从黄土灾害链看溃决型泥石流形成

尚彦军 金维浚 高强

摘   要：集中分布于昆仑山北坡2 500～4 000 m高度上的风积土因形成时代新、搬运距离短、成壤作用弱而多为松散多孔的灰黄色粉土或黄土状土。造成重大人员伤亡的叶城“7.6泥石流事件”为近年来日益重视的黄土灾害链发生机理研究提供了一个独特案例。采用遥感影像分析、现场调查、走访、高密度电法勘探等技术方法，研究发现该事件从斜坡高位长达10～15 a发育弧形张拉裂缝开始，短时强降雨诱发破坏，产生浅层远距离滑坡，堵塞河沟成堰塞湖，土坝溃决形成稀性泥石流乃至下游洪水。本文所揭示的柯克亚乡黄土地质灾害链发生机理在南疆较常见，或可称叶城模式。研究发现，突发破坏以滑坡而非水土流失形式，缘于中高山区斜坡上的风积土厚度一般小于20 m、坡脚与侧蚀河床距离有限。本研究解释了下游河谷突然断流，次日突发洪水现象原因：中上游堰塞湖形成、滞后溃决和瞬时泥石流、洪水损害环链生性灾害。

关键词： 灾害链;叶城;风积土;冻融;暴雨

地质灾害链孕育发生、发展和治理依次呈现致灾环、激发环、损害环和断链环，是影响并促使其发生的主要地质因素，非地质因素（降雨、工程活动）是诱导或激发因素[1]。按规模可分一级全球级别、二级区域级别、三级流域级别、四级单条冲沟级别地质灾害链[2]。从相关沉积和史料分析发现，我国崩滑流活动存在4个时间尺度复发周期或旋回：数万年的超长期旋回、数百至数千年的长期旋回、8～13年的中期旋回、1年的短期旋回[3]。崔云等对降雨激发作用分析发现久旱强雨是灾害链预警防控关键时段[4]。据不完全统计，2002—2012年我国近三分之一地质灾害发生在黄土地区[5]。黄土地质灾害链最显著特点是链式结构（渐变式、突变式环节）以及灾害演化过程中的规模放大效应。据外界扰动方式差异，可将其分为水源型灾害链和（人工扰动）力-水源型灾害链[6]。因黄土灾害突发原因以及渗流模式等认识欠缺，黄土地质灾害链研究备受关注。2016年7月6日凌晨叶城柯克亚乡玉赛斯（六村）发生滑坡堰塞坝溃决泥石流灾害，造成36人死亡、6人失踪、7户民房完全毁坏，其余数十间房屋和大量基础设施不同程度受损。曾庆利等、胡桂胜等在联合地质考察基础上给出坝体溃决型泥石流的结论说明其链生问题的重要性。目前鲜见该区与黄土结构和厚度相关灾害链的专门分析研究[7-8]。

在2016—2017连续两年现场调查和样品分析测试基础上，作者等提出以中高山风积黄土为介质、以多次地震作用造成高位拉裂缝变形为主15年的周期显现，以EW走向昆仑山和NS走向帕米尔高原山脉转折凹弯局地强降雨为激发（图1），以三级流域范围内多内凹形坡面为几何特征的拉裂缝是滑坡泥石流灾害链的致灾环;经历长期蠕变-暴雨滑坡-堵塞沟谷-堰塞湖溃决-泥石流为特征的灾害链损害环;溃决型机理及时空分布受地形和黄土分布控制特征明显。这种发生在叶城而有一定区域代表性的地质灾害机理，本文暂称为“叶城模式”。

1  自然条件及历史事件

在塔里木盆地内大气环流作用下昆仑山北坡海拔4 000 m以下的山坡和谷地中风成黄土广泛分布[9]。在大气环流及沙尘暴共同作用下，2 500～      4 500 m高度带为黄土分布区，其下为亚砂土丘陵，其上为裸露基岩[10]。受北部沙漠影响，距今880 kBP年前昆仑山黄土沉积和塔克拉玛干沙漠雏形同时出现，沉积后成壤作用微弱[11]。该黄土区地质灾害研究多为单灾种和影响因素分类统计[12]。近几年降雨-径流关系周期变化分析应引起重视。古丽孜巴对近50年提孜那甫河流域降水量和径流量周期分析，发现两者均呈17 a主周期[13]。毛丽旦木借助GIS工具开展叶城地质灾害易发性评估，并给出了区域分级评价[14]。

叶城县降水垂直差异分布明显，平原区年均降水50.2 mm，低山丘陵区年降水70.74 mm，中高山区年降水达231.2 mm，柯克亚乡政府驻地年降水约 100 mm。总体分布规律是南部高山地带最多，海拔3 000～3 500 m迎风坡（北坡）年降水量可达350～  400 mm，向南向北迅速减少[15]。该区存在极端降水和局地暴雨，据1961～2000年新疆54个气象站统计分析，叶城所在喀什地区年极端降水量占年总量的31.3%[16]。

NS走向的提孜那甫河是叶尔羌河的最大支流。径流量最大月出现在7月，1975年与2001年径流量由少到多突变，年径流周期变化呈现17a的主周期，10 a与22 a的次周期。对1958～2010年50年的年均气温分析发现，1998年发生由冷变暖突变，气温周期变化呈17 a的主周期。该流域年降水集中在5、6月。1998年是年降水开始上升序列突变年，降水周期变化呈17 a的主周期和22 a的次周期[13]。

叶城县中高山及低山丘陵区地质灾害最发育。南部高山区（海拔3 500 m以上）、中部中山区     （海拔1 500～3 500 m）所在中高山区分布各类地质灾害198处，占灾害点总数的90.83%[12]。该区风积黄土大范围分布在高程为2 500～3 000 m的山坡表面，为特有介质因素。

叶城县大致70%以上地质灾害的发生与大气降雨直接相关。灾害发生呈群发性、同时性、爆发性及后续性特点，滞后表现为在降雨过程结束后数小时甚至数天才会发生地质灾害[12]。叶城历史上曾于1964年5月21～25日，1966年8月13～14日、25～26日，1977年6月、1979年5月15日、1982年7月3日、1987年7月18～29日、1999年8月、2003年7月发生过暴雨、泥石流或洪水，造成很大人员伤亡和经济损失[15，17]。调查走访六村86岁老人了解到，1978年、2000年、2007年、2009年阿古溝（意思是鹰嘴沟）均发生过暴雨和泥石流。1978年7月发洪水，流下来的泥水顺沟谷底部向下游流动，村子上游约2 km出现古坝1（处于坝1上游600 m），所在处有7间土坯房及1个果园。左岸紫色近水平砂岩中见一高位老滑坡坝表面已长草。该土坝斜长约270 m，宽60 m，高出周围地面约15 m（图2）。1979年六村从现在的九村 （阿其克拜力都尔村）分出并搬到现六村下游4.8 km的原村址。

2009年发生过2个堰塞湖溃决，出现30 m高的水浪，洪水最高达半山腰，多个沟谷有泥冲泄下来。该灾害之前20多天降雨连绵不断。雨后沟谷中洪水连续出现3天，洪水流量明显增大，村民都搬至高地暂住，然后突降暴雨，泥石流从上游奔泄而来，流过原村址并冲向下游，因流量较大，比2016年7月6日的泥石流大10倍，当时整个谷地几乎完全被泥石流覆盖。没人死亡，但牛羊驴死了不少。2009～2012年他们在原村址搭建帐篷住了3年。2012年六村整体搬迁到上游4.8 km的现位置（距县城170 km）。村民屋后土坡上旱獭挖土洞普遍存在，说明草本植被较发育，表层土有一定的蓄水性。2012年1月遥感影像显现北坡坡体中上部出现大量张裂明显的弧形裂缝，部分变形体在这次7.6灾害中进一步发展为滑坡（图2），为泥石流提供较丰富的物源。多年来阿古沟为干沟，2015年洪水过流只持续了15分钟。2016年7.6灾害发生前六村有居民44户、人口300余人。从村庄下游北侧支沟的上游引水进村管道工程正在铺设修建。

2016年6月26日中国-吉尔吉斯坦边界发生震源深度10 km的6.7级强震，喀什震感强烈，六村有感觉，未见发生明显滚石及裂缝扩大。

2  现场调查

2.1  地形地貌

柯克亚乡六村处于剥蚀低山丘陵向中高山过渡的地貌单元，地形地貌差异较大，海拔高度2 400～3 000 m，沟谷切割深200～600 m，地形变化较大，群山环绕（图1）。坡高谷深的地形地貌条件为风积土滑坡发育提供了重力作用条件，沟谷横断面呈 U型或V 型，发育跌水陡坎。斜坡坡度越陡，坡体物质在重力作用下易发生蠕变，向下运移和滑动，最终在强降雨条件下形成滑坡。

阿古沟六村以上沟谷汇水面积不大于20 km2，近6村段沟谷平均纵坡坡度29.6‰（小于2º）。沟谷两岸土坡坡角为30º～35º，坡高100～400 m（图1）。

2.2  水文及暴雨

提孜那甫河上游西侧支沟阿古沟走向110º，平时为干沟。2016年正在施工从其南西侧另一支沟中管道引水工程。村庄民居分布在干沟南北两侧，其右岸被冲毁的7户房屋正位于沟谷急拐弯下游的凸出迎峰地块（图3）。

沟谷底部卵砾石包括大理岩、片麻岩、砂岩等成分多样、大小混杂，次棱角状，组成了河谷中间厚3 m以上的河床相砂砾石层，反映出洪水和泥石流短距离搬运时常发生，即发即消。沟谷两侧至黄土坡脚为略向河谷倾斜的河漫滩。村庄住房一部分建于河谷一级堆积阶地上，右侧房屋基本位于河漫滩上。7间完全损毁房屋即位于后者靠上游迎流地段（图3）。

2.3  地层岩性

叶城县地层除缺失太古界和古生界寒武系以外，从元古界到第四系均有分布。六村地质灾害现场出露地层岩性以上元古界青白口系、震旦系为主，沟谷两岸斜坡浅表土层以上更新统风积层为主 （图4）[18]。六村所在干沟下游向上游，大致从SE向NW，地层由元古代到震旦纪，从老到新。在主要滑坡坝1下游 750 m 处沟谷向右急拐弯处，两岸出露震旦系中厚层状复成分砾岩，地层产状 60°∠35°。

近地面风沙流运行受到地形影响发生改变，造成砂层形态差异，特别是山岭起伏往往成为风沙流运行障碍。在柯克亚乡山地北坡、东坡迎风侧砂土大量堆积，常形成厚度较大的风积砂层，滑坡主要发生在这套山坡浅表层上更新统风积黄土层中中。厚层风成粉细砂层，含粘粒少，纹理不发育，多沿坡地分布于基岩上方或外侧（图2）。图4给出了风积黄土在六村集中分布，其余沟谷谷坡地带也有分布，发育大量弧形张拉裂缝为特征的滑坡变       形体。

2.4  地质构造

西昆仑山前东段新生代褶皱冲断带的山前为和田柯克亚挤压构造带[19]。该带整体沿NW向延伸约270 km，东端为近NS走向的阿其克背斜（受阿尔金左行走滑断裂带控制），西端在甫沙以西与喀什叶城右行走滑转换带相交。所以和田柯西亚挤压构造带东西两端被两条大型走滑断裂带夹持并发育挤压构造。

塔西南坳陷南侧为柯克亚背斜。该背斜位于西昆仑山前逆冲-褶皱带中的第二排构造带上，背斜具有深浅两个区域性的构造滑脱面。深层滑脱面位于震旦系与古生代间的不整合面上，浅层滑脱面位于下第三系膏盐层中。柯克亚背斜形成于两个滑脱面间的古生界断块的推覆叠置[20，21]。六村位置位于甫沙背斜2东端铁克里克台隆前缘（图4）。

叶城县及邻区1914～2015年发生6级以上地震14 次，地震动峰值加速度由中部昆仑山腹地0.20 g，向两侧渐过渡为0.15 g、0.10 g，至沙漠区则为0.05 g，分别对应地震基本烈度Ⅷ、Ⅶ和Ⅵ度区。

2.5  十个滑坡

从六村到其上游1.4 km的沟谷两侧分布着10个滑坡，自下游向上游编号依次为1～10，除5号滑坡位于左岸外，其余均位于右岸，与风积土主要分布在北坡一致（图2）。土质滑坡体积为0.23～14.20万方，总体积为24.12万方，为泥石流就近提供了充足的固体物源[8]。值得注意的是，这些滑坡体积不等，但后缘滑坡壁都位于高200～400 m斜坡的中上部，属高位滑坡，与薄的单面山脊地震中出现加速度放大效应有关。另外多位于北坡的风积土厚度不大。

滑坡10所在斜坡斜长810 m，垂直高度410 m，平均坡角30º。坡脚至滑坡后缘斜长370 m，垂直高度222 m，平均坡角35º，现沟谷宽55 m。沟谷左岸残留老的风积土滑坡坝，斜高19 m，坡角33º。中上部为紫红色层状砂岩，产状50º∠42º。右岸坡高    50 m处局部发育厚层砂岩陡崖，高约6 m，岩层产状250º∠25º（图5-a）。

现场对滑坡10（坝1）斜坡开展高密度电法物探工作。物探仪器为地震电法综合仪（意大利PASI）。物探剖面斜长450 m，方向从北向南，电极距2 m。地表情况为南部原状黄土，经过宽度约50 m的河沟处为河床砂砾石层。通过河床及河漫滩之后为滑坡堆积及黄土层，到剖面北部距剖面北端点约20 m为滑坡后缘裂缝区（图5-b）。电阻率剖面显示较深部存在2条北倾断层，且断层出露部位地形低洼，黃土层厚达40 m，其它位置黄土层均厚约20 m             （图6）。斜坡黄土之下的基岩面存在一定起伏。靠近河床底部及斜坡下部较完整基岩视电阻率在     1 500 Ω·m以上，断层视电阻率约10 Ω·m。物探剖面还显示浅表土层有一定含水性，生长着草本植物，视电阻率在5 Ω·m以内，物探测量前一天下雨，整体电阻率值偏低些。

2.6  两个堰塞坝

在六村村部下游20 m及上游1.12 km分别出现了两个滑坡坝，其溃决过程从上游坝1到下游坝2。在村部上游210 m处发育了古坝2，曾经堵塞沟谷，至今仍有残留。在下游左岸支沟口，见古坝3，系原六村址上游频发的泥石流沟。

从上游到下游，先后出现滑坡10及滑坡坝1、滑坡9～滑坡6。过基岩拐角先后有滑坡5～1，其中滑坡5、4、3处断面推测当时流速分别为4.51 m/s、  6.51 m/s、5.52 m/s，流量分别为 508.7 m3/s、        524.7 m3/s、443.2 m3/s。上下游两个坝溃后洪峰流量分别为997.8 m3/s、459.2 m3/s[8]。

2.7  堆积区

按断面流量500 m3/s，时间持续按0.5 h（1 800 s）计，则流过的泥石流体积为90万方。滑坡体进入沟谷后贡献给泥石流土方量按沟谷滑坡量12 万方/km计算，沟谷长3 km，则达到沟谷中滑动堆积量为36万方。因7月5日中午降小雨约2小时，7月6日凌晨降1小时特大暴雨（按100 mm/h计），汇水面积为20 km2（图1），则1小时降雨总量为200万方。按地表径流系数表层粉土条件，取0.3[22]，则地表径流量为60万方。径流量和固态土量加起来不大于96万方。坝1溃决5分钟后泥石流到达村部大院形成了1.6 m高的水头。按过流断面面积 80 m2，长度5 km计算，第2个坝体上游沟谷中泥石流堆积体积约为40万方，下游堆积区体积为24万方，合计64万方。综合上述过流断面流量和時间、雨量加土量、沟谷面积和长度，计算的泥石流量变化于64～96万方。综合考虑降雨转化为径流、土体沿途堆积等，泥石流总体积约为70万方，包括坝1-坝2间10个滑坡为泥石流提供松散物24.12万方，堆积区体积约10万方[8]。在村部与村民住户间沟谷左岸有一支沟，有含块石泥石流流出。被泥石流毁坏7户处河谷由右岸偏向左岸的急拐弯下游，基本对着左侧支沟沟口 （图2，3，图7-b）。这样在坝2溃决前高出沟底约3 m的村部大院里水深已达1.6 m，溃决时水头高度不小于3 m。泥石流流速和流量很可能比计算结果大。

3  灾害链生过程

3.1  地震和冻融裂缝

长期的冻融和地震作用，尤其是2012年六村村民搬到现在住址之前，从卫星影像图上可见沟谷右岸斜坡上部，明显发育了大范围分布的弧形张裂缝 （图2），显示较长时间发育的滑坡变形阶段。

3.2  滑坡发生

据调查走访，2016年7月5日降雨2 h。7月6日凌晨开始半个小时出现特大暴雨，雨水深达200 mm（据访问）。沟谷中0：30出现大范围滑坡，包括近百个变形体和数十个滑坡（图4）。在滑坡坝溃决的下游斜坡又被掏蚀，进一步产生溃决后的下游滑坡。

3.3  滑坡坝堵塞

2016年6月26日6.7级地震、7月5日小雨浸润 （据观察，表层风积土降水入渗浸润厚约0.5 m）、7月6日凌晨暴雨作用下风积土中大量滑坡形成，并呈高速运动至沟谷，局部堵塞形成堰塞湖。在后续降水和上游来水作用下，湖水位急剧上升。

3.4  堰塞湖溃决

7月6日凌晨0：30滑坡坝形成后不到10分钟，即在凌晨0：35、0：40坝1和坝2先后溃决。尤其是坝1溃决后在主沟两岸形成了宽约20～50 m，厚3～2 m的饱和土堆积带，形成了高出沟谷底部平坦的“阶地”，延伸至基岩出露的滑坡5处上游，长达500 m。凌晨0：35坝1溃决后的0：40分、坝2溃决前冲入村部院里的泥石流深达1.6 m，门口墙上泥痕高达     2.2 m（图2，3）。

3.5  泥石流形成

两个堰塞湖溃决后，六村上下形成了几乎占满沟谷的稀性沟谷泥石流。在坝2溃决后，在右岸弯道处泥石流直接冲向下游，彻底毁坏了右岸拐弯处上游迎流面的7间房屋。水泥地板上残留的钢梁架呈90º直弯向下游，显示当时的冲击力来势迅猛。

4  预防对策

2009年该沟谷发生过堰塞湖溃决型泥石流。2016年六村上游及所在处1.25 km范围内发育了10个滑坡、2个堰塞湖，且有些蠕变斜坡即使没有滑坡，但也出现了弧形裂缝。现在邻近滑坡有逐渐发展连成一体的趋势，此处已不适宜于人类长期居住。据现场考察情况看，2017年降雨丰富，变形边坡的规模和范围不断加大，滑坡的链生威胁还在不断加强（图7-a照片摄于2016年7月14、15日，图7-b摄于2017年7月22日），显示出风积土滑坡破坏的继承性和区域性。因此2017年政府将包括6村、7村和9村在内受泥石流和洪水威胁的村庄整体搬迁到了叶城县城，从而实现了对该区集中分布的地质灾害链的主动避让。

5  结论

叶城灾害是长期地震和冻融作用下短时暴雨诱发的稀性泥石流，先后经历了长期蠕变拉裂变形、高位快速滑坡、堵沟坝、堰塞湖溃决、泥石流等5个阶段，组成了一个从变形到破坏、从滑坡到泥石流的灾害链。六村上游1.25 km范围内发育了10个滑坡、2个堰塞湖，是形成高水头泥石流的重要来源。部分建于河漫滩及拐弯迎流处的房屋成为受灾最严重的地段。

致谢：本文参考中科院叶城7.6灾害地质考察队向新疆分院提交的考察报告。感谢自治区国土厅资环处、喀什行政公署、喀什公路局、叶城县委和县政府、柯克亚乡等各级政府及七村、九村委会和护边员为考察工作提供大力支持和便利。参加野外考察工作的还有曾庆利副教授、胡桂胜副研究员、杨长德讲师、杨磊硕士、马姗姗硕士等。

参考文献

[1]   李明，唐红梅，叶四桥.典型地质灾害链式机理研究[J].灾害学， 2008，23（1）：1-5.

[2]   韩金良，吴树仁，汪华斌.地质灾害链[J].地学前缘，2007，14（6）：11-23.

[3]   冯玉涛，肖盛燮.崩滑流地质灾害链式机理及其优化防治[J].灾害学，2009，24（3）：22-26.

[4]   崔云，孔纪名，倪振强.强降雨在滑坡发育中的关键控制机理及典型实例分析[J].灾害学，2011，26（3）：13-17.

[5]   彭建兵，林鸿州，王启耀，等.黄土地质灾害研究中的关键问题与创新思路[J].工程地质学报，2014，22（4）：684-691.

[6]   朱兴华，彭建兵，同霄，等.黄土地区地质灾害链研究初探[J].工程地质学报， 2017，25（1）：117-122.

[7]   曾庆利，尚彦军，胡桂胜，等.新疆叶城7.6滑坡泥石流灾害调查与形成机理研究[J].工程地质学报，2016，24（6）：1145-1156.

[8]   胡桂胜，尚彦军，曾庆利，等.新疆叶城7.6特大灾害性泥石流应急科学调查[J].山地学报，2017，35（1）：112-116.

[9]   高存海，张青松.中昆仑山北坡黄土特征及其环境[J].地理研究，1991，10（4）：40-50.

[10] 杨小平.塔里木盆地边缘山地的黄土沉积[J].干旱区地理，2000，（1）：13-18.

[11] 方小敏，吕连清，杨胜利，等.昆仑山黄土与中国西部沙漠发育和高原隆升[J].中国科学（D辑），2001，31（3）：177-184.

[12] 乃尉华，张磊.新疆叶城县地质灾害分布及其防治对策.中国地质灾害与防治学报，2009， 20（3）：138-141.

[13] 古丽孜巴·艾尼.提孜那甫河流域气候變化及其对径流的影响[D].新疆师范大学硕士生论文，2014.

[14] 毛丽旦木·吐尔干尼.新疆叶城县泥石流灾害易发性评价[D]. 新疆大学硕士生论文，2018.

[15] 叶城县地方志编委员会.叶城县志[M].乌鲁木齐：新疆人民出版社，1999.

[16] 杨莲梅.新疆极端降水的气候变化[J].地理学报，2003，58（4）：577-583.

[17] 张振山.浅谈叶城县水土流失现状与防治对策[J].内蒙古水利， 2009，（3）：43-44.

[18] 河南省地质调查院.1：25万地质图（叶城县）[M].2005.

[19] 梁瀚，汪新，陈伟，等.西昆仑山前和田-柯克亚挤压构造带新生代变形时序及其地质意义[J].大地构造与成矿学，2014，38（1）：27-37.

[20] 肖安成.塔里木盆地西南缘西昆仑前陆逆冲-褶皱带主滑脱面深度[J].江汉石油学报，1996，18（1）：19-23.

[21] 陈瑞银，徐思煌，杜晓峰.柯克亚油气田烃源岩特征与油源对比[J].新疆石油学院学报，2002，14（2）：1-5，14.

[22] 王大纯，张人权，史毅虹，等.水文地质学基础[M].北京：地质出版社，1995.

Abstract：The aeolian soils in southern Xinjiang concentrated at 2 500～4 000 m height on the northern slope of Kunlun Mountains are mostly gray-yellow silt or loess-like soils due to their newly occurrence，short migration distance and weak soil formation.Yecheng 7.6 debris flow event provides a rare case for disclose the mechanism of geohazard chain in loess，which has been paid more and more attention in recent years.It was found that the event began with the development of arc tension cracks at the high slope for 10～15 years.Short-term rainstorm induced damage，resulted in shallow long-distance landslides，blocked rivers and became dammed lakes，and caused outburst debris flow and afterwards floods in the downstream.The mechanism of loess geohazard chain within Kekeya Town revealed in this paper is more common in South Xinjiang， or it can be called Yecheng Model.It is also found that the sudden slope failure is in the form of landslide rather than soil erosion， because the thickness of eolian soil on the high slopes in middle and high mountain areas is generally less than 20 m，and the distance between the foot of the slope and the scoured side-eroded river bed is limited.This paper studies and explains the causes of outburst debris flow in the gully and sudden flood in the lower reaches of the next day：formation of barrier lakes in the upper and middle reaches，delayed outburst of the landslide dam，instantaneous debris flow and afterwards floods.

Key words：Geohazard chain;Yecheng;Eolian soil;Freeze thawing;Rainstorm