“8·3”鲁甸地震小震大灾背景下次生泥石流的易发性分析

陈宁生, Javed IQBAL,2, 刘丽红

(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，成都 610041；

2.中国科学院大学 地球科学学院, 北京 100049)



“8·3”鲁甸地震小震大灾背景下次生泥石流的易发性分析

陈宁生1, Javed IQBAL1,2, 刘丽红1

(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，成都 610041；

2.中国科学院大学 地球科学学院, 北京 100049)

[摘要]2014年8月3日云南鲁甸地震诱发了大量次生地质灾害，研究表明此次地震“小震大灾”的原因是前期干旱导致土体强度降低，在暴雨作用下引发大量次生灾害。在小震大灾的岩土性质基础上，通过分析地形地貌、地质条件、地震活动和极端干湿气候对地质灾害发育的影响，建立地质灾害易发性评价指标，利用GIS空间分析技术对震后灾区泥石流易发性进行了快速定量评价。结果显示，地震灾区地质灾害高、中、低易发区面积分别为6 865.87 km2、15 102.72 km2、 9 869.06 km2。其中高易发区主要集中于金沙江与牛栏江沿线，呈带状分布，以及受地层岩性的影响呈岛状等不均匀分布，今后在进一步的极端气候影响下，区域泥石流灾害有可能进一步发展

[关键词]鲁甸地震；极端气候；地质灾害；易发性评价

2014年8月3日，云南鲁甸发生6.5级地震，据国土资源部对地震灾区地质灾害的系统排查，地震次生的滑坡、崩塌、碎屑流等总数达1 719处，震后新增地质灾害隐患点699处。地震所造成大量的崩塌和滑坡为泥石流活动提供丰富的松散固体物质，加上地震造成大量坡体失稳和岩体破坏，使得泥石流将在今后较长一段时间内处于活跃期[1-3]，严重危及灾区人民生命与财产安全。且连年干旱导致灾区土体开裂，遇到极端降水气候的影响，地质灾害发生的可能性大增。在所有地质灾害中，泥石流灾害特别严重。该区域属于强烈的水土流失区和严重的泥石流滑坡灾害区，区内巧家、宁南、鲁甸均为泥石流高发区。区内分布有大量水电工程，主要有白鹤滩电站和牛栏江梯级水电站；且区内大量的居民点与道路沿河分布，人类活动比较活跃，这使得泥石流灾害将呈现加重的趋势。所以，为了确保震后牛栏江梯级水电站的正常运行及人民生命、财产安全，为防灾减灾提供科学指导，需要对震后地质灾害易发性作科学评价。

1研究区概况

鲁甸地震灾区地处牛栏江流域，紧邻金沙江东岸，为滇东地震带的北部边缘，区域地质环境和经济特点表现为硬岩广泛分布，地形陡峻，社会经济相对落后，大中型水电集中。区域发育大量二叠系-三叠系硬质玄武岩、碳酸盐岩和碎屑岩，在Ⅵ度烈度区范围各占的比例为50%、35%和15%(特别是河谷区玄武岩和灰岩分布集中，岩土表面覆盖厚度达数米的区域性红壤)。地貌上属中等切割区(切割深度0.5~1 km)，多年平均降水量800~900 mm；河谷区降雨更少，为典型干旱河谷。区域人口密度大，2010年鲁甸县人口密度277人/km2，为全省平均密度的2倍以上。灾区所在的牛栏江及其南面的以礼河和西侧的金沙江为云南省乃至全国重要的水电基地：牛栏江流域内已建黄犁树等8座中型水电站，利用落差755 m；鲁甸以西50 km建有中国第二大水电站——白鹤滩水电站；鲁甸南侧的以礼河建有毛家村等4级电站。

2小震大灾的背景特征

“8·3”鲁甸地震，这种小震大灾的现象与区域极端气候下土体强度降低有关。研究表明[4]：干旱作用下，植被覆盖率降低，土体开裂贯通，强度大幅度降低；在旱后暴雨作用下，土体的摩擦力可以降低到原来的5%，黏滞力可以降低到8%(实验可低至0.3 kPa)。旱涝叠加的结果导致历史上已造成诸多地质灾害，统计发现[5]：云南小江流域、云南三江、四川安宁河地区等半湿润区的死亡超过5人或灾害损失>500万元的泥石流灾害中70%与春季的干旱相关。

鲁甸县所在的昭通地区已经历了2009-2013年的干旱期。以昭通为例，其多年平均降雨量为 1 104 mm, 变化范围在600～1 800 mm之间，属于“湿润区”水平；但从2009年秋季至2013年春季,昭通地区连续4年经受严重旱情的困扰，2009-2013年的年平均降雨量分别为557.2 mm、670.6 mm、317.6 mm、562.3 mm和1 100 mm。2013-2014年夏季降水开始明显增加, 2014年6-7月份暴雨频繁，土体在前期干旱影响下，强度极大降低，放大了地震灾害，主要表现在：一方面，直接导致浅层松散土体直接启动土质滑坡和泥石流，2014年7月7日7点14分左右，鲁甸县乐红镇红布村红岩脚发生泥石流灾害；另一方面，强度降低的土体在地震的作用下，更大范围地启动泥石流、滑坡等次生地质灾害。这在此次鲁甸震后表现十分突出，造成公路塌方2 966处约27×106m3，185条乡村公路因地震滑坡、崩塌和泥石流通行受阻，牛栏江火德红乡李家山红石岩电站取水坝处山体塌方形成堰塞湖；此外，土质房屋基和土质墙体在旱后暴雨作用下，强度极大降低，土体直接表现在地震地基失稳比例高，土坯房屋破损数量高于正常水平80%以上。据地震指挥部的统计，截至2014年8月6日18时，有8.09万间房屋倒塌，震中龙头山镇老城区房屋破损达到80%。综上，地震引发的小震大灾现象，反映了土体强度降低并且在鲁甸地震及其后续余震的作用下岩土强度降低为之后泥石流的发展提供了极为有利的条件，后续泥石流易发性增加，潜在泥石流灾害可能性增大。

3次生泥石流的易发性趋势

泥石流的发生是由区域的地质、气象、水文、生态、岩土、人类活动等诸多因素影响作用下形成的，是一个极其复杂的过程。目前已有许多关于泥石流易发性的研究，包括基于地震与干旱的动态预测、基于地质条件的判识和基于综合权重的评估预测[6-8]，例如高桥堡模型与iverson模型。但以前的研究模型均是基于多因素的层次分析，其最令人难以接受的是各因素权重的确定的低可信度。实际上泥石流的易发性是由几个甚至是上百个因素影响所决定的。依据其决定性特征可分为控制性的和影响性的因素2类。前者为地形、土源和降水，后者为流域面积、生态、环境等。控制性因素依据其可变性也可进一步分为稳定的因素和动态因素，前者为地形地貌、岩性，后者为地震和极端气候等。

3.1影响泥石流易发性的主控指标

参照“5·12”汶川地震后地质灾害分布呈现坡度效应、断层控制效应及岩性控制，依据历史灾害分布与干旱影响程度，选取以下指标分析泥石流易发性。

3.1.1历史地质灾害分布

灾区地处第一阶梯向第二阶梯过渡地带，区内山高谷深，坡陡流急，构造发育且活跃，岩体较破碎，风化强烈，地质灾害较为频繁。地质灾害大部分沿干旱河谷发育，为地质灾害高密度区，泥石流沟平均分布密度为0.027条/km2，主要分布在金沙江沿线、牛栏江沿线、西溪河沿线以及黑水河沿线。地质灾害中密度区主要分布于四川省境内的宁南县、金阳县、布拖县。该区域地表起伏较大，相对高差>3 km，切割较为强烈，干沟繁多，降雨丰富，极端天气较为频繁，泥石流灾害常发生，泥石流沟平均分布密度为0.013 6条/km2。地质灾害低密度区位于云南省境内鲁甸、昭通、永善、巧家部分地区以及贵州省威宁县部分地区。地势相对较缓，岩体较为风化，时有暴雨、大暴雨发生，泥石流沟平均分布密度为0.0046条/km2。

3.1.2坡度

坡度对泥石流的影响可分为4个等级[9]：<10°、[10°, 25°)、[25°, 45°)、≥45°，泥石流易发区的地形坡度主要集中于10°~45°，其中以10°~25°所占的比例最大。灾区地处横断山区边缘，地势西北高、东南低，区域内断裂较发育，地貌错综复杂，河流深切，断陷河谷发育。本文结合灾区自身的地质灾害地形地貌环境，同时根据已有的研究成果，将地质灾害易发程度的地形坡度划分为3个等级：[10°, 25°)为地质灾害高易发区，[25°, 45°)为地质灾害中易发区，<10°与≥45°为地质灾害低易发区。

图1　震级导致滑坡发生的最远距离与震级的关系图Fig.1　Distribution of maximum distances forseismic induced landslides as a function ofearthquake magnitude and landslide typology(修改自J.Delgado, 2011)[11]

3.1.3地震指标

地震对泥石流地质灾害的影响主要表现为：一方面地震导致部分土体孔隙压力升高，土体强度大幅度下降甚至局部液化，使大量土体失稳成为泥石流物源；另一方面，硬岩对地震波能量的吸收能力较软岩弱，硬岩分布区更容易发生崩塌滑坡灾害。陈宁生等通过实验研究发现，土体的黏聚力和有效黏聚力随着地震震级(周次)的增加，逐渐降低[10]。从而表明地震烈度越大，受地震影响的土体的强度越低，越容易引发地质灾害。从区域上看，人们关注的地质灾害通常在Ⅶ度烈度区范围内，最大扩大到Ⅵ度烈度区范围。而国内外最新研究成果表明[11]：4.7级地震对滑坡的活动有影响，5级地震影响的范围约为20 km，8级地震影响范围700 km(图1)；诸如鲁甸的6.5级地震其影响长轴方向最大范围约为130 km，大于目前Ⅵ度区范围的最大半径70 km。本研究中受所收集资料的限制，将分析范围扩大到距震中110 km的范围内。同时，参照已有的地震次生地质灾害危险性评价对地震烈度的划分等级，将鲁甸地震烈度划分为3个等级：高易发区为Ⅸ度和Ⅷ度；中易发区为Ⅶ度；低易发区为Ⅵ度和边际影响区(110 km范围内地震烈度Ⅵ度以外的区域)。

同时，由于受地震的影响，硬岩区更易发生地质灾害。庄建琦对“5·12”汶川地震后都汶公路沿线的滑坡分析研究[12]也表明：滑坡主要集中分布于闪长岩、花岗岩、玄武岩分布区，而尤以花岗岩与玄武岩上发育的崩塌滑坡面积最大，其地质灾害面积占总地质灾害面积的41.34%。依据岩性的强硬程度，将区域内的岩性分为2个等级：硬岩与软岩。硬岩即火成岩，在鲁甸灾区主要是玄武岩和灰岩，花岗岩在局部地方偶见；软岩主要为砂岩和板岩、泥岩等。

3.1.4干旱

干旱对泥石流的促进作用主要表现在干旱作用使得流域的松散固体物质增加，组成结构的改变，这些物质均为宽级配的松散堆积物和扰动土体[13,14]。干旱年份水蚀往往表现特别强烈[15,16]，虽然定量的评估较少，但一定季节的干旱使得植被枯萎、土体开裂、物理风化增强、松裸土体增加已经是普遍的认识。中国40个大流域侵蚀数据的统计表明，植被覆盖率减少1%，则机械剥蚀率大约增加1%左右[17]。主要原因是干旱及干湿交替气候条件使得土体大量开裂,物理风化增强。所以干旱事件对灾害性泥石流的控制概化为干旱使得松裸土体增加。鲁甸灾区经历2009-2013年的连续干旱，在强降雨诱发下，极易引发泥石流。本研究中根据2013年全国气象干旱图，将鲁甸灾区干旱等级划分为重旱、中旱、轻旱3个等级(图2)。

3.2研究思路与体系

研究表明区域泥石流的易发性是动态变化的，特别是遭遇地震或极端天气，泥石流灾害频率将成倍增长。以汶川地震为例，历史上20世纪50年代以来2 600 km2的四川龙门山区仅有4次泥石流灾害记录，而地震后每年均有数十次泥石流灾害[18,19]；四川石棉、汉源地区泥石流、白鹤滩矮子沟泥石流以及云南小江地区泥石流都在经历前期干旱后，泥石流数量规模扩大[20-22]。所以基于稳定因素，依据动态因素进行泥石流的预测方法是相对科学可行的。

图2　影响泥石流易发性的各主控指标分布图Fig.2　Distribution of lithology, drought, slope and debris flow

首先根据影响稳定因素：包括历史泥石流灾害分布与坡度，得出历史上泥石流的高易发区、中易发区和低易发区。然后依据动态因素，包括地震烈度与干旱因素，通过叠加分析，划分区域泥石流易发性分布图。最后，在此结果基础上考虑岩性的影响，若属硬岩分布区，则将地质灾害易发性等级作升一级处理；若属软岩分布区，则将地质灾害易发性等级作降一级处理。其划分依据如表1所示。

表1　地质灾害易发性等级的划分依据

3.3鲁甸地震区泥石流易发趋势分析

依据以上标准将鲁甸地震灾区地质灾害易发性等级划为3类，其结果如图3所示。

从图3中可以看出：鲁甸震后地质灾害高易发区呈带状和岛状等不均匀分布，这是由于区域的地质环境与地貌结构所决定的。高易发区发育大量硬质玄武岩、灰岩，地貌上属于干旱河谷区，地形起伏较大，切割较为强烈，断层多沿河谷分布，受极端干旱循环气候的影响，地震引发的灾害破坏性极大。高易发区面积分别为6 856.87 km2，占灾区总面积的21.54%；中易发区主要受地形与坡度的影响集中分布于灾区中山丘陵区，面积为15 102.72 km2，占灾区总面积的47.45%；低易发区主要分布于昭通市昭阳区与鲁甸东部区域，其次在布托县南面也有分布，面积为9 869.06 km2，占灾区总面积的31.01%。

4防灾形势与策略

4.1防灾形势

依据易发性的分区，可知今后该区域泥石流灾害形势严峻，其具体原因如下。

图3　地质灾害易发区分布图Fig.3　Distribution of probable occurrence level for geological hazard

a.地震活动叠加前期极端干旱和暴雨促使土体强度极大弱化，今后一段时间内地质灾害范围可能超出该震级的常规影响。从区域上看，人们关注的地质灾害通常在Ⅶ度烈度区范围内，最大扩大到Ⅵ度烈度区范围；而国内外最新研究成果[11]表明： 4.5级地震(烈度远低于Ⅵ度)有可能诱发滑坡，Ⅵ度烈度区以外范围的地质灾害容易被忽视。汶川地震后巨大的灾害也常发生在Ⅶ度烈度以外区域，甚至Ⅵ度烈度以外区域，特别是工程引发的地质灾害。如汶川地震后各年损失最重的灾害均远离震中，2009年汉源猴子岩崩塌，2010年舟曲泥石流，2012年宁南矮子沟泥石流灾害，所以Ⅶ度烈度以下区域的重大工程区需引起关注。

b.地震与极端气候的遭遇可能引发大规模的地质灾害。研究表明鲁甸震区的地质灾害由地震和极端气候联合控制，滇东北连续4年的干旱并叠加暴雨的事实告诉我们区域极端气候影响巨大，所以二者形成的内外动力作用导致灾害的发育程度可能超过人们的预想，特别是在河谷区，这里水电、道路等重大工程和村镇分布十分集中，并且属干旱河谷地质环境脆弱，大型地质灾害发生的可能性大。

c.沿河城镇、村庄和水电、道路工程将面临小水大灾的局面。沿河区域将成为滑坡泥石流等急变灾害和水土侵蚀等缓变灾害的发育区，它们共同的作用将增加侵蚀速率，并导致河湖区在今后一定时间内(通常4~6 a)的淤积和抬升，沿河城镇、村庄与沿河分布的重大工程将会遭遇河床抬升导致的小水大灾现象。特别是鲁甸及其邻近地区重要的交通干线基本上为沿河线，由于侵蚀在短时间的增加，沿河区域可能出现常遇洪水引发百年一遇以上灾害的案例。

4.2防治策略

a.加强极端气候和地震对区域地质灾害的动态研究，特别需要重视极端气候和地震活动二者耦合情况下引发的区域地质灾害增加的程度的动态研究，加强震后与雨季前的极端干旱背景下区域地质灾害的预测。

b.汛前加强以培训为主体的非工程防灾减灾措施的具体落实。目前四川省国土资源厅已完善了一套在建工程地质灾害防治培训教案，形成了政府+专家+工程建设单位联动防灾的模式，具体包括管理层面和施工层面，极大地提升了工程建设区的防灾减灾能力，2012年实施以来，四川境内大型和特大型工程灾害没有发生。可以推广其经验于鲁甸地震灾区及其相关的工程单位，实现从基层防灾减灾的目标。

c.重大工程区由于施工作业量大，灾害点多面广，震后宜适当提高工程防灾标准，并考虑缓变灾害的动态影响。

d.建议政府优先在干旱河谷和地震带的叠加区域进行地质灾害防治与抗震结构的实验示范。

地震导致土体开裂，极端干湿气候使得土体强度降低，在二者的联合影响下，地质灾害将被放大。脆弱山区包括地震山区、干旱河谷、喀斯特和台风暴雨山区等，而干旱河谷地震带是多种灾害的集中区，这里自然环境脆弱，水土流失严重，居民相对贫困，可选择典型区进行防灾减灾和经济发展示范，逐步消除小震大灾现象，推动山区经济的安全健康和快速发展。

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Tendency prediction of debris flow triggered by

“8·3” Ludian earthquake of Yunnan, China

CHEN Ning-sheng1, Javed IQBAL1,2, LIU Li-hong1

1.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcesses,

ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China;

2.CollegeofEarthSciences,UniversityoftheChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China

Abstract:A large number of secondary geological disasters occurred during the “8·3” Ludian earthquake of Yunnan Province. The disaster is resulted from the falling of soil strength duo to pre-drought and rainstorms. For assessment of secondary geological hazards, the effects of topography, geological conditions, earthquake and drought on debris flow development are analyzed, and the assessment indexes are established. A speedy quantitative assessment of hazards sensibility is exercised by using GIS spatial analysis technology. It indicates that the high probable, mid-probable, low probable geological disasters are 6865.84 km2, 15102.72 km2, 9896.06 km2, respectively, and the high probable geological disasters distribute along the Jinsha River and Niulanjiang River. In the future, high probability of the debris flow hazard development exists under the condition of extreme climate influence.

Key words:Ludian earthquake; extreme climate; geological hazards; tendency prediction

[文献标志码][分类号] P642.23 A

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.01.11

[文章编号]1671-9727(2016)01-0102-07

[收稿日期]2014-11-24。

[基金项目]“十二五”国家科技支撑计划课题(2011BAK12B02)。

[第一作者] 陈宁生(1965-),男,博士,研究员,博士生导师,从事山地灾害与工程研究, E-mail:chennsh@imde.ac.cn。