藏东南帕隆藏布流域波密县城至索通泥石流堆积扇形成的制约因素与特征

邹任洲, 张佳佳, 王军朝, 陈 龙, 李 勇*, 黄 亮, 田 海

(1. 成都理工大学 油气藏地质及开发工程国家重点实验室, 四川 成都 610059;2. 中国地质调查局 探矿工艺研究所, 四川 成都 611734)

青藏高原是国际地质学界最具争论的焦点地区[1],位于青藏高原东南缘的帕隆藏布流域为深切高山的峡谷,受印度板块与欧亚板块碰撞和东喜马拉雅构造结的影响,使得新构造活动非常强烈[2-3].该地区气候独特,是西南季风和印度洋暖流进入青藏高原的交汇处,具有极其丰富的海洋性冰川和充沛的降雨[4].独特的气候和地质条件使得该地区泥石流灾害频繁发生,给当地居民带来巨大的危害[5].泥石流堆积扇主要形成于地形陡变的沟谷出山口处的开阔平缓地带,受控因素为泥石流本身的性质、规模和流域的气候与构造背景等,这些因素对于推导泥石流的形成过程和预测泥石流的危害范围意义重大[6].国内外学者对于泥石流堆积扇进行了大量的研究:Marino等[7]使用堆积扇和流域特征以及物质供应率之间的关系,来研究堆积扇的类型、形态与环境条件的关联程度;唐川等[8]通过对小江流域泥石流堆积扇调查和观测,阐述了泥石流堆积扇的形成过程,并得出了泥石流堆积扇群的组合特征;刘希林[9]研究了小江流域河床平面形态对堆积扇的影响;陈杰等[10]研究了小江流域腹地中的流域面积及沟床比降与泥石流堆积扇面积的关系,并得出流域面积与堆积扇面积之间是正指数关系,沟床比降与堆积扇面积之间是负指数关系;前人对于帕隆藏布流域波密县城至索通村地区泥石流堆积扇的研究较少,本文主要总结归纳了波密县城至索通村泥石流堆积扇的分布规律,并研究了主沟流域面积、主沟纵坡降与堆积区特征和泥石流堆积扇之间的关系.

1 研究区概况

研究区地处雅鲁藏布江最大支流帕隆藏布江的中游地带,位于藏东南地区的波密县城至索通村段(图1).研究区内构造活动强烈,横跨冈底斯陆块、雅鲁藏布江结合带、喜马拉雅陆块东部南迦巴瓦构造结,处于三大山脉即念青唐古拉山脉、喜马拉雅山脉和横断山脉交汇复合部,为各种构造极其复杂的造山带,大地构造分区见图2.研究区地势陡峭,为高山峡谷地貌,山地地形相当复杂,并且常年发育海洋性冰川[4,11],是泥石流灾害爆发的高频地区[5,12].波密县城为帕隆藏布江的中游地区,重要的交通枢纽318川藏公路从帕隆藏布江的右岸通过,两岸高频爆发的泥石流对川藏公路和附近的居民构成重大威胁.

图1研究区地理位置[13]

Fig.1Geographicalpositionofthestudiedarea[13]

图 2 研究区构造单元分区[14]

2 泥石流堆积扇发育特征

泥石流堆积扇是帕隆藏布流域两岸最为常见的地貌单元,根据野外现场调查帕隆藏布流域波密段36条泥石流堆积扇(图3),主要分布在帕隆藏布河谷两岸,两岸泥石流堆积扇规模和形态各异,并且不同泥石流沟的流域面积、主沟纵坡降也相差较大,规模最大的古乡沟泥石流堆积扇面积达4.84 km2,而最小的堆积扇面积只有0.039 km2.

这些泥石流堆积扇的面积在空间上是否存在一定的规律？笔者根据野外现场调查和遥感影像对研究区泥石流堆积扇面积进行分析统计(表1),发现研究区泥石流堆积扇面积在帕隆藏布南北岸和古乡为界存在空间分布规律:以古乡为界,古乡以西沿着帕隆藏布至波密段泥石流堆积扇的面积比古乡以东至索通村段泥石流堆积扇的面积明显要大,面积大于2.5 km2的堆积扇都在古乡以西至波密段发育,且泥石流堆积扇在波密至古乡段分布的更为密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆积扇比南岸更为发育,北岸堆积扇面积占总面积的57%,面积明显要比南岸的泥石流堆积扇面积大,并且其中著名特大泥石流沟古乡沟就在北岸发育.

图 3 研究区泥石流堆积扇分布

位置<0.10.1～0.50.5～1.01.0～1.51.5～2.02.0～2.52.5～3.0>3.0总面积/(km2)波密县城至古乡段6662001218.63古乡至索通村段074200006.80帕隆藏布北岸2651000214.39帕隆藏布南岸4753001010.95

注:资料由中国地质科学院探矿工艺研究所“藏东南重要城镇和交通干线地质灾害调查”项目组提供.

3 泥石流堆积扇制约因素

研究区泥石流堆积扇在空间分布上存在一定规律性,这种规律是否是受到泥石流沟自身因素的影响？

为了深入研究该区域流域面积和主沟纵坡降与泥石流堆积扇面积之间的关系,对帕隆藏布流域波密段泥石流堆积扇面积和对应的流域面积、主沟纵坡降进行统计分析.数据获取的方法主要是以高精度遥感影像和野外现场调查为基础,结合1∶5万地形图圈定出堆积扇的范围,再运用ArcGIS得到泥石流堆积扇面积、流域面积和主沟纵坡降(表2).

表 2 研究区36条泥石流堆积扇基础资料[1]

3.1流域面积对泥石流堆积扇的影响流域面积是影响泥石流堆积扇规模的一个重要因素,研究表明[10,15]:流域面积大的泥石流沟往往形成面积大的泥石流堆积扇,其原因是由于流域面积越大相应的松散物质储量和水动力条件比流域面积小的沟道更优越,更容易形成面积大的泥石流堆积扇.研究区的各个泥石流堆积扇面积差异明显,但基本上符合大流域面积的沟道对应形成的堆积扇面积大,小流域面积的沟道对应形成的堆积扇面积小.对研究区堆积扇面积和沟道的流域面积进行回归分析,得出两者的回归曲线(图4)和(1)式:

(1)

其中,Sf为堆积扇面积,Sd为流域面积.(1)式中的复相关系数R=0.623,表明泥石流堆积扇面积和流域面积之间回归效果显著,能够将流域面积作为泥石流堆积扇面积的影响因子.国内外许多学者[16-19]对于泥石流堆积扇面积与流域面积的关系做了大量的研究,并得出了两者确实存在S=C*Sb(c、b为常数)指数关系.因此推测本区范围内的泥石流堆积扇面积与流域面积之间也存在这种指数关系.从这种正指数关系可知,流域面积大的沟道较流域面积小的沟道更容易形成面积大的堆积扇.在帕隆藏布流域,流域面积先通过流域的集水条件和松散固体物质的含量来决定泥石流爆发的频率和堆积扇的规模,进而影响到泥石流堆积扇的面积,流域面积大的沟道容易爆发大型的泥石流,相应的堆积扇的增速和最终的面积就比流域面积小的沟道形成的堆积扇大.

图 4 泥石流堆积扇面积与流域面积回归曲线

3.2主沟纵坡降对泥石流堆积扇的影响主沟纵坡降是指流域内的相对高差与主沟长度的比值,流域内的相对高差主要体现在流域内泥石流物源所具有的势能,流域高差越大势能越大,泥石流物源所具有的势能就越大,那么它搬运能力就越强,同样在堆积区沉积的范围就广,形成堆积扇的面积越大.而主沟是泥石流搬运的必经之道,在泥石流搬运过程,它将停留在沟内或者携带沟内的物源一起冲出沟口形成更大规模的堆积扇.为了研究主沟纵坡降和泥石流堆积扇面积的关系,将表1的堆积扇面积和主沟纵坡降数据进行回归分析,得出两者的回归曲线图(图5)和(2)式:

(2)

其中,Sf为堆积扇面积,Dd为主沟纵坡降.复相关系数R=0.421,表明堆积扇面积和主沟纵坡降之间具有一定的相关性,并且它们之间也存在指数关系,这种指数关系和流域面积的指数关系相反,为负指数关系,从(图5)中可以看出总体上主沟纵坡降大的泥石流沟形成的泥石流堆积扇相应的小.

图 5 泥石流堆积扇面积与流域面积回归曲线

3.3堆积区特征对泥石流堆积扇的影响堆积区的可容纳空间和主河能量条件主要对于泥石流堆积扇的完整性有影响,对于有开阔可容纳空间的堆积区来说,泥石流堆积物在冲出沟口后在堆积区上能够形成完整的堆积扇,这种空间可以是江河床面、主河形成的河流阶地和河漫滩[20].主河的能量大小对泥石流堆积扇的完整性影响大,若主河的能量大于泥石流强度则可能无法形成堆积扇而被主河冲走或堆积扇的前缘被主河破坏无法形成完整的堆积扇.

以古乡沟和天摩沟泥石流堆积扇(图6)为例分析可容纳空间和主河能量对泥石流堆积扇完整性的影响.古乡沟是著名的高频冰川泥石流沟,在高温多雨的6～7月爆发次数最多[21-24],堆积扇的面积为4.84 km2(表2),在该处帕隆藏布主河宽度约300 m,开阔的河床为泥石流堆积扇的形成提供了空间巨大的可容纳空间.另一方面,从波密县城至古乡,帕隆藏布河床变宽,流速变缓,主河能量降低,对于古乡泥石流堆积扇破坏力度减小,有利于形成形态较为完整的泥石流堆积扇.天魔沟是一条高频泥石流沟,在2009年9月爆发特大泥石流,一次性冲出固体物总量约1.34×106m3,泥石流堆积物堵塞帕隆藏布约1 h[25].由于天摩沟位于帕隆藏布中下游位置,主河道从古乡以下沟道变窄,在天摩沟位置处主沟道宽度仅约70 m,堆积区可容纳空间非常小,且受到对面比通沟堆积扇的顶托,其泥石流堆积扇规模受到很大的影响,另一方面,这段主河河床变窄,主河能量增加,对堆积扇的破坏作用增加,相当一部分的泥石流堆积物被帕隆藏布带走,很难在堆积区堆积形成新的堆积扇,所以天摩沟泥石流堆积扇规模和形态很难扩展,很难形成面积大的堆积扇.

4 讨论

影响泥石流堆积扇面积大小的因素有多种,大的方面包括地质构造、地貌特征和水文气象[20],更为具体的方面有流域面积和主沟比降[26],另外堆积区的可容纳空间和主河能量也是影响堆积扇的重要因素[27],要对泥石流堆积扇的形成和演变过程进行系统研究,需要建立一个影响泥石流堆积扇发育的各个变量的格架[10].对于帕隆藏布流域两侧支沟来说,它们具有基本相同的地质构造、岩性和气候条件,若不考虑到泥石流从形成到堆积过程的力学机理和具体过程,则形成泥石流堆积扇的必要条件为流域特征和堆积区特征,而流域特征中的流域面积、主沟纵坡降和松散物储量都是影响堆积扇面积的重要因素[10].从图4和图5可以明显地看出堆积扇面积和流域面积与主沟纵坡降之间存在线性关系,和流域面积的线性关系为正相关,大体上随着流域面积的增大而增大,和主沟纵坡降之间存在是负相关,大体上随着主沟纵坡降的增大而减小.但这种关系并不是绝对的,堆积扇面积不管是和流域面积还是与主沟纵坡降之间的关系都存在一些动荡,比如大的流域面积比小的流域面积的沟道形成的堆积扇面积要小的多,主沟纵坡小的沟道比主沟纵坡降大的沟道形成的堆积扇面积要小的多,这种动荡的关系可能受除流域面积和主沟纵坡降以外的因素影响.流域内的松散物源储量的多少能够说明上述的动荡关系,表1中的N33(古乡沟)、N08(缩瓦隆巴)、N01(索不隆巴)流域面积和主沟纵坡降大致相同,松散物源储量[1]分别为200×106、30.1×106和28.4×106m3,对应的堆积扇的面积却大不相同,特别是古乡沟堆积扇面积达4.84 km2.

图6古乡沟泥石流堆积扇和天磨沟泥石流堆积扇对比图

Fig.6DebrisflowstackedFancomparisonchartinGuxiangandTianmovalley

表1中波密县城至古乡段发育较多面积大的泥石流堆积扇,而古乡至索通村段基本上没有发育面积的泥石流堆积扇,主要是由于帕隆藏布流经波密县城时河谷宽度突然变宽,有足够的可容纳空间给泥石流堆积扇形成,并且河流的能量相对减小,对泥石流堆积扇扇缘的破坏能力降低,使得该段堆积扇形态发育完整;古乡至索通村段,帕隆藏布河谷的宽度突然变小,形成泥石流堆积扇的可容纳空间不足,并且河谷宽度的减小导致主河能量的增加,主河对泥石流堆积扇的破坏能力增强,即使有足够的泥石流堆积物补给,也很难形成规模大的泥石流堆积扇,所以表1中的古乡至索通村段没有面积大的泥石流堆积扇.

5 结论

1) 在研究区圈定36条泥石流堆积扇范围,这些泥石流堆积扇在空间分布上存在一定的规律:以古乡为界,古乡以西沿着帕隆藏布至波密段泥石流堆积扇的面积比古乡以东至索通村段泥石流堆积扇的面积明显要大,且泥石流堆积扇在波密至古乡段分布的更为密集;在帕隆藏布南北岸方向上,北岸的泥石流堆积扇比南岸更发育,堆积扇总面积明显比南岸大,著名特大泥石流沟古乡沟就在北岸发育.

2) 在帕隆藏布流域波密县城至索通村段,泥石流沟道的流域面积和主沟纵坡降分别与泥石流堆积扇面积之间存在正、负指数关系,堆积扇面积总体上随流域面积的增大而增大,而随主沟纵坡降的增大而减小.但这种关系存在动荡,主要体现在沟道物源总量的多少.

3) 堆积区的可容纳空间和主河能量对于泥石流堆积扇的发育具有抑制和破坏作用.在帕隆藏布流域古乡至索通村段,堆积区可容纳空间的减小和主河能量的增强,对泥石流堆积扇具有限制和破坏作用,很难形成完整的大面积泥石流堆积扇.相反,在波密县城至古乡段容易形成完整且面积较大的泥石流堆积扇.

致谢研究所“藏东南重要城镇和交通干线地质灾害调查”项目组全体成员:刘健康、李元灵、高波、杨栋、杨东旭等提供论文资料,项目组司机何均堰、李明斌、杨昌明在野外现场调查时的帮助,成都理工大学颜照坤、闫亮老师对本文的指导,谨致谢意.

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