田灣河流域地貌和水系對泥石流分布的影響

任泓穎, 何林芝, 程濟帆, 許 超, 陳典坤, 漆力健

(四川農業大學 水利水電學院,四川 雅安 625014)

1 研究背景

泥石流是發生在山區中的自然災害,由固體物與水相混合在重力或強大外力作用下沿陡峻溝坡急劇運動的飽和流體[1]。中國多高原和山地,地質構造復雜,地表起伏大,表層巖體破碎,植被覆蓋率因人類活動而降低,近年來泥石流等地質災害愈加頻繁[2],每年給國家造成了數十億的經濟財產損失[3]。對于經濟不發達的偏遠山區,頻繁的泥石流災害更是成為了制約當地交通、經濟和生產生活的重要因素。在中國,泥石流分布在26個省市的廣大山區,遍及全國138個鄉鎮,近十年共發生泥石流15 000余起[4]。

田灣河位于四川省雅安市石棉縣西北,環繞貢嘎雪山,系大渡河右岸的一級支流。田灣河流域的地理坐標:東經101°41′～102°11′,北緯29°12′～29°47′。流域面積1 441 km2,全長86 km,全段天然落差為3 580 m,河道總比降41.6%[5]。由于田灣河流域位于川滇南北向構造帶與甘孜斷褶帶交匯的復合地帶,區域內構造地質復雜,尤其在燕山運動和新生代第三紀開始的喜馬拉雅運動構造作用的影響下,該區褶皺強烈,斷裂發育,巖性破碎。流域內大部分溝谷較為陡峭,為泥石流固體堆積物匯集提供了勢能條件。該流域內主要巖性為變質巖與巖漿巖,但在不同區域又不盡相同,田灣河谷地帶巖性以石英巖、大理巖、云母石英片巖及板巖為主;龔家溝、油坊溝、唐家溝的中、下游均發育在巖漿巖出露區,巖性以斜長花崗巖、黑云母花崗巖及閃長巖為主,上游主要出露變質巖,巖性主要為變質砂巖、板巖夾變質頁巖等。這些巖體在貢嘎山雪水及氣候影響下,凍融風化強烈,容易形成大量破碎物,為當地泥石流的多發提供了充分的松散物質來源。再配合地勢形成的動力條件,田灣河流域內因此多發泥石流,并且通過對歷史數據的統計分析發現,該流域內的泥石流分布具有明顯的差異性[6]。分析其差異性的特征和成因,對于深入認識泥石流和探尋泥石流的防治方案具有重要意義。

近年來,對泥石流發生影響因素的研究較多,如張新社[7]等從泥石流形成的物源條件、地形地貌條件入手,以ArcGIS為平臺,利用DEM數據研究泥石流發生特征;張晨[8]等運用分形理論,通過編程輔助計算研究了水系的盒維數值與泥石流各特征之間的關系;蔣忠信[9]等通過溝谷縱剖面形態指數N,計算小流域系統的超熵,定量評價流域穩定性和泥石流溝谷的演變過程;戚國慶[10]等依據非飽和土強度理論研究降雨型泥石流形成機理,為泥石流的準確預報提供強有力的理論依據。目前對于泥石流影響因素的研究大多采用實地調查結合歷史調研數據的方式,最終通過統計與分析得到相應的評價機制。但是這些研究多局限在某一單因子、少數多因子且屬于單一地貌因素方面或是單一水文因素方面,將幾種影響因子進行綜合考慮分析的研究并不多見,目前鮮少有關于田灣河整體流域的相關研究。

2 研究工具和方法

田灣河水系發育,支流較多。該流域內的各溝谷具有相似的水文氣象條件和地質條件,但其中有的溝近期爆發過一次甚至多次泥石流,有的溝卻長期未曾爆發過泥石流。田灣河流域內的龔家溝、唐家溝、楊家溝、油坊溝等眾多泥石流溝近期均爆發了規模不等的泥石流災害,例如2007年8月10日,草科鄉楊家溝在建的大發水電站突然遭受到泥石流災害,造成了11人死亡、1人失蹤、約800萬元的經濟損失[11];2012年7月14日,草科鄉唐家溝發生泥石流,造成2人死亡、5人失蹤、該村經濟損失超過6 000萬元[12]。

本文主要分析田灣河流域內溝谷的地貌特征和整體水系結構,分析易引發泥石流的流域特征。通過地形測繪,輔助Google Earth三維地圖功能,獲取田灣河流域內大小支流的相關參數如溝谷長度、溝床比降、支溝流域面積和數目等,并根據Horton理論確定田灣河流域的水系級別,計算得到各級之間的Horton比(即低級河流的相關參數與相鄰高級河流的相關參數的比值),作為反映水系發育和河網形態的指標,最后利用Horton理論分析田灣河流域的水系發育情況,與實際調研情況進行分析比對,探尋水系發育和地貌特征對泥石流分布的影響。溝床比降作為地貌方面的特征參數,而Horton比則屬于水系方面的特征參數,表征了水系的結構特征和數量關系。

3 溝床比降與泥石流發生的相關性

根據采集的數據可以發現,在描述溝谷特征時,溝床縱比降(即溝床高程差H/溝床長度L)比溝谷流域的相對高程差更具有特征性和代表性。溝床縱比降是泥石流溝谷發育情況的重要參數,一般情況下,隨著泥石流溝谷發育,溝床縱比降會逐漸降低。

據統計,田灣河河道左右岸兩側共有82條溝谷,其中共計有20條溝谷發生過一次及以上泥石流,將其稱為泥石流溝。根據在地形圖上收集到的溝床縱比降數據顯示,未發生過泥石流的62條溝谷中有54條即總數87%的溝谷平均比降集中分布在0.2～0.5,20條泥石流溝中有19條即95%的溝谷平均比降集中分布在0.2～0.7(圖1)。未發生泥石流的溝谷的安全比降較集中分布在0.23～0.5,而易發生泥石流的溝谷相對未發生泥石流的溝谷的比降范圍更大、分布區間更大。

計算得到田灣河右岸溝谷的比降平均值為0.333,左岸溝谷的比降平均值比右岸偏大,為0.398,流域內所有溝谷比降平均值為0.358。

圖1 田灣河兩岸泥石流的溝谷縱比降分布圖Fig.1 Distribution map of gully gradient of debris flow on both banks of Tianwan River

根據實地調查情況,田灣河右岸較左岸來說更易發生泥石流,20條泥石流溝中有15條分布于右岸。為了尋找兩岸泥石流發生頻率較大差異的原因,除了對比左右岸各溝谷的平均縱比降,將各溝谷的縱剖面曲線繪制出來后,對各溝谷的上、下段比降進行更細致的劃分和對比還可以發現:左岸大部分溝谷呈現出“先陡后緩”的共性,各溝谷上段比降大致范圍為0.4～0.6,而各下段比降大致范圍為0.2～0.4;右岸大部分溝谷的上下段比降呈現出“先緩后陡”的共性,各溝谷上段比降大致范圍為0.2～0.4,各下段比降大致范圍為0.3～0.6。

從理論上講,只要坡度>15°(即比降在0.26左右),泥石流就有發生的可能性,但當比降大至一定程度時,溝谷內不易形成堆積物,泥石流反而不容易發生。當溝谷上段坡度較緩時,容易滯留堆積物,較長時間后會形成堆積臺地,在堆積臺地前緣由于下段坡度變陡會形成陡而高的臨空面,若遇雨水豐沛,在臨空面附近,堆積物便會混合雨水發生失穩下滑,演化成泥石流。所以從兩岸溝谷上下段的比降數據來看,右岸更易發生泥石流。

4 水系發育及河網形態與泥石流發生的相關性

除地形地貌因素以外,流域的水系結構對泥石流起動的影響作用也十分明顯。所以除研究各溝谷的地形地貌特征以外,把水系發育及河網形態作為研究泥石流的起動影響因素之一也很重要。將田灣河整個流域按照Horton-Strahler體系劃分,結合地形圖手動勾勒出不同級別流域的邊界以及各級別河流的河床線,根據地形圖進行測量和記錄。Horton-Strahler體系劃分標準為:1級河流為提取的最低級別,兩條1級河流匯合成為一條2級河流,兩條2級河流匯合成為一條3級河流[13],以此類推。根據地形圖上肉眼可識別程度,設置0.1 km為提取的河流長度的閾值,以此來確定選擇1級河流,按照Horton-Strahler體系進行提取,田灣河為5級河流(圖2)。

圖2 田灣河流域水系圖Fig.2 Water system map of Tianwan River Basin

在Horton-Strahler河網分級體系中,按照不同河流級別X的河流數量N、平均長度L以及平均河谷坡降J計算以下比值,可以從宏觀上分析河網結構[14]。

式中:RNX、RLX、RJX分別為河網的分支比、長度比以及坡降比,統稱為Horton比。根據Horton定律,河網的分支比即RNX為低級河流的河流數目比上相鄰高級河流的河流數目,河網長度比RLX為高級河流的河流平均長度比上相鄰的低級河流平均長度,河網坡降比RJX為低級河流的平均縱比降比上相鄰的高級河流的平均縱比降[15]。

田灣河流域中泥石流溝在主河兩岸分布極其不對稱,表現出很大的差異性。20條泥石流溝中有15條溝分布在田灣河右岸,僅5條泥石流溝分布于田灣河左岸,且右岸的大部分泥石流溝相對于左岸偏長,發生泥石流的規模也偏大。因為兩岸的泥石流分布呈現較大差異性,因此在考慮水系結構帶來的影響時,本文將對田灣河流域左右岸這兩個差異性區域分別進行分析(表1)。

Horton定律表明:Horton比值在一個狹窄的范圍內變化,河網分支比在3～5之間,河網長度比在1.5～3之間,河網坡降比在1.5～3之間,多數天然河網都滿足該線性規律[16]。由上述田灣河流域的Horton數據(表2)可知,田灣河流域河網的分支比為4.53、2.05、1.85,符合Horton定律。

表1 田灣河兩岸的水系結構原始數據一覽表Table 1 List of original data of river system structure along both banks of Tianwan River

表2 田灣河兩岸的Horton比計算結果一覽表Table 2 List of calculation results of Horton ratio on both banks of Tianwan River

根據計算得到的田灣河流域的Horton值繪制右岸相對左岸的各級Horton比變化趨勢圖(圖3),其中橫坐標代表相對比的相鄰兩級,縱坐標代表相鄰兩級的Horton比值的相對變化率,可以發現左岸的河網分支比、河網長度比、河網坡降比三個比值在1～4級隨著河網級別升高分別趨于4、2、2,逐漸穩定;而右岸的三個Horton比雖然在正常范圍內,但是比起左岸來說偏離4、2、2較多。單就分支比RNX而言,左右岸各級變化趨勢一致,但右岸的值較大,說明右岸上一級的支流相對更多,即水系相對更加發育;就長度比RLX和坡降比RJX而言,右岸的最終平均比雖然接近2,但是各級比值變幅較大:左岸的長度比和坡降比各級變幅最大不超過0.2,而右岸長度比低至1.546,高至2.74,坡降比低至1.47,高至2.32。Horton比出現較大波動,說明該流域水系結構還未發育穩定,在流域的構造演化作用下,更易引發泥石流,增大了該區域內泥石流發生的可能性。

圖3 田灣河流域Horton比的各級趨勢變化圖Fig.3 Trend change map of Horton ratio at different levels in Tianwan River Basin

從右岸相對于左岸的Horton比變化率(表3)可以看出來:右岸河網的分支比相較左岸大,穩定增幅為0.08左右;而右岸的長度比和縱比降比與左岸相比在數值上本是偏小的趨勢,卻在3～4級之間出現驟變,相對變化率由負轉為正,且變幅的幅值較大,可以反映出Horton比在這里出現了較大波動,這也合理解釋了為何4級溝谷即田灣河兩岸主支溝易發生泥石流。

表3 右岸相對于左岸各級Horton比值的變化率Table 3 Rate of change of Horton ratios on the right bank relative to the left bank at different levels

5 結論

(1) 田灣河流域內未發生泥石流的溝谷的安全比降較集中分布在0.23～0.5,而易發生泥石流的溝谷相對未發生泥石流的溝谷的比降范圍更大、分布區間更大。研究數據表明,當溝谷上段坡度較緩時,容易在溝谷內滯留堆積物,較長時間后會形成堆積臺地,在堆積臺地前緣若下段坡度變陡會形成陡而高的臨空面,再遇雨水豐沛,堆積物便會混合雨水發生失穩下滑,更易演化成泥石流。田灣河流域內右岸溝谷的上段比降大致范圍為0.4～0.6,而下段比降大致范圍為0.2～0.4,縱比降自溝谷源頭表現為“先緩后陡”型,而左岸溝谷的上段比降大致范圍為0.2～0.4,下段比降大致范圍為0.3～0.6,縱比降自溝谷源頭表現為“先陡后緩”型,故右岸相比左岸更易發生泥石流。

(2) 水系發育且不穩定的河網形態對泥石流有觸發影響。當流域不穩定而伴隨構造作用進行演化的過程中,更易形成泥石流發生的各類條件,從而觸發泥石流。用Horton定理進行田灣河兩岸河網形態的研究時發現,田灣河右岸水系更為發育且河流溝谷的形態尚不穩定,還在演化而趨于平衡的過程中,所以發生泥石流的次數遠大于相對較穩定的左岸。