5·12汶川地震對磨子溝的影響及震后泥石流活動狀況

蘇鵬程，韋方強，程尊蘭

(中國科學院 a.山地災害與地表過程重點實驗室;b.水利部成都山地災害與環境研究所，成都 610041)

5·12汶川地震觸發了上萬處的崩塌、滑坡，為泥石流活動提供了豐富的物源［1－2］。泥石流流域物源條件的改變，導致震后泥石流發生的臨界雨量條件降低，泥石流活動頻度和強度明顯增加，地震災區震后泥石流活動將進入新的活躍期［1，3］。震后汛期汶川地震災區已經暴發了大量的泥石流災害［4－6］。地處四川省汶川縣銀杏鄉岷江上游右岸的磨子溝(屬汶川地震烈度的Ⅺ區)震后的泥石流活動異常活躍，2008－2011年汛期磨子溝多次暴發泥石流并堵塞岷江。

為分析震后磨子溝泥石流的成因和活動特點，研究磨子溝未來泥石流活動趨勢，本文根據現場調查，通過遙感影像解譯結果估算了震后磨子溝新增物源規模，并結合區域地質構造、地形地貌及雨量條件等，分析了震后磨子溝泥石流的活動特征，對磨子溝未來泥石流的發展趨勢進行了初步分析。

1 研究區概況

磨子溝位于四川省汶川縣銀杏鄉一碗水村，系岷江上游右岸一級支溝，從西向東近于直角匯入岷江，G317 線從溝口通過，溝口坐標為N31°09'01.2″，E103°29'11.8″(圖1)。磨子溝流域面積7.3km2，主溝長度5.2km，流域相對高差2 569 m(最高點3 556 m，最低點987 m)，主溝道平均縱比降為493‰，地形十分陡峻(圖2)。磨子溝位于龍門山斷裂帶腹地，在空間位置上處于龍門山主中央斷裂(北川－映秀斷裂)和后山斷裂(茂汶斷裂)之間，距離映秀僅12km。根據中國地震局編制的汶川地震烈度分布圖，磨子溝屬于地震烈度的Ⅺ區。

圖1 磨子溝流域地理位置示意圖Fig.1 Location of Mozi gully

圖2 磨子溝流域地勢圖Fig.2 Topography of Mozi gully

圖3 磨子溝流域地質圖Fig.3 Geologic map of Mozi gully

磨子溝內地層為元古代晉寧－徵江期的侵入巖，巖性以抗風化能力較強的中?；◢弾r為主流域下游分布有石英閃長巖，右岸局部出露輝長巖流域中、上游主要分布有斜長花崗巖，源頭地區出露少量的中粒黑云花崗巖

受氣候水平地帶性影響，整個汶川縣的氣候，大致以銀杏鄉梭坡店為界，分為南、北2個氣候區，北部屬暖溫帶大陸性半干旱季風氣候區，南部屬于山地亞熱帶濕潤季風氣候區，降雨量從北向南逐漸遞增。磨子溝流域位于南部，受夏季太平洋暖流高壓控制和冬季盛行西北高原干冷氣流的影響，氣候特征呈現為:四季分明，夏季濕熱、多雨多澇，秋綿雨危害嚴重，氣溫年較差小、無霜期長、光照不足等特征。梭坡店至下游的映秀、漩口和三江一帶，是川西的多雨中心之一，尤其在雨季(5－9月)，受西南和東南暖濕氣流共同影響，常有暴雨出現［7］。位于磨子溝下游12km的映秀鎮多年平均降雨量為1 253mm，其中7－9月的降雨量占全年的57.9%(圖4)。受局部地形影響，流域內的氣候也具有明顯的垂直地帶性。

圖4 距磨子溝最近的映秀鎮多年平均月降雨量分布圖Fig.4 Distribution of average monthly rainfall in Yingxiu town which is closest to Mozi gully

2 汶川地震對磨子溝的影響

根據實地調查訪問，汶川地震前100年內磨子溝未有泥石流活動記錄。汶川地震使得磨子溝流域內地貌發生了巨大變化，對比震前(圖5)、震后(圖6)的遙感影像，震后流域內大量崩塌、滑坡產生的松散堆積體進入主溝，造成了嚴重的堵塞，并使得溝道中、上游難以通行，在不時余震作用下，兩側岸坡仍有滾石落在坡腳或滾入溝中(圖5至圖8)。

圖5 磨子溝震前影像(2005年6月26日)Fig.5 Satellite image of Mozi gully before the earthquake(June 26，2005)

圖6 磨子溝震后影像(2008年6月3日)Fig.6 Satellite image of Mozi gully after the earthquake(June 3，2008)

根據現場調查及遙感影像統計，震后磨子溝流域內73.2%的區域發育有不同程度的崩塌和滑坡，平均厚度約5～10 m，初步估算流域內固體物質達3×107m3，其中動儲量約6×106m3，崩塌、滑坡體堵塞溝道形成8處堰塞體(表1、圖6)。將規模最小并位于溝口的8號崩塌體航空影像(圖7)和實地照片(圖8)進行對比，其他崩、滑體的規?？梢娨话?。流域內巨量的物源和嚴重的堵塞條件，以及高達493‰的溝床縱坡比降，使得震后磨子溝極易受暴雨誘發形成泥石流，并且容易形成一個崩、滑堆積體－泥石流－沖刷坡腳－新的崩塌、滑坡－堵塞－潰決－形成更大規模泥石流這樣的災害鏈。堵潰后的泥石流其規模和破壞作用將更大，震后汛期磨子溝泥石流多次堵江即是最好的證明。

表1 磨子溝大型崩塌、滑坡形成的堰塞體統計表Table 1 Statistics of dams caused by large collapses and landslides in Mozi gully

圖7 磨子溝下游震后航空影像(1∶5 000，國家基礎地理信息中心，2008年6月)Fig.7 Aerial image of downstream Mozi gully after the earthquake(1∶5 000，from National Geomatic Center of China，June，2008)

圖8 磨子溝溝口左岸8#大型崩塌體Fig.8 The eighth collapse at the left bank of Mozi gully estuary

3 汶川地震后的泥石流活動

3.1 磨子溝泥石流激發雨量條件變化

磨子溝流域內積累的巨量物源以及嚴重的溝道堵塞條件使得磨子溝震后泥石流活動極其活躍。在暴雨激發作用下，2008年7－9月，磨子溝以陣性流的方式累計發生75陣陣流。其中，2008年7月14日、8月6日、8月21日和9月24日的泥石流規模較大，前3次均堵斷過岷江，其中7月14日堵江時間最長達30 min;2009年的8月26日、9月14日;2010年8月14日;2011年7月4日、9月7日磨子溝也再次發生泥石流并堵塞岷江。

根據距離磨子溝15km的都江堰市氣象站的雨量監測，2008年7月1日到2008年9月30日，48 d有降雨記錄，有7 d雨量超過25mm，均有泥石流發生。同樣，2009－2011年泥石流的發生也與降雨過程十分吻合。根據現場調查，當地居民對2008年7月14日、8月6日、8月21日和9月24日;2009年8月26日、9月14日;2010年的8月14日;2011年7月4日和9月7日等9次泥石流有著深刻印象。需要指出的是受山區地形條件影響，磨子溝流域實際降雨量可能更大，但由于缺乏更為精確的降雨資料，本研究利用都江堰站的數據作為參考，而泥石流的實際發生情況也佐證了這種參考的價值。

根據譚萬沛［8］的研究，在汶川地震以前，龍門山地區誘發泥石流的日降雨量為80～100mm。而縱觀震后2008－2011年7－9月的降雨情況(圖3至圖13)，不難看出2008年在24 h降雨量達到大雨量級(≥25mm)時，磨子溝均發生了較大規模的泥石流，其中最低為9月24日的27.8mm;2009年激發泥石流的最低雨量為9月20日的30mm;2010年激發泥石流的最低雨量為9月16日的35.5mm;2011年9月7日則已經逐漸增至39.4mm(圖9)。從圖9中也可以看出，震后磨子溝激發泥石流的日降雨量急劇降低后，目前有逐步回升的趨勢。根據2008－2011年發生的最低雨量條件，可以初步估算磨子溝發生泥石流的最低日雨量條件至少需要在2020－2026年才能逐漸恢復到震前80～100mm的水平(圖10)。

圖9 2008-2011年7-9月降雨過程及磨子溝激發泥石流最低日降雨量Fig.9 Rainfall history and the minimum daily precipitation which causes debris flow during July to September from 2008 to 2011 in Mozi gully

圖10 震后磨子溝激發泥石流的最低日雨量條件恢復過程示意圖Fig.10 Process of the recovery of minimum daily precipitation which causes debris flow in Mozi gully

3.2 泥石流對微地貌的影響

根據不同時期的現場測量，磨子溝震后4年已發生的泥石流堆積物總量有250×104m3。泥石流出山后迅速在開闊的河灘地上擴散開來，將溝口G317線約500 m的公路(含一座跨溝公路橋)完全淤埋，溝口地貌形態由“V”型(中間低，兩邊高)變成“W”型(原溝谷被填滿，使得中間高，兩邊低，圖11至14)，堆積扇具有明顯的壟崗狀地貌特征，下游溝道兩側也具有明顯的側積現象和側積壟(圖15)。通過在堆積區 N31°08'59.0″，E103°29'10.9″的點實地取樣分析，密度為1.95 g/cm3，屬于黏性泥石流。

圖11 磨子溝泥石流堵塞岷江(堆積扇前緣已被清理，2009年7月)Fig.11 Minjiang river blocked by debris flows in Mozi gully(front of the accumulation fan being removed，July，2009)

受磨子溝泥石流堆積扇主扇體和殘余堆積扇的頂托和逼迫，岷江水流加劇了對溝口下游岷江右岸坡腳的沖刷，將正在恢復重建的老G317線的路基多次沖毀。同時，磨子溝泥石流堵塞岷江后在上游形成了堰塞湖，其回水淹沒了銀杏鄉一碗水村的民房。根據2008年12月枯水期現場調查，堰塞湖最高水位比河床高15 m，回水約3km，對應的堰塞湖水深有8 m，回水1km(圖16)。由此可以推斷在2008年汛期的7－9月，磨子溝的泥石流發生堵江時堰塞湖的水位比12月實地測量時高7 m。從河床演變的角度來說，泥石流堵塞岷江形成的堰塞體，使上游的河床比降變小，利于泥沙沉積，下游河床的比降變大，沖刷切割加劇。而從災害學的角度來說，泥石流堵河后，抬高上游水位，使上游沿江兩岸低洼處的居民點和農田被淹;堰塞體潰壩后形成的高位洪水又對下游造成危害［9－12］。

圖12 磨子溝泥石流堵塞岷江前后地貌變化示意圖(縱剖面)Fig.12 Vertical profile of landform change before and after the debris flows in Mozi gully

圖13 磨子溝發生泥石流后遙感影像(2010年12月10日)Fig.13 Satellite image of Mozi gully after the debris flows(December 10，2010)

圖14 磨子溝泥石流堵江示意圖Fig.14 Sketch map of Minjiang river blocked by debris flows in Mozi gully

圖15 磨子溝下游溝道的泥石流側積現象Fig.15 Debris flow accumulated in downstream Mozi gully

圖16 磨子溝堵塞岷江形成的堰塞湖淹沒民房(2008年12月)Fig.16 Submerged houses in dammed lake induced by debris flows in Mozi gully(December，2008)

3.3 磨子溝泥石流堵江分析

泥石流堵塞河流形成堰塞湖，是泥石流造成的常規危害外最嚴重的次生災害之一［13－16］。由于汶川災區高山峽谷的地貌特點，十分有利于泥石流堵江事件的發生。本研究擬在現場泥痕調查和斷面測量的基礎上，嘗試從泥石流性質、泥石流峰值流量以及交匯處的地形條件等進一步探討泥石流堵江的成因，并結合流域內的物源條件對磨子溝未來的泥石流活動趨勢進行分析和預測。

3.3.1 磨子溝泥石流堵江規模分析

依據泥石流堵河經驗公式［17］，結合實地測量數據，磨子溝與岷江匯流處堵河需要的最小土石方量(泥石流規模)為

式中:Vc為堵塞河需要的最小土石方量;Φs為內摩擦角;Bw為主河寬度;Hw為主河水深［11］。一般取Φs=25°，根據現場測量，Bw=115 m，Hw=12m，則 Vc=5.1×104m3。

通過計算可以判斷在磨子溝泥石流堵江的規模均大于5.1×104m3。

根據現場實測的3個斷面(見圖11中的Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'，Ⅲ-Ⅲ'斷面)，其泥痕調查形態參數見表2、圖17，可以計算堵江泥石流的實際峰值流量。

根據泥石流流速經驗公式計算磨子溝的泥石流流速［17－18］:

圖17 現場實測的斷面圖Fig.17 In-situ measured cross sections

表2 磨子溝流域斷面形態參數及流速、流量計算結果Table 2 Shape parameters of cross sections and calculated debris flow velocities and discharge volumes in Mozi gully

式中，Uc為泥石流斷面平均流速(m/s);nc為黏性泥石流溝床糙率;Hc為計算斷面平均泥深(m);Ic為泥石流水力坡度，一般可用河床縱坡代替(‰)。

根據野外現場泥痕調查，結合經驗判斷，得出nc=0.445。Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'和Ⅲ-Ⅲ'斷面的泥深 Hc、河床縱坡Ic和斷面面積S見表2。通過計算得出通過Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'和Ⅲ-Ⅲ'3個斷面的流速Uc分別為4.78，4.62，3.39m/s，其對應峰值流量見表2。從而可以得出磨子溝震后已發生的泥石流最大流量為Qc=679.1 m3/s。

每年5－10月為岷江豐水期，水量常占全年的80%左右。根據磨子溝上游的姜射壩以及下游的太平驛和紫坪鋪3個水文站統計的岷江多年平均流量分別為224，363，459 m3/s。磨子溝與岷江匯流處的流量與太平驛水文站的流量較為接近，這里取QH=363 m3/s。根據2008年四川省水文局岷江水文站7－9月的水情簡報，岷江7，8，9月最大流量與多年同期均值比較，分別偏小60%，60%，10%［19］。因此，2008年7月14日的泥石流流量與主河流量的關系，屬于主弱支強型，加劇泥石流在匯流處的淤積，造成了堵江。

根據實地調查了解，震后磨子溝2008年7月14日發生的泥石流規模最大，持續時間約T=30min。將其過程概化為“三角形”過程線，依據式Vmax=19TQc/72［17］，計算出磨子溝一次沖出泥石流最大方量 Vmax=2.57×105m3，遠大于5.1×104m3的下限。

3.3.2 不同暴雨頻率下泥石流流量

采用配方法計算磨子溝泥石流流量［16－17］，根據《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》(1984)的方法進行計算。

首先由水科院公式計算清水流量

當全面匯流條件下

當部分匯流條件下

上述式中:Qp為頻率P下的暴雨洪峰流量(m3/s);?為洪峰徑流系數;i為最大平均暴雨強度(mm/h);S為最大1小時暴雨量(mm);F為流域面積(m2);τ為流域匯流時間(h);μ為洪水經驗參數;τ為產流參數，即產流歷時內流域平均入滲強度(mm/h);n為暴雨公式指數;τ0為當?=1時的流域匯流時間;tc為產流歷時(h);m為匯流參數;J為沿主溝的平均坡降(‰);L為自出口斷面沿主溝道至分水嶺的主溝長度(km)。

其中需要確定的7個參數，即F，L，J，S，n，m，μ，其中流域特征參數值F，L，J為獨立定量參數，由地形圖直接量取;H24為24 h降雨量;暴雨雨力由S=Kp×24(n－1)×H24計算獲取;n，m，μ為經驗參數，可以與 Kp一起通過查閱《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》獲得，其中 Kp在10%，5%，3.3%，2%，1%等不同頻率下的取值分別為1.73，2.08，2.31，2.54，2.88，其余各參數取值見表3。

泥石流流量是在清水流量的基礎上，加入泥沙石塊部分的流量，因而采用配法計算，

表3 磨子溝清水洪峰流量計算參數取值Table 3 Calculation parameters of peak water discharge in Mozi gully

式中:Qp為清水流量;Qc為泥石流流量;D為堵塞系數;φ為泥沙系數。其中泥沙系數φ按下式計算:φ=(γC－1)/(γH－γC)，γC和γH分別為泥石流的密度和泥石流中固體物質的密度，根據現場配重，以及巖性調查，γC=1.95 g/cm3，γH=2.7 g/cm3(以現場主要巖性的比重來代替)。

現場調查表明:磨子溝流域內震后有大量的崩塌、滑坡存在，堵塞現象比較嚴重，計算中 D取1.1～2.0。磨子溝泥石流 10年、20 年、30 年、50年、100年一遇的泥石流流量見表4。對比斷面測量獲取的泥石流流量，磨子溝2008年7月14日暴發的泥石流相當于50年一遇的規模。

表4 磨子溝不同暴雨頻率下的泥石流流量Table 4 Debris flow discharges in Mozi gully in different rainstorm frequencies

4 震后泥石流發展趨勢及影響

汶川地震直接觸發的大量崩塌、滑坡為磨子溝提供了豐富的物源條件，將磨子溝重新激活進入泥石流活躍期。除主溝道中的物質被泥石流輸送到下游之外，流域中、上游和溝道兩側岸坡上的大量物質仍處于松散膠結狀態，極易在暴雨作用下啟動進入主溝。從長期來看，震后流域內坡面的自然恢復是一個漫長的過程，不穩定坡體形成的潛在松散物質在短期內也難以消除。震后的4個汛期磨子溝輸送的固體物質占總儲量的比例十分有限，即使按目前的輸送物質的速度，磨子溝泥石流至少將持續10年以上。但隨著激發泥石流的臨界雨量條件的變化，其活動強度和頻率在經歷了震后急劇的增加后，將逐漸趨于震前的水平。因此，其實際泥石流活動的時間可能會更長。

磨子溝已發生的堵江事件形成的堰塞體高20 m，給上游的居民造成了嚴重的危害。但由于磨子溝流域仍具有形成大規模泥石流的風險，其堵江形成的堰塞湖回水和潰決洪水可能會再次危及上、下游居民的安全。此外，目前殘余的堰塞體提高了主河的侵蝕基準面，使得上游的堰塞湖仍有一定的深度。而溝口下游岷江右岸受剩余泥石流堆積扇的頂托作用，坡腳遭岷江水流強烈沖刷，為岷江右岸沿河公路的恢復重建增加了很大的困難。

作為典型的泥石流堵江災害，磨子溝提供了這樣的警示信息:地震直接觸發的大量崩、滑體為泥石流提供了極其豐富的物源，但由于其發生時間相對于地震直接觸發的崩塌和滑坡有一定的滯后。但隨著時間的推移，在崩塌、滑坡-泥石流-堰塞體-潰決洪水這樣的災害鏈過程中，泥石流災害會逐漸凸顯出來，進入活躍期，其發生的規模和頻率會顯著增加，而其緩慢的恢復過程對當地居民的生命和財產安全，以及災后的恢復重建都是潛在的威脅。

5 結論

作為汶川地震后典型的泥石流事件，磨子溝以極高的頻率和大規模的特征而成為地震誘發泥石流的典型案例。泥石流的形成與地震的關系、泥石流發生過程以及未來的發展趨勢是值得關注的基礎問題。本研究分析了地震對磨子溝的影響;計算了磨子溝堵江泥石流的規模;并對磨子溝泥石流的發展趨勢進行了分析。得出如下的結論:

(1)與震前相比，磨子溝流域震后地貌情況發生了巨大的變化。5·12汶川地震的巨大破壞作用使得面積僅7.3km2的磨子溝流域內73.2%的區域發生了淺表層的崩塌和滑坡，堵塞主溝溝道形成了8處堰塞體，溝內固體松散物質方量仍超過 3×107m3。而高達493‰的主溝平均縱坡比降(地形條件)也十分有利于泥石流形成，并可能再次堵斷岷江形成堰塞湖。

(2)震后磨子溝泥石流發生的頻率和規模明顯增大，根據不同暴雨頻率條件下的泥石流流量計算，震后最大一場堵江泥石流(2008年7月14日)峰值流量為541 m3/s，為50年一遇的規模，一次沖出物最大方量為2.57×105m3。

(3)由于震后流域內物源條件的改變，導致震后磨子溝泥石流發生的臨界雨量條件降低，根據臨近的都江堰氣象站的降雨監測數據，震后磨子溝激發泥石流的日降雨量條件發生急劇降低，但目前有逐步回升的趨勢，預計在2020－2026年間才能逐漸恢復至震前的水平。

因此，在汛期要加強地震災區泥石流的監測和預警，尤其是針對城鎮和居民點構成威脅的災害點，對已經發生堵江危害的要及時疏導，防止因泥石流形成的堰塞湖造成更大的損失。

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