中巴喀喇昆仑公路(巴基斯坦境内)河床沉积物与泥石流堆积物的关系

胡 进，朱颖彦，杨志全，廖丽萍

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 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.中国科学院大学，北京 100049;3.戴尔豪西大学土木与资源工程系，加拿大B3J 1Z1)

中国-巴基斯坦国际公路是一条连接中国西部城市喀什(Kashgar)和巴基斯坦北部城市塔科斯(Thakot)的国际公路，又称中巴喀喇昆仑公路(International Karakoram Highway(KKH)，简称中巴公路)(图1)。中巴公路作为中国与巴基斯坦两国之间唯一的陆路交通，促进了两国的经济与文化交流，具有重要的战略意义。

中巴公路区域内独特的地质、地貌、水文与气候环境形成了充分的孕灾环境。中巴公路1979年建成通车后，泥石流等地质灾害年年肆虐，泥石流向主河排泄，冲毁淤积公路，中巴公路沿线河流河床堆积物与泥石流冲出物密切相关。本文对中巴公路K670+990至K808+700段沿线河床的45个沉积物样本进行了粒度分析，并与公路沿线泥石流沟沉积物的粒度分布特征进行了对比分析。

1 研究区域概况

中巴公路地处喜马拉雅山和喀喇昆仑山以西、帕米尔高原北缘向巴基斯坦南部平原的过渡地带，地势北高南低。区内山峦叠嶂、雪峰林立、峡谷深切、冰川活跃、河流湍急，沿途屹立海拔超过7300m的山峰44座。中巴公路所穿越地区是除极地之外最大的陆地冰川带，确认冰川共有1050条，80%为山岳冰川，主要分布在洪扎河(Hunza River)流域［1］。

公路区域自中新世以来，处于挤压构造环境，构造活动强烈。印度板块与欧亚板块在帕米尔地区强烈碰撞挤压，产生巨大的逆冲推覆构造，帕米尔、喀喇昆仑、西昆仑、兴都库什造山带皆强烈隆升及水平位移，形成了大体向北凸出的弧形构造和逆冲断裂带，造成区域地壳抬升，河谷深切，河谷阶地最高可达Ⅳ级或更高，各级阶地多为基座式阶地，高差悬殊。公路穿越区域处于西昆仑—帕米尔地震带，由加里东、印支褶皱带和塔里木地台部分地区组成。第四纪以来断裂活动为北西向弧形展布，断层属逆走滑性质。

公路沿线地层分布主要为第四系松散堆积物和岩浆岩，其次是变质岩和沉积岩。岩浆岩类以加里东期及燕山期花岗岩，喜山期花岗岩、闪长岩为主。第四系松散堆积物分布于沿线各级河流谷地及谷地两岸、山麓及山麓边缘、山原及古夷平面区，类型有崩积、残积、冲积、洪积、坡积、冰水堆积等。

图1 公路沿线河流水系分布图Fig.1 Maps of the river systems along KKH

喀喇昆仑公路地处南亚次大陆北温带大陆干旱、半干旱气候区，公路由南向北，海拔高差近4000m，气候垂直分带明显，高山地形导致天气变化多端、易产生极端降雨。洪扎及其以南地区为北温带气候，年降水量一般600～1000mm，夏季降雨较为集中，洪扎以北为内陆高原山地气候，降水量小、空气稀薄、太阳辐射强烈、气温低，最低气温可达-30°。

中巴公路沿线河流属太平洋水系印度河上游，公路自塔科特桥(Thakot Bridge)起，沿印度河(Indus River)、吉尔吉特河(Jilgit River)、洪扎河(Hunza River)、红其拉甫河(Khunjerab River)的河谷布线，逆流北上，路线盘旋抬升，经红其拉甫山口(Khunjerab Pass)，进入中国境内的新疆塔什库尔干县(表1、图1)。

表1 公路沿线河流水系一览表Table 1 List of the river system along KKH

印度河发源于喜马拉雅山，在卡拉奇附近注入阿拉伯海，河水以融雪(冰)、降雨和地下水补给为主，冬季流量较小，夏季河水暴涨，流量较大，属混合型补给河流，每年的6～9月为汛期。吉尔吉特河则为印度河上游右岸支流，源于喜马拉雅山脉海拔5000～6000m的冰川，上游又称吉扎尔河，在本吉(Bunji)附近汇入印度河。洪扎河是吉尔吉特河的一级支流，由科里河(Kilik River)和红其拉甫河汇流而成，再汇合吉尔吉特河后，进入印度河。

公路所穿越的是构造活跃、地震频繁、高差悬殊、河谷陡峭、剥蚀发育、河流切割、气候多变的地带，泥石流等地质灾害极其发育。公路受区域地貌特征限制，公路布线以河谷沿溪线和山腰线为主，公路北段20km路段为越岭线。公路主线多位于泥石流堆积区或流通区，线位低矮，泥石流灾害几乎年年损毁公路。野外统计表明，中巴公路沿线泥石流沟多达150余条［2］。泥石流沟按水源补给类型可以划分为雨水型泥石流、雨水-冰川型泥石流、冰川-冰湖溃决型泥石流和冻融型泥石流四类(表2)。

表2 中巴公路沿线四种泥石流灾害的分布Table 2 Distribution of the four kinds of debris flows along the Karakoram Highway

2 河床沉积物的粒度分析

2.1 粒度组成

中巴公路沿线河床沉积物的粒度组成以砾石与砂粒为主，粘粒和粉粒含量极少。表3列出了中巴公路北段K670-K808之间100多公里范围内的河床堆积物粒度数据。45个样品的取样位置均为公路沿线靠公路侧的河床之中，野外取样采用四分法采取且数量不少于2kg，在室内采用标准筛分实验方法完成测试。

实验结果表明，河床沉积物粒度组成以＞20mm和＞2mm两个粒组占主体，其中＞20mm粒组百分含量变化范围在42.23% ～95.53%，平均为68.10%;＞2mm粒组为3.46% ～48.44%，平均为20.89%。

表3 中巴公路沿线河床沉积物粒度组成Table 3 Grain-size composition of the riverbed sediments along Karakoram Highway

中巴公路沿线河床沉积物粒度特征曲线可划分为双峰分布和多峰两类形态分布，表征沉积物的机械组成和搬运沉积过程。采用Krumbein(1934)的分级标准(φ=-log2D)［3］，绘制了河床沉积物粒度分布的频率曲线(图2)。

图2 频率曲线图Fig.2 Frequency curves

2.2 频率曲线

(1)主峰分布。以K719+510(图2(a))为例，主峰峰值多出现在-4φ附近，次峰峰值则出现在2φ附近;

(2)多峰分布(双峰分布)。以K670+990(图2(b))，K736+590(图2(c))为例。第一峰值多出现在-6φ～-5φ范围，第二峰值出现在 -5φ～-4φ范围，第三峰值出现在-3φ～-2φ和0～2φ范围。

中巴公路河床沉积物的粒度分布曲线的形态与公路泥石流堆积物的分布曲线相似。河流河床沉积物的频率曲线一般为单峰和双峰型，主峰为细粒，次峰为细砂，两峰的百分比都不高，峰值不突出［4］。泥石流沉积物的粒度分布以多峰为主，有少数双峰的分布特征［4］(图3)。从形态来看，图2与图3的两者的曲线形态类似。

图3 武都地区泥石流堆积物粒度分布频率曲线［4］Fig.3 Grain-size distribution frequency curves of debris flow sediments in Wudu area

中巴公路沿线河流，如吉尔吉特河、洪扎河，在枯水期间，河道深切摆动，两侧河漫滩干涸出露，部分河道成为地下河，而在夏秋季期间，远山冰雪消融，降雨增多，地表径流增加，泥石流全线暴发，大量的碎屑物质从公路两侧的山谷冲出泥石流越过公路，排泄入主河后停积，挤压河道，抬升河床，淹没公路。泥石流汇入主河，虽然受河流冲刷，承受水流分选作用，但是由于河道弯曲和水流流速低，河流搬运能力相对不足，堆积物的搬运距离短，分选差，在河床的泥石流堆积物因密度大，粘度高，抵抗河流冲蚀的能力强，堆积在河床漫滩的泥石流堆积物因此得虽然因水蚀而部分搬运，但泥石流堆积物的主体成分与组分得以保存，因此中巴公路河床沉积物的粒度分布曲线表现出与泥石流沉积物类似的分布特征。

2.3 粒度参数

粒度参数反映颗粒组分的总体数字特征，本文采用矩值法［5-7］，分析了 K670+990至 K808+700共45个取样点沉积物的平均值(Mz)，中值(D50)，分选系数(Sd)，偏态(Sk)和峰度(Ku)，计算结果如表4:

表4 河床沉积物粒度参数统计Table 4 Statistics of grain-size parameters of riverbed sediments

2.4 结果与分析

表4计算结果表明:

图4 河床沉积物颗粒大小中值的变化Fig.4 The median change of grain-size of riverbed sediments

(1)河床沉积物颗粒平均值Mz和中值D50较大，平均粒度以粗颗粒为主。分析45个点的中值(表4)，可以看出两者的波动变化，再对照沿线泥石流沟的分布，波动变化与泥石流沟的位置有一定的对应关系。拟合得出中值95%置信区间的上限为50.3mm，下限为21.9mm(图6)。由此可见，沉积物的平均粒度以粗颗粒为主，与泥石流沉积物的以粗颗粒为主的粒度分布［8］相类似。

利用Minitab 16软件对中值进行回归统计分析，得到了中值的变化趋势线(图4)，中值回归方程为y=0.5131x+36.127。对计算结果进行方差分析中值的回归P值分别为0.062，高于预先选择的α水平(P=0.05)但超出不多，基本可以认为其关系是显著的。从D50的残差正态概率图则可以看出残差基本服从一条直线(图6、图7)，表明二者的残差基本服从正态分布。

回归分析:D50与编号

回归方程

D50=36.13+0.5131 number

S=23.3322R-Sq=7.9% R-Sq(adj)=5.7%

方差分析

来源 DF SS MS F P

回归 1 1998.0 1998.02 3.67 0.062

残差 43 23408.8 544.39

总计 44 25406.8

由于取样位置所处区域公路沿线发育的泥石流类型主要为冰川-冰湖溃决型泥石流和冻融型泥石流，将45个取样点沉积物的平均值与两类泥石流堆积物的平均颗粒体积直径对照后可以发现位于冰川-冰湖溃决型泥石流分布带K670+990～K794+820的42个取样点沉积物颗粒大小平均值95%置信区间介于53.8～85.4mm之间，而位于冻融型泥石流分布带的K803+030至K808+700的3个点的平均值则介于76.4～123.5mm之间，基本上与对应区域泥石流堆积物的平均颗粒体积直径(其中冰川-冰湖溃决型泥石流平均颗粒体积直径95%置信区间为33.6～70.9mm，冻融型泥石流为52.6～265.9mm)变化范围(图5)保持一致。

图5 中巴公路沿线泥石流沉积物平均颗粒体积直径分布示意图① 杨志全、朱颖彦等，中巴公路沿线泥石流灾害空间分布及平均颗粒特征探讨.地质科技情报(待刊).2014.Fig.5 Distribution diagram of average particle volumetric diameter of debris flows sediments along KHH

(2)45个河床沉积物样品分选系数较大，表明沉积物分选性较差。表4的45个样品的分选系数变化范围在1.68～4.69，其中冰川-冰湖溃决型泥石流带沉积物分选系数平均值为3.09，冻融型泥石流带平均值为2.95。按照Simon(2001)所给出的划分标准(表5)，属于分选差至分选极差这个范围，其中分选差的占8.9%(4个)，分选很差占84.4%(38个)，分选极差占6.7%(3个)。分析结果表明沉积物分选差或者分选极差，这就与泥石流沉积物分选差或极差的特点一样［8］。同时这一分布特点还印证了河床上的沉积物进入新环境以后未经过明显改造，沉积物的搬运距离较短，沉积物距离其源区较近。

表5 Simon(2001)粒度参数划分标准［7］Table 5 Simon(2001)criteria for the classification of grain size parameters

图6 D50拟合线的95%置信区间和95%预测区间Fig.6 The 95%confidence interval and 95%prediction interval ofD50fitting line

图7 D50残差正态概率图Fig.7 The normal probability plot of D50residual error

(3)偏度以正偏为主，河床沉积物样品粒径偏粗。45个样品除了K803+900取样点为负偏外，其余均为正偏，变化范围在-0.14～3.70。按照Simon(2001)所给出的划分标准，属于对称到极正偏这个范围，其中对称的占4.4%(2个)，正偏占11.1%(5个)，极正偏占84.5%(38个)。结果表明河床沉积物样品粒径偏粗，以粗组分为主，这一点与泥石流沉积物粒度分布以正偏为主，以粗粒物质组成占优势的分布特征［7］是相类似的。

(4)峰态主要为窄峰型。45个样品的峰态值中，极宽峰和宽峰共有7个，占总数的15.6%，而窄峰和极窄峰则占71.1%(32个)。按照划分标准，从峰态的计算结果可以看出河床沉积物的粒度分布大多属于窄峰型，这与上述分析的河床沉积物粒度分选性很差是一致的。

45个取样点的河床沉积物粒度分布的平均值、分选系数、偏度和峰态等粒度参数的特点表明该地区河床沉积物具有与泥石流沉积物相类似的粒度分布特征，这就印证了该区域河流沉积物主要来源于两侧泥石流沉积物的补给，泥石流沉积物进入河流中后由于搬运距离较短，还未经过明显改造分选，因而表现出与泥石流沉积物类似的分布特征。

3 结论

通过本文的研究，得到以下研究结论:

(1)中巴公路沿线河床沉积物的粒度组成主要以砾石和砂粒等粗颗粒为主，粒度分布的主要特征为双峰或多峰分布，表现出与泥石流沉积物类似的分布特征。对应泥石流分布带，河床沉积物颗粒的平均粒径与区域泥石流堆积物的平均颗粒体积直径变化范围基本保持一致。

(2)河床沉积物粒度参数与泥石流沉积物的分布特征相类似，说明了中巴公路沿线河流沉积物主要来源于流域内泥石流沉积物的补给。

致谢:本论文得到交通部西部交通建设科技项目“(2008 318 221 56)和国家自然科学基金面上项目(41071058)资助。2006～2011年期间，本项目先后开展了5次中外联合考察，野外工作得到了中交集团中国路桥工程有限责任公司驻巴基斯坦工程项目部、中交第一公路勘察设计研究院的支持，查阅了有关项目设计资料。巴基斯坦国家地质中心(National Centre of Excellence in Geology，Pakistan)主任 M.Asif Khan T.I.教授、巴基斯坦白沙瓦大学(University of Peshawar，Peshawar)地质系主任 M.Haneef教授、巴基斯坦西北边界省工程技术大学(NWFP University of Engineering＆ Technology，Peshawar)土木工程系Irshad Ahmad教授等巴方研究人员参与了项目联合考察与学术研讨会，并提供了地质数据与工程资料。中科院成都山地所葛永刚博士、博士生裴来政参加了2008年9月的中巴联合考查。湖南科技大学韩用顺副教授参与了2011年7月的中巴公路考察工作。特此一并感谢。

［1］MOOL Pradeep Kumar，BAJRACHARYA Samjwal Ratna，SHRESTHA Basanta，et al.Inventory of Glaciers and Glacial Lakes and Identification of Potential Glacial Lake Outburst Floods(Glofs)Affected by Global Warming in the Mountains of Himalayan Region.Pakistan Agricultural Research Council(PARC)，International Centre for Integrated Mountain Development(ICIMOD)，2005.

［2］中国科学院成都山地灾害与环境研究所.中巴喀喇昆仑公路环境保护与地质灾害防治关键技术［R］.2012.Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS.Research report on the key technology of the environmental protection and the prevention of geological disasters along karakoram highway［R］.2012.

［3］KRUMBEIN William Christian. Size frequency distributions of sediments［J］.Journal of Sedimentary Research，1934，4(2):65-77.

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［8］唐邦兴，等.中国泥石流［M］.北京:商务印书馆，2000.TANG Bangxing，et al.China Debris Flow［M］.Beijing:Business Press，2000.