重庆山区矿山泥石流沟形态特征——以奉节县汾河矿区为例

文光菊，杨 乐，邓文杰

(1.外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042;2.重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心(重庆地质矿产研究院)，重庆 400042;3.重庆川东南地质工程勘察设计院，重庆 400038)

0 引言

矿山泥石流是山地矿山最常见的地质灾害类型之一。以山城著名的重庆具备矿山泥石流形成的地形地貌条件。随着山区工程建设活动的加剧，尤其是以往矿山环境的破坏，一些处于萌芽期的矿山泥石流逐步进入发展期和活跃期，使得此类灾害的比例正在逐年上升。例如:2004年6月5日重庆南桐东林煤矿煤矸石山滑坡形成矸石流造成11人失踪死亡;2009年6月30日重庆合川煤矸石山发生泥石流造成2人遇难。

为预防、减轻矿山泥石流灾害，学者们通过试验分析了矿山泥石流的物源特征［1-2］;基于水动力条件分析了矿山泥石流的形成原因及特征［3］;通过调查、测绘，提出了矿渣侵蚀泥石流形成过程呈降雨-侵蚀-崩滑-搬运复合型和循环型模式［4］;并通过总结、分析，提出了矿山泥石流的防治措施［5-6］。为加强矿山泥石流防灾减灾工作，部分学者还用模糊数学理论对矿山泥石流危险性进行了评价［7-8］。这些研究为防治矿山泥石流灾害奠定了重要基础。

研究发现，泥石流沟在流域地形地貌上有特殊反映［9］，且泥石流沟的地貌特征是泥石流灾变过程的一个重要因子［10］，它很大程度上控制着泥石流的发育程度、规模等［11］，然而不同区域的泥石流沟具有不同地貌形态［12］，故研究矿山泥石流沟的地貌形态特征具有重要意义，尤其是矿山泥石流高易发区的山区，很有必要弄清矿山泥石流沟的形态特征，以期为矿山泥石流防灾减灾提供依据。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

汾河矿区位于重庆市奉节县，属于剥蚀侵蚀中低山地貌，地形总体表现为北东高、南西低。流域面积约130 km2，最高海拔为白槽煤矿，标高+1612.1 m，最低点为汾河下游段，沟底标高+310.2 m左右，相对高差近1301.9 m，地形坡角15°～35°。流域内大部分地段被第四系土层覆盖，局部基岩裸露。土层厚度0～1.5 m。斜坡类型主要为顺向坡及切向坡。

1.2 气象水文

研究区属亚热带温暖季风湿润气候区，多年平均降水量在1109.1 mm左右，最大降水量1635.2 mm，日最大降水量127.9 mm。区内属长江水系，地表径流为长江支流草堂河，季节性间隙冲沟发育，溪沟水具有暴落暴涨的特点，雨后不久便无流水。大气降水以地表径流为主，井田内的山沟水汇入草堂河后再注入长江。

1.3 地质构造与地震

研究区处于川东褶皱带万县弧形构造东端之红岩向斜南翼，局部处于龙池坪背斜两翼，构造线方向为近东西向。根据《中国地震动峰值加速度区划图》(GB18306—2010)，区内地震基本烈度为Ⅵ度，地震动峰值加速度为0.05g。

1.4 泥石流基本特征

矿区内煤矿资源丰富，20世纪80年代开始开采，2005年8月以前，流域共有96个中小型煤矿，经闭坑、整合后仅剩3个煤矿。多年的开采活动在流域内形成了规模不等的矸石山31座，矸石山随意堆放致使流域内的草堂河上游约11 km范围内河床淤高5～15 m成为“悬河”(图1)，毁坏河流沿线农田数百亩，房屋4间，一家砖厂无法正常生产，严重威胁流域内居民的正常生产生活及生命财产安全。

图1 草堂河Fig．1 Caotang river

矿区发育有1条泥石流主沟，16条树枝状支沟(图2)。沟道汇水区两岸植被茂盛，沟头呈圈椅状，崩坡积物较为发育，并堆有大量的散落煤矸石和矸石山，为泥石流的形成提供了丰富的物源。

图2 泥石流沟分布图Fig．2 Distribution of debris flow gullies

2 研究方法

分形理论由Mondelbrot教授于1975年首次提出，主要用于研究自然界中没有特征长度但具有自相似性的图形和现象［13］。这种自相似不仅是严格的几何相似，还包括统计呈现出的自相似性。分形理论的定量表征为分形维数，常用的分形维数为相似维数，即假设某一个集合由N(r)个相似比为r的部分组成，则相似维数Ds表示为［14］:

3 矿山泥石流沟的分形分析

地形地貌是泥石流形成所需的基本条件之一，它影响着泥石流的起动和运动过程。地形地貌可细分为沟道比降、坡角、沟道长度、流域面积和流域形态等因素。研究发现，沟道比降、沟道长度和流域面积的大小及其组合对泥石流的形成起着重要作用［12］。本文利用分形理论，从流域面积、沟道比降和沟道长度3方面分析奉节县汾河矿区泥石流沟的形态特征。

3.1 流域面积

根据矿区17条矿山泥石流沟的统计数据(表1)，矿山泥石流沟的流域面积最大为130 km2，最小为0.188 km2;流域面积大小与沟道数量的分布较离散，流域面积与沟道数量总体上呈递减趋势，即流域面积越小，相应的沟道数越多，而随着流域面积的增加，沟道数量急剧减小;流域面积集中分布于［0.2，0.4］范围内，共有5条泥石流沟，占总数的29.4%。经双对数相关性分析(图3)，泥石流沟的流域面积与沟道数量具有较好的相关性，根据分形理论，说明矿山泥石流沟的流域面积存在分形现象，即流域面积存在自相似性，相应的分维值为0.69。

表1 流域面积与泥石流沟道数的统计关系Table 1 Statistical relationship between basin area and gully number

3.2 沟道比降

图3 流域面积与泥石流沟道数的对数关系Fig．3 Logarithm relationship between basin area and gully number

泥石流的起动和运动过程与沟道比降密切相关，当其他条件一定时，沟道比降越大，松散物质越易起动，泥石流流速也越大。统计显示(表2)，汾河流域泥石流沟的比降主要分布于［25%，30%］，相应的泥石流沟为6条，占总数的35.3%。经双对数相关性分析(图4)，沟道比降与泥石流沟道数量具有较好的相关性，说明矿山泥石流沟道比降存在分形现象，即其比降存在自相似性，相应的分维值为2.07。

表2 沟道比降与泥石流沟道数的统计关系Table 2 Statistical relationship between gully gradient and gully number

图4 沟道比降与泥石流沟道数的对数关系Fig．4 Logarithm relationship between gully gradient and gully number

3.3 沟道长度

沟道长度对泥石流的影响与汇水面积的相似。汾河流域泥石流沟的长度主要分布于［1，1.5］范围，共有6条泥石流沟，占总数的35.3%(表3)。将沟道长度与沟道数量做双对数分析得到(图5)，沟道长度与泥石流沟道数量具有较好的相关性，说明沟道长度也存在分形现象，并存在自相似性，其分维值为1.35。

表3 沟道长度与泥石流沟道数的统计分析Table 3 Statistical relationship between gully length and gully number

图5 沟道长度与泥石流沟道数的对数关系Fig．5 Statistical relationship between gully length and gully number

4 讨论

为进一步揭示重庆山区矿山泥石流沟的特征，现将汾河矿区泥石流沟的形态分别与自然泥石流沟和典型矿山泥石流沟的沟谷形态特征进行比较。

4.1 与自然泥石流沟形态的比较

蒋家沟和白龙江流域是我国典型的自然泥石流沟，其中蒋家沟流域位于滇东北高山峡谷地带，流域内新构造运动活跃，地震活动也较强烈;白龙江流域大部分位于甘肃省南部，为高山峡谷地貌，流域内新构造运动剧烈，地震频繁且强烈［11］。两个流域泥石流沟的形态主要地质环境受地质环境的影响。汾河矿区属于剥蚀侵蚀中低山地貌，地震基本烈度为Ⅵ度。相比之下，汾河矿区泥石流沟的形态除了地质环境的影响，还有人为活动的改造。但由表4知，两种泥石流的沟谷形态均以流域面积分维值最小，沟道长度次之，沟道比降分维值最大。根据沟谷形态分形维值的意义，分维值越小对应的指标对泥石流沟谷的影响越显著，则流域面积对自然泥石流和矿山泥石流沟的形态影响越显著，说明两种泥石流的沟谷形态具有相似性，故流域面积、沟道长度和比降三个指标也适用于重庆山区矿山泥石流沟形态特征的分析。

4.2 与典型矿山泥石流沟形态的比较

神府-东胜矿区和小秦岭矿区分别为煤矿和金矿区，随着采矿活动的不断进行，区内矿山泥石流较发育，是我国典型的矿山泥石流区域。其中，神府-东胜矿区原为游牧地区且无泥石流暴发历史，随着煤田的大规模开采，区内矿山泥石流频频发生，泥石流主要由人为诱发，泥石流沟的形态也主要是人为活动的结果。小秦岭矿区和奉节县汾河矿区地处山区，泥石流沟的形态除了地质环境影响，还受人为活动的作用。

从沟谷形态分维值变化趋势看(表4)，汾河矿区泥石流沟的形态分维值变化趋势与神府-东胜矿区和小秦岭矿区的总体一致，但因地质环境和人为活动强度的不同，三个区域的分维值仍存在差异，如汾河矿区泥石流沟的流域面积分维值与小秦岭矿区的相近，而比神府-东胜矿区的流域面积分维值小30%;汾河矿区的沟道长度分维值与神府-东胜矿区的相近，而比小秦岭矿区的沟道长度分维值小15%;汾河矿区的沟道比降分维值又明显大于其他两个矿区的分维值。据此得到，不同区域的矿山泥石流沟的形态是地质环境和人为活动共同作用的结果。

表4 不同泥石流沟的形态分维值Table 4 Fractal dimension values of different debris flow gullies

5 结论

(1)基于汾河矿区内17条泥石流沟的统计数据，利用分形理论分析了重庆山区矿区泥石流沟的形态特征，得到泥石流沟的流域面积、沟道比降和沟道长度存在分形特征，其分维值分别为0.69、2.07和1.35。

(2)将汾河矿区泥石流沟的形态与自然泥石流沟的对比，两种泥石流的沟谷形态具有相似性，均受流域面积的影响显著;流域面积、沟道长度和比降三个指标也适用于重庆山区矿山泥石流沟形态特征的分析。

(3)根据沟谷形态分维值的变化趋势，汾河矿区泥石流沟的形态分维值变化趋势与典型矿山泥石流沟的变化趋势总体一致，但因人类活动强度和地质环境的不同而存在差异，并且不同区域矿山泥石流沟的形态是地质环境和人为活动共同作用的结果。

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