蘭州榆中地區(qū)泥石流發(fā)育的地形因子研究

王紅偉

（甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

1 概述

黃土高原大多位于我國西北部，是泥石流易發(fā)地帶，就甘肅地區(qū)而言，從20世紀(jì)50年代始，近40年間發(fā)生災(zāi)害性泥石流237次[1]，對(duì)環(huán)境造成重大威脅。針對(duì)影響泥石流的發(fā)育因素，劉廣寧等[2]總結(jié)了涉及地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等多個(gè)因素。其中作為表征地表起伏的地形因子，數(shù)據(jù)獲取較為簡單，分析最為直觀，可在短期和快速評(píng)價(jià)中發(fā)揮巨大作用，如楊元麗等[3]就通過遙感、無人機(jī)航拍和雷達(dá)等技術(shù)，開展地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，分析了高程、坡度與災(zāi)害間聯(lián)系。李文彥等[4]通過Flow-R模型，將高程、坡度及平面曲率等地形數(shù)據(jù)與地層巖性結(jié)合，比較山洪和泥石流易發(fā)性。李升甫等[5]更是將地形地貌作為災(zāi)害研究的重點(diǎn)進(jìn)行分析，探討地形坡度、坡向和地形起伏度下的滑坡發(fā)育概率。

上述討論凸顯了地形地貌對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的重要性。甘肅地區(qū)多為黃土地貌，地表支離破碎，溝壑縱橫[6]，是泥石流等災(zāi)害的高發(fā)地，如何正確把握好地形地貌與泥石流之間的聯(lián)系，對(duì)黃土區(qū)災(zāi)害研究和防治都有重要意義。因此，通過對(duì)蘭州市榆中地區(qū)泥石流發(fā)育的研究，探討地形地貌中影響泥石流發(fā)生的關(guān)鍵因子。

2 地形地貌

蘭州市榆中地區(qū)地處內(nèi)陸，南北地勢高，中部凹陷。南部地勢較北部高，主峰興隆山和馬銜山海拔分別為3 670 m和3 250 m，北部海拔處在2 200～2 400 m，而中部海拔只有1 600～2 200 m，多為黃土丘陵和沖洪積平原展布區(qū)。

榆中地處祁連山造山帶的祁連地塊，總體上處在兩級(jí)古夷平面上，經(jīng)過第四系時(shí)期地塊上升和流水切割作用，區(qū)內(nèi)地貌分為3類（如圖1所示），一類是侵蝕—構(gòu)造中高山，面積占比達(dá)58.60%，位于中北部和部分南部地區(qū)，進(jìn)一步細(xì)分為中高山地貌，中山地貌，侏羅系、白堊系、古近系砂巖、礫巖構(gòu)成基底的低中山和晚元古界皋蘭巖群變質(zhì)巖、加里東花崗巖構(gòu)成基底的低中山；二類是侵蝕—?jiǎng)兾g黃土丘陵，集中在榆中西南部，包括中部黃土丘陵和馬蘭黃土覆蓋下的高階地丘陵兩種類型；三類是堆積平原類型，分布于榆中東南部地區(qū)，由第四系上更新統(tǒng)砂礫卵石夾砂性土構(gòu)成的山前傾斜沖洪積平原和第四系上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)砂礫卵石夾砂性土構(gòu)成的沖積河谷階狀平原構(gòu)成。

總體上看，榆中地貌分布較為復(fù)雜，侵蝕—?jiǎng)兾g黃土丘陵和堆積平原相互穿插，因此也導(dǎo)致榆中地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較大。

圖1 榆中縣地貌圖

3 地形影響因子

通過調(diào)查，地形的控制主要體現(xiàn)在溝床比降、溝坡坡度、流域面積、相對(duì)高差及溝壑密度5個(gè)方面。本次研究選取泥石流35處，統(tǒng)計(jì)其在不同指標(biāo)因子中泥石流的分布特征。

3.1 溝床比降

溝床比降反映底床條件，影響流體能量轉(zhuǎn)換。從表1看出，溝谷平均溝床比降在50‰～200‰泥石流分布較多，為82.86%，尤以區(qū)間100‰～200‰占比最大，達(dá)62.86%。到區(qū)間200‰～300‰時(shí)，泥石流數(shù)量陡然下降，此為物源較少導(dǎo)致，較大比降不利于松散物質(zhì)堆積，因此，泥石流發(fā)生概率降低。通過表1分析，榆中地區(qū)泥石流發(fā)育的溝床比降上、下界限值分別為100‰、200‰。

表1 榆中泥石流溝床比降統(tǒng)計(jì)

3.2 溝坡坡度

溝坡坡度的影響表現(xiàn)在物質(zhì)補(bǔ)給和匯流速度2個(gè)方面。經(jīng)調(diào)查，區(qū)內(nèi)溝坡坡度呈近似對(duì)稱分布，偏度系數(shù)為0.39。

如表2所示，泥石流發(fā)育優(yōu)勢區(qū)間為20°～30°和35°～50°。結(jié)合野外調(diào)查，得出在工作區(qū)中部黃土丘陵區(qū)，坡度在20°～30°時(shí)坡面固體松散物堆積較多，以溝面、坡面地表徑流侵蝕和滑坡為主；北部青城和南部柴溝河支溝的基巖山區(qū)，泥石流主要位于40°～50°，大多以崩滑災(zāi)害和風(fēng)化坡積物等為物質(zhì)來源。

表2 榆中泥石流溝坡坡度統(tǒng)計(jì)

3.3 流域面積

經(jīng)統(tǒng)計(jì)（見表3），流域面積在1～10 km2共發(fā)育泥石流23條，占比65.71%。易發(fā)性較強(qiáng)的泥石流集中發(fā)育在10～70 km2，此區(qū)間匯水面積大，上游溝道坡降大，利于泥石流的流通。

表3 榆中泥石流流域面積統(tǒng)計(jì)

泥石流流域面積對(duì)滑坡作用不呈單一線性影響，主要是當(dāng)流域面積增大，地面起伏更多，造成物源補(bǔ)給分散，隨時(shí)間推移，下游物質(zhì)堆積，溝谷加寬，高差減小，溝道長度進(jìn)一步拉大，沖溝進(jìn)一步變成支溝，分散水流。同時(shí)在各支溝出口處，匯流沖擊產(chǎn)生干擾，能量被耗散。因此，當(dāng)流域面積達(dá)到某一臨界，泥石流溝谷就演變?yōu)楹樗疁瞎龋嗍靼l(fā)生概率降低。同樣泥石流溝谷流域面積也存在一個(gè)下限值，即泥石流不具備固體物質(zhì)累計(jì)條件的最小流域面積。

考慮到泥石流溝谷流域面積的臨界值受到地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、氣候、水文、植被等多方面因素的限制，大致確定榆中地區(qū)泥石流溝谷發(fā)育的流域面積的極限區(qū)間為0.1～70 km2。

3.4 相對(duì)高差

相對(duì)高差反映出流域內(nèi)受內(nèi)外地質(zhì)作用地表被切割破壞的強(qiáng)度。區(qū)內(nèi)泥石流發(fā)育區(qū)間集中在100～300 m，共發(fā)育泥石流16條，占總量的45.71%（見表4）。

表4 榆中泥石流相對(duì)高差統(tǒng)計(jì)

一般而言，相對(duì)高差較大的溝谷已經(jīng)成型，侵蝕強(qiáng)度相對(duì)較低，而高差在100～300m之間多屬壯年期，第四紀(jì)黃土覆蓋較多，受流水、風(fēng)力等物理、化學(xué)侵蝕作用，易引發(fā)兩側(cè)溝坡失穩(wěn)，發(fā)生掉塊、土溜等不良地質(zhì)現(xiàn)象，從而轉(zhuǎn)化為松散固體物質(zhì)補(bǔ)給泥石流。但是從另一個(gè)角度來講，相對(duì)高差作為溝床比降的分子，二者呈顯著相關(guān)性，但溝床比降還受溝道長度影響，兩者變化又有所區(qū)別。從理論上說，相對(duì)高差越大，能量越多，泥石流易發(fā)性更強(qiáng)，表4未考慮各區(qū)間實(shí)地面積的影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)間差距不明顯。

3.5 溝壑密度

溝壑密度反映地形切割破碎程度，從表5看出，區(qū)內(nèi)溝壑密度集中分布在0～1.5 km/km2內(nèi)。由圖2所示，工作區(qū)溝壑密度較集中在和平、銀山、金崖和青城等地，地表破碎，水土流失嚴(yán)重，泥石流分布較多。在上述范圍內(nèi)，區(qū)間1～1.5 km/km2占主導(dǎo)地位，占比48.57%。

表5 榆中泥石流溝壑密度統(tǒng)計(jì)

圖2 榆中縣小流域溝壑密度分布

當(dāng)溝壑密度進(jìn)一步增加，泥石流發(fā)育出現(xiàn)急劇下降，根據(jù)圖2分析是由于溝壑密度大于1.5 km/km2的范圍占地面積較少，導(dǎo)致滑坡數(shù)量不高。

4 結(jié)論與討論

（1）溝床比降對(duì)泥石流的影響呈正太分布，比降過高或過低都會(huì)使得泥石流的發(fā)生概率大大降低，榆中地區(qū)泥石流發(fā)育的溝床比降上、下界限值分別為100‰、200‰。

（2）泥石流發(fā)育的優(yōu)勢溝坡坡度在20°～30°和35°～50°，在榆中中部黃土丘陵區(qū)，提供泥石流固體物源最多的坡度處在20°～30°之間；北部青城和南部柴溝河支溝的基巖山區(qū)則處在40°～50°。

（3）流域面積對(duì)泥石流的影響也近似呈正態(tài)分布，流域面積在1～10 km2區(qū)間內(nèi)泥石流數(shù)量較多。榆中地區(qū)泥石流溝谷發(fā)育流域面積的極限區(qū)間為0.1～70 km2。

（4）根據(jù)高程和能量的關(guān)系，泥石流易發(fā)性與相對(duì)高差大致呈正相關(guān)。

（5）榆中地區(qū)泥石流溝大多發(fā)育在溝壑密度為1～1.5 km/km2的區(qū)間之中，且在該區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)出泥石流易發(fā)性隨溝壑密度增加而增強(qiáng)的趨勢。