黨 超, 孫小凡, 程尊蘭

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災害教育部重點實驗室, 湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 土木與建筑學院,湖北 宜昌 443002; 3.中國科學院 水利部 成都山地災害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041)

扎墨公路位于西藏東南邊陲，由波密縣城駐地扎木鎮(zhèn)沿嘎弄西岸南行，線路經(jīng)崗日嘎布山的多熱拉山口(海拔4 300 m)，再沿嘎弄曲、金珠藏布和雅魯藏布江抵達墨脫縣城，全長117 km。公路沿線泥石流災害多發(fā)，經(jīng)常造成公路斷道。

扎墨公路沿線最大高差近4 000 m，穿過8種不同的氣候、土壤與植被垂直帶譜，地形起伏大，地質(zhì)條件復雜，是該區(qū)域內(nèi)泥石流類型多樣、性質(zhì)多變、成災方式復雜的主要原因。隨著海拔的上升，溫度逐漸降低，從年均溫度20 ℃左右的準熱帶過渡到小于0 ℃的冰雪帶，溫度直接影響巖體風化作用的類型和強度，水體的賦存狀態(tài)和侵蝕形式；而降水隨著海拔上升逐漸加大，在海拔3 000～3 900 m達到最大值，然后又趨于減小，降水形式由雨變成雪，降水形式與規(guī)模大小直接影響泥石流的強度與活動性[1]。植被要素主要影響到降水的產(chǎn)流和匯流，以及因此產(chǎn)生的泥石流徑流量和規(guī)模；同時枯枝落葉層和根系的固土作用影響到土體(含土壤)的可移動性，兩者直接影響到泥石流的形成機理。土壤是形成泥石流的主要物源之一，其機械組成(尤其黏粒含量)、厚度、孔隙率等，都影響到泥石流的形成過程和流體特性[2]。構(gòu)成垂直帶的3個自然要素在不同高度帶變化，致使泥石流在物源與激發(fā)條件上差異顯著，在不同垂直帶內(nèi)泥石流的形成機理、成因類型和流體性質(zhì)也呈現(xiàn)出明顯的地帶性分異規(guī)律。

為此，本文擬以2009—2015年進行的多次扎墨公路沿線泥石流及自然地理環(huán)境野外調(diào)查為基礎，分析扎墨公路沿線自然垂直帶的分布特征，探討泥石流的分布、激發(fā)條件以及泥石流流體性質(zhì)等方面的垂直地帶性分異規(guī)律，以期在公路建設和后期運行過程中，對泥石流災害的安全預警與工程治理提供理論依據(jù)。

1 山地自然垂直帶的分布與主要特征

扎墨公路沿線自然垂直帶以橫貫東西崗日嘎布山(山峰海拔5 314 m)為界分南北兩段，兩段的氣候、植被和土壤等垂直帶要素的特征有明顯的差異。公路北段從起點扎木鎮(zhèn)沿嘎弄至嘎隆拉隧道進口處，全長23.7 km，公路經(jīng)過5個垂直帶：由海拔2 725 m的起點到海拔約3 200 m的多東寺為山地暖溫帶，植被系針闊混交林，土壤為山地棕壤，綜合命名為“山地暖溫帶針闊混交林—山地棕壤帶”[3]，最冷月和最暖月平均氣溫為-6～3 ℃和14～18 ℃，年平均降水量800～1 000 mm；代表性植被：川滇高山柳、高山松，常見喬木有靈芝云杉和長序楊，土壤為山地棕壤，如表1所示。從多東寺到嘎隆拉隧道進口為山地寒溫帶暗針葉林—山地灰化土帶，其上限一直至進洞口以上的海拔4 100 m處。公路以上至分水嶺還存在3個自然垂直帶，由下至上依次為：(Ⅲ)亞高山寒溫帶灌木草甸—草甸土帶、(Ⅱ)高山寒凍帶殼狀地衣—高山寒漠土地帶和(Ⅰ)高山冰雪帶，各帶的分布高程、平均氣溫、年平均降水量、代表性植被和土壤詳見表1。雖然公路沒有通過此三帶，但降水、土壤與植被可以通過徑流及其物源條件影響到下方泥石流的形成與分布。

表1 西藏扎墨公路沿線自然垂直帶的特征

公路南段先后沿嘎弄曲、金珠藏布、雅魯藏布江至墨脫縣城，全長86.37 km。公路沿線依次經(jīng)過：(Ⅳ)山地寒溫帶針葉林—山地灰化土帶，(Ⅴ)山地暖溫帶針闊混交林—山地棕壤帶，(Ⅵ)山地涼亞熱帶半常綠闊葉林—山地黃棕壤帶，(Ⅶ)山地暖亞熱帶常綠闊葉林—山地黃壤帶，(Ⅷ)河谷準熱帶季雨林—磚紅壤性黃壤帶。公路上方還存在：(Ⅲ)亞高山寒帶灌叢草甸—草甸土帶；(Ⅱ)高山寒凍帶蔬草—寒漠土帶；(Ⅰ)高山冰雪帶。每帶沿公路分布的起訖處、高程、平均氣溫、年平均降水量、代表性植物和土壤詳見表1。扎墨公路南段地形高差近4 000 m，地帶性分異特征更加顯著，諸垂直帶的降水量遠大于北段。

2 泥石流分布特征的垂直地帶性

扎墨公路沿線地形高程大，溝道兩側(cè)斜坡陡峻，溝道縱坡多在5°以上，地形條件已不是影響泥石流分布的主要因素。但由于不同垂直帶內(nèi)氣候、植物和土壤等3個地帶性要素差異顯著，致使泥石流的水源條件與物源的豐富程度也有所不同，因此泥石流的分布也呈現(xiàn)出垂直地帶性分異特征。

2.1 扎墨公路北段泥石流的分布特征

受崗日嘎布山的阻隔，來自孟加拉灣的暖濕氣流不能直接抵達北坡，而沿雅魯藏布江冷多至果登段和帕隆藏布江下游到達崗日嘎布山北坡的扎墨公路北段，最大年降水量不足南段的一半。處于頂部的高山冰雪、冰凍帶，年溫差較小，凍融作用相對微弱，常以冰崩、雪崩和夏季冰面湖潰決等地貌過程間接激發(fā)其下部泥石流的形成[4]。該帶下方的高山寒凍帶和亞高山寒帶，冬半季以降雪為主。根據(jù)2009年6月的調(diào)查，扎墨公路北段最大的泥石流溝—申達貢日溝，上游冰川及積雪消融徑流量3～5 L/s。公路直接通過的山地寒溫帶和山地暖溫帶，降水年內(nèi)變幅較小，夏季以綿雨為主。從泥石流發(fā)生的水源條件來看，在扎墨公路北段，缺少短歷時強降雨是該段泥石流發(fā)生頻率低、規(guī)模小的主要原因。

從嘎弄河口至多東寺為針闊混交林—山地棕壤帶，從多東寺到嘎隆拉隧道進口系暗針葉林—山地灰化土帶，在公路兩旁喬木多被砍伐，以草被為主，川滇高山櫟、林芝云杉長勢好，形成高大茂密的森林，林下灌木草本層不很發(fā)育，枯枝落葉層較厚，水土流失輕微。但在冰磧層前緣和溝道兩側(cè)，往往礫石和巖屑裸露，在降水和徑流的作用下，常形成稀性的泥石流。北段共有10處泥石流(如表2所示)，其中源出高山冰雪帶的溝道泥石流5處、坡面泥石流1處、含水碎屑流1處。除1處坡面泥石流為黏性外，其它均屬稀性。在泥石流發(fā)生頻率方面，除坡面型泥石流可達1 a一次外，而其他溝谷型泥石流均大于10 a一次，其中流域面積最大的申達貢日溝近20 a以來無泥石流活動痕跡。

表2 西藏扎墨公路沿線泥石流分布狀況

2.2 扎墨公路南段泥石流的分布特征

與北段公路不同，在南段來自孟加拉灣的暖濕氣流直接沿雅魯藏布江、金珠藏布和嘎弄曲上溯，受東西向崗日嘎布山及其SSW向的支脈阻攔，形成一個多雨區(qū)，年降水量達2 500 mm以上，其中在海拔3 000～3 900 m左右的山地寒溫帶，年降水量高達3 500～4 000 mm。最大降水帶從隧道出口沿公路至公路上方向SWW伸延，至肯宗登與公路一樣折向SSW，直至離開嘎弄曲流域。馬尼翁大斷裂帶與多雨帶的走向大致相似，但到覺弄以南不再吻合。在吻合地帶泥石流分布密集。根據(jù)泥石流分布狀況，南段公路泥石流可分為3段(表2)。

2.2.1 嘎隆拉隧道南端出口至波弄貢段 此段公路兩側(cè)先后為暗針葉林—山地灰化土帶和針闊混交林—山地棕壤帶，其上方依次為灌叢草甸—草甸土帶、疏草—寒漠土帶和冰雪帶，除公路兩旁喬木遭到一定砍伐外，離公路較遠山坡處的墨脫冷杉、云南鐵杉、長尾槭等喬木構(gòu)成相當茂密的森林，林下灌草叢生，腐殖質(zhì)層較厚。土壤中礫石含量多，結(jié)構(gòu)松散。該段從東向西有4條流域面積9.7～59.2 km2的大或特大泥石流溝，上游均有現(xiàn)代冰川發(fā)育，系冰川泥石流溝。除桑谷泥石流屬高頻型，每年一次或幾年一次外，其他3溝暴發(fā)頻率較低，為5～10 a一次。同時沿公路上方還分布有16條以小型為主的泥石流溝和2處坡面泥石流，其位置與多雨帶和馬尼翁大斷裂大致吻合，泥石流分布密度較高，達0.66條/1 km。

2.2.2 波弄貢至嘎弄曲河口段 此段主要為半常綠闊葉林—山地黃棕壤帶和常綠闊葉林—山地黃壤帶，代表性植物為通麥櫟，薄片青崗和藏合歡，樹干高大，樹下灌木層發(fā)育，枯枝落葉層較厚。土壤砂礫含量較多，結(jié)構(gòu)比較疏松。此段嘎弄曲與右岸分水嶺大致平行，兩者間距小，山坡陡峻，多在40°以上，最大降水帶在中上游通過，以細弄到覺弄馬尼翁大斷裂在山坡中上部經(jīng)過，巖性比較破碎。在上述因素的綜合作用下導致本段泥石流非常發(fā)育，其密度為全線最大，高達1.28條/km。泥石流暴發(fā)頻率也較高，如芒給溝達每年3～4次，為全線暴發(fā)頻率最高的泥石流溝道。

2.2.3 嘎弄曲河口至墨脫縣城段 該段公路沿河谷準熱帶季雨林—磚紅壤性黃壤帶展線，主要分布于雅魯藏布江東岸。代表樹種有小果紫薇、千果欖仁和藏合歡等喬本，樹干高大，林下灌木、草本茂密成層，藤本發(fā)育[3]。但因人類活動，沿途原生植被破壞較大，次生植被喬木林，呈間斷分布，主要有尼泊爾榿木林，一般分布在沿河路段，特別在有塌方、坡面泥石流和滑坡的坡面上分布最多?？傮w來看，在濕熱氣候的影響下，植被茂密，呈多層分布，總蓋度高，枯枝落葉層厚，水土保持效益明顯，泥石流密度較低，全段有溝谷泥石流19處，坡面泥石流8處，總密度為0.54處/km，并且越向密度南越低，在馬迪以南直至墨脫縣城密度僅0.45處/1 km，但是泥石流中黏粒含量有所增加。泥石流多為低頻型，一般為5～10 a，少數(shù)10 a以上1次。只有海熱曲(當?shù)赜址Q墨日溝)規(guī)模大，頻率中等，為2～3 a 1次；該溝在2009年發(fā)生了1次大型泥石流，峰值流量達977.8 m3/s，將30 m長的公路鋼桁梁沖入雅魯藏布江，造成公路中斷。

3 泥石流成因類型的垂直地帶性

除河谷熱帶雨林—磚紅壤帶外，扎墨公路沿線及其上方，具有從高山冰雪帶至河谷準熱帶季雨林—磚紅壤性黃壤帶等8個濕潤地區(qū)的山地自然垂直帶。扎墨公路沿線，降水具有明顯的垂直地帶性分異特征，水在垂直地帶內(nèi)3種不同的賦存狀態(tài)[1]，不僅直接決定了激發(fā)泥石流的水源條件，同時也是引起泥石流的成因類型垂直地帶性分異的根本原因。扎墨公路泥石流成因類型的垂直地帶性分異特征如圖1所示。

圖1 西藏扎墨公路沿線泥石流成因類型的垂直地帶性

3.1 高山冰凍帶的泥石流——冰面湖潰決泥石流

由于高山冰凍帶的大型冰崩或冰雪崩堵塞了冰面洼槽，常形成高上百米，以冰塊為主并夾雜冰磧、巖屑的堰塞壩。夏季在冰雪融水的參與下形成冰面湖，冰面湖潰決，進一步?jīng)_蝕下游的堆積體，常演化成冰面湖潰決泥石流。根據(jù)2009年的觀測，在申達貢日溝上游右側(cè)的冰川區(qū)，約20～30 a前曾發(fā)生一次大型冰崩，堵塞了下側(cè)冰川面上的洼槽，形成約100余米高的堰塞壩體。夏季冰雪融水充填臨時性冰面湖如圖2所示，并發(fā)生潰決，形成間有冰塊的潰決洪水，沖蝕其下游的冰磧和溝床堆積體而演變?yōu)槟嗍鳌，F(xiàn)在公路橋右側(cè)及其下游方，仍有明顯稀性泥石流堆積痕跡。

圖2 申達貢日溝冰面湖潰決

3.2 高山寒凍帶和亞高山寒帶泥石流

在這兩個自然垂直帶均沒有森林分布，前者以地衣或疏草為主，地面覆蓋有大量巖屑或冰磧物；后者以灌木草甸為主，密度較高，地面也覆蓋有冰磧物和風化碎屑。在曲當弄巴和打爾曲冰川前緣分布有冰湖，并以終磧湖為主。通常冬半季以降雪為主，土壤出現(xiàn)局部凍結(jié)形成季節(jié)凍土層；夏半季為以降雨及積雪冰川融水為主，地面解凍。反復性的凍融作用強烈，常形成以下4種泥石流類型：

3.2.1 凍融泥流、泥石流 在植被稀疏的地帶，冬季地表處于凍結(jié)狀態(tài)，每年4—5月隨著氣溫上升逐漸解凍，被水飽和的冰磧物和其他堆積物在重力作用下，順坡向下緩慢蠕動，常形成土流[5]。隨著坡度加大，速度逐漸加快，當運動體以細粒土為主時，稱為凍融泥流，當含礫量高運動較快時稱為凍融泥石流。位于倉孔村東北側(cè)的坡面泥石流，實際上是處于小型冰川前緣的冰磧物，夏季解凍后被水飽和，緩慢地向下運動，整體堆積在公路上側(cè)的緩坡上。2009年4月調(diào)查時，該坡面泥石流仍保持運動時的形態(tài)，寬2.1 m，平均厚1.1 m，長140 m；容重達1.6 g/cm3，含有大量大小不均的石塊。

3.2.2 融水碎屑型泥石流 在海拔3 900 m以上，坡度大于40°的基巖斜坡或植被稀疏的角礫帶，在強烈的寒凍風化作用下，巖體剝落，塊石進一步崩解，形成大小不等的巖屑[6]。巖屑在重力作用、雪崩或冰雪融水參與下，呈巖屑流向下運動，堆積在坡麓，形成巖屑錐或巖屑裙。在冰雪融水的沖刷下，大量碎屑挾帶少量細粒物質(zhì)，沿比較平緩的斜坡向下流動，可認為是稀性泥石流的一種，稱為融水寒凍碎屑流。如崗日嘎布山北側(cè)的泥石流溝，在4 000 m以上植被稀疏，基巖大部分裸露，形成大量碎屑堆積，夏季在融水徑流作用下，呈寒凍碎屑流向下流動，并呈壟崗狀堆積于緩坡地帶。

3.2.3 終磧湖潰決泥石流 冰湖潰決泥石流往往是處于冰川前緣或離冰川很近的冰湖，多為終磧湖。當冰川前緣發(fā)生大規(guī)模冰滑坡或冰崩時，大量冰塊在瞬間進入冰湖，引起高大涌浪，強烈沖擊冰湖泄水口，導致冰磧堤潰決。潰決洪水攜帶冰磧堤的物質(zhì)，并沿程沖刷溝床和溝岸物質(zhì)，演化為泥石流[7-8]。在崗日嘎布山南坡的曲當弄巴和打爾曲上游，冰川前緣分布有大小不等的終磧湖如圖3所示。根據(jù)2013年6月的現(xiàn)場調(diào)查，打爾曲曾發(fā)生過冰湖潰決，并出現(xiàn)了泥石流，并堵斷嘎弄曲，但具體發(fā)生時間難以考證。

圖3 崗日嘎布南坡的冰磧湖

3.2.4 積雪(冰川)融水—降雨型泥石流 冰川泥石流的固體物質(zhì)以冰磧和冰雪崩堆積物為主的，并在冰雪融水的激發(fā)下形成的泥石流。但實際上冰雪融水一般量比較少，不足以起動大量的固體物質(zhì)，尤其是大塊石、大規(guī)模的冰川泥石流往往由暴雨徑流參與。例如位于公路南段的桑谷溝就是一條典型的冰川泥石流溝，該溝上游冰川發(fā)育，面積達4.5 km2，泥石流活動頻率1～2 a 1次，泥石流的活動均與暴雨吻合，在溝口以下形成了寬達1.1 km的大型冰川泥石流堆積扇，堆積扇剖面呈典型的多層反序堆積序列(如圖4所示)，具有典型的溝谷型稀性泥石流活動特征，泥石流容重1.6～1.8 g/cm3。

注：①，②稀性泥石流堆積；③洪積物。

3.3 山地寒溫帶到河谷準熱帶-降雨型泥石流

從山地寒溫帶到河谷準熱帶跨越5個垂直帶，除了最高處的山地寒溫帶冬季有降雪外，各帶共同的特點，都是由暴雨引起的徑流沖刷山坡和溝道，固體物質(zhì)多來自與溝道內(nèi)的崩塌和滑坡堆積體，從泥石流的成因類型來看，為典型的降雨型泥石流。在公路北段的山地寒溫帶和山地暖溫帶，由于降雨量不及南段相應垂直帶的一半，溝道泥石流形成頻率低、規(guī)模小，并多為稀性—過渡性泥石流。而在公路南段，尤其從波弄貢到嘎弄曲匯入金珠藏布處，暴雨強度大、頻率高，且受馬尼翁大斷裂的影響，巖性比較破碎，泥石流頻率高、規(guī)模大，以芒給溝泥石流最為典型。但在嘎弄曲匯入金珠藏布處直至墨脫縣城段，公路沿準熱帶展線，季雨林帶植被茂密，灌木與草本叢生，枯枝落葉層厚，泥石流不發(fā)育。尤其在馬迪以南，泥石流的密度僅為0.45處/km，以黏性泥石流為主，如近年來蚌哥溝、馬迪南溝均發(fā)生了黏性泥石流。

4 泥石流流體性質(zhì)的地帶性分異特征

由于氣候條件(溫度與降雨)的垂直地帶性分異，巖體的風化過程及風化殼均呈現(xiàn)出一定的垂直地帶性分異的特征，特別是殘積層與土壤層，以及覆蓋其表面的植被，垂直地帶性分異更為顯著[9]。由于參與泥石流活動的松散物源在巖性、風化作用、固結(jié)程度、粒徑組成等方面的差異，致使不同的垂直高度帶泥石流的流體性質(zhì)有所不同，這種垂直地帶性分異特征在嘎隆拉山南坡更加顯著(圖2)。

4.1 高山冰雪帶的泥石流流體性質(zhì)

在高山冰雪帶，地表為冰雪—冰川覆蓋，基本無土壤帶發(fā)育，黏粒物質(zhì)極其匱乏，松散固體物質(zhì)主要以寒凍風化崩積、冰川侵蝕冰磧?yōu)橹?，且多呈與冰體混雜堆積的形態(tài)，集中分布于冰舌的前緣和兩側(cè)。參與泥石流活動的松散固體顆粒粒徑分布廣，多呈棱角狀，含有少量近源風化碎屑，從泥石流的流體性質(zhì)來看，應屬于水石流范疇。

4.2 高山寒凍帶和亞高山寒帶的泥石流流體性質(zhì)

該帶與冰凍帶相接段，多為大量覆蓋在表層呈碎屑狀的寒凍風化物；在該帶內(nèi)，隨著海拔高度的降低，反復凍融作用易形成表面疏松，且以巖屑為主，間有粉砂、細砂的凍融性殘積物或坡積物。再者，在4 800～4 500 m地帶，第四紀的冰磧富集。在4 500～3 900 m地帶往往有以礫石、砂、粉砂為主并夾有少量黏土的巨厚冰水堆積層，整個地段內(nèi)均有較多的間冰期或全新世以來暖期形成的古滑坡、古泥石流和階地的堆積物[10]。

從土壤類型來看，該段以高山寒漠土和高山草甸土為主，松散物源含有大量的巖屑,細粒物質(zhì)比較少。草甸土細粒物質(zhì)相對增加，砂和細礫含量都相對較高，因此該段內(nèi)泥石流多以稀性泥石流、泥流為主。

4.3 山地寒溫帶至河谷準熱帶的泥石流流體性質(zhì)

山地寒溫帶以下，溝道內(nèi)堆積物呈二元堆積與泥石流堆積相間分布的形態(tài)，溝道內(nèi)常出現(xiàn)2～3級階地。此外，該段范圍內(nèi)泥石流堆積物、洪積物和坡積物等成因類型的第四系松散堆積物源非常充沛。從土壤類型來看，從上至下依次出現(xiàn)灰化土、棕壤、黃棕壤、黃壤以及磚紅壤性黃壤，土壤層化學風化程度不斷加深，黏粒含量越來越高，泥石流漿體黏度增大，泥石流流體性質(zhì)逐漸從亞黏性向黏性泥石流過渡。

5 結(jié) 論

由于氣候、土壤與植被在不同垂直帶中的分異特征，泥石流的激發(fā)條件與松散物源也同樣呈現(xiàn)出垂直分異的特征。隨著公路沿線垂直帶由Ⅰ帶降低到Ⅷ帶，溝谷泥石流的分布、成因類型和流體性質(zhì)，隨之發(fā)生有規(guī)則的變化。泥石流的分布展現(xiàn)由低到高，再到低的特征；成因類型由冰面湖潰決型泥石流、冰川型泥石流、冰雪融水—暴雨型泥石流，逐漸過渡到暴雨泥石流。泥石流質(zhì)地與流體性質(zhì)從以低容重的水石流、稀性泥石流、泥流，中低容重的稀性泥石流與高容重的亞黏性泥石流兼有，到以高容重亞黏性或黏性泥石流為主。泥石流發(fā)生頻率從低頻率為主，到高、中頻率為主，再到低頻率為主。成災方式以沖刷為主(但比降由大變小的變坡點下方除外)，到?jīng)_刷和堆積兼有，再到以堆積為主。實際上，同樣以沖刷或堆積為主各帶仍存在一定差異。即使在同一個垂直帶普內(nèi)，崗日嘎布山南坡(墨脫境內(nèi))與北坡(波密境內(nèi))也有明顯的差異。盡管存在這種變化，但一般均有規(guī)律可循。