白龍江舟曲段泥石流孕災條件及發育特征分析

楊強　王高峰　楊旭東　丁偉翠　高幼龍

關鍵詞：白龍江舟曲段;泥石流;物源;孕災條件;發育特征

白龍江流域地處我國地貌第一階梯向第二階梯的過渡地帶，地形地貌復雜，新構造活動及地震活動頻繁，加之汶川地震的影響，致使該區泥石流災害的發育程度、暴發頻率、發生規模和危害程度均居全國前列（楊強等，2021;王高峰等，2020;黃忠恕等，1998;蘇琦等，2016;孟興民等，2013;黃江成等，2014）。特別是白龍江舟曲段泥石流分布密度之高、暴發之頻繁、危害之嚴重表現極為突出，嚴重威脅人民生命和財產安全，嚴重制約社會經濟發展和人民安居樂業。掌握泥石流孕災條件及發育特征是開展泥石流防治的基礎和關鍵，本文基于白龍江舟曲段241條泥石流實測調查資料（中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，2019），在分析泥石流孕災條件基礎上，通過數理統計分析研究了泥石流發育特征，以期為舟曲段泥石流災害防治、國土空間規劃和生態文明建設提供理論依據。

1自然地理及地質環境概況

白龍江舟曲段從石門鄉經舟曲縣城至洛大鎮，河道長136 km，流域面積約2195 km²，海拔1066～3840 m，縱比降均值為8.01%，年平均徑流量為12.10×10⁸m³、流量為39.35 m³·s^-1，年洪峰流量均值為690m³·s^-1，徑流系數為0.499。多年平均氣溫為10.9℃，多年平均降水為550mm，降雨多集中在7—9月，約占全年降雨量的60%，多為短時強降雨事件。

白龍江舟曲段地貌為中高山侵蝕一剝蝕地貌，山地高陡、溝谷深切、溝壑縱橫、溝坡坡度大;主要受北北西向的光蓋山-迭山斷裂帶及次級斷裂帶坪定-化馬斷裂的影響（圖1），構造活動及地震活動強烈;出露主要地層為三疊系、志留系和第四系，千枚巖、板巖、黃土和殘坡積層等軟弱巖層分布廣泛，并形成了大量松散堆積物，是泥石流發育的主要物源;地下水主要類型為賦存于基巖中的基巖裂隙水和第四系及松散堆積物中的松散巖類孔隙水;主要工程活動為開挖建房及修路、開采礦山等。

2泥石流孕災條件分析

2.1地形地貌

白龍江舟曲段以中高山地貌為主，山高坡陡，溝谷深切。匯水面積、斜坡坡度、地形起伏度、地形高差、縱比降均有利于泥石流物源的形成及啟動。泥石流形成區多呈“漏斗型”“魚尾型”，有利于快速匯水形成強大的水動力，物源攜帶能力強。流通區多呈“S”形，陡坎發育，存在巨石卡口，易堵塞泥石流通道，存在潰決。堆積區地形多開闊平坦，多期泥石流發育，泥石流新扇堆積在老扇上，威脅老扇上居住的居民。在較大規模的泥石流溝口兩側或相鄰兩條泥石流溝口中間三角地帶，發育多條沖溝，形成多條具有較大威脅的“小溝大扇”坡面型泥石流。對白龍江舟曲段241條典型泥石流進行分析，相對高差大于1000m占總數74.3%，特殊的地形地貌條件決定了該區泥石流易發、多發。

2.2地層巖性及巖組

白龍江致災地層主要為軟硬相間或互層的千枚巖、碳質板巖、片巖、變質砂巖，覆蓋層主要為殘坡積層、黃土、全風化巖層或幾種巖土體組合。對區內241個典型泥石流溝內物源斜坡結構及主要致災地層組合進行分析（表1），分析得出下伏基巖為千枚巖、板巖，殘坡積層、黃土、全風化巖層或幾種軟弱巖層組合的崩塌、滑坡堆積體為泥石流的主要物源。涉及致災地層物源在順向坡、逆向坡、橫向坡3種結構物源中所占體積比分別為87.5%、86.5%、87.7%，物源與下伏基巖的坡向關系不大。在海拔3200m以上山體冰磧物崩滑體風化嚴重，表層較為破碎，在暴雨條件下易產生高位型崩滑物源，甚至以災害鏈形式揭底補給泥石流，如三眼峪特大泥石流災害。

2.3地質構造

主要受光蓋山-迭山斷裂帶中次級斷裂帶坪定-化馬斷裂影響，形成了明顯的斷裂凹陷，并沿斷裂破碎帶發育的眾多巨型、特大型、大型滑坡堆積體是泥石流的主要物源。滑坡沿斷裂呈條帶狀分布，巨型、特大型滑坡沿斷裂帶呈“長條狀”“背滑”“對滑”相間線狀分布特征（圖2）。斷裂破碎帶物質結構、成分、成因復雜，坪定-化馬斷裂是SW傾向的逆沖斷裂，次級斷裂（寬度達30 m以上）極為發育，斷裂破碎帶寬度可達數千米。

2.4地震

舟曲段地震動峰值加速度為0.15～0.3 g，歷史上曾發生多次破壞性地震，鄰區強震也波及于此。歷史上地震活動非常頻繁，其主要活動特征是頻度高、強度大、災害重。地震對泥石流形成的影響主要表現為地震引發次生地質災害，地震使原來基本穩定的坡體變得不穩定，產生大量規模不等的拉張裂縫，巖土體結構更有利于崩塌、滑坡災害的發生，增加了泥石流物源量。

2.5降雨及人類工程活動

白龍江降雨多集中在7-9月，多以連續降雨和暴雨形式出現，降雨量大而集中利于泥石流形成（周健等，2016）。隨著城鎮化進程加快，人類工程活動不斷增強，開采礦山、修建公路、開挖隧道等產生的棄渣無序堆積，擠占泥石流通道，加劇了泥石流發生頻率。特別是工程建設產生的棄渣堆積于溝道內或堆積扇兩側，增加了泥石流物源動儲量，增大泥石流的規模。修路切坡及開礦采石，殘留的松散碎石土可隨雨量徑流堆積于溝道，甚至堵塞溝道，易發生潰決型泥石流災害。

3泥石流的分布及發育特征

3.1泥石流分布特征

白龍江舟曲段共發育溝谷型、坡面型泥石流241條，其中溝谷型泥石流占69.7%，坡面型泥石流占30.3%。白龍江舟曲段泥石流分布密度高、暴發頻繁，如三眼峪溝、羅家峪溝、峪子溝等。泥石流物源主要沿坪定一化馬活動性斷裂呈條帶狀分布，在小型斷裂和褶皺密集區集中發育;泥石流物源與地層巖性關系密切，高易發區主要集中在志留系及泥盆系灰巖、千枚巖、板巖出露區;泥石流物源多在溝壑密集區集中發育。

3.2泥石流發育特征

3.2.1流域面積與主溝長

流域面積與匯流、泥石流產砂量呈正相關，產砂量影響流域內松散堆積物儲量，直接決定暴發泥石流時沖出物質多少，與泥石流活動頻率關系巨大;主溝長度大小決定泥石流流經路程及沿途攜帶松散物源的儲量，主溝長度越長能量及破壞力越大。

白龍江舟曲段泥石流主要特征統計結果見表2。流域面積最小為0.09 km²，大于50km²的泥石流溝有8條，無大于100 km²的河谷型泥石流。流域面積小于20 km²有215條，占泥石流總數的89.2%，其中小于5km²的泥石流溝166條，占泥石流總數的68.88%，分布較為廣泛。泥石流主溝道長度0.53～16.25 km，主要集中在1～5 km，占泥石流總數的75.52%，主溝長度大于10 km的有13條，占泥石流總數的5.39%。泥石流主溝長度隨流域面積的增大而增大，二者呈較好的冪函數關系（圖3）。

3.2.2溝床比降與相對高差

溝床比降是泥石流溝段上河床落差與長度比值，是泥石流起動和運動的基礎條件，直接影響泥石流的形成，一般溝床比降越大泥石流發生的可能性越大。

白龍江舟曲段泥石流溝床比降差異性較大，分布在99.8‰至876.28‰之間，200‰～500‰占泥石流總數的60.2%，大于500‰占泥石流總數的33.2%（表2）。泥石流主溝比降與流域面積相關性強，主溝比降和流域面積呈負冪函數關系，隨著流域面積的增大，主溝比降呈現逐漸降低的趨勢（圖4）。

相對高差與泥石流形成和運動關系密切，溝頂和溝底高差越大，雨水匯流后動能就越大，攜帶溝谷兩側松散堆積物的能力就越大。

白龍江舟曲段241條泥石流溝相對高差分布在357m至2771m之間，相對高差小于500 m的泥石流溝僅6條，主要集中在500～2000 m，占總數的83%，大多數泥石流溝相對高差1000～1500 m，占總數的40.25%，較大的相對高差為泥石流的發生提供了有利條件。研究區泥石流相對高差與流域面積有關，相對高差和流域面積呈指數函數關系，隨著流域面積的增大，相對高差呈現逐漸增加的趨勢（圖5）。

3.2.3流域完整系數

流域完整系數反映了流域地表徑流的匯流條件和水動力特征，完整系數越大，流域發育越完整，具有較好的匯流條件，利于泥石流發生，反之亦然。用Fe=F/L²表示泥石流流域形態完整系數，式中Fe為流域縱橫比，F為流域面積（km²），L為主溝長（km）。Fe<0.3，流域平面形態為長條形;0.3≤Fe<0.5，流域平面形態為長圓形;0.5≤Fe<0.7，流域平面形態為橢圓形;Fe≥0.7，流域平面形態為近圓形（沈昌玉等，1986）。計算得出白龍江舟曲段泥石流流域平面形態以長圓形和橢圓形為主（圖6），Fe值相對較大，利于坡面匯流形成泥石流。

3.2.4重點泥石流溝發展階段評價

對白龍江舟曲段241條泥石流溝進行綜合分析，從發生頻率、物源儲量、威脅危害等方面綜合考慮，篩選出21條重點泥石流作為研究對象，采用地貌信息熵理論結合隴南舟曲段泥石流發育的特點進行泥石流發育階段劃分（任玉鵬等，2018;艾南山，1987），充分考慮流域面積及流域高差來反映地貌總體演化過程。流域侵蝕系統地貌信息熵計算公式為：H=S-lnS-1，H為地貌信息

計算過程：通過ArcGIS平臺Spatial Analyst工具中水文分析模塊，從DEM中提取子流域等高線圖層，合并21條泥石流地形等高線及流域邊界線，并將線圖層轉換為面。利用ArcGIS柵格計算器，算出每個面的面積。統計各條等高線以上的面積a_i匯總該等高線高程與流域中最低點高程的差h_i。通過MATLAB軟件擬合Strahler曲線（橫坐標a_iA_i、縱坐標h_i/H_i）。泥石流溝發展階段參考DZ/T 0220—2006《泥石流災害防治工程勘察規范》和DZ/T 0261—2014《滑坡崩塌泥石流災害調查規范（1：50000）》的劃分標準，結合地貌信息熵值劃分標準（艾南山，1987;李雅輝等，2011），同時綜合考慮隴南白龍江舟曲段的泥石流發育實際情況，采用的劃分標準為H<0.111為幼年期、0.111≤H<0.200為壯年偏幼年期、0.200≤H<0.300為壯年期、0.300≤H<0.400為壯年偏老年期、0.400≤H為停歇或終止期。隴南白龍江舟曲段重點泥石流溝地貌信息熵評價結果見表3。

從表3得出：河南大溝、雙溝、大溝頭、百草壩、廟溝5條泥石流處于幼年期，武都關溝、寨子溝、峪子溝、化馬溝等13條泥石流處于壯年偏幼年期;大溝里溝、拓石溝、紅土灣溝3條處于壯年期。該區重點泥石流均處于幼年期—壯年期，利于泥石流的形成，泥石流潛在危險性巨大。

4結論

1）白龍江舟曲段泥石流主要受地形地貌、地層巖性及巖組、地質構造、人類工程活動影響。主要致災地層有殘坡積層、黃土、全風化巖層或幾種巖土體組合，致災地層中發育的崩塌、滑坡堆積體是泥石流的主要物源;涉及致災地層的物源在順向坡、逆向坡、橫向坡3種結構物源中所占體積比分別為87.5%、86.5%、87.7%;沿著坪定-化馬活動斷裂分布有“長條狀”“背滑”“對滑”相間的巨型、特大型滑坡、崩塌物源;降雨和工程建設是泥石流的主要誘發因素。

2）白龍江舟曲段泥石流流域面積<20km²的有215條，占89.2%;主溝長度主要集中在1～5 km，占75.52%，主溝長度隨流域面積的增大而增大，二者呈較好的冪函數關系;溝床比降差異性較大，200‰～500‰占總數的60.2%，大于500‰占總數33.2%，主溝比降和流域面積呈負冪函數關系，隨著流域面積的增大，主溝比降呈現逐漸降低的趨勢。

3）白龍江舟曲段泥石流流域相對高差主要集中在500～2000 m，占總數的83%;相對高差在1000～1500 m占總數的40.25%;相對高差和流域面積呈指數函數關系，隨著流域面積的增大，相對高差呈現逐漸增加的趨勢。泥石流發育的流域形態主要為長圓形和橢圓形。

4）對21條重點泥石流溝發育階段進行評價，得出5條泥石流處于壯年偏幼年期，13條泥石流處于壯年偏幼年期，3條泥石流處于壯年期，所有泥石流均處于幼年—壯年期，潛在危險性巨大，需要根據發育特征及威脅的具體情況進行針對性防治。