北京王虎溝泥石流堆積物粒度參數(shù)分析

李柏，高甲榮，胡封兵，崔強(qiáng)，楊麒麟，王越

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京)

北京王虎溝泥石流堆積物粒度參數(shù)分析

李柏，高甲榮?，胡封兵，崔強(qiáng)，楊麒麟，王越

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京)

通過野外實(shí)地調(diào)查與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)王虎溝泥石流堆積物的粒度組成進(jìn)行研究分析，采用平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度等粒度參數(shù)分析了北京王虎溝堆積物特征。研究表明：顆粒平均粒徑在上、中和下游表現(xiàn)為大—小—大，整個(gè)流域顆粒的分選均較差，上游和中游堆積區(qū)顆粒粒徑偏度比下游更趨于對(duì)稱;上中下游峰度值表現(xiàn)為大—小—大。通過對(duì)當(dāng)?shù)啬嗍鞫逊e物顆粒參數(shù)的分析，得出：此流域如遇暴雨極易發(fā)生泥石流災(zāi)害，會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)厝嗣袢罕姷纳a(chǎn)生活帶來重要影響。

泥石流;堆積物;粒度參數(shù);北京山區(qū)

泥石流是山區(qū)常見的山地災(zāi)害，具有極強(qiáng)的破壞性，嚴(yán)重威脅山區(qū)人民的生產(chǎn)和生活。泥石流堆積物是泥石流快速侵蝕、搬運(yùn)的產(chǎn)物，包含大量泥石流形成、運(yùn)動(dòng)和堆積過程的信息［1］，是泥石流發(fā)育歷史及其特性的物質(zhì)記錄。泥石流堆積物的粒度組成是泥石流的重要結(jié)構(gòu)特征之一，它反映了泥石流堆積物的分散度，是決定泥石流堆積物工程地質(zhì)性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo);同時(shí)，也反映了泥石流的形成機(jī)制與動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。因此，對(duì)泥石流堆積物粒度構(gòu)成的研究一直是泥石流研究的重要內(nèi)容之一［2］。目前，常用的粒度參數(shù)有：粒度平均值、粒度標(biāo)準(zhǔn)差、粒度偏度、粒度峰態(tài)和粒度眾數(shù)值等。從組成上看，泥石流顆粒主要由礫石、砂礫、粉粒和黏粒組成。組成泥石流顆粒的級(jí)配變幅很大，從直徑大于20m的巨礫到肉眼不可見的幾微米的膠體微粒均有分布，粒徑級(jí)配范圍跨越多個(gè)數(shù)量級(jí)。大小顆粒粒徑之比可達(dá)106～107［3］。顆粒沒有特征尺度;從形態(tài)上看，小顆粒可視為大顆粒的縮影，顆粒具有自相似性。

筆者通過對(duì)對(duì)王虎溝泥石流堆積物的粒度組成研究，分析北京王虎溝堆積物特征，研究泥石流堆積物的粒度特性，對(duì)研究泥石流的活動(dòng)歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)具有重要意義，以期為今后進(jìn)一步探討北京山區(qū)泥石流形成機(jī)制和運(yùn)動(dòng)過程以及為北京山區(qū)泥石流防治制訂有效措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

王虎溝位于西白蓮峪中上游，該流域泥石流位于王虎溝村下方。流域面積0.52 km2，溝谷平均坡度為30.08°。泥石流堆積物位于 E 116°50'45.4″，N 40°40'39.7″。流域內(nèi)存在大量溝壩地，以核桃(Juglandis)等經(jīng)濟(jì)作物為主。

流域所處區(qū)域地層形成悠久，主要為太古界時(shí)期形成。巖石以片麻巖、片巖為主，分布含較多的石英巖、大理巖的淺變質(zhì)巖石。地層的成層性較好，延伸穩(wěn)定，混合巖化作用較好，屬于淺、中深區(qū)域變質(zhì)。其大型構(gòu)造為短軸背斜。巖性以黑云母石英片巖、黑云母角閃斜長(zhǎng)片麻巖、花崗片麻巖類石英巖為主。

該流域地質(zhì)構(gòu)造主要位于新華夏構(gòu)造斷裂帶第二沉降褶皺帶的石城斷裂帶。走向北20°東，傾向東，傾角6°。新華夏構(gòu)造斷裂表現(xiàn)清冽，屬于現(xiàn)代活山性斷裂。

流域位于暖溫帶半干旱、半濕潤(rùn)東南季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫10.9℃。降水集中，雨熱同季，四季分明。根據(jù)北京市多年平均年降水量資料，流域位于降水等值線700～800mm之間。年際間降水不均衡。夏季降水最多，占今年降水量的76.4%。夏季降水集中在7、8月，占全年降水的29.4%。年平均氣溫為10.8℃。年平均地溫為13.0℃。極端地面最高溫度67.5℃。最低地溫均值為-7.0℃。凍融作用和風(fēng)化作用強(qiáng)烈，巖石破碎。

流域植被屬針闊混交森林植被帶，主要分布天然次生林。樹種多樣，主要由山楊(Populus davidianaDode)、山核桃(Carya cathayensisSarg)、椴樹(Tilia tuan)、鵝耳櫟(Carpinus turczaninowii)、欒樹(Koelreuteria paniculataLaxm)、山榆(Ulmus laevis)、椿樹(Ailanthus altissima)以及遼東櫟(Quercus liaotungensisKoidz)。天然次生林較多，植被覆蓋率較高。

根據(jù)實(shí)地查考，該流域殘存有大量溝壩地。由于當(dāng)時(shí)生產(chǎn)力水平較低，過度墾荒和放牧，破壞了流域內(nèi)植被，打破了山區(qū)本身脆弱的生態(tài)系統(tǒng)平衡。在外來干擾的作用下，生態(tài)系統(tǒng)迅速惡化，水土流失嚴(yán)重，增大了泥石流的發(fā)生。流域內(nèi)采石現(xiàn)象普遍存在，所以極易發(fā)生泥石流。

2 研究方法

泥石流體中固體顆粒的組成受源地土體級(jí)配的控制，經(jīng)流體搬運(yùn)后，它又與流體性質(zhì)和沉積環(huán)境有關(guān)。泥石流體夾帶固體物質(zhì)的組成特性反映泥沙的運(yùn)動(dòng)方式和動(dòng)力條件，因而近幾十年來常用以作為研究沉積物的一種方法［4］。選取泥石流堆積區(qū)的典型部位，分為上游、中游和下游各20組，通過挖圓形探坑，取出全部顆粒。將顆粒直徑大于10mm的大顆粒塞出，稱量。將剩余顆粒1 kg左右?guī)Щ貙?shí)驗(yàn)室分析。礫石的調(diào)查，在溝道內(nèi)隨機(jī)選取一定數(shù)量的礫石進(jìn)行不同長(zhǎng)度和傾向調(diào)查并記錄數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，進(jìn)行顆粒的粒度構(gòu)成分析，主要采用的方法有福克和沃德的平均粒徑、分選系數(shù)、偏度、峰度等。

1)平均粒徑。平均粒徑比中值能更準(zhǔn)確地反映碎屑顆粒的集中趨勢(shì)。采取福克和沃德的平均粒徑表達(dá)式

式中：M為平均粒徑;φ16、φ50、φ84分別是質(zhì)量比例為16%、50%、84%所對(duì)應(yīng)的粒徑。

1934牛克魯賓(Krumbcin)將伍登—溫特華斯的粒級(jí)劃分轉(zhuǎn)化為φ值，即將2的幾何級(jí)數(shù)制標(biāo)度轉(zhuǎn)化為中值標(biāo)度，其轉(zhuǎn)換公式

式中：D為顆粒的直徑，其中D=2n，log2D=n，所以φ =-n［5］。

2)分選系數(shù)。表示分選程度的參數(shù)。它表示顆粒大小的均勻程度。分選系數(shù)反映粒度的分選狀況，它和平均粒徑一樣，矩值的測(cè)定值愈多，計(jì)算出來的分選系數(shù)愈精確，則愈能正確地反映固體顆粒的分選狀況。分選系數(shù)愈小，分選度愈好，分選系數(shù)愈大，則相反［6］。采用由福克和沃德提出的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式［7］

式中：δ為分選系數(shù);φ5和φ95分別是質(zhì)量比例為5%和95%所對(duì)應(yīng)的粒徑。規(guī)定分選級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)為：分選極好(＜0.35)，分選好(0.35～0.50)，分選較好(0.50～0.71)，分選中等(0.71～1.00)，分選較差(1.00～2.00)，分選差(2.00～4.00)，分選極差(＞4.00)。

夾雜洪水(δ=0.994)和稀性泥石流(δ=1.41)分選度較差，而黏性泥石流體的分選度(δ為4.28～4.5)屬于分選極差或毫無分選。黏性泥石流與其堆積物樣品(δ=4.05)及形成區(qū)樣品(δ=4.4)的值相似。這與黏性泥石流體中固體物質(zhì)搬運(yùn)距離短、堆積速度快、呈整體流動(dòng)有關(guān)。所以分選系數(shù)常被作為反映泥石流搬運(yùn)過程和堆積狀態(tài)的指標(biāo)［8］。

3)偏度。偏度用來判別粒度分布的不對(duì)稱程度。采用福克和沃德的偏度公式

式中K為峰度值。

峰值的等級(jí)界限為：很平坦(＜0.67)，平坦(0.67～0.9)，中等(正態(tài))(0.90～1.11)，尖銳(1.11～1.56)，很尖銳(1.56～3.00)，非常尖銳(＞3.00)。

3 結(jié)果與分析

式中：S為偏度;φ50是質(zhì)量比例為50%時(shí)的粒徑。

等級(jí)界限分為五級(jí)：很負(fù)偏態(tài)(-1～-0.3)，負(fù)偏態(tài)(-0.3～-0.1)，近于對(duì)稱(-0.1～0.1)，正偏態(tài)(0.1～0.3)，很正偏態(tài)(0.3～1)。

4)峰度(尖度)。峰度是用來衡量粒度頻率曲線尖銳程度的，也就是度量粒度分布的中部與兩尾端的展形之比。采用福克和沃德提出的峰度公式

3.1 堆積物礫石性狀

王虎溝泥石流堆積物位于王虎溝村泥石流遺址下方，其部分表面已經(jīng)經(jīng)過人類改造，建有牛棚和菜地，下部分泥石流堆積物保留完好。王虎溝堆積物呈舌狀堆積，堆積物中心軸總長(zhǎng)43m，最寬處8m。坡度比較均一，約11°。堆積物的主要成分為礫石和含有黏性成分的物質(zhì)。在堆積物中，主要由礫石構(gòu)成堆積物的骨架，而含有黏性成分的顆粒夾雜在礫石的中間。礫石的平均粒徑為0.515m，最大粒徑為1.2m，多數(shù)礫石的磨圓度在0.3左右。鑒于上述情況，王虎溝堆積物屬于黏性泥石流堆積。

3.2 堆積物粒度特征

堆積物尾部保留有完好的堆積物，因以此處為采樣點(diǎn)做粒度分析;另外，為了分析整個(gè)流域的顆粒分布變化，分別在流域上游、中游選取坡面堆積物進(jìn)行粒度分析。因此，王虎溝流域采樣點(diǎn)為3個(gè)，分別位于上游、中游和下游泥石流堆積區(qū)。王虎溝流域上游、中游和下游采樣點(diǎn)泥石流堆積區(qū)堆積物顆粒粒度分析如表1所示。

表1 王虎溝堆積物顆粒粒度分析Tab．1 Size analysis of grains of deposits in Wanghugou Gully

堆積物中顆粒平均粒徑在上游、中游和下游分別為0.419、0.907和0.571，其中中游最小，下游略大于中游，而上游最大。堆積物的平均粒徑從上游到中游變化趨勢(shì)表現(xiàn)為大—小，這一變化反映了從上游到中游水流作用逐漸增強(qiáng)的特點(diǎn)，而平均粒徑從上游到下游變化趨勢(shì)表現(xiàn)為大—小—大，反映了從上游到下游泥石流固體物質(zhì)搬運(yùn)的特點(diǎn)。

在自然環(huán)境中，很多因素影響著顆粒的平均粒徑，其中植被、降雨等自然地理狀況影響的程度最大。因?yàn)樯嫌翁幵诹饔虻脑搭^(即水流匯流區(qū))，中游處在流域的流通處(即水流流通區(qū))，水流對(duì)堆積物顆粒的作用要比上游大，而下游處在流域的尾端即堆積區(qū)，所以中游的平均粒徑最小，下游的平均粒徑要大于中游，而上游的最大。

表1可以看出：在整個(gè)流域中上游的分選系數(shù)為2.209(在2.00～4.00之間)，表現(xiàn)為分選差的特點(diǎn)，而中游和下游的分選系數(shù)分別為2.040和2.555，全部和上游一樣表現(xiàn)為分選差的特點(diǎn)。由此可見整個(gè)流域的分選系數(shù)全部集中在2.040～2.555之間，反映了河流地貌顆粒分選較差的特點(diǎn)。整個(gè)流域中上游為以侵蝕作用為主的地段，中游為以沉積作用為主的地段，而下游為以堆積作用為主的地段。整個(gè)流域中中游泥石流堆積區(qū)的分選最好，其次是上游，下游的分選最差，這表明在泥石流形成過程中，不斷有其他物源加入其中，這就造成了泥石流堆積物顆粒分選系數(shù)差的特點(diǎn)。

表1中上游顆粒粒徑的偏度為-0.100，中游顆粒粒徑的偏度為0.030，而下游顆粒粒徑的偏度為-0.187;由此可以得出：上游和中游堆積區(qū)比下游更趨向于對(duì)稱，而下游堆積物比上游和中游更趨向負(fù)偏。

上游堆積峰度為 0.857，中游堆積峰度為0.731，而下游堆積峰度為0.918。上游峰度值比中游峰度值大，而中游峰度值比下游峰度值小。通過數(shù)據(jù)可以得出，上中下游堆積區(qū)基本上趨向于正態(tài)。

圖1為上中下游堆積區(qū)的顆粒頻率曲線，流域各處堆積物頻率曲線為多峰度曲線。在流域上游、中游和下游，隨著顆粒粒徑的由小變大，土質(zhì)量比基本是由小變大再變小的趨勢(shì)。在上游中，當(dāng)顆粒粒徑為 0.25mm時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最大值，為29.08%，當(dāng)顆粒粒徑分別為0.005mm和10mm時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最小值，為0;在中游中，當(dāng)顆粒粒徑為0.5mm時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最大值，為22.54%，當(dāng)顆粒粒徑分別為0.005mm、5mm和10mm時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最小值，為0;在下游中，當(dāng)顆粒粒徑為0.1mm時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最大值，為22.64%，當(dāng)顆粒粒徑為0.005時(shí)，土質(zhì)量比達(dá)到最小值，為0。

圖1 王虎溝堆積物的顆粒分布Fig．1 Grain distribution of the deposit in Wanghugou Gully

圖2為上中下游的顆粒累積曲線。隨著顆粒粒徑由小變大，在上中下游中小于一定顆粒土質(zhì)量比從大變小，而大于顆粒土質(zhì)量比則從小變大;因此，粗組分和細(xì)組分約分別占50%。

3.3 堆積物地貌演變

王虎溝泥石流堆積物平面形狀大體呈舌狀。當(dāng)暴雨或其他自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，引發(fā)山體滑坡并攜帶大量的泥沙以及石塊傾斜而下，形成泥石流。泥石流到達(dá)山谷底部逐漸堆積，形成堆積區(qū)。當(dāng)西白蓮峪主溝形成洪水，與王虎溝泥石流相遇時(shí)，洪水改變王虎溝泥石流的堆積走向，使其向西白蓮峪主溝方向發(fā)生偏移。泥石流堆積物大量堆積在西白蓮峪主河道內(nèi)和泥石流的支溝內(nèi)，造成河道堵塞，改變堆積區(qū)內(nèi)堆積物的地貌特征。

圖2 王虎溝堆積物的顆粒累積曲線Fig．2 Accumulative curves of grain composition of deposit in Wanghugou Gully

4 結(jié)論

1)整個(gè)流域中，中游顆粒平均粒徑最小，下游略大于中游，而上游最大。從整個(gè)流域上游到中游主要是水流的沖擊作用，而從中游到下游主要是泥石流的堆積作用，泥石流堆積區(qū)主要集中在流域的下游，這樣也改變了整條流域主要的水流方向，對(duì)下游村民的生活生產(chǎn)帶來很大影響。

2)整個(gè)流域的分選系數(shù)全部集中在2.040～2.555之間，反映了河流地貌顆粒分選較差的特點(diǎn)。在整個(gè)流域中上游為以侵蝕作用為主的地段，中游為以沉積作用為主的地段，而下游為以堆積作用為主的地段。在泥石流形成過程中，不斷有其他物源加入其中，這就造成了泥石流堆積區(qū)內(nèi)堆積物顆粒分選系數(shù)差的特點(diǎn)。

3)上游和中游堆積區(qū)比下游更趨向于對(duì)稱，而下游堆積物比上游和中游更趨向負(fù)偏。表明上游和中游堆積區(qū)中顆粒分布比較均勻，也就是在上游和中游水流更加平穩(wěn)，而下游堆積區(qū)中的顆粒分布比較散亂，更易形成泥石流的堆積。

4)上游峰度值比中游峰度值大，而中游峰度值比下游峰度值小。通過數(shù)據(jù)可以得出，上中下游堆積區(qū)基本上趨向于正態(tài)，從上游到中游再到下游，堆積區(qū)中顆粒從平坦到尖銳，同樣表明下游比上、中游更易形成泥石流的堆積，對(duì)河道的走勢(shì)造成一定的影響。

5 參考文獻(xiàn)

［1］熊黑鋼，崔之久.論泥石流沉積與環(huán)境［J］.山地研究，1991，9(1)：7-13

［2］衛(wèi)宏，靳曉光，王衛(wèi)，等.泥石流堆積物的結(jié)構(gòu)維數(shù)及其地質(zhì)意義［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2000，11(3)：1-10

［3］謝小立，熊澤海.長(zhǎng)江中游丘崗農(nóng)業(yè)水資源態(tài)勢(shì)與管理方略［J］.農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境，1999，15(3)：14-16

［4］王裕宜，唐錢登，嚴(yán)壁玉，等.泥石流體結(jié)構(gòu)和流變特性［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2004，6(1)：16

［5］趙澄林，朱筱敏.沉積巖學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001：48-49

［6］崔之久.初探泥石流及其扇形地的沉積類型宏觀特征與形成機(jī)制［J］.沉積學(xué)報(bào)，1986，4(2)：59-79

［7］Folk R L，Ward W C.A study in the signification of grain size parameuters［J］.J Sedim Petro，1957，27：3-27

［8］王裕宜，詹錢登，嚴(yán)璧玉.泥石流體結(jié)構(gòu)和流變特性［M］.長(zhǎng)沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2001：22

Granularity parameter of debris flow deposit in Wanghugou Gully，Beijing City

Li Bai，Gao Jiarong，Hu Fengbing，Cui Qiang，Yang Qilin，Wang Yue

(Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Dersertification Combating of theministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

Based on field investigation and laboratory experiment，using average radius，sorting coefficient，tolerance，peak etc.，partical size of Wanghugou debris flow were analyzed.Results show that themean grain diameter in up，middle and down streams changed from large to small and then to large.The particles in whole gully had poor sorting property.In up and down stream，the skewness of the particle size tends to bemore symmetrical than inmiddle stream.The peak values of up，middle，and down stream changed from large to small and to large again.It can be concluded if this area encounters heavy rain fall，debris flow would highly likely to happen，which will bring huge impact on daily work and life of local people.

debris flow;deposit;parameter of granularity;Beijingmountain area

2011-02-13

2011-06-02

水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金項(xiàng)目“北京山區(qū)泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)與防治措施研究”(201008)

李柏(1986—)，男，碩士研究生。主要研究方向：山地災(zāi)害防治工程。E-mail：33126421@qq.com

?責(zé)任作者簡(jiǎn)介：高甲榮(1963—)，男，教授。主要研究方向：水土保持。E-mail：jiaronggao@sohu.com

(責(zé)任編輯：程 云)