥石流溝通常有支溝存在，泥石流溝暴發(fā)泥石流不一定每條支溝也暴發(fā)泥石流，為了消除支溝的差異引入無量綱流域面積。

A*=A/A0

式中：A*——無量綱流域面積；

A——流域面積；A0=1 km2。

3.2 形狀系數(shù)F

形狀系數(shù)反映了流域內(nèi)匯集水流的快慢程度，常用流域面積與溝道長(zhǎng)度的平方之比值表示，為無量綱數(shù)，該系數(shù)越大說明該流域有利于水的匯集。

F=A/L2

式中：F——形狀系數(shù)；

A——流域面積；

L——溝道長(zhǎng)度。

圖1可知，F(xiàn)與A*的關(guān)系分布比較分散，關(guān)系不是很明確，按照冪函數(shù)擬合曲線近乎于平行于A*坐標(biāo)。此規(guī)律與學(xué)者朱淵[16]和李麗[14]的研究結(jié)論基本一致,可見形狀系數(shù)并不能完全代表地形因子，該區(qū)域內(nèi)巖性、泥石流溝所在坡向和高差對(duì)泥石流發(fā)生也有不同影響。

圖1 形狀系數(shù)F與流域面積A*的關(guān)系Fig.1 Relationship between shape factor F and catchment area A*

3.3 溝道縱比降J

溝道縱比降是溝道相對(duì)高差與溝道長(zhǎng)度的比值，為無量綱數(shù)。按照運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，該值越大，泥石流流動(dòng)速度越大，造成的沖擊力就越大。

J=H/L

式中：J——溝道縱比降；

H——相對(duì)高差；

L——溝道長(zhǎng)度。

由圖2可知，溝道坡降隨著A*的增大而減小，J與A*的關(guān)系分布按照冪函數(shù)擬合曲線相關(guān)性較好，各泥石流基本上分布在T=J(A/A0)0.2=0.45曲線的兩側(cè)，可見J隨A*的分布規(guī)律相比F與A*的分布具有較明顯的規(guī)律性，也就是說溝道比降對(duì)泥石流發(fā)生的影響要比形狀面積對(duì)泥石流發(fā)生的影響重要。

圖2 溝道比降J與流域面積A*的關(guān)系Fig.2 Relationship between channel ratio drop J and catchment area A*

4 綜合地形因子的建立

由圖1、圖2可知，形狀系數(shù)和溝道坡降都與流域面積有一定關(guān)系，只是F與A*的關(guān)系不是很明確，J與A*的關(guān)系相對(duì)較明顯但F和J均為無量綱，因此引進(jìn)另外一個(gè)無量綱因子T，使其能包含形狀系數(shù)和溝道縱比降2個(gè)地形因子，我們用T=F×J表示。

圖3 綜合地形因子T與流域面積A*的關(guān)系Fig.3 Relationship between comprehensive terrain factor T and catchment area A*

由圖3可知，綜合因子T隨著A*的增大而減小，但T與A*的關(guān)系分布按照冪函數(shù)擬合曲線相關(guān)性較好，各泥石流基本上分布在G=T(A/A0)0.2=0.31曲線的兩側(cè)，T隨A*的分布規(guī)律與J與A*的分布具有相同的冪函數(shù)形態(tài)分布。由于F隨A*的擬合規(guī)律近乎平行于A*軸，所以形狀系數(shù)和溝道縱比降綜合因子T隨A*的分布規(guī)律與J與A*的分布具有相同的冪函數(shù)形態(tài)分布。由于因子T反映了形狀系數(shù)和溝道縱比降2個(gè)重要的地形因子，可見T因子對(duì)泥石流發(fā)生的影響也要比形狀面積對(duì)泥石流發(fā)生的影響重要，另一方面隨著A*的增大，T因子越小即流域面積越大泥石流的發(fā)生程度反而越小。

由圖1～圖3變化趨勢(shì)我們綜合考慮再引進(jìn)一個(gè)地形因子G，使其因子即能包含形狀系數(shù)和溝道縱比降，還能體現(xiàn)二者與流域面積之間的關(guān)系。并對(duì)其作無量綱化處理， 其公式如下：

G=T(A/A0)0.2=FJ(A/A0)0.2

式中各因子指數(shù)代表了在泥石流發(fā)生地形條件中的重要程度，可以看出溝道比降>形狀系數(shù)>流域面積，且各因子均為無量綱，也便于進(jìn)行計(jì)算和比較。

5 地形因子對(duì)龍溪河流域泥石流溝影響

研究區(qū)流域面積96.78 km2，直線距離2008年汶川發(fā)震帶約11 km，區(qū)域出露巖性以花崗巖、安山巖為主，地質(zhì)、地震、水文等條件可認(rèn)為基本相同，以2010年8月13日該流域發(fā)生的34條泥石流溝和未發(fā)生的13條泥石流溝為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同一區(qū)域、同一時(shí)間發(fā)生的泥石流來討論地形因子對(duì)泥石流發(fā)生的影響更有合理意義。

圖4 龍溪河流域泥石流溝發(fā)生條件劃分Fig.4 Occuring condition on debris flows in Longxi River Area

圖4可以明顯的看出泥石流的發(fā)生與地形綜合因子T的規(guī)律，發(fā)生泥石流溝和未發(fā)生泥石流溝明顯的分布在G=T(A/A0)0.2=0.20曲線的兩側(cè)。圖4顯示當(dāng)G≥0.20時(shí)為發(fā)生泥石流的溝，G<0.20時(shí)為未發(fā)生泥石流的溝。雖然圖中有個(gè)別點(diǎn)的偏離比較大，因?yàn)楸狙芯恐豢紤]了地形條件而沒有考慮降雨、物源等條件，這樣的偏離有一定的合理性，綜合來說用G=0.20來區(qū)分該區(qū)域泥石流溝是否發(fā)生泥石流有一定指導(dǎo)意義。這種劃分的方法可以省去野外實(shí)地調(diào)查的過程，可以在去野外之前通過地形條件初步判定泥石流溝發(fā)生可能性，給野外調(diào)查提供了針對(duì)性的方向，使我們有針對(duì)性地對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查以減少災(zāi)害發(fā)生的可能性。但該方法僅僅是通過地形條件判斷泥石流的發(fā)生，沒有綜合考慮，另外該結(jié)論具有一定的局限性，不能涵蓋所有的地形條件，故適應(yīng)性有待進(jìn)一步的研究。

由以上可以看出G因子可以在一定程度上代表地形條件對(duì)泥石流發(fā)生的影響，雖然G因子是龍溪河流域泥石流溝地形參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，這種統(tǒng)計(jì)方法得到的結(jié)論應(yīng)有一定的適用性。為了驗(yàn)證筆者選取彭州白水河流域泥石流溝對(duì)地形因子G進(jìn)行了驗(yàn)證。一方面因?yàn)榘姿恿饔蛎娣e82.93 km2，可以基本保證整個(gè)流域范圍內(nèi)物源因子和降水因子基本一致。其二因?yàn)樵阢氪ǖ卣鸷笤摿饔虺霈F(xiàn)了11條泥石溝，基本同一時(shí)間段發(fā)生泥石流可以排除其它因素對(duì)泥石流發(fā)生的影響，這也為地形因子的研究創(chuàng)造了一個(gè)良好條件。G因子對(duì)白水河流域泥石流溝發(fā)生與否的影響見圖5，圖5表明發(fā)生泥石流溝和未發(fā)生泥石流溝明顯的分布在G=T(A/A0)0.2=0.25曲線的兩側(cè)，當(dāng)G≥0.25時(shí)為發(fā)生泥石流的溝，G<0.25時(shí)為未發(fā)生泥石流的溝?？梢奊因子的影響規(guī)律在該地區(qū)同樣適用。

圖5 白水河流域泥石流溝發(fā)生條件劃分Fig.5 Occurring condition on debris flows in Baishui River Area

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

(1)泥石流形成的地形因子主要包括流域面積、形狀系數(shù)、溝道比降等關(guān)鍵參數(shù)，且各因子對(duì)泥石流發(fā)生影響的重要程度為溝道比降>形狀系數(shù)>流域面積。

(2)對(duì)各因子進(jìn)行研究得到了能夠全面反映地形條件的綜合地形因子G；G=T(A/A0)0.2。G因子與泥石流的發(fā)生與否成正向關(guān)系，即G因子越大，越容易發(fā)生泥石流。

(3)通過對(duì)龍溪河流域泥石流溝的地形因子分析發(fā)現(xiàn)：G≥0.20時(shí)會(huì)發(fā)生泥石流，G<0.20時(shí)不會(huì)發(fā)生泥石流。通過白水河流域的驗(yàn)證，得到了一致的結(jié)論。但由于兩個(gè)區(qū)域不同，G因子值不同。

6.2 建議

該成果是在其他條件相同和近似的基礎(chǔ)上單一來研究地形條件的，因而具有一定局限性。另外選取流域泥石流溝發(fā)生主要是地震后形成的，對(duì)于地震前發(fā)生的泥石流不一定適用。

由于研究工作部分基于泥石流的形成機(jī)理，研究成果雖有一些不足，但可用于其他區(qū)域的泥石流易發(fā)性的預(yù)測(cè)，為泥石流的初步預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供了一個(gè)較好的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1] 譚萬沛.中國(guó)災(zāi)害暴雨泥石流預(yù)報(bào)分區(qū)研究[J].水土保持通報(bào)，1989,9(2):48-53.

TAN Wanpei.Study on the debris flows forecast and its divisions formed by disasters rainstorm in China[J].Bulletin of Soil and Water Conservation，1989,9(2):48-53.

[2] Yu B, Li L, Ma Y, et al.Research on topographical factors in the formation of gully type debris flows[C]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011： 1-10.

[3] 鄭胥智.降雨及地文條件與土石流發(fā)生關(guān)系之研究[D].臺(tái)南:國(guó)立成功大學(xué)碩士論文，2011：1-45.

ZHENG Xuzhi. A rainfall-based debris-flow warning analysis and its application[D].Tainan: National Cheng Kung University，2011: 1-45.

[4] 范正成，姚正松.臺(tái)灣東部地區(qū)泥石流發(fā)生的水文及地文條件的初步研究[C].八十六年度農(nóng)業(yè)工程研討會(huì)論文集,1997:525-531.

FAN Zhengcheng, YAO Zhengsong. The study on hydrological and physiographic conditions of debris flow in eastern Taiwan[C]. The Paper Collection of The Taiwan Agricultural Engineers Society,1997:525-531.

[5] VanDine D F. Debris flows and debris torrents in the Southern Canadian Cordillera[J]. Canadian Geotechnical Journal,1985,22:44-68.

[6] Campbell H W.Soil Slip,Debris flow and rainstorms in the Santa Monica,mountains and vicinity,Southern California [R]. US Geological Survey Professional Paper,1975：851.

[7] 吳正堂.土石流潛勢(shì)溪流危險(xiǎn)度評(píng)估之研究[D].臺(tái)南:國(guó)立成功大學(xué)碩士論文，1990：23-45.

WU Zhengtang. Evaluation of debris flow hazards[D].Tainan: National Cheng Kung University，1990: 23-45.

[8] 簡(jiǎn)佐伊.應(yīng)用降雨地文綜合指標(biāo)評(píng)估土石流發(fā)生可能性研究[D].臺(tái)南:國(guó)立成功大學(xué)碩士論文，2011.

JIAN Zuoyi. Application of a composite index of rainfall and geological conditions to estimate debris flow occurrence possibility [D].Tainan: National Cheng Kung University，2011.

[9] 朱淵.遼寧省岫巖滿族自治縣泥石流形成的地形條件研究[D].成都:成都理工大學(xué)，2014.

ZHU Yuan.The topographic factors study of debris flow in Xiuyan,Liaoning[D].Chengdu: Chengdu University of Technology，2014.

[10] 禹磊,胡偉,趙懷寶,等.群發(fā)性溝床起動(dòng)型泥石流受地形條件的影響分析[J].甘肅水利水電科技，2016,52(9):17-20.

YU Lei,HU Wei,ZHAO Huaibao,et al. Topographical factors in the formation of gully type debris flows[J].Gansu Water Resources and Hydro Power Technology，2016,52(9):17-20.

[11] 朱云波,余斌,王治兵,等.四川省德昌縣茨達(dá)“8·24”群發(fā)性滑坡型泥石流之地形條件[J].山地學(xué)報(bào)，2015，33(1):108-115.

ZHU Yunbo,YU Bin,WANG Zhibing,et al.Topographic research of group-occurring landslide-induced debris flow in dechang,Sichuan[J].Mountain Research,2015，33(1):108-115.

[12] 馬煜,余斌,李彩俠，等．汶川強(qiáng)震區(qū)群發(fā)性泥石流特征研究——以四川省都江堰龍池8 13群發(fā)泥石流為例[J].災(zāi)害學(xué)，2014，29(3)： 218-223.

MA Yu,YU Bin,LI Caixia,et al. Research on the characteristics of group debris flow hazards after the Wenchuan earthquake: a case study in the Longchi Area of Dujiangyan,Sichuan,China[J].Journal of Catastrophology,2014,29(3)： 218-223.

[13] 馬煜,李彩俠.汶川強(qiáng)震區(qū)龍溪河流域泥石流災(zāi)害分布規(guī)律研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2015，15(10):27-31.

MA Yu, LI Caixia.Research on distribution of earthquake induced debris flow in Longxi River Area[J].Science Technology and Engineering,2015，15(10):27-31.

[14] 李麗．強(qiáng)震區(qū)群發(fā)性溝谷型泥石流地形因子研究[D].成都:成都理工大學(xué)，2012.

LI Li.The Topographic factor study on the group of gully-shaped debris flow in strong earthquake [D].Chengdu: Chengdu University of Technology，2012.

[15] 余斌,王濤,朱淵.淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流的地形和降雨條件[J].水科學(xué)進(jìn)展,2016，27(4):542-550.

YU Bin,WANG Tao,ZHU Yuan.Research on the topographical and rainfall factors of debris flows caused by shallow landslides[J].Advances in Water Science,2016，27(4):542-550.

[16] 朱淵,余斌,亓星,等．地形條件對(duì)泥石流發(fā)育的影響——以岷江流域上游為例[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)地球科學(xué)版,2014，44(1):268-277.

ZHU Yuan,YU Bin,QI Xing,et al.Topographic factor in the formation on of gully type debris flows in the upper reaches of Minjiang River[J].Journal of Jilin University(Earth Science Edition),2014，44(1):268-277.