5·12汶川地震对磨子沟的影响及震后泥石流活动状况

苏鹏程，韦方强，程尊兰

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

5·12汶川地震触发了上万处的崩塌、滑坡，为泥石流活动提供了丰富的物源［1－2］。泥石流流域物源条件的改变，导致震后泥石流发生的临界雨量条件降低，泥石流活动频度和强度明显增加，地震灾区震后泥石流活动将进入新的活跃期［1，3］。震后汛期汶川地震灾区已经暴发了大量的泥石流灾害［4－6］。地处四川省汶川县银杏乡岷江上游右岸的磨子沟(属汶川地震烈度的Ⅺ区)震后的泥石流活动异常活跃，2008－2011年汛期磨子沟多次暴发泥石流并堵塞岷江。

为分析震后磨子沟泥石流的成因和活动特点，研究磨子沟未来泥石流活动趋势，本文根据现场调查，通过遥感影像解译结果估算了震后磨子沟新增物源规模，并结合区域地质构造、地形地貌及雨量条件等，分析了震后磨子沟泥石流的活动特征，对磨子沟未来泥石流的发展趋势进行了初步分析。

1 研究区概况

磨子沟位于四川省汶川县银杏乡一碗水村，系岷江上游右岸一级支沟，从西向东近于直角汇入岷江，G317 线从沟口通过，沟口坐标为N31°09'01.2″，E103°29'11.8″(图1)。磨子沟流域面积7.3km2，主沟长度5.2km，流域相对高差2 569 m(最高点3 556 m，最低点987 m)，主沟道平均纵比降为493‰，地形十分陡峻(图2)。磨子沟位于龙门山断裂带腹地，在空间位置上处于龙门山主中央断裂(北川－映秀断裂)和后山断裂(茂汶断裂)之间，距离映秀仅12km。根据中国地震局编制的汶川地震烈度分布图，磨子沟属于地震烈度的Ⅺ区。

图1 磨子沟流域地理位置示意图Fig.1 Location of Mozi gully

图2 磨子沟流域地势图Fig.2 Topography of Mozi gully

图3 磨子沟流域地质图Fig.3 Geologic map of Mozi gully

磨子沟内地层为元古代晋宁－徵江期的侵入岩，岩性以抗风化能力较强的中粒花岗岩为主流域下游分布有石英闪长岩，右岸局部出露辉长岩流域中、上游主要分布有斜长花岗岩，源头地区出露少量的中粒黑云花岗岩

受气候水平地带性影响，整个汶川县的气候，大致以银杏乡梭坡店为界，分为南、北2个气候区，北部属暖温带大陆性半干旱季风气候区，南部属于山地亚热带湿润季风气候区，降雨量从北向南逐渐递增。磨子沟流域位于南部，受夏季太平洋暖流高压控制和冬季盛行西北高原干冷气流的影响，气候特征呈现为:四季分明，夏季湿热、多雨多涝，秋绵雨危害严重，气温年较差小、无霜期长、光照不足等特征。梭坡店至下游的映秀、漩口和三江一带，是川西的多雨中心之一，尤其在雨季(5－9月)，受西南和东南暖湿气流共同影响，常有暴雨出现［7］。位于磨子沟下游12km的映秀镇多年平均降雨量为1 253mm，其中7－9月的降雨量占全年的57.9%(图4)。受局部地形影响，流域内的气候也具有明显的垂直地带性。

图4 距磨子沟最近的映秀镇多年平均月降雨量分布图Fig.4 Distribution of average monthly rainfall in Yingxiu town which is closest to Mozi gully

2 汶川地震对磨子沟的影响

根据实地调查访问，汶川地震前100年内磨子沟未有泥石流活动记录。汶川地震使得磨子沟流域内地貌发生了巨大变化，对比震前(图5)、震后(图6)的遥感影像，震后流域内大量崩塌、滑坡产生的松散堆积体进入主沟，造成了严重的堵塞，并使得沟道中、上游难以通行，在不时余震作用下，两侧岸坡仍有滚石落在坡脚或滚入沟中(图5至图8)。

图5 磨子沟震前影像(2005年6月26日)Fig.5 Satellite image of Mozi gully before the earthquake(June 26，2005)

图6 磨子沟震后影像(2008年6月3日)Fig.6 Satellite image of Mozi gully after the earthquake(June 3，2008)

根据现场调查及遥感影像统计，震后磨子沟流域内73.2%的区域发育有不同程度的崩塌和滑坡，平均厚度约5～10 m，初步估算流域内固体物质达3×107m3，其中动储量约6×106m3，崩塌、滑坡体堵塞沟道形成8处堰塞体(表1、图6)。将规模最小并位于沟口的8号崩塌体航空影像(图7)和实地照片(图8)进行对比，其他崩、滑体的规模可见一斑。流域内巨量的物源和严重的堵塞条件，以及高达493‰的沟床纵坡比降，使得震后磨子沟极易受暴雨诱发形成泥石流，并且容易形成一个崩、滑堆积体－泥石流－冲刷坡脚－新的崩塌、滑坡－堵塞－溃决－形成更大规模泥石流这样的灾害链。堵溃后的泥石流其规模和破坏作用将更大，震后汛期磨子沟泥石流多次堵江即是最好的证明。

表1 磨子沟大型崩塌、滑坡形成的堰塞体统计表Table 1 Statistics of dams caused by large collapses and landslides in Mozi gully

图7 磨子沟下游震后航空影像(1∶5 000，国家基础地理信息中心，2008年6月)Fig.7 Aerial image of downstream Mozi gully after the earthquake(1∶5 000，from National Geomatic Center of China，June，2008)

图8 磨子沟沟口左岸8#大型崩塌体Fig.8 The eighth collapse at the left bank of Mozi gully estuary

3 汶川地震后的泥石流活动

3.1 磨子沟泥石流激发雨量条件变化

磨子沟流域内积累的巨量物源以及严重的沟道堵塞条件使得磨子沟震后泥石流活动极其活跃。在暴雨激发作用下，2008年7－9月，磨子沟以阵性流的方式累计发生75阵阵流。其中，2008年7月14日、8月6日、8月21日和9月24日的泥石流规模较大，前3次均堵断过岷江，其中7月14日堵江时间最长达30 min;2009年的8月26日、9月14日;2010年8月14日;2011年7月4日、9月7日磨子沟也再次发生泥石流并堵塞岷江。

根据距离磨子沟15km的都江堰市气象站的雨量监测，2008年7月1日到2008年9月30日，48 d有降雨记录，有7 d雨量超过25mm，均有泥石流发生。同样，2009－2011年泥石流的发生也与降雨过程十分吻合。根据现场调查，当地居民对2008年7月14日、8月6日、8月21日和9月24日;2009年8月26日、9月14日;2010年的8月14日;2011年7月4日和9月7日等9次泥石流有着深刻印象。需要指出的是受山区地形条件影响，磨子沟流域实际降雨量可能更大，但由于缺乏更为精确的降雨资料，本研究利用都江堰站的数据作为参考，而泥石流的实际发生情况也佐证了这种参考的价值。

根据谭万沛［8］的研究，在汶川地震以前，龙门山地区诱发泥石流的日降雨量为80～100mm。而纵观震后2008－2011年7－9月的降雨情况(图3至图13)，不难看出2008年在24 h降雨量达到大雨量级(≥25mm)时，磨子沟均发生了较大规模的泥石流，其中最低为9月24日的27.8mm;2009年激发泥石流的最低雨量为9月20日的30mm;2010年激发泥石流的最低雨量为9月16日的35.5mm;2011年9月7日则已经逐渐增至39.4mm(图9)。从图9中也可以看出，震后磨子沟激发泥石流的日降雨量急剧降低后，目前有逐步回升的趋势。根据2008－2011年发生的最低雨量条件，可以初步估算磨子沟发生泥石流的最低日雨量条件至少需要在2020－2026年才能逐渐恢复到震前80～100mm的水平(图10)。

图9 2008-2011年7-9月降雨过程及磨子沟激发泥石流最低日降雨量Fig.9 Rainfall history and the minimum daily precipitation which causes debris flow during July to September from 2008 to 2011 in Mozi gully

图10 震后磨子沟激发泥石流的最低日雨量条件恢复过程示意图Fig.10 Process of the recovery of minimum daily precipitation which causes debris flow in Mozi gully

3.2 泥石流对微地貌的影响

根据不同时期的现场测量，磨子沟震后4年已发生的泥石流堆积物总量有250×104m3。泥石流出山后迅速在开阔的河滩地上扩散开来，将沟口G317线约500 m的公路(含一座跨沟公路桥)完全淤埋，沟口地貌形态由“V”型(中间低，两边高)变成“W”型(原沟谷被填满，使得中间高，两边低，图11至14)，堆积扇具有明显的垄岗状地貌特征，下游沟道两侧也具有明显的侧积现象和侧积垄(图15)。通过在堆积区 N31°08'59.0″，E103°29'10.9″的点实地取样分析，密度为1.95 g/cm3，属于黏性泥石流。

图11 磨子沟泥石流堵塞岷江(堆积扇前缘已被清理，2009年7月)Fig.11 Minjiang river blocked by debris flows in Mozi gully(front of the accumulation fan being removed，July，2009)

受磨子沟泥石流堆积扇主扇体和残余堆积扇的顶托和逼迫，岷江水流加剧了对沟口下游岷江右岸坡脚的冲刷，将正在恢复重建的老G317线的路基多次冲毁。同时，磨子沟泥石流堵塞岷江后在上游形成了堰塞湖，其回水淹没了银杏乡一碗水村的民房。根据2008年12月枯水期现场调查，堰塞湖最高水位比河床高15 m，回水约3km，对应的堰塞湖水深有8 m，回水1km(图16)。由此可以推断在2008年汛期的7－9月，磨子沟的泥石流发生堵江时堰塞湖的水位比12月实地测量时高7 m。从河床演变的角度来说，泥石流堵塞岷江形成的堰塞体，使上游的河床比降变小，利于泥沙沉积，下游河床的比降变大，冲刷切割加剧。而从灾害学的角度来说，泥石流堵河后，抬高上游水位，使上游沿江两岸低洼处的居民点和农田被淹;堰塞体溃坝后形成的高位洪水又对下游造成危害［9－12］。

图12 磨子沟泥石流堵塞岷江前后地貌变化示意图(纵剖面)Fig.12 Vertical profile of landform change before and after the debris flows in Mozi gully

图13 磨子沟发生泥石流后遥感影像(2010年12月10日)Fig.13 Satellite image of Mozi gully after the debris flows(December 10，2010)

图14 磨子沟泥石流堵江示意图Fig.14 Sketch map of Minjiang river blocked by debris flows in Mozi gully

图15 磨子沟下游沟道的泥石流侧积现象Fig.15 Debris flow accumulated in downstream Mozi gully

图16 磨子沟堵塞岷江形成的堰塞湖淹没民房(2008年12月)Fig.16 Submerged houses in dammed lake induced by debris flows in Mozi gully(December，2008)

3.3 磨子沟泥石流堵江分析

泥石流堵塞河流形成堰塞湖，是泥石流造成的常规危害外最严重的次生灾害之一［13－16］。由于汶川灾区高山峡谷的地貌特点，十分有利于泥石流堵江事件的发生。本研究拟在现场泥痕调查和断面测量的基础上，尝试从泥石流性质、泥石流峰值流量以及交汇处的地形条件等进一步探讨泥石流堵江的成因，并结合流域内的物源条件对磨子沟未来的泥石流活动趋势进行分析和预测。

3.3.1 磨子沟泥石流堵江规模分析

依据泥石流堵河经验公式［17］，结合实地测量数据，磨子沟与岷江汇流处堵河需要的最小土石方量(泥石流规模)为

式中:Vc为堵塞河需要的最小土石方量;Φs为内摩擦角;Bw为主河宽度;Hw为主河水深［11］。一般取Φs=25°，根据现场测量，Bw=115 m，Hw=12m，则 Vc=5.1×104m3。

通过计算可以判断在磨子沟泥石流堵江的规模均大于5.1×104m3。

根据现场实测的3个断面(见图11中的Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'，Ⅲ-Ⅲ'断面)，其泥痕调查形态参数见表2、图17，可以计算堵江泥石流的实际峰值流量。

根据泥石流流速经验公式计算磨子沟的泥石流流速［17－18］:

图17 现场实测的断面图Fig.17 In-situ measured cross sections

表2 磨子沟流域断面形态参数及流速、流量计算结果Table 2 Shape parameters of cross sections and calculated debris flow velocities and discharge volumes in Mozi gully

式中，Uc为泥石流断面平均流速(m/s);nc为黏性泥石流沟床糙率;Hc为计算断面平均泥深(m);Ic为泥石流水力坡度，一般可用河床纵坡代替(‰)。

根据野外现场泥痕调查，结合经验判断，得出nc=0.445。Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'和Ⅲ-Ⅲ'断面的泥深 Hc、河床纵坡Ic和断面面积S见表2。通过计算得出通过Ⅰ-Ⅰ'，Ⅱ-Ⅱ'和Ⅲ-Ⅲ'3个断面的流速Uc分别为4.78，4.62，3.39m/s，其对应峰值流量见表2。从而可以得出磨子沟震后已发生的泥石流最大流量为Qc=679.1 m3/s。

每年5－10月为岷江丰水期，水量常占全年的80%左右。根据磨子沟上游的姜射坝以及下游的太平驿和紫坪铺3个水文站统计的岷江多年平均流量分别为224，363，459 m3/s。磨子沟与岷江汇流处的流量与太平驿水文站的流量较为接近，这里取QH=363 m3/s。根据2008年四川省水文局岷江水文站7－9月的水情简报，岷江7，8，9月最大流量与多年同期均值比较，分别偏小60%，60%，10%［19］。因此，2008年7月14日的泥石流流量与主河流量的关系，属于主弱支强型，加剧泥石流在汇流处的淤积，造成了堵江。

根据实地调查了解，震后磨子沟2008年7月14日发生的泥石流规模最大，持续时间约T=30min。将其过程概化为“三角形”过程线，依据式Vmax=19TQc/72［17］，计算出磨子沟一次冲出泥石流最大方量 Vmax=2.57×105m3，远大于5.1×104m3的下限。

3.3.2 不同暴雨频率下泥石流流量

采用配方法计算磨子沟泥石流流量［16－17］，根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》(1984)的方法进行计算。

首先由水科院公式计算清水流量

当全面汇流条件下

当部分汇流条件下

上述式中:Qp为频率P下的暴雨洪峰流量(m3/s);ø为洪峰径流系数;i为最大平均暴雨强度(mm/h);S为最大1小时暴雨量(mm);F为流域面积(m2);τ为流域汇流时间(h);μ为洪水经验参数;τ为产流参数，即产流历时内流域平均入渗强度(mm/h);n为暴雨公式指数;τ0为当ø=1时的流域汇流时间;tc为产流历时(h);m为汇流参数;J为沿主沟的平均坡降(‰);L为自出口断面沿主沟道至分水岭的主沟长度(km)。

其中需要确定的7个参数，即F，L，J，S，n，m，μ，其中流域特征参数值F，L，J为独立定量参数，由地形图直接量取;H24为24 h降雨量;暴雨雨力由S=Kp×24(n－1)×H24计算获取;n，m，μ为经验参数，可以与 Kp一起通过查阅《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》获得，其中 Kp在10%，5%，3.3%，2%，1%等不同频率下的取值分别为1.73，2.08，2.31，2.54，2.88，其余各参数取值见表3。

泥石流流量是在清水流量的基础上，加入泥沙石块部分的流量，因而采用配法计算，

表3 磨子沟清水洪峰流量计算参数取值Table 3 Calculation parameters of peak water discharge in Mozi gully

式中:Qp为清水流量;Qc为泥石流流量;D为堵塞系数;φ为泥沙系数。其中泥沙系数φ按下式计算:φ=(γC－1)/(γH－γC)，γC和γH分别为泥石流的密度和泥石流中固体物质的密度，根据现场配重，以及岩性调查，γC=1.95 g/cm3，γH=2.7 g/cm3(以现场主要岩性的比重来代替)。

现场调查表明:磨子沟流域内震后有大量的崩塌、滑坡存在，堵塞现象比较严重，计算中 D取1.1～2.0。磨子沟泥石流 10年、20 年、30 年、50年、100年一遇的泥石流流量见表4。对比断面测量获取的泥石流流量，磨子沟2008年7月14日暴发的泥石流相当于50年一遇的规模。

表4 磨子沟不同暴雨频率下的泥石流流量Table 4 Debris flow discharges in Mozi gully in different rainstorm frequencies

4 震后泥石流发展趋势及影响

汶川地震直接触发的大量崩塌、滑坡为磨子沟提供了丰富的物源条件，将磨子沟重新激活进入泥石流活跃期。除主沟道中的物质被泥石流输送到下游之外，流域中、上游和沟道两侧岸坡上的大量物质仍处于松散胶结状态，极易在暴雨作用下启动进入主沟。从长期来看，震后流域内坡面的自然恢复是一个漫长的过程，不稳定坡体形成的潜在松散物质在短期内也难以消除。震后的4个汛期磨子沟输送的固体物质占总储量的比例十分有限，即使按目前的输送物质的速度，磨子沟泥石流至少将持续10年以上。但随着激发泥石流的临界雨量条件的变化，其活动强度和频率在经历了震后急剧的增加后，将逐渐趋于震前的水平。因此，其实际泥石流活动的时间可能会更长。

磨子沟已发生的堵江事件形成的堰塞体高20 m，给上游的居民造成了严重的危害。但由于磨子沟流域仍具有形成大规模泥石流的风险，其堵江形成的堰塞湖回水和溃决洪水可能会再次危及上、下游居民的安全。此外，目前残余的堰塞体提高了主河的侵蚀基准面，使得上游的堰塞湖仍有一定的深度。而沟口下游岷江右岸受剩余泥石流堆积扇的顶托作用，坡脚遭岷江水流强烈冲刷，为岷江右岸沿河公路的恢复重建增加了很大的困难。

作为典型的泥石流堵江灾害，磨子沟提供了这样的警示信息:地震直接触发的大量崩、滑体为泥石流提供了极其丰富的物源，但由于其发生时间相对于地震直接触发的崩塌和滑坡有一定的滞后。但随着时间的推移，在崩塌、滑坡-泥石流-堰塞体-溃决洪水这样的灾害链过程中，泥石流灾害会逐渐凸显出来，进入活跃期，其发生的规模和频率会显著增加，而其缓慢的恢复过程对当地居民的生命和财产安全，以及灾后的恢复重建都是潜在的威胁。

5 结论

作为汶川地震后典型的泥石流事件，磨子沟以极高的频率和大规模的特征而成为地震诱发泥石流的典型案例。泥石流的形成与地震的关系、泥石流发生过程以及未来的发展趋势是值得关注的基础问题。本研究分析了地震对磨子沟的影响;计算了磨子沟堵江泥石流的规模;并对磨子沟泥石流的发展趋势进行了分析。得出如下的结论:

(1)与震前相比，磨子沟流域震后地貌情况发生了巨大的变化。5·12汶川地震的巨大破坏作用使得面积仅7.3km2的磨子沟流域内73.2%的区域发生了浅表层的崩塌和滑坡，堵塞主沟沟道形成了8处堰塞体，沟内固体松散物质方量仍超过 3×107m3。而高达493‰的主沟平均纵坡比降(地形条件)也十分有利于泥石流形成，并可能再次堵断岷江形成堰塞湖。

(2)震后磨子沟泥石流发生的频率和规模明显增大，根据不同暴雨频率条件下的泥石流流量计算，震后最大一场堵江泥石流(2008年7月14日)峰值流量为541 m3/s，为50年一遇的规模，一次冲出物最大方量为2.57×105m3。

(3)由于震后流域内物源条件的改变，导致震后磨子沟泥石流发生的临界雨量条件降低，根据临近的都江堰气象站的降雨监测数据，震后磨子沟激发泥石流的日降雨量条件发生急剧降低，但目前有逐步回升的趋势，预计在2020－2026年间才能逐渐恢复至震前的水平。

因此，在汛期要加强地震灾区泥石流的监测和预警，尤其是针对城镇和居民点构成威胁的灾害点，对已经发生堵江危害的要及时疏导，防止因泥石流形成的堰塞湖造成更大的损失。

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［19］四川省水文水资源勘测局.四川省水资源质量通报［EB/OL］.2008.http://www.schwr.com/Otype.asp?newid=(Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Sichuan Province.Report of Water Resources Quality in Sichuan Province［EB/OL］.2008.http://www.schwr.com/Otype.asp?newid=(in Chinese))