德昌县角半沟泥石流发育特征及临界雨量研究

刘士伟，喻邦江，王小群

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.贵州省交通规划勘察设计研究院，贵阳 550001)

德昌县角半沟泥石流发育特征及临界雨量研究

刘士伟1，喻邦江2，王小群1

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.贵州省交通规划勘察设计研究院，贵阳 550001)

分析角半沟地形地貌及其泥石流物源条件发现, 角半沟上部滑坡积物源丰富，沟域面积大，地形陡峻。暴雨条件容易诱发大规模泥石流。采用频率法计算得到泥石流临界雨量的上下限值范围。

角半沟；泥石流；临界雨量；频率法

泥石流是一种全球性的自然灾害，是各种自然因素(地质、地貌、水文、气象、植被等因素)和人为因素综合作用的结果。泥石流因其形成过程复杂、爆发突然、来势凶猛、历时短暂、破坏力强等特点对山区居民的人身安全和财产安全构成了很大的威胁[1]。

四川省凉山州角半沟泥石流沟位于凉山彝族自治州德昌县德州镇角半村，角半沟泥石流沟在历史上已经多次发生过泥石流。目前，在分析其现有的物源、地形条件的基础上发现暴雨条件可能会诱发其发生大规模的泥石流，直接威胁沟域内约1 400名居民生命财产安全，以及学校、耕地等，威胁资产约1 352万元，可见其危害性是非常巨大的。因此对其发育特点和临界雨量进行研究便具有十分重要的意义。

1 泥石流的形成条件

泥石流是暴雨、地形和松散固体物质不利组合的产物。泥石流的形成，既需要可供搬运并能增大流体容重的松散固体物质，又需要在一定的坡度上可将固体物质启动的水力条件，因此泥石流的发育受控于地貌、构造、岩性、气候、植被等自然环境条件和人为活动[2]。

1.1 地形地貌条件

角半沟地形地貌以构造侵蚀中山峡谷地貌和侵蚀堆积河谷平原地貌两类为主(图1)。上部为构造侵蚀中山地貌，局部沟谷深切，地形陡峻，两岸岸坡坡度一般大于30°，冲刷和侧蚀作用强烈，呈“V”型谷。泥石流主沟长约12.3 km，汇水面积51.71 km2，流域形态近似树枝状，西部高，东部低。整个泥石流流域内最高海拔约3 350 m，最低海拔约1 310 m，位于泥石流沟口处，相对高差约2 040 m。因此，良好的地形条件将有利于泥石流的形成。

1.2 物源条件

角半沟泥石流物源主要包括：坡面侵蚀物源、崩塌堆积物源、滑坡堆积物源和沟道堆积物源4类。主沟和2条支沟沟道两侧岸坡上崩塌、滑坡现象较发育，崩坡积物质及滑坡积物质大多堆积于沟道旁及沟道内，在暴雨洪水冲刷或泥石流携带作用下，堆积体以“被切脚+揭底冲刷”的方式参与泥石流活动；而堆积于沟道内的物质“被切脚+揭底”后，堆积体上部将继续滑塌，直至达到稳定休止角，这部分物源将形成泥石流的主要物源。其次，角半沟流通堆积区地段，沟床内松散堆积物十分丰富，主要以碎块石为主，这部分沟内堆积物为沟发生泥石流的潜在物源，在遭遇大暴雨的情况下，沟床水动力条件将大大提高，可能将沟床刨蚀，裹挟大量沟床堆积物形成大规模的泥石流活动。泥石流物源估算汇总见表1。

1.3 气象降水条件

角半沟所在的德昌县属亚热带半干旱气候，雨量充沛，但季节分配不均，季风性强，垂直气候明显，小气候多样等，区域雨量充沛，年均降雨量为1 077 mm，但一年内各个时期分配不均匀，5～10月达958.2 mm；而11月～次年4月只有59.8 mm，干湿季明显，降水量相差很大，多发生相对集中的暴雨(具体情况见图2和图3)。谭万沛[3](1992)在研究四川省泥石流活动的区域性特点时得到，四川省泥石流在4～11月都会发生，但是集中发生在5～9月，约占发生频率的95%以上。其中，7月份是泥石流发生的高峰季节，占全年泥石流发生频次的30%。川西地区的泥石流主要发生在6～9月，呈单峰型式。这一泥石流发生季节性集中的特点与图3中降雨量季节性集中加强的趋势具有很好的一致性，这也进一步说明暴雨条件对泥石流的激发性。

2 泥石流的发育分布特征

角半沟属于安宁河右岸一级支流，该沟总体流向为由西向东，沟内常年流水，河水补给主要来源于大气降水。主沟为米米屋基沟，主沟左岸有两条较大的支沟，为哨房梁子1#沟和哨房梁子2#沟；主沟米米屋基沟源最高海拔为2 950 m，且上部沟道较陡，下部较平缓。海拔2 100 m以上部分沟道平均纵坡降约为282.8 ‰，海拔2 100 m以下部分沟道平均纵坡比降约为91.4 ‰。主沟沟道整体平均纵坡比降约165.9 ‰。左岸哨房梁子1#支沟源最高海拔约3 050 m，沟道长约2.93 km，沟道平均纵坡比降约为284.4 ‰；哨房梁子2#支沟沟源最高海拔约2 810 m，沟道长约1.73 km，沟道平均纵坡比降约为358 ‰。沟道两侧山体切割较强烈，上部沟道两侧山坡坡度可达40°～50°，最大可达60°。下部沟道两侧山坡坡度相对上部较缓，坡度25°～40°不等。整个沟域内植被发育较好，植被覆盖率60%以上，主要以林地为主。由于沟道两侧切割较强烈，沟谷呈“V”字型谷。沟域内不良地质现象发育，主要以滑坡为主。详见图4角半沟泥石流遥感影像图及图5角半沟泥石流流域范围平面图。

根据以上描述角半沟泥石流上部沟源处支沟发育，且上游沟域面积大、地形陡峻。一方面为大气降水和地表水的汇集提供了有利的地形条件，有利于大气降水迅速转化为地表径流，为泥石流的形成提供充足的水源和水动力条件；另一方面，上游主沟米米屋基沟沟源处滑坡积物源丰富，为泥石流形成提供了充足的物源条件。因此，将上游海拔2 100 m以上至沟源划分为泥石流形成区。海拔2 100 m以下至沟口，沟道平均纵坡降较小，既为泥石流的流通通道，沟道内又堆积了较多的固体物质，流通区及堆

积区分区不明显，因此统一划分为泥石流流通堆积区(图6)。

3 临界雨量的分析

以上分析已知角半沟泥石流沟的主沟和支沟不仅都具有较大的纵坡降，为泥石流的发生创造了有利的水动力条件。而且沟源处丰富的滑坡堆积物和崩塌堆积物以及流通堆积区沟道内具有较多的泥石流松散物质颗粒级配较差，为泥石流的发生提供了充足的物源条件。丰富的物源、有利的地形条件和大量的水源是形成泥石流的三个基本条件[4]。水源不仅是泥石流的组成物质，更是泥石流发生的激发条件。降雨、冰川融雪和水体溃决等水动力条件都可以激发泥石流，但是世界上绝大多数泥石流是由降雨激发的。一定的时期内，在正常情况下，地形条件的变化缓慢，可视为相对稳定；物源条件也是需要长时间的累积，也就是说物源条件的变化是渐进的。但是降雨条件的变化却是非常大的，因此泥石流的发生及其规模的大小，往往取决于流域内的降雨条件[5]。综合分析角半沟泥石流的地形地貌、物源和气象条件后得出该泥石流属暴雨沟谷型泥石流。

暴雨沟谷型泥石流的启动机制有浅层滑坡启动型和沟道启动型两种。浅层滑坡启动形式[6]：雨水经过入渗，流入坡面土壤后，降低土壤内固体物质间的摩擦力与凝聚力，并使得土壤内孔隙水压上升。若降雨持续入渗，并且入渗速度大于土壤内的渗透速度时，浅层土壤孔隙会在下方不透水层上，或是另一层特性不同雨水弱渗透层的上方，上层土壤出现饱和现象，而产生临时地下水。随着临时地下水的水位上升，孔隙水压力逐渐增加，土体强度逐渐减小。当临时地下水的水位达到地面时，该饱和土壤的有效强度趋零，土体于是发生滑动形成泥石流。沟道启动型[7]：一般来说，沟道中松散固体物质的粘粒含量通常不超过 15%，空隙较大，具有很好的导水能力，在启动这些堆积在沟道的固体碎屑物质时，并不能使其达到饱和状态，故沟道内固体物质主要是由于水动力作用引起启动。角半沟泥石流在形成区主要以浅层滑坡启动形式为主，在流通堆积区主要以沟道启动型为主。川西地区在6～9月份主要以短历时的降雨为主，而沟道启动型泥石流一般要比浅层滑坡启动型泥石流需要更大的降雨强度。但无论是浅层滑坡启动型还是沟道启动型，都需要一定的降雨强度。因此，泥石流临界雨量的确定对泥石流的预报预警具有十分重要的意义。

3.1 泥石流及暴雨频率计算临界雨量

泥石流临界雨量指的是泥石流沟谷在降雨条件达到某一阈值后便会暴发泥石流，这一临界值被称为泥石流临界雨量。泥石流临界雨量的确定，是暴雨泥石流预报的基础。许多临界雨量计算的模式都是基于在泥石流沟流域或附近设立雨量观测点,通过长期降雨观察资料与泥石流发生记录的分析比较,确定临界雨量条件。但是基于角半沟泥石流沟流域实际的情况，无法获取长期详细的降雨观测数据。因此必须选取具有现实意义的临界雨量的确定方法。本文采用姚令侃[8](1988)提出泥石流发生频率及暴雨频率推求临界雨量的方法，简称频率法。

一条泥石流沟的临界雨量，是由其地面条件所决定的固有特征，它也反映了泥石流沟抵御泥石流发生的能力。若一条泥石流沟的临界雨量越低，而其地区暴雨频率也越高，则达到或超过泥石流形成临界条件的机率越大，当然发生泥石流的频率也越高；反之亦然。显然这三者之间不仅相关而且还存在着直接的因果关系。根据三者之间的相关关系可建立以泥石流发生频率和暴雨频率作为自变量X1和X2、临界雨量为因变量K的方程

K=f(X1,X2)

(1)

泥石流临界雨量一般应包括前期累积降雨RE，当场最大降雨小时雨强I60和10 min雨强I10。该方法构造了一个新指标K来表征临界雨量，并导出了K和上述各指标间的函数关系G，这使(1)式简化为单因变量问题，同时当K值确定后其余的指标可据G求得。

(RE,I60)=G1(K)

(2)

(RE,I10)=G2(K)

(3)

在利用18条沟的资料进行多元线性回归后，得到反映K和X1、X2的关系式：

K=-0.10X1+0.073X2+0.60

(4)

式中,K为反映临界雨量的指数，它与RE、I60、I10之间的关系见表2；X1为泥石流发生频率，其取值方法见表3；X2为暴雨频率，按当地每年日降雨量≥50 mm的暴雨频率取值。

根据以上频率法的计算原理，H1/6、H1由《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》所附暴雨量等值线图，德昌县德州镇角半村地区的1/6 h、1 h多年最大暴雨量平均值分别为13.5 mm、30 mm。所以，计算得到角半沟泥石流临界雨量，计算结果详见表4。

根据频率法得到的以上的结果，在前期有效累积降雨量为25 mm时，临界小时雨强的界限为35.03～40.97 mm/h。此结果与谭万沛[3]提出的四川省暴雨泥石流区域临界雨量分区表中，川西地区安宁河谷地带的临界小时雨强为30～40 mm/h的结果基本一致，可见采用此方法计算临界雨量对于泥石流的预警具有一定的指导意义。

注：H1/6为一年最大10 min暴雨量均值；H1为一年最大1 h暴雨量均值。

4 结论

综合以上的分析研究，角半沟泥石流上部沟源处支沟发育，且上游沟域面积大、地形陡峻。陡峻的地形条件和大面积的沟域为泥石流的形成创造了十分有利的汇水动力区。上游主沟米米屋基沟沟源处滑坡积物源丰富，同时也为泥石流的发生提供了充足的固体物质补给。因此，将上游海拔2 100 m以上至沟源划分为泥石流形成区。海拔2 100 m以下至沟口，沟道平均纵坡降较小，既为泥石流的流通通道，沟道内又堆积了较多的固体物质，流通区及堆积区分区不明显，因此统一划分为泥石流流通堆积区。

角半沟泥石流属于暴雨沟谷型泥石流，因此降雨条件成为控制泥石流发生的关键性因素。临界雨量是研究暴雨沟谷型泥石流发生可能性中最基本的问题。在结合实际情况的条件下，利用频率法推算得到了角半沟临界雨量的范围。在前期有效累积降雨量RE=25 mm时，I60的临界范围为35.03～40.97 mm/h;I10的临界范围为15.76～19.01 mm/10 min。在RE=50 mm时，I60的临界范围为25.79～31.80 mm/h;I10的临界范围为11.61～14.86 mm/10 min。临界雨量范围的确定对于角半沟泥石流在预报预警方面一定程度有着很好的指导意义。

[1] 唐邦兴.中国泥石流[M].北京：商务印书馆,2000：15-16.

[2] 石豫川，黄润秋，王学武,等.某水电站库区泥石流发育特征及其非线性特征研究[J].地球科学进展，2004,19(增刊)：267-269.

[3] 谭万沛，韩庆玉.四川省泥石流预报的区域临界雨量指标的研究[J].灾害学,1992,7(2):37-42.

[4] 詹钱登.土石流危险度之评估与预测[J].中华水土保持学报，1994,25(2):95-102.

[5] 詹钱登，李明熹.土石流发生降雨警戒模式[J].中华水土保持学报，2004,35(3):275-285.

[6] 姚善文.土石流之水文特性探讨[D].台湾：中央大学，2001.5:7-8.

[7] Berti M，Simoni A．Experimental evidences and numerical modeling of debris flow initiated by channel runoff[J]．Landslides，2005，(2)：171-182.

[8] 姚令侃.用泥石流发生频率及暴雨频率推求临界雨量的探讨[J].水土保持学报，1988,4(2):72-77.

DEVELOPMENT CHARACTERISTICS AND CRITICAL RAINFALLS OF JIAOBANGOU DEBRIS FLOW IN DECHANG

LIU Shi-wei1,YU Bang-jiang2,WANG Xiao-qun1

(1.National Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-environment Protection of Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Communications Planning, Survey & Design Institute of Guizhou,Guiyang 550001,China)

By analyzing the topography and debris source, it’s found that there are rich sources at the top of the Jiaobangou valley and the valley’s area is large with steep terrains. Storms are likely to cause large-scale landslides. The frequency method was used to calculate the value range of critical rainfall for debris flows.

Jiaobangou Valley; debris flow; critical rainfall; frequency method

1006-4362(2015)03-0001-05

2015-05-10改回日期：2015-08-20

贵州省交通厅科技项目资助(编号：2015-121-025)

P642.23

A

刘士伟(1992- )，男，汉族，硕士研究生，主要从事岩土工程方向研究。E-mail:1367952874@qq.com