藏東南帕隆藏布流域波密縣城至索通泥石流堆積扇形成的制約因素與特征

鄒任洲, 張佳佳, 王軍朝, 陳 龍, 李 勇*, 黃 亮, 田 海

(1. 成都理工大學 油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室, 四川 成都 610059;2. 中國地質調查局 探礦工藝研究所, 四川 成都 611734)

青藏高原是國際地質學界最具爭論的焦點地區[1],位于青藏高原東南緣的帕隆藏布流域為深切高山的峽谷,受印度板塊與歐亞板塊碰撞和東喜馬拉雅構造結的影響,使得新構造活動非常強烈[2-3].該地區氣候獨特,是西南季風和印度洋暖流進入青藏高原的交匯處,具有極其豐富的海洋性冰川和充沛的降雨[4].獨特的氣候和地質條件使得該地區泥石流災害頻繁發生,給當地居民帶來巨大的危害[5].泥石流堆積扇主要形成于地形陡變的溝谷出山口處的開闊平緩地帶,受控因素為泥石流本身的性質、規模和流域的氣候與構造背景等,這些因素對于推導泥石流的形成過程和預測泥石流的危害范圍意義重大[6].國內外學者對于泥石流堆積扇進行了大量的研究:Marino等[7]使用堆積扇和流域特征以及物質供應率之間的關系,來研究堆積扇的類型、形態與環境條件的關聯程度;唐川等[8]通過對小江流域泥石流堆積扇調查和觀測,闡述了泥石流堆積扇的形成過程,并得出了泥石流堆積扇群的組合特征;劉希林[9]研究了小江流域河床平面形態對堆積扇的影響;陳杰等[10]研究了小江流域腹地中的流域面積及溝床比降與泥石流堆積扇面積的關系,并得出流域面積與堆積扇面積之間是正指數關系,溝床比降與堆積扇面積之間是負指數關系;前人對于帕隆藏布流域波密縣城至索通村地區泥石流堆積扇的研究較少,本文主要總結歸納了波密縣城至索通村泥石流堆積扇的分布規律,并研究了主溝流域面積、主溝縱坡降與堆積區特征和泥石流堆積扇之間的關系.

1 研究區概況

研究區地處雅魯藏布江最大支流帕隆藏布江的中游地帶,位于藏東南地區的波密縣城至索通村段(圖1).研究區內構造活動強烈,橫跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構造結,處于三大山脈即念青唐古拉山脈、喜馬拉雅山脈和橫斷山脈交匯復合部,為各種構造極其復雜的造山帶,大地構造分區見圖2.研究區地勢陡峭,為高山峽谷地貌,山地地形相當復雜,并且常年發育海洋性冰川[4,11],是泥石流災害爆發的高頻地區[5,12].波密縣城為帕隆藏布江的中游地區,重要的交通樞紐318川藏公路從帕隆藏布江的右岸通過,兩岸高頻爆發的泥石流對川藏公路和附近的居民構成重大威脅.

圖1研究區地理位置[13]

Fig.1Geographicalpositionofthestudiedarea[13]

圖 2 研究區構造單元分區[14]

2 泥石流堆積扇發育特征

泥石流堆積扇是帕隆藏布流域兩岸最為常見的地貌單元,根據野外現場調查帕隆藏布流域波密段36條泥石流堆積扇(圖3),主要分布在帕隆藏布河谷兩岸,兩岸泥石流堆積扇規模和形態各異,并且不同泥石流溝的流域面積、主溝縱坡降也相差較大,規模最大的古鄉溝泥石流堆積扇面積達4.84 km2,而最小的堆積扇面積只有0.039 km2.

這些泥石流堆積扇的面積在空間上是否存在一定的規律？筆者根據野外現場調查和遙感影像對研究區泥石流堆積扇面積進行分析統計(表1),發現研究區泥石流堆積扇面積在帕隆藏布南北岸和古鄉為界存在空間分布規律:以古鄉為界,古鄉以西沿著帕隆藏布至波密段泥石流堆積扇的面積比古鄉以東至索通村段泥石流堆積扇的面積明顯要大,面積大于2.5 km2的堆積扇都在古鄉以西至波密段發育,且泥石流堆積扇在波密至古鄉段分布的更為密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆積扇比南岸更為發育,北岸堆積扇面積占總面積的57%,面積明顯要比南岸的泥石流堆積扇面積大,并且其中著名特大泥石流溝古鄉溝就在北岸發育.

圖 3 研究區泥石流堆積扇分布

位置<0.10.1～0.50.5～1.01.0～1.51.5～2.02.0～2.52.5～3.0>3.0總面積/(km2)波密縣城至古鄉段6662001218.63古鄉至索通村段074200006.80帕隆藏布北岸2651000214.39帕隆藏布南岸4753001010.95

注:資料由中國地質科學院探礦工藝研究所“藏東南重要城鎮和交通干線地質災害調查”項目組提供.

3 泥石流堆積扇制約因素

研究區泥石流堆積扇在空間分布上存在一定規律性,這種規律是否是受到泥石流溝自身因素的影響？

為了深入研究該區域流域面積和主溝縱坡降與泥石流堆積扇面積之間的關系,對帕隆藏布流域波密段泥石流堆積扇面積和對應的流域面積、主溝縱坡降進行統計分析.數據獲取的方法主要是以高精度遙感影像和野外現場調查為基礎,結合1∶5萬地形圖圈定出堆積扇的范圍,再運用ArcGIS得到泥石流堆積扇面積、流域面積和主溝縱坡降(表2).

表 2 研究區36條泥石流堆積扇基礎資料[1]

3.1流域面積對泥石流堆積扇的影響流域面積是影響泥石流堆積扇規模的一個重要因素,研究表明[10,15]:流域面積大的泥石流溝往往形成面積大的泥石流堆積扇,其原因是由于流域面積越大相應的松散物質儲量和水動力條件比流域面積小的溝道更優越,更容易形成面積大的泥石流堆積扇.研究區的各個泥石流堆積扇面積差異明顯,但基本上符合大流域面積的溝道對應形成的堆積扇面積大,小流域面積的溝道對應形成的堆積扇面積小.對研究區堆積扇面積和溝道的流域面積進行回歸分析,得出兩者的回歸曲線(圖4)和(1)式:

(1)

其中,Sf為堆積扇面積,Sd為流域面積.(1)式中的復相關系數R=0.623,表明泥石流堆積扇面積和流域面積之間回歸效果顯著,能夠將流域面積作為泥石流堆積扇面積的影響因子.國內外許多學者[16-19]對于泥石流堆積扇面積與流域面積的關系做了大量的研究,并得出了兩者確實存在S=C*Sb(c、b為常數)指數關系.因此推測本區范圍內的泥石流堆積扇面積與流域面積之間也存在這種指數關系.從這種正指數關系可知,流域面積大的溝道較流域面積小的溝道更容易形成面積大的堆積扇.在帕隆藏布流域,流域面積先通過流域的集水條件和松散固體物質的含量來決定泥石流爆發的頻率和堆積扇的規模,進而影響到泥石流堆積扇的面積,流域面積大的溝道容易爆發大型的泥石流,相應的堆積扇的增速和最終的面積就比流域面積小的溝道形成的堆積扇大.

圖 4 泥石流堆積扇面積與流域面積回歸曲線

3.2主溝縱坡降對泥石流堆積扇的影響主溝縱坡降是指流域內的相對高差與主溝長度的比值,流域內的相對高差主要體現在流域內泥石流物源所具有的勢能,流域高差越大勢能越大,泥石流物源所具有的勢能就越大,那么它搬運能力就越強,同樣在堆積區沉積的范圍就廣,形成堆積扇的面積越大.而主溝是泥石流搬運的必經之道,在泥石流搬運過程,它將停留在溝內或者攜帶溝內的物源一起沖出溝口形成更大規模的堆積扇.為了研究主溝縱坡降和泥石流堆積扇面積的關系,將表1的堆積扇面積和主溝縱坡降數據進行回歸分析,得出兩者的回歸曲線圖(圖5)和(2)式:

(2)

其中,Sf為堆積扇面積,Dd為主溝縱坡降.復相關系數R=0.421,表明堆積扇面積和主溝縱坡降之間具有一定的相關性,并且它們之間也存在指數關系,這種指數關系和流域面積的指數關系相反,為負指數關系,從(圖5)中可以看出總體上主溝縱坡降大的泥石流溝形成的泥石流堆積扇相應的小.

圖 5 泥石流堆積扇面積與流域面積回歸曲線

3.3堆積區特征對泥石流堆積扇的影響堆積區的可容納空間和主河能量條件主要對于泥石流堆積扇的完整性有影響,對于有開闊可容納空間的堆積區來說,泥石流堆積物在沖出溝口后在堆積區上能夠形成完整的堆積扇,這種空間可以是江河床面、主河形成的河流階地和河漫灘[20].主河的能量大小對泥石流堆積扇的完整性影響大,若主河的能量大于泥石流強度則可能無法形成堆積扇而被主河沖走或堆積扇的前緣被主河破壞無法形成完整的堆積扇.

以古鄉溝和天摩溝泥石流堆積扇(圖6)為例分析可容納空間和主河能量對泥石流堆積扇完整性的影響.古鄉溝是著名的高頻冰川泥石流溝,在高溫多雨的6～7月爆發次數最多[21-24],堆積扇的面積為4.84 km2(表2),在該處帕隆藏布主河寬度約300 m,開闊的河床為泥石流堆積扇的形成提供了空間巨大的可容納空間.另一方面,從波密縣城至古鄉,帕隆藏布河床變寬,流速變緩,主河能量降低,對于古鄉泥石流堆積扇破壞力度減小,有利于形成形態較為完整的泥石流堆積扇.天魔溝是一條高頻泥石流溝,在2009年9月爆發特大泥石流,一次性沖出固體物總量約1.34×106m3,泥石流堆積物堵塞帕隆藏布約1 h[25].由于天摩溝位于帕隆藏布中下游位置,主河道從古鄉以下溝道變窄,在天摩溝位置處主溝道寬度僅約70 m,堆積區可容納空間非常小,且受到對面比通溝堆積扇的頂托,其泥石流堆積扇規模受到很大的影響,另一方面,這段主河河床變窄,主河能量增加,對堆積扇的破壞作用增加,相當一部分的泥石流堆積物被帕隆藏布帶走,很難在堆積區堆積形成新的堆積扇,所以天摩溝泥石流堆積扇規模和形態很難擴展,很難形成面積大的堆積扇.

4 討論

影響泥石流堆積扇面積大小的因素有多種,大的方面包括地質構造、地貌特征和水文氣象[20],更為具體的方面有流域面積和主溝比降[26],另外堆積區的可容納空間和主河能量也是影響堆積扇的重要因素[27],要對泥石流堆積扇的形成和演變過程進行系統研究,需要建立一個影響泥石流堆積扇發育的各個變量的格架[10].對于帕隆藏布流域兩側支溝來說,它們具有基本相同的地質構造、巖性和氣候條件,若不考慮到泥石流從形成到堆積過程的力學機理和具體過程,則形成泥石流堆積扇的必要條件為流域特征和堆積區特征,而流域特征中的流域面積、主溝縱坡降和松散物儲量都是影響堆積扇面積的重要因素[10].從圖4和圖5可以明顯地看出堆積扇面積和流域面積與主溝縱坡降之間存在線性關系,和流域面積的線性關系為正相關,大體上隨著流域面積的增大而增大,和主溝縱坡降之間存在是負相關,大體上隨著主溝縱坡降的增大而減小.但這種關系并不是絕對的,堆積扇面積不管是和流域面積還是與主溝縱坡降之間的關系都存在一些動蕩,比如大的流域面積比小的流域面積的溝道形成的堆積扇面積要小的多,主溝縱坡小的溝道比主溝縱坡降大的溝道形成的堆積扇面積要小的多,這種動蕩的關系可能受除流域面積和主溝縱坡降以外的因素影響.流域內的松散物源儲量的多少能夠說明上述的動蕩關系,表1中的N33(古鄉溝)、N08(縮瓦隆巴)、N01(索不隆巴)流域面積和主溝縱坡降大致相同,松散物源儲量[1]分別為200×106、30.1×106和28.4×106m3,對應的堆積扇的面積卻大不相同,特別是古鄉溝堆積扇面積達4.84 km2.

圖6古鄉溝泥石流堆積扇和天磨溝泥石流堆積扇對比圖

Fig.6DebrisflowstackedFancomparisonchartinGuxiangandTianmovalley

表1中波密縣城至古鄉段發育較多面積大的泥石流堆積扇,而古鄉至索通村段基本上沒有發育面積的泥石流堆積扇,主要是由于帕隆藏布流經波密縣城時河谷寬度突然變寬,有足夠的可容納空間給泥石流堆積扇形成,并且河流的能量相對減小,對泥石流堆積扇扇緣的破壞能力降低,使得該段堆積扇形態發育完整;古鄉至索通村段,帕隆藏布河谷的寬度突然變小,形成泥石流堆積扇的可容納空間不足,并且河谷寬度的減小導致主河能量的增加,主河對泥石流堆積扇的破壞能力增強,即使有足夠的泥石流堆積物補給,也很難形成規模大的泥石流堆積扇,所以表1中的古鄉至索通村段沒有面積大的泥石流堆積扇.

5 結論

1) 在研究區圈定36條泥石流堆積扇范圍,這些泥石流堆積扇在空間分布上存在一定的規律:以古鄉為界,古鄉以西沿著帕隆藏布至波密段泥石流堆積扇的面積比古鄉以東至索通村段泥石流堆積扇的面積明顯要大,且泥石流堆積扇在波密至古鄉段分布的更為密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆積扇比南岸更發育,堆積扇總面積明顯比南岸大,著名特大泥石流溝古鄉溝就在北岸發育.

2) 在帕隆藏布流域波密縣城至索通村段,泥石流溝道的流域面積和主溝縱坡降分別與泥石流堆積扇面積之間存在正、負指數關系,堆積扇面積總體上隨流域面積的增大而增大,而隨主溝縱坡降的增大而減小.但這種關系存在動蕩,主要體現在溝道物源總量的多少.

3) 堆積區的可容納空間和主河能量對于泥石流堆積扇的發育具有抑制和破壞作用.在帕隆藏布流域古鄉至索通村段,堆積區可容納空間的減小和主河能量的增強,對泥石流堆積扇具有限制和破壞作用,很難形成完整的大面積泥石流堆積扇.相反,在波密縣城至古鄉段容易形成完整且面積較大的泥石流堆積扇.

致謝研究所“藏東南重要城鎮和交通干線地質災害調查”項目組全體成員:劉健康、李元靈、高波、楊棟、楊東旭等提供論文資料,項目組司機何均堰、李明斌、楊昌明在野外現場調查時的幫助,成都理工大學顏照坤、閆亮老師對本文的指導,謹致謝意.

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