冻融条件下冰碛补给型泥石*流物源汇集过程与灾变初探

铁永波

(成都地质矿产研究所，四川成都610081)

冰碛补给型泥石流是发育在高寒山区的一种特殊灾害地貌过程，其物源主要来自于冰川运动所形成的丰富冰碛［1］。由于冰碛分布的地貌部位相对较高，故这类泥石流暴发时常伴随着频率高、运动速度快、运动距离远、冲出规模大等特点，常被人们看作是泥石流灾害中的典型［2］。由于冰碛补给型泥石流多发育在高海拔山区，具有一定的隐蔽性，加之早期的人类活动相对较弱，故这类泥石流的危害很少受到人们的关注。进入20世纪以来，随着山区人口的剧增和人类活动的加剧，在山区公路、铁路及水电站等基础设施建设过程中经常遇到这类泥石流的危害。如2005年8月11日，磨西河流域内的磨子沟、燕子沟、南门关沟和雅家埂4条沟同时暴发泥石流，泥石流冲毁房屋、公路，淤埋多座水电站并堵塞大渡河，致使1 200余名游客在海螺沟景区受阻，造成数千万元的经济损失［3］。为此，查明这类泥石流的形成机理及成灾特征，并对其开展有针对性的防范对山区经济建设具有重要意义。

在寒冷气候条件下，土壤或岩层中冻结的冰在白天融化，晚上冻结，或者夏季融化，冬季冻结，这种融化、冻结的过程称为冻融作用［4］。它主要见于冰川作用区、高山区和冻土区。冻融作用使岩石遭受破坏，松散沉积物受到挠动与再分选。随着季节的交替，冻融作用会反复发生。由于冰碛补给型泥石流多发育在高寒山区，极端寒冷及早晚温差大的气候特点及物源(冰碛)分布的地貌部位较高等使得冻融作用在这类泥石流的物源汇集过程中扮演着重要的角色。早在1980年代，在我国铁路和公路的建设过程中遇到了诸多与冰碛有关的泥石流(冰川泥石流)所引发的环境和工程问题，也重点针对这类泥石流物源的补给特征及补给方式等开展过相关研究，基本查清了冰碛在冰川水动力(冰川融水、冰湖溃决等)条件下的补给模式［5－7］。但目前对冻融条件下泥石流物源汇集机制的研究成果仍相对较少，冻融作用与冰碛补给型泥石流的孕育之间的关系等仍需深入研究。以四川省甘孜州泸定县贡嘎山东坡磨西河流域为研究区，根据流域内冰碛补给型泥石流固体物源在冻融条件下的汇集特征及汇集过程，对这类泥石流松散物源在冻融条件下汇集的影响因素、汇集阶段及其与泥石流可能的灾害演变进行了分析和预测，并根据泥石流在不同的孕育阶段提出了相应的防灾减灾对策。研究可为山区冰碛补给型泥石流的防灾减灾提供科学依据。

1 物源汇集与泥石流暴发频率关系分析

由于缺乏对泥石流历史暴发频率的长期观测和统计，尤其是在人类活动稀少的高寒山区，要确定冰碛补给型泥石流的暴发频率就显得较为困难［8］。目前对泥石流暴发频率的预测主要是基于对能诱发泥石流的暴雨频率基础上开展的，但在这一过程中往往忽略了一个重要的条件，即只有当流域内的松散物源充足的前提下，泥石流暴发的频率才取决于诱发降雨的频率，若物源条件不满足，即使再强的降雨过程也只能产生洪水，而不能形成泥石流，故采用这种方法确定泥石流的暴发频率具有一定的局限性。为此，探讨物源汇集速度及汇集量与泥石流暴发频率的关系就显得尤为重要。

通常情况下，作为冰碛补给型泥石流主要物源的冰碛具有一定的固结性，在自然状态下其稳定性相对崩坡积物较好［9］。冰碛的破坏也主要是通过重力、风化等自然作用产生崩落并在沟道内堆积，这往往需要较长时间才能积累到泥石流发生所需的固体物质量，这就会使得以冰碛补给为主要物源泥石流发生的频率相对较低。如2005年在四川省甘孜州磨西镇境内暴发的燕子沟泥石流、南门关沟泥石流及雅家埂河泥石流均属于此类。但实际上，通过我们的调查发现，由于受高寒山区气候及冰碛的分布地貌部位相对较高等特征的影响，冻融作用对高寒山区冰碛破坏的影响不亚于自然风化及重力破坏等过程。为此，在地形地貌、物源汇集类型及水动力条件均相似的同一个流域内，泥石流的暴发频率仍有高频率泥石流存在的现象。如四川省甘孜州磨西镇的小南门关沟在近几年分别于2005年、2007年、2009年和2010年暴发泥石流，海螺沟左岸的黄崩溜小沟分别于1989年、1990年、1996年、2003年、2005年及2010年发生泥石流，大约每5年就会发生泥石流。这种在同一地质环境条件下的高频与低频泥石流共生的现象为泥石流的预测预报及防灾减灾带来了一定的难度。

由于高寒山区海拔的垂直高差较大，在海拔太高(高于雪线高度)或太低(低于冻融区下界)地区的岩土体都不会产生冻融汇集过程。同时，由于高寒山区的冰川作用及后期的地表演化过程使得冰碛在不同海拔高度均有分布，且不同海拔高度的分布数量也存在差异。若某条泥石流沟的固体物源主要分布在冻融区以下的海拔高度，其物源的汇集主要受到降雨、自然风化及重力等因素的影响，其物源的汇集速度就会相对缓慢，泥石流暴发的频率也就会相对较低，如磨西河流域的南门关沟就属于这类。如果某一条泥石流沟的固体物源主要分布在冻融区的海拔范围内，则其物源的汇集除了受到降雨、自然风化及重力等因素的影响外，还受到冻融作用的影响，故其松散固体物源的汇集速度会相对较快，其汇集量也会相对较多，就可能形成高频泥石流。如海螺沟左岸的黄崩溜小沟的泥石流物源主要集中分布在海拔3 640～3 900 m，而这一地区的冻融作用是最为强烈的，故其泥石流暴发频率较高。

2 冻融条件下冰碛补给型泥石流物源汇集方式

虽然冰碛补给型泥石流的物源汇集并不像其它地区仅通过某种单一的方式完成汇集的，而是具有物源汇集过程的复合型过程，如崩滑型物源汇集及风化侵蚀型物源汇集等过程。但由于冰碛补给型泥石流孕灾环境的特殊性，高寒山区的温差大及物源分布地貌部位高等特点使得冻融作用在冰碛补给型泥石流物源汇集过程中极为重要。目前对常态下泥石流物源的汇集过程研究成果较多，但自然界仍存在许多像冰碛补给型泥石流(冻融环境下)这样在特殊环境条件下孕育的泥石流，其物源汇集乃至启动所受到的影响因素亦具有显著的独特性。对特殊条件下泥石流物源汇集机制的认识不够在我国汶川震区泥石流灾害事件中得到了深刻的启示，以至于我们难以用已有的方法对许多震区泥石流现象进行解释［10－12］。在冰碛补给型泥石流固体物源(冰碛)的冻融过程中，细小土粒的微裂隙中的水膜楔压力会随着这一过程发生变化，从而导致土体的原生稳定性产生破坏并重新堆积，成为松散的土体，为泥石流的形成提供物源条件［4，13］。根据笔者在四川省甘孜州磨西河流域的调查，冻融作用对泥石流松散物源汇集的影响主要体现在坡向、温差及海拔等方面。

2.1 循环式冻融汇集

循环式冻融汇集主要是岩土体在受到高寒山区早晚温差大这一因素的控制下，每天都会有至少一次冻融过程，使得部分岩土体稳定性受到破坏而崩落，成为松散固体物源，为泥石流的形成孕育提供必要条件。循环式冻融即当晚上温度降低到0℃以下时，含水的岩土体会产生冰冻，到次日温度升高到0℃以上时，冰冻的土体会产生融化，那些因为冰冻和融化过程中水体和冰的体积变化而使得稳定性受到破坏的土体便会脱离整体，成为松散固体物源。冰冻过程往往发生在午后气温降低和次日气温升高的时间段内，而融化过程则发生在每天气温升高到0℃以上和降低到0℃以下的时间段内，在一天中的早晚冰冻午后融化的循环的过程。

2.2 季节性冻融汇集

季节性冻融汇集主要受到季节性温差及海拔垂直高度变化等因素影响，处于永久冰冻区海拔以下和非冰冻区海拔以上部分的岩土体在冬季(或秋末、冬季及初春期间)均处于冰冻状态，待春季气温升高后才融化，并在融化过程中使得岩土体稳定性产生破坏，成为泥石流形成所必须的松散固体物源(图1a)。对于处于永久冰冻区或非冻融区的岩土体而言，则不会产生冻融过程，这些区域的松散物源则通过其它方式汇集(图1b)。

2.3 坡向式冻融汇集

在不同坡向条件下(主要为阳坡和阴坡的差异)，对于冬季处于季节性(冬季、秋末或春初)冰冻区的岩土体而言，由于受到日照的影响，阴坡在冬季基本都处于冰冻状态，这就意味着阴坡的岩土体在冬季相对稳定，只有在春季温度升高而融化时才会产生松散物源;而冬季处于季节性冰冻区内的阳坡岩土体则受昼夜温差大的影响，会产生循环式的冻融过程，即早晚冰冻，白天融化，并产生松散岩土体，成为泥石流的固体物源(图1c)。而对冬季处于非季节性冰冻区的地区而言，冬季则只有阴坡处于冰冻状态，且阴坡的冰雪在白天温度整体升高时会产生少量循环式冻融过程，阳坡则不会有冰冻或冻融过程(图1d)。

图1 冰碛补给型泥石流物源汇集特征

3 冻融条件下冰碛补给型泥石流物源的汇集阶段

泥石流的形成必须具备三个条件，陡峻的地形、丰富的松散物源和足够的水动力条件。但对我国西部山区而言，陡峻的地形和雨季集中的暴雨已经具备，而松散固体物源的丰足程度也就成了控制泥石流形成与否的关键。这种现象在冰川运动和地表深切侵蚀作用的高寒山区显得尤为明显，为此，发育在高寒山区的冰碛补给型泥石流物源汇集对这类泥石流形成的控制作用也就显得极为重要。作为山区地表演化的重要地貌过程，泥石流的运动会留下明显的地貌痕迹，如泥石流堆积扇等地貌。通过冻融作用产生的松散固体物源汇集方式与通过重力作用(如滑坡或崩塌)产生物源汇集的方式具有显著的差异。冻融作用的汇集主要是以微量(小规模)物源的方式进行，且主要堆积在沟道内，故其物源量需要通过一定时间的积累才能达到泥石流形成所需的固体物质量。通常情况下，泥石流的形成过程可用孕育→发展→暴发三阶段进行解释。同样，在冰碛补给型泥石流形成的初期阶段，其物源在冻融条件下的汇集过程亦可通过宏观或微观的微地貌特征及沟道内松散物源的丰足程度进行判断。微地貌特征主要通过沟道两岸岸坡的形态进行反应，如凸型坡、凹形坡或线形坡;沟道内物源汇集量的丰足程度则主要通过沟道内堆积物的多寡进行判断。根据泥石流松散固体物源的丰足程度及其对泥石流的形成和演化控制特点，结合四川省贡嘎山东坡磨西河流域冰碛补给型泥石流物源区的地貌特征调查，将冻融条件下冰碛补给型泥石流物源汇集可分为三个阶段:物源空旷阶段、物源丰富阶段及物源充足阶段(图2)。

3.1 物源空旷阶段

物源空旷阶段处于泥石流形成过程中的孕育阶段初期，是新一轮冻融汇集的开始或上一轮冻融汇集的结束阶段。从沟道两岸物源的地貌形态上看，沟道岸坡主要表现为均一线性坡;从沟道的地貌特征上看，沟道内松散固体物源量较少，多以粗化后的大粒径块石出露(图2a)。由于处于物源汇集的初期阶段，沟道内少量的松散固体物源远不能满足泥石流起动所需的物源量，故这一阶段不易暴发泥石流。

图2 冰碛补给型泥石流物源汇集阶段与沟道岸坡地貌对应特征

3.2 物源丰富阶段

此阶段处于一次物源汇集的中间阶段。通过一定时间的冻融汇集积累后，沟道内的松散物源量相对物源空旷阶段有所增加，且主要在沟道岸坡坡脚形成堆积，并随着汇集量的增加逐渐挤占沟道，使沟道的过流断面变窄。从沟道岸坡的地貌特征上看，岸坡坡体主要呈现上缓下陡的凸型坡(图2b)。由于这一阶段沟道内的松散固体物源量相对较多，在降雨的作用下，可能会形成一些中－小规模的泥石流。

3.3 物源充足阶段

从泥石流形成所需的物源量条件看，此阶段处于一次冻融汇集的末期阶段，即此时的物源量能满足形成泥石流所需的物源量临界值。此阶段的沟道内已经富集了大量因冻融作用而汇集的松散固体物质，对沟道造成挤压甚至堵塞;沟道岸坡的裸露面也因为层层的冻融剥离而呈现凹坡形态(图2c)。

4 泥石流物源汇集阶段与防灾减灾对策

在泥石流的孕灾过程中，松散固体物源的汇集速度和汇集量的多寡对其演化阶段有着决定性的作用。若松散物源的汇集量少，则不易形成泥石流，对其防治也就相对简单。反之，若物源较为丰富，则容易发生泥石流，对其防治也需要更为系统和全面。同样，若一条泥石流沟的松散固体物源汇集速度相对较快，达到泥石流形成所需物源量的汇集时间就相对较短，则容易形成高频泥石流;反之，若物源的汇集速度相对较慢，则容易形成低频率的泥石流。为此，通过对流域物源的识别对泥石流的可能发展趋势进行预测并制定相应的防灾减灾对策具有现实意义。根据对冰碛补给型泥石流物源汇集阶段的划分不难看出，物源汇集的三个阶段可对应着这类泥石流的不同灾变阶段，这些灾变阶段又与处于各自阶段的泥石流预测及预警预报有着重要的联系(图3)。

图3 冻融条件下冰碛补给型泥石流物源汇集阶段与减灾模式

松散物源汇集的空旷阶段是泥石流孕灾的早期，由于这一阶段不具备形成泥石流所必需的充足物源，故诱发泥石流灾害的可能性相对最小。为此，可将这一物源汇集阶段看作是泥石流孕灾的初期。对这一阶段的泥石流防灾减灾对策而言，主要以泥石流的预测为主，重点开展泥石流物源汇集速度和汇集量的定期监测，并根据汇集特征对泥石流形成的发展趋势做出预测。

松散物源汇集的丰富阶段处于泥石流孕灾的中期，由于沟道内松散物质的汇集量逐渐增多，物源在沟道径流的作用下可能会启动并形成中－小规模的泥石流。为此，对这一阶段可能的泥石流灾害防范需要以预测为主。即通过对流域内松散物源的规模进行预测，判断可能会发生泥石流的最大规模，并预测在特定规模泥石流发生后可能会造成的影响区域和危害对象。主要对上游开展物源量调查和估算，并在下游潜在危险区做好相应的预警和防范。

由于物源汇集的充足阶段已基本具备了泥石流形成所需的固体物质，故此阶段属于泥石流孕灾的后期，只要降雨条件达到启动的临界条件，就会诱发泥石流，且泥石流的规模和频率主要取决于降雨量大小和频率。为此，这一阶段无需再对上游的物源汇集速度和汇集量开展定期监测，而是要在下游泥石流的潜在危险区制定针对性的预警预报措施，以预警预报为主，为泥石流暴发后做好应急准备。

5 结论

冰碛补给型泥石流多发育在高寒山区，其隐蔽性和早期人类活动稀少使得人们对其不够关注。近年来，随着山区水电资源、旅游资源及矿产资源开发以及公路铁路建设进程的加快，冰碛补给型泥石流的危害已成为山区经济建设中的一个突出问题。论文针对这类泥石流的孕灾过程及特点，对其物源汇集方式及汇集阶段进行分析，尝试查清这类泥石流物源的汇集过程与灾变之间的联系，主要得到以下三点结论:

(1)冻融过程是在高寒山区特定条件下存在的一种现象，其对高寒山区的地表演化过程具有举足轻重的作用。冰碛补给型泥石流物源分布的高位性使得冻融过程与这类泥石流的形成及演化有着密切的联系。论文通过对四川省泸定县境内贡嘎山东坡磨西河流域内冰碛补给型泥石流物源汇集特征与冻融作用关系的分析，对冻融条件下这类泥石流物源汇集的三种方式及影响因素进行了定性的阐述，为认识这类泥石流的形成机理及其物源汇集与冻融作用的定量研究奠定了基础。

(2)论文根据冰碛补给型泥石流物源汇集的特征及过程，提出了物源汇集的“三阶段模式”，即物源空旷阶段、物源丰富阶段及物源充足阶段。并对不同物源汇集阶段能形成泥石流的可能及防灾减灾对策进行了探讨。泥石流物源汇集阶段的划分对目前依赖于降雨的泥石流预警预报向基于物源汇集程度的泥石流预测及预警预报提供了基础，对泥石流预测及预警预报方法的多元化探索具有一定的实践意义。

(3)泥石流的物源汇集阶段与其灾变具有内在的必然联系，这种相互之间的联系可通过宏观的或微观的地貌特征找到证据。论文通过探讨泥石流物源区冻融作用与沟道岸坡的坡型特征，构建了泥石流物源汇集阶段和泥石流孕灾阶段与沟道岸坡坡型的对应关系，可作为对这类泥石流开展野外调查和对其发展与演化趋势进行识别和判别的依据。

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