李婧玥 ,孫永彬 , ,王詵 ,吳蔚,李啟亮,李存金
(1.核工業(yè)航測(cè)遙感中心,河北 石家莊 050002;2.高分辨率對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)河北數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)支持中心,河北 石家莊 050002;3.河北省航空探測(cè)與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050002)
北京市延慶地區(qū)歷史上曾發(fā)生過不少于20處泥石流地質(zhì)災(zāi)害,在四海鎮(zhèn)、珍珠泉鄉(xiāng)等地區(qū)尤為頻繁。1971—2010年,群發(fā)性泥石流災(zāi)害呈上升趨勢(shì),且愈來愈受到極端降雨的影響(Ma et al.,2016)。1972年7月26日暴雨誘發(fā)四海鎮(zhèn)、珍珠泉鄉(xiāng)等地區(qū)發(fā)生泥石流災(zāi)害,造成13人死亡,30余間房屋被沖毀。就單溝而言,重現(xiàn)周期很長(zhǎng),最短2年,最長(zhǎng)可達(dá)69年,多數(shù)在20甚至30年以上,尚未出現(xiàn)過1年中同一條支溝暴發(fā)兩次以上泥石流的現(xiàn)象(韋京蓮等,1994a)。
隨著地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與防治工作的不斷推進(jìn),大量學(xué)者開始開展小流域泥石流形成條件和發(fā)展趨勢(shì)研究。李淑松等(2018)開展了白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究;任玉鵬等(2018)開展了白龍江流域泥石流活動(dòng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究;菜食河流域所在地區(qū)的泥石流災(zāi)害研究多集中于雨量激發(fā)條件、危險(xiǎn)性區(qū)劃等方面(韋京蓮等,1994b;涂劍等,2017;白利平等,2008)。近年來,我國(guó)泥石流活動(dòng)性研究取得了諸多的研究成果,前人研究成果多針對(duì)流域等進(jìn)行了大范圍研究,在神經(jīng)網(wǎng)路、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在泥石流監(jiān)測(cè)、預(yù)警系統(tǒng)、防災(zāi)避險(xiǎn)等方面應(yīng)用,為泥石流防治工作開創(chuàng)了新的思路和方法(康志成等,1982;唐邦興和吳積善,1990;李德基,1996;黎厚富,2018;王猛等,2018),我國(guó)學(xué)者劉希林先后提出了判定泥石流危險(xiǎn)度的指標(biāo)選取、權(quán)重確定(劉希林,1988)、以及區(qū)劃方法(劉希林,1989),并指出了山區(qū)溝谷泥石流主要危險(xiǎn)因子(劉希林等,1993)。但是針對(duì)單溝泥石流的運(yùn)動(dòng)特征和發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)未開展系統(tǒng)研究,因此本文針對(duì)單條泥石流進(jìn)行研究。
本文選取了四海鎮(zhèn)石窯村南地溝泥石流為研究對(duì)象,南地溝泥石流為延慶區(qū)典型溝谷型泥石流,泥石流物源豐富、溝道彎曲,對(duì)下游居民造成威脅。本次研究結(jié)合遙感圖像資料和降雨數(shù)據(jù)(張熠昕等,2018),分析泥石流降雨條件、地形地貌與溝道條件、物源條件,開展泥石流流域分區(qū)特征研究,基于GIS技術(shù),選取主支溝關(guān)系、溝口地段、主河河型、主河主流、新老扇形地關(guān)系、沖淤變幅、松散堆積物儲(chǔ)量、松散堆積物存在狀態(tài)、泥沙補(bǔ)給、溝道形態(tài)、坡面形態(tài)、植被覆蓋率、觸發(fā)雨量等14個(gè)因子,開展泥石流發(fā)展趨勢(shì)及最大危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)研究,以期為延慶地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)、制定合理的泥石流防治措施提供科學(xué)依據(jù)。
延慶地區(qū)位于北京西北側(cè),地理位置位于東經(jīng)115°44′~116°34′,北緯40°16′~40°47′。四海鎮(zhèn)石窯村南地溝位于延慶區(qū)東北角(圖1),區(qū)內(nèi)地貌屬于華北平原向張北高原的過渡地帶,海拔800~1100 m,多呈單斜狀傾向河心,地形坡度20°~50°。本區(qū)褶皺主要分布在燕山期陸緣活動(dòng)帶褶皺第二亞構(gòu)造層、后呂梁—印支期地臺(tái)蓋層褶皺第二亞構(gòu)造層薊縣系巖層中以及第一亞構(gòu)造層長(zhǎng)城系地層中有少量分布,主要位于延慶的東北部、西北部以及南部。區(qū)內(nèi)多為壓性斷裂以及推測(cè)性一般斷裂,主要集中在西部、中部和南部。大斷裂有位于西部的近東西向的大王莊-郭家堡推測(cè)斷裂,貫穿北京市的北東走向的沿河城-南口-琉璃廟壓性大斷裂經(jīng)過本區(qū)東南部分地區(qū);一般斷裂有營(yíng)門東西向斷裂、黑峪口-劉斌堡北斷裂、清泉鋪斷裂、四海東西向斷裂、白河堡-黑峪口北北東向斷裂、紅石灣-營(yíng)盤北北東向斷裂、沙梁子-上花樓北北東向斷裂等。
圖1 石窯村南地溝分布位置概況(底圖為2019年landsat8影像)
在漫長(zhǎng)的地質(zhì)時(shí)期中,山地不斷褶皺、斷裂和抬升,接受外力剝蝕,受地質(zhì)構(gòu)造背景和地形地貌影響,長(zhǎng)期受到地質(zhì)災(zāi)害的威脅。南地溝地區(qū)地層巖性為中生代侏羅系礫巖、砂泥巖、火山碎屑巖,表層風(fēng)化強(qiáng)烈。石窯村南地溝于1972年發(fā)生泥石流災(zāi)害,造成下游居民13人死亡,沖毀房屋30余間,耕地1100多畝,大牲畜300余頭。開展本次研究對(duì)延慶地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。
形成區(qū)位于石窯村南地溝北東側(cè),三面環(huán)形補(bǔ)給,流域內(nèi)地形切割強(qiáng)烈,溝底寬度一般為10~25 m,呈“V”型谷。形成區(qū)兩側(cè)支溝均較彎曲,兩側(cè)坡面陡而狹窄,溝槽底寬5~15 m。溝谷兩側(cè)發(fā)育有多處小型崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害堆積物,其平均縱坡降大,山坡坡度25°~55°;植被覆蓋率75%。溝谷內(nèi)第四系極為發(fā)育,碎石呈帶狀展布(圖2)。
圖2 石窯村南地溝流域分區(qū)特征
流通區(qū)位于石窯村南地溝主溝中上游,樹枝狀,溝道平均坡降較緩,呈“V”字型,溝底寬25~100 m。地勢(shì)高差一般,溝槽兩側(cè)坡面坡度35°~62°,匯水面積大。松散堆積物豐富,碎石、塊石等大量堆積,流動(dòng)過程侵蝕松散堆積物,從而形成泥石流。
堆積區(qū)位于石窯村南地溝主溝下游溝口一帶,呈“U”型溝谷,泥石流出山后溝道變寬,水動(dòng)力極大的降低。溝口扇形地破壞嚴(yán)重,扇長(zhǎng)90 m,扇寬110 m。溝口巨石最大1.1 m,最小僅為0.05 m,該區(qū)主要為人類工程活動(dòng)集中分布區(qū)。
石窯村南地泥石流位于北京市延慶區(qū)四海鎮(zhèn),屬于溫帶季風(fēng)氣候,冬季干燥少雨、夏季雨量集中,空間分布不均勻。據(jù)1981—2017年延慶區(qū)降雨量資料,研究區(qū)歷年最大降雨量為637.2 mm(2016年),最小降雨量為284.1 mm(1993年),相差353.1 mm。四海鎮(zhèn)石窯村一帶是延慶區(qū)最大的降水匯集中心,年平均降水量可達(dá)642.1 mm。該區(qū)降水在時(shí)間上存在不均衡特征,6—9月的降水量約占全年降水量的80%以上,在此期間降雨連續(xù)且集中,尤其在6—7月,一次連續(xù)最大降雨量可達(dá)258.7 mm。降水具有降水集中、雨強(qiáng)大和頻率高的特點(diǎn),這些特點(diǎn)往往成為洪水和泥石流等災(zāi)害的誘發(fā)因素(李彩俠和馬煜,2019)。
石窯村南地溝泥石流屬于典型的暴雨-溝谷型-支溝群發(fā)型泥石流,溝域面積4.29 km2,三面環(huán)山,整體近似“扇形”,地勢(shì)起伏大,呈東高西低走勢(shì)。主溝起點(diǎn)位于北西側(cè)坡頂,相對(duì)高差655 m,主溝長(zhǎng)度2.75 km,彎曲系數(shù)1.11,寬7~20 m,平均縱坡降145.8‰。流域內(nèi)山坡平均坡度27°,流域內(nèi)發(fā)育第四系沖洪積層(Q4apl)和侏羅系迷霧山組(Jxw)白云巖,形成大面積厚層狀松散堆積物源。地下水類型主要為溝內(nèi)卵石土層松散巖類孔隙水,導(dǎo)水性好,補(bǔ)給來源為降雨、季節(jié)性流水。泥石流口耕地、人工建房等工程活動(dòng)強(qiáng)烈。
石窯村南地溝為菜食河右岸溝谷,發(fā)育1條主溝和18條支溝,溝谷總長(zhǎng)33.6 km,溝谷切割密度為7.83 km/km2,主溝右岸發(fā)育10條支溝,左岸發(fā)育8條支溝。主溝溝源位于流域北側(cè)分水嶺,自北東向南西延伸2.75 km,整體流向221°。上游溝槽底部寬5~20 m,兩側(cè)坡面坡度陡而彎曲,溝道下游逐漸變寬趨勢(shì),溝槽底寬30~100 m;15條支溝間夾角較大,呈“樹枝狀”。其中,位于左岸的8條支溝,整體流向225°,延伸長(zhǎng)度0.51~2.10 km,寬度5~23 m;位于右岸的10條支溝,整體流向155°,延伸長(zhǎng)度0.47~1.10 km,寬度 10~30 m(圖3,表1)。
表1 石窯村南地溝主支溝信息統(tǒng)計(jì)表
圖3 石窯村南地溝地貌渲染與溝道條件疊加圖
溝道縱坡降比是泥石流物質(zhì)由勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的重要條件(劉德玉等,2019),也是影響泥石流形成和運(yùn)動(dòng)的重要因素(倫國(guó)星和周斌,2011)。溝道縱坡降比既表現(xiàn)溝谷坡面侵蝕與溝道侵蝕的相互關(guān)系,又反映出泥石流的發(fā)育狀況。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì):南地溝主溝縱坡降比為144.74%,位于主溝左岸的支溝平均縱坡降為348.6‰,右岸的支溝平均縱坡降為359.5‰。該流域表現(xiàn)為主溝較緩、支溝陡峭的形態(tài)特征,利于雨水、物源匯集形成泥石流。
本次研究采用ArcGIS平臺(tái),對(duì)該流域內(nèi)松散堆積物進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。石窯村南地溝內(nèi)固體物質(zhì)來源豐富,主要物源類型為沖洪積物源、殘坡積物源、人工堆積物源和崩滑塌物源4種(廖晨曦等,2019)(圖4),據(jù)調(diào)查分別計(jì)算儲(chǔ)量,然后按其所處地貌位置、穩(wěn)定情況和松散程度分別采用不同的比例估算其可移動(dòng)方量,基于調(diào)查及GIS統(tǒng)計(jì)計(jì)算,南地溝內(nèi)物源總儲(chǔ)量為156.21×104m3,可啟動(dòng)的儲(chǔ)量為18.36×104m3。
圖4 石窯村南地溝物源來源圖(背景底圖為等高線)
3.3.1 沖洪積物源
沖洪積物源總儲(chǔ)量為76.71×104m3,可啟動(dòng)參與泥石流活動(dòng)的儲(chǔ)量為0.51×104m3,根據(jù)物源來源分析,進(jìn)一步分為溝道堆積物、歷史泥石流堆積物等物質(zhì)來源(圖5a~b)。溝道堆積物為碎石土、巨石堆積,磨圓度較差,分選性一般,物質(zhì)來源豐富,主要為兩側(cè)坡面沖洪積、崩滑塌堆積的產(chǎn)物;該流域?qū)釉?972年爆發(fā)泥石流,形成歷史泥石流堆積物,塊石和巨石堆積,塊石表面光滑,土體含量不足5%,塊石和巨石直徑0.2~0.8 m之間,該類物源經(jīng)過后期雨水沖刷,將土體剝離,剩余碎石和塊石,堆積物分選性較強(qiáng)。
圖5 石窯村南地溝物源分布野外照片
3.3.2 殘坡積物源
殘坡積物源總儲(chǔ)量為61.09×104m3,可啟動(dòng)參與泥石流活動(dòng)的儲(chǔ)量為12.73×104m3,該類物源多為殘坡積碎石土和粉土(圖5c),集中分布在溝道兩側(cè)坡面,以母巖風(fēng)化產(chǎn)物和第四系砂土層為主,密實(shí)程度中等至稍密,分層性好。
3.3.3 人工堆積物源
人工堆積物源總儲(chǔ)量為16.95×104m3,可啟動(dòng)參與泥石流活動(dòng)的儲(chǔ)量為3.81×104m3,物源進(jìn)一步分為壩階地堆積物、溝道干砌石擋壩、道路施工堆積物、裸露耕地堆積物等物質(zhì)來源。壩階地堆積物分布在溝口附近,粉土和碎石土堆積,為人工改造的平坦堆積物,表層為人工堆積粉土和砂土,土體松散,厚0.1~0.5 m(圖5d);溝道干砌石擋壩以塊石和巨石形式堆砌,人工改造堆積,巖石棱角狀,空隙較大,滲水性好,分布在寬緩溝道和壩階地外緣(圖5e);道路施工堆積物以人工挖開堆砌碎石土為主,主要分布在寬緩順直的溝道中,經(jīng)過人工開挖形成松散堆積體,碎石直徑在3~15 cm;裸露耕地堆積物主要為粉土和碎石土堆積,表層腐殖土,多為未種植的耕地,與壩階地堆積物成分相似,表層以粉土為主,厚0.1~0.5 m。
3.3.4 崩滑塌物源
崩滑塌物源總儲(chǔ)量1.46×104m3,可參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為1.31×104m3,崩塌堆積物塊石和巨石堆積,磨圓差,位于陡峭的崖壁底部,形成塊狀巨石參與泥石流活動(dòng)。滑坡堆積物碎石土和塊石土堆積,碎石含量一般占35%左右,磨圓度尚可,土體為坡頂殘坡積堆積物(圖5f)。不穩(wěn)定斜坡體為裸露巖壁,巖層產(chǎn)狀與斜坡面產(chǎn)狀同向,在降雨條件下,易形成滑坡崩塌等形成物源參與泥石流活動(dòng)。
3.3.5 物源轉(zhuǎn)換分析
石窯村南地溝松散堆積物按分布位置主要分為溝道和坡面,大量殘坡積碎石土和溝道沖洪積分布在斜坡和溝道中,后期降雨作用形成的地表徑流和細(xì)小支溝對(duì)溝道和坡面形成侵蝕作用,主要表現(xiàn)為下蝕作用和側(cè)蝕作用。下蝕作用對(duì)斜坡和溝道為縱向下切的過程,溝道兩側(cè)斜坡失穩(wěn),橫向擴(kuò)展,從而大量殘坡積物源隨流體向溝口運(yùn)移;側(cè)蝕作用是沖洪積流體對(duì)溝道的兩側(cè)斜坡坡腳產(chǎn)生掏蝕作用,導(dǎo)致斜坡具有一定的臨空條件,應(yīng)力集中于坡腳,形成潛在滑動(dòng)面。而最終的結(jié)果是將斜坡面的殘坡積運(yùn)移至溝道中形成沖洪積,進(jìn)而參與泥石流活動(dòng)。
本次研究根據(jù)精細(xì)調(diào)查結(jié)果,依據(jù)《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》(DT/T 0220-2006)①關(guān)于泥石流發(fā)育階段識(shí)別因子進(jìn)行綜合評(píng)定,石窯村南地溝泥石流發(fā)育階段識(shí)別因子包括了主支溝關(guān)系、溝口地段、主河河型、主河主流、新老扇形地關(guān)系、沖淤變幅、松散堆積物儲(chǔ)量、松散堆積物存在狀態(tài)、泥沙補(bǔ)給、溝道形態(tài)、坡面形態(tài)、植被覆蓋率、觸發(fā)雨量等14個(gè)。研究結(jié)合石窯村南地溝發(fā)育特征進(jìn)行綜合判斷(表2),石窯村南地泥石流處于發(fā)育期,可能會(huì)爆發(fā)較大的泥石流,且對(duì)堆積區(qū)兩岸的居民造成災(zāi)害性影響。
表2 石窯村南地溝泥石流發(fā)育階段綜合識(shí)別表
經(jīng)發(fā)育階段綜合識(shí)別,石窯村南地溝主溝堆積物侵蝕速度小于支溝形成區(qū)侵蝕速度,逐漸為泥石流的發(fā)生提供更多的物源,溝道中沖洪積堆積物呈淤高特征,物源厚度可達(dá)1~2 m,松散堆積物在降雨條件下逐漸變厚,存在引發(fā)大規(guī)模泥石流的隱患,溝道堵塞程度嚴(yán)重,多見巨石堆積,直徑30~60 cm,磨圓度較好,溝道兩側(cè)多發(fā)生崩塌滑坡等地質(zhì)災(zāi)害,不良地質(zhì)現(xiàn)象處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),溝道不穩(wěn),溝道內(nèi)物源不斷增多,參與泥石流活動(dòng)儲(chǔ)量不斷增大,多處支溝已經(jīng)發(fā)生明顯的厚度變化,從而加速泥石流的發(fā)生。
研究石窯村南地溝地質(zhì)環(huán)境條件和發(fā)育特征表明,石窯村南地溝屬暴雨-溝谷型-支溝群發(fā)型泥石流,中易發(fā),泥石流規(guī)模與溝域內(nèi)松散堆積物的累計(jì)、動(dòng)態(tài)變化情況及與引發(fā)泥石流的暴雨情況相關(guān)。綜合預(yù)測(cè)分析,在前期降雨充沛條件下,若再遇集中強(qiáng)暴雨,該泥石流主溝、支溝溝槽內(nèi)的松散堆積物極可能被起動(dòng),發(fā)生泥石流活動(dòng)的可能性增大。
石窯村南地溝內(nèi)松散堆積物較豐富,支溝發(fā)育,具備強(qiáng)降雨條件下發(fā)生泥石流的條件。單溝泥石流危險(xiǎn)區(qū)包括泥石流溝域范圍和威脅對(duì)象范圍,其中,堆積區(qū)是危害成災(zāi)的主要部位,利用單溝泥石流堆積區(qū)公式進(jìn)行最大危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)①,公式為:
式中:L為泥石流堆積物最長(zhǎng)堆積長(zhǎng)度,m,L=0.8061+0.0015A+0.000033W;B為泥石流堆積物最大堆積寬度,m,B=0.5452+0.0034D+0.000031W;R為泥石流堆積幅角,°,R=47.8296 -1.3085D+8.8876H;其中,A為流域面積,km2;W為松散堆積物動(dòng)儲(chǔ)量,104m3;D為主溝長(zhǎng)度,km;H為流域最大高差,km。
綜合研究分析,石窯村南地溝主溝長(zhǎng)2.75 km,流域面積4.29 km2,松散堆積物動(dòng)儲(chǔ)量18.36×104m3,最大高差0.659 km。代入公式得到石窯村南地溝最大堆積長(zhǎng)度為0.8131 km,最寬堆積寬度為0.5551 km,堆積幅角為50.0882°,最大危險(xiǎn)區(qū)面積為0.413 km2(圖6),會(huì)對(duì)下游石窯村以及村村通公路和行人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅。
圖6 石窯村南地溝最大危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測(cè)圖
該泥石流主要特點(diǎn)松散堆積物分散、面積較大,堆積扇范圍內(nèi)溝道平坦寬緩,建議該泥石流采用上游局部支溝物源平整與疏理排導(dǎo)渠相結(jié)合的綜合治理措施。主要防治措施包括:對(duì)整個(gè)流域發(fā)育的沖洪積和人工堆積進(jìn)行平整,減少物源堆積;同時(shí)清理流通區(qū)至堆積區(qū)范圍內(nèi)新修建的排導(dǎo)渠內(nèi)沖洪積和人工堆積,在堆積區(qū)開展疏導(dǎo)工程,達(dá)到及時(shí)清淤及縮減泥石流危害范圍的目的;同時(shí)建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并配合群測(cè)群防開展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
(1)通過開展泥石流發(fā)育特征和孕災(zāi)條件綜合分析、細(xì)化研究各類物源類型和儲(chǔ)量,結(jié)果顯示松散堆積物豐富;流域內(nèi)物源總量為156.21×104m3,可參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量為18.36×104m3。分別包括沖洪積物源、殘坡積物源、人工堆積物源和崩滑塌物源4種補(bǔ)給來源,其中殘坡積所占比重最大,達(dá)到了12.73×104m3。研究結(jié)果對(duì)于開展北京地區(qū)以單溝為單元的泥石流調(diào)查與研究具有重要的指導(dǎo)意義。
(2)石窯村南地溝開展發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)研究結(jié)果表明,該泥石流屬于暴雨-溝谷型-支溝群發(fā)型泥石流,中易發(fā)泥石流,該泥石流處于發(fā)育期,可能會(huì)爆發(fā)較大的泥石流,不良地質(zhì)現(xiàn)象處于擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),溝道不穩(wěn),溝道內(nèi)物源不斷增多,多處支溝已經(jīng)發(fā)生明顯的厚度變化,從而加速泥石流的發(fā)生。
(3)石窯村南地溝最大堆積長(zhǎng)度為0.8131 km,最寬堆積寬度為0.5551 km,堆積幅角為50.0882°,最大危險(xiǎn)區(qū)面積為0.413 km2,會(huì)對(duì)下游石窯村以及村村通公路和行人的生命財(cái)產(chǎn)安全造成威脅
(4)建議該泥石流采用局部物源平整與疏理排導(dǎo)渠相結(jié)合的綜合治理措施,以達(dá)到減少物源堆積和疏通溝道的目的。建議建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并配合群測(cè)群防開展長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
注 釋
①中華人民共和國(guó)國(guó)土資源部.2006.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范:DZ/T 0220-2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社.