物源条件对震后泥石流发展影响的初步分析

胡凯衡，崔 鹏，游 勇，陈晓清

（1.中国科学院 山地灾害与地表过程重点实验室，四川 成都 610041；2.中国科学院 水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041）

0 引言

泥石流滑坡等地质灾害与强震的时空分布具有非常密切联系［1］。我国泥石流灾害最为严重的四个区域（藏东南、金沙江下游、四川西部、白龙江流域）也是构造活动强烈，6级以上地震发生次数较多的地区。而强震发生后很长一段时间内都是泥石流灾害的活跃期。比如，西藏波密的古乡沟受1950年察隅大地震的激发，于1953年暴发了空前规模的泥石流，堵断了迫隆藏布江。此后的20多年里，泥石流一直非常活跃。1972年松潘—平武7.2级和1973年炉霍7.9级地震发生后，四川甘孜、凉山州的泥石流呈带状成群分布的现象，进入长达十余年的泥石流活动活跃期。日本关东地震［2］、台湾集集地震［3-4］和汶川大地震［5-6］都表明：强震过后一段时间内，泥石流的数目、规模和频率会大大增加，泥石流的激发雨量显著降低。甚至震前没有发生过泥石流的流域也会爆发大规模的泥石流。发生这种变化的主要原因在于地震前后流域物源条件的变化。强震引发了大面积、数量众多的滑坡崩塌滚石等地质灾害。而这些灾害产生的大量松散物质堆积于上游坡面和沟道，为泥石流提供了丰富的物源。

震后泥石流的活跃性和其物源条件是息息相关的。对这两者趋势发展的一种最直接的想法就是，泥石流每发生一次就带走一部分的松散物质，而随着松散物质总量的减少，泥石流活跃性就逐渐减弱。但是，究竟流失多少松散物质之后，泥石流活跃性才会停止？地震泥石流的爆发规模如何随物源条件的变化而变化？震后泥石流的活跃期有多长等等？这些问题目前都没有一个明确定量的回答。比如在震后泥石流活跃期问题上，就众说不一。唐川等认为滑坡泥石流活动将持续 5～10 年［7］，崔鹏等［8］汶川灾区泥石流活跃期将维持20～30年，谢洪等［9］则认为强烈泥石流活动可能持续10～30年，甚至更长。这些问题目前没有确切和 统一的回答都是因为缺乏一个能定量预测震后泥石流发展趋势的数学模型。

本文拟就上述对汶川地震灾区灾后恢复重建、泥石流灾害防治都非常关键和迫切需要回答的问题，根据西藏波密古乡沟和云南东川蒋家沟的长期历史数据，初步分析了物源条件对震后泥石流发展趋势的影响，为建立一个震后泥石流发展趋势的定量预测模型打下基础。

1 地震泥石流的活跃性

泥石流的活动阶段一般可以分为发展期、活跃期和衰弱期。对于地震诱发的泥石流而言，没有发展期，只有活跃期和衰弱期。泥石流活跃性的强弱反映了其活动处于哪个阶段。但是，目前泥石流活跃性没有准确定义和相应的量化指标。下面通过西藏古乡沟和云南蒋家沟泥石流活动的历史资料和数据来分析震后泥石流的活跃性，建立活跃性的量化指标。整个的分析以年为时间单位。

1.1 蒋家沟和古乡沟泥石流

蒋家沟位于云南昆明市东川区境内，N26°15′52″，E103°06′47″，流域面积 48.6km2，主沟长 13.9km，最高海拔3269m，相对高差2180m，是一条高频泥石流沟，平均每年暴发15次，最高达28次。蒋家沟位于著名的小江大断裂中端，沟口恰好是小江大断裂东、西两支断裂的交汇处，地震活动频繁，1966年2月5日，就在沟口附近发生了6.2级和6.5级双核地震。从1961年开始，中国科学院就在该流域开展了定点的泥石流观测，积累了长时间序列的观测数据。

古乡沟位于西藏波密县境内，N29°55′13″，E95°26′40″，流域面积 25.2km2，最高海拔 6298m，相对高度3768m，受1950年察隅大地震的激发，于1953年暴发了空前规模的泥石流，堵断了迫隆藏布江。此后的20多年里，泥石流一直非常活跃。1963年开始，中国科学院兰州冰川所、成都山地所和西藏自治区政府对古乡沟开展了30多年的考察和研究，积累了大量的数据资料。综合公开出版的文献［10-14］，将古乡沟泥石流活动历史归纳为表1。

1.2 泥石流活跃性指标

泥石流的活跃性与泥石流的规模和频率既有联系又有区别。某条沟在一定时期内泥石流发生的次数多、规模大，说明该沟的泥石流比较活跃。但如果直接用表征泥石流规模的量，比如年输沙总量或者最大峰值流量，来量化泥石流的活跃性。那么，在短暂的平静期间泥石流的活跃性就等于零。比如，古乡沟泥石流1953年到1957年极度活跃，而接下来的两年比较平静。1960年开始，又暴发比较频繁。1966年到1974年，又进入一个平静期。又比如四川清平的文家沟，2008年9月24日发生了大规模的泥石流，2009年没发生泥石流，而2010年8月13日、18日、19日都爆发了大规模泥石流。如果按照规模或发生次数来表征活跃性的话，古乡沟1958～1959年和1966～1974年间活跃性就为零。但是，对某条泥石流沟而言，活跃或者不活跃应该是一种长期的状态。一两年没有发生泥石流并不表明这个流域就不活跃。一般所说的泥石流活跃期都是没有去掉短暂的平静期。因此，年发生次数和输沙总量等会出现跳跃的量不适宜表征活跃性。考虑到这一点，就需要采用一个能反映泥石流流域长期活动特征的连续的量来表征泥石流的活跃性。为此，我们在年输沙总量的基础上构造了一个连续量来表征泥石流的活跃性：

表1 古乡沟泥石流事件表Table 1 Chronology of debris flow Events in Guxiang basin

式中：V（i）——地震后第i年的泥石流输沙总量；

1.3 两种泥石流流域

根据公式（1）所定义的泥石流活跃性指标，下面具体分析蒋家沟和古乡沟泥石流的活跃性随时间的变化（图1）。蒋家沟的数据来自王裕宜等［15］《中国科学院东川泥石流观测研究站观测实验资料集（1995-2000）》和《中国科学院东川泥石流观测研究站观测数据（2001-2007）》，时间从1966年到2004年。古乡沟则没有详细完整的输沙量观测记录。根据文献［10-14］的资料，这里采用三种方法还原古乡沟从1953年～1994年的年输沙量。第一是文献中有明确数据的，采用文献的记录，比如1953年的输沙量约在1000×104m3左右。第二是从所记录的年最大峰值流量根据经验公式Qc=16.7Wc［11］来推算年输沙量。第三是对只有定性描述的年份，如1958年～1959年、1966年 ～1974年泥石流相对平静期，按每年10×104m3来推测，1981年 ～1989年和1991年～1994年则按每年5×104m3来推测。

图1 蒋家沟和古乡沟的逐年平均输沙量变化曲线（横坐标使用的是绝对年份，而不是直接用n）Fig.1 Variations of Mean annual sediment discharges in Jiangjia basin and Guxiang basin

从图1可以看出，蒋家沟和古乡沟泥石流的发展趋势是不同的。蒋家沟泥石流在近40a的时间内，活动性并没有明显的减弱。而古乡沟泥石流是逐年降低，最终趋于一个稳定的值。Bovis和 Jakob［16］根据物质供给条件的不同将泥石流流域分为松散物质供给有限和无限两种类型。前一种类型只有在松散物质累积量和降雨量都超过阈值后才会发生泥石流。而后一种类型泥石流发生的与否只取决于降雨条件。受其启发，根据蒋家沟和古乡沟的活跃性变化曲线，我们将震后泥石流流域分为两种类型：

（1）降雨控制型泥石流流域：泥石流的活跃性在震后很长一段时间内都不衰减，松散物质的供给充足，每年输出的物质占总物质储量的很小一部分。泥石流的发生主要取决于降雨条件，一般为高频泥石流。这种流域泥石流规模与频率的关系大致和暴雨一致，可以使用雨洪修正法来计算，比如蒋家沟。

（2）物源控制型泥石流流域：随着物源量的显著减少，泥石流活动逐渐减弱，流域趋于稳定，活跃性随着时间逐渐衰减。最大规模的泥石流发生于地震过后的短时间内。而第一种类型的泥石流沟在震后短期内发生的泥石流并不是最大规模的。泥石流规模和频率的关系与暴雨不一致，即5～20a一遇的暴雨也可能引发100a一遇的低频泥石流。

2 衰减指数和稳定界限

为了进一步分析物源控制型流域泥石流活跃性的衰减过程，需要消除泥石流流域输沙规模或（n）量纲的影响。这里采用流域第1年的输沙量（1）作为特征量来进行无量纲化。由图2，古乡沟的活跃性在第1年（1953年）最大，等于1。随着沟内松散物质储量的减少，其活跃性逐渐降低，到1979年，降为0.12。根据古乡沟泥石流的历史事件表（表1），这时可以认为古乡沟的泥石流进入了稳定或者衰弱期（图2），不会再有大规模的泥石流事件发生。

图2 无量纲化后古乡沟的活跃性指标变化曲线（虚线为D=0.12）Fig.2 Dim ension less debris－flow activity index of Guxiang basin

根据图2中无量纲化后古乡沟的数据点，采用如下幂函数形式来拟合活跃性衰减曲线：

式中：D——无量纲化后的活跃性指标；

a——地震泥石流活跃性衰减指数。拟合的结果为：a=-0.6352，95％的置信区间为（-0.646，-0.6244），R2等于0.9923。就古乡沟的数据来说，幂函数比较好地描述了泥石流活跃性的衰减过程。这种衰减过程是伴随着松散物质存储量的减少而发生的。据文献［10］，泥石流爆发前古乡沟上游松散物质的存储量约为4.1×108m3，而1953年到20世纪80年代，搬出山外的固体物质约为1.5×108m3。那么，剩余物质储量与最初的总物质储量之比为0.61，与衰减指数a的绝对值很接近。这也说明泥石流活跃性的衰减与物源的减少具有密切的关系。

对于汶川地震灾区，因为目前没有更多的震后泥石流流域输沙量数据。所以无法对稳定界限值、衰减指数等作更进一步的研究。根据汶川地震灾区泥石流在地震前后的活动特点推测，其泥石流流域类型可能以物源控制型为主，与古乡沟泥石流类似。但根据古乡沟衰减曲线的稳定界限，可以大致对汶川震后泥石流的活动做个简单的推测。以岷江干流位于汶川县银杏乡境内的磨子沟为例，该沟2008年泥石流的固体物质输出量在150×104m3左右。如果磨子沟的活跃期为15～20a，那么推测磨子沟在稳定之前输出的固体物质量约为1.8～2.4倍的（1），即在 270～360×104m3左右。

3 结论和讨论

强震过后沟道内的松散物质增多。在一定时期内泥石流的活跃性增强，即数量显著增多，规模增大，频率增加。而随着震后松散物质储量的减少，泥石流的活跃性也会衰减。我们使用震后泥石流逐年平均输沙量作为刻画泥石流活跃性的指标，初步分析了蒋家沟和古乡沟泥石流活跃性的变化过程。结果表明：

（1）存在降雨控制型和物源控制型两种泥石流流域。前者的泥石流在震后很长一段时间内都不衰减，其发生主要取决于降雨条件，一般为高频泥石流。后者最大规模的泥石流发生于地震过后的短时间内，尔后泥石流活动随时间显著减弱。后者的泥石流规模和频率的关系与暴雨不一致。

（2）可以认为当某一泥石流流域的无量纲化活跃性指标值降为0.12左右时，该流域进入了泥石流稳定或者衰弱期，不会再有大规模的泥石流事件发生。

（3）幂函数比较好地描述了物源控制型泥石流活跃性的衰减过程。其衰减指数与剩余物质储量和总物质储量之比存在密切的关系。这为定量预测震后泥石流发展趋势提供了一个初步的模型。

［1］马东涛，石玉成.试论地震在泥石流形成中的作用［J］.西北地震学报，1996，18（4）：38-42.MA Dongtao，SHI Yucheng.An approach on effects of earthquakes on formation of debris flow［J］.Northwestern Seismological Journal，1996，18（4）：38-42.

［2］日本：中村浩之，土屋智，井上公夫，等.地震砂防［C］.社團法人砂防學會、地震砂防研究會，古今書院，2000：190-220.Nakamura， H.，Tsuchiya，S.，Inoue，K.，et al.Sabo against Earthquakes［C］.Kokon Shoin，Tokyo，Japan.2000：190-220.

［3］Lin，C.W.，C.L.Shieh，et al.Impact of Chi-Chi earthquake on the occurrence of landslides and debris flows：example from the Chenyulan River watershed，Nantou，Taiwan.［J］.Engineering Geology，2004，71（1-2）：49-61.

［4 ］Lin，C.W.，Liu，S.H.，Lee，S.Y.，et al.Impacts on the Chi-Chi earthquake on subsequent rainfall-induced landslides in central Taiwan［J］.Engineering Geology，2006，86（2-3）：87-101.

［5］崔鹏，韦方强，陈晓清，等.汶川地震次生山地灾害及其减灾对策［J］.中国科学院院刊，2008，23（4）：317-323.CUI Peng，WEI Fangqiang，Chen Xiaoqing，et al.Geohazards in Wenchuan Earthquake Area and Countermeasures for Disaster Reduction［J］.Bulletin of the Chinese Academy of Sciences，2008，23（4）：317-323.

［6］黄润秋，李为乐.“5.12”汶川大地震触发地质灾害的发育分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（12）：2585-2592.HUANG Runqiu，LIWeile.Research on development and distribution rules of geohazards induced by Wenchuan earthquake on 12th May，2008［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（12）：2585-2592.

［7］Tang C，Zhu J，Li W L.Rainfall triggered debris flows after Wenchuan earthquake［J］.Bull.Eng.Geol.Environ.，2009，68：187-194.

［8］崔鹏，韦方强，何思明，等.5.12汶川地震诱发的山地灾害及减灾措施［J］.山地学报，2008，26（3）：280-282.CUI Peng，WEI Fangqiang，HE Siming，et al.Mountain disasters induced by the earthquake of May 12 in Wenchuan and the disasters mitigation［J］.Journal of Mountain Science，2008，26（3）：280-282.

［9］谢洪，钟敦伦，矫震，等.2008年汶川地震重灾区的泥石流［J］.山地学报，2009，27（4）：501-509.XIE Hong，ZHONG Dunlun，JIAO Zhen，et al.Debris flow in Wenchuan quake-hit area in 2008［J］.Journal of Mountain Science，2009，27（4）：501-509.

［10］杜榕桓，李鸿琏，王立伦，等.西藏古乡沟冰川泥石流的形成与发展［A］.中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊第4号（中国泥石流研究专辑）［C］.北京：科学出版社，1985：1-18.DU Ronghuan，LI Honglian，WANG Lilun，et al.Formation and development of glacial debris flow in the Guxiang Gully，Xizang［A］.Memoirs of Lanzhou Institute of Glaciology and Cryopedology of Chinese Academy of Sciences（No.4）［C］.Beijing：Science Press，1985：1-18.

［11］王文濬，章书成，王家义，等.西藏古乡沟冰川泥石流特征［A］.中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊第4号（中国泥石流研究专辑）［C］.北京：科学出版社，1985：19-35.WANG Wenjun，ZHANG Shucheng，WANG Jiayi，et al.Properties of glacial debris flow in the Guxiang gully，Xizang［A］.Memoirs of Lanzhou Institute of Glaciology and Cryopedology of Chinese Academy of Sciences（No.4）［C］.Beijing：Science Press，1985：19-35.

［12］杜榕桓，章书成.西藏古乡沟1953年特大冰川泥石流剖析［A］.中国科学院兰州冰川冻土研究所集刊第4号（中国泥石流研究专辑）［C］.北京：科学出版社，1985：36-47.DU Ronghuan，ZHANG Shucheng.A large-scale glacial debris flow in the Guxiang gully of Xizang in 1953［A］.Memoirs of Lanzhou Institute of Glaciology and Cryopedology of Chinese Academy of Sciences（No.4）［C］.Beijing：Science Press，1985：36-47.

［13］罗德富，毛济周，等.川藏公路南线（西藏境内）山地灾害及防治对策［M］.北京：科学出版社，1995：179-187.LUO Defu，MAO Jizhou，et al.Mountain hazards and their countermeasures along the South section of Chuan-Zang highway［M］.Beijing：Science Press，1995：179-187.

［14］朱平一，何子文，等.川藏公路典型山地灾害研究［M］.成都：成都科技大学出版社，1999：54-102.ZHU Pingyi，HE Ziwen，et al.A study of typicalmountain hazards along Sichuan-Tibet highway［M］.Chengdu：Chengdu Science and Technology University Publishing House，1999：54-102.

［15］王裕宜，李昌志，洪勇.暴雨泥石流输沙年际变率的旋回性研究［J］.自然灾害学报，2000，9（4）：99-104.WANG Yuyi，LI Changzhi，HONG Yong.Study on the cyclic property of the annual sediment discharge variation of debris flows at Jiangjia Ravine，Yunnan［J］.China Journal of Natural Disasters，2000，9（4）：99-104.

［16］Bovis，M.J.， Jakob M.The role of debris supply conditions in predicting debris flow activity［J］Earth Surf.Process.Landforms，1999，24：1039-1054.