九龙县踏卡河流域乌拉溪沟低频泥石流特征与危险性

钟 政, 胡桂胜, 杨 溢, 倪华勇, 刘恩龙, 韩 征

(1.昆明理工大学 公共安全与应急管理学院，昆明 650093；2.中国科学院 水利部 成都山地灾害与环境研究所，成都 610041；3.中国地质调查局 成都地质调查中心，成都 610041； 4.四川大学 水利水电学院，成都610065； 5.中南大学 土木工程学院,长沙 410075)

中国西南地区山地范围广、地形复杂、地形地貌特殊，且岩体破碎、物源丰富，加之气候条件独特，降雨量充沛，为泥石流的形成与发育提供了有利的地形、物源和水动力条件[1-3]。自汶川地震以来，区域性极端气候事件频发，泥石流成为灾区最活跃的地质灾害之一，给灾区重建和人民生活带来严重威胁[4-7]。这些泥石流灾害中, 既有高频泥石流也有低频泥石流。高频泥石流的暴发周期短，因而人们对其尤为重视。而多数泥石流通常为几年至几十年才暴发一次的中、低频泥石流[8]，物源形成周期较长、泥石流隐蔽性强、规模大，其危害性常常被忽视[9]。在中国西南山区，多数建筑物建立在平坦的泥石流堆积扇上，没有考虑到低频泥石流危险性，所以当泥石流来临时，通常会造成毁灭性灾害。例如2017年8月8日普格县荞窝镇发生百年一遇泥石流，造成1.6亿元的经济损失[10-11];2010年8月7日舟曲县暴发四百年一遇的低频泥石流，造成 1 463人遇难，302人失踪，直接经济损失达数亿元[12]。因此，越来越多的学者开展了低频泥石流防治研究。而泥石流危险性评价是泥石流灾害防治的关键环节[13]，对泥石流灾害风险分析与防治规划具有重要意义。近几年来，各种泥石流危险性评价理论与方法层出不穷，例如，适用于单沟泥石流的模糊综合评判法[14]、灰色系统评价法[15]、神经网络评价法[16]。较为科学的区域性评价方法有多因子综合评价[17]、灰色关联分析[18]、信息熵理论[19]等。不同的评价法有其特定的适用范围，对于不同的灾害条件应选取对应的、科学合理的评价方法。

四川省甘孜州九龙县踏卡乡甲铺子村的踏卡河小流域乌拉溪沟为老泥石流沟，历史上曾多次暴发泥石流，最近一次于1997年暴发较大规模泥石流，一次冲出量约(4～5)×104m3，冲毁房屋3间、农田约80亩、桥梁一座、大牲畜损失约120头，直接经济损失约300万元，灾情为较大级。近年来，受“5·12”汶川特大地震、“4·20”芦山强烈地震、“11·22”康定地震及频发极端天气和不合理人类工程活动影响，踏卡乡地质环境变得脆弱，诱发大量崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害，对踏卡河流域内的踏卡电站带来严重安全隐患，并严重制约着当地的社会经济发展。本文以乌拉溪沟为对象，探索这类低频泥石流的形成条件、运动特征以及成灾特征，通过多因子综合评价的方法对其进行危险性评价，旨在为该区域低频泥石流灾害的预警预报、防灾减灾提供理论支撑。

1 研究区概况

乌拉溪沟位于九龙县县城东南部约90 km，沟口地理坐标：北纬28°46′44.91″，东经101°48′04.60″，流域内多年平均降雨量为950 mm，且多集中于6～7月份(占全年平均降雨量的60.7%)。

乌拉溪沟地形属于构造侵蚀中山地貌，沟域形态近似扇形，平均纵向长度6.3 km，平均比降208.75‰，平均宽度3 km， 面积23.5 km2；沟域形态分布较为对称，总体为“V”型峡谷地貌，上游沟谷及支沟相对较为狭窄，下游宽度略大(图1)。沟域最高点位于沟源顶部积雪段，海拔高度4 600 m；沟域最低段为乌拉溪沟汇入踏卡河处，海拔高度2 475 m，相对高差2 125 m。沟域两侧岸坡以陡坡地貌为主，一般坡度45°～75°。

乌拉溪沟流域位于松潘-甘孜地槽褶皱带的东南部，区内褶皱及断裂构造发育。流域范围出露的地层主要为第四系松散堆积层(Q)、上二叠统萨彦沟组(P2s)及玄武岩组(P2β)。

2 泥石流基本形成条件及动力特征

2.1 泥石流形成条件

2.1.1 地形条件

乌拉溪沟域内总体地形陡峻，沟域两侧岸坡以陡坡地貌为主，地形临空条件发育，为沟内崩塌、滑坡等不良地质现象的发育及沟内松散固体物源汇集提供了有利地形条件。流域由1条主沟及1条支沟组成，呈树状分布，均为常年性冲沟，勘查期间测得主沟流量3 m3/s左右，主要接受大气降水及山体顶部融雪补给，流量受降雨影响大。两沟交汇处(图2)以上沟谷以“V”型谷为主，且沟道狭窄，纵比降大；交汇处以下以宽“U”型谷为主，沟道较宽，纵比降小。这样的地形有利于径流汇集，为发生泥石流提供了有利条件。

图1 乌拉溪沟小流域平面示意图Fig.1 Schematic diagram of small watershed of Wulaxi Gully

表1 主、支沟的沟道特征Table 1 Watershed characteristics of main ditch and branch ditch

图2 主、支沟汇水区Fig.2 Main and branch catchment areas

2.1.2 物源条件

乌拉溪沟泥石流物源类型主要包括崩滑堆积物源、沟道堆积物源和坡面侵蚀物源。其中崩滑堆积物源为点状分布的集中性物源。据本次勘查，乌拉溪沟域内森林覆盖率约50%，两侧岸坡大部分地段基岩出露，基岩风化程度较高，节理裂隙发育，崩塌滑坡不良地质现象发育(图3)。松散固体物质储量十分丰富，主要分布于乌拉溪沟中下游沟道两侧岸坡及坡地上，厚度2～10 m不等，为乌拉溪泥石流的主要物源类型。共发育不同规模的崩滑堆积物源点12处，其中崩塌2处，滑坡10处，为泥石流提供物源量36.9×104m3，其中可参与泥石流活动的动储量为11.4×104m3(表2)。

图3 崩滑堆积物源Fig.3 Collapse and landslide sources

表2 乌拉溪沟物源统计Table 2 Statistics of total debris flow sources in Wulaxi Gully

沟道堆积的松散固体物源主要分布于沟域中下游至沟口段，沟道堆积物多以(漂)块碎石混砂砾石为主(图4)，流域内的分布长度3.27 km，不连续，部分沟段以基岩跌水相间，宽度3～40 m，分布面积0.49 km2，堆积厚度为0.8～15 m，堆积总量约19.47×104m3(表2)。

坡面侵蚀物源分布在流域中下游坡面两岸(图5)，堆积松散，松散孔隙水广泛发育，在山顶附近有季节性冻土。残坡积物全流域分布总面积约6.34 km2，总量约471.48×104m3(表2)。残坡积物一般处于较稳定的状态，通常在大暴雨的冲刷下或流域的植被破坏后，土体才会失稳。

综上所述，乌拉溪沟流域内物源总量约527.85×104m3，丰富的物源条件有利于泥石流的暴发。

2.1.3 水源条件

县城1971～2015年的年均降水量为919.1 mm，1992～1997年降水量较少，1998年以来保持在1 000 mm左右。每年6～7月份的月均降水量最大，分别为189.5 mm和195.9 mm。降水分布严重不均，6～7月份高强度集中降雨会直接诱发地质灾害大规模暴发。

图4 沟道堆积物源Fig.4 Channel debris flow sources

图5 坡面侵蚀物源Fig.5 Slope erosion sources

根据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》和查皮尔逊Ⅲ型曲线得到不同频率下模比系数，并求得不同频率下的雨强值如表3。

由表3可知，当1 h雨量达到32.76 mm以上时，乌拉溪沟极可能暴发二十年一遇泥石流。根据单沟泥石流暴雨强度指标计算公式[20]，计算乌拉溪沟暴雨强度

R=K(H24/H24(D)+H1/H1(D)+H1/6/H1/6(D))

(1)

式中：R为暴雨强度无量纲计算值，R≥3.1时，将可能发生泥石流；K为前期降雨量修正系数，本次取1.1；H24、H1、H1/6分别为24 h、1 h、10 min最大降雨量(单位:mm)；H24(D)、H1(D)、H1/6(D)分别为可能发生泥石流的24 h、1 h、10 min界限雨值。研究区位于中国年均降雨量800～1 200 mm区，可能发生泥石流的24 h、1 h、10 min界限雨值分别为60、20、10 mm。因此，在二十年一遇的降雨条件下，暴雨强度无量纲计算值R=3.48>3.1，暴发泥石流的可能性大。

2.2 动力特征

由于乌拉溪沟泥石流属于低频泥石流，最近几年都没有暴发过，因此本次研究采用实验法，在乌拉溪沟主沟泥石流堆积区采取泥石流堆积物样品3组，每组质量不少于15 kg。根据当地居民指认，将堆积物样品加水搅拌，配置成泥石流暴发时的流体状态(主要参照1997年泥石流性状)，然后分别测出每组样品的总质量和体积，并计算3组样品的容重，取其算术平均值作为泥石流的容重。本次采用半径为11.5 cm、高度为25.3 cm的塑料桶进行泥石流容重试验。根据试验结果，乌拉溪沟泥石流平均容重为1.685 g/cm3，属于稀性泥石流。泥石流流速4.35 m/s，峰值流量达221.09 m3/s，1997年泥石流爆发规模为二十年一遇，一次冲出固体物质总量为4.18×104m3(表4)。

3 泥石流危险性评价

3.1 不同暴雨泥石流堵河分析

3.1.1 堵溃点调查

根据泥石流发生断流的特点是沟内水流出现短时间断流现象，过后泥石流瞬间流量剧增，沟道强烈下切，导致泥石流规模超常，破坏力强。通过现场勘查，在乌拉溪沟沟道内发现2处堵溃点，2处堵溃的原理基本一致，是因为沟道狭窄，最窄处<5 m， 携带有大量大块石的泥石流在该处局部壅堵，从而形成的堵溃。图6为1号堵溃点，两侧山坡陡峭，坡度可达60°以上，主要由河道右岸滑坡坍塌而成，目前整个滑塌体前缘挤压沟道，沟道明显弯曲，前缘已被水流或泥石流切割成高约3 m的临空面。坡体表面被雨水冲刷形成多条冲沟，冲沟深度0.2～0.5 m，整个堆积体前缘长约70 m，堆积厚度3～5 m，物质组成以块碎石为主，最大粒径可达1 m以上。该处坡体结构较为疏松，目前处于稳定状态，如遇大规模的泥石流淘蚀基脚，坡体上的土体失稳下滑会瞬间堵塞沟道，形成壅堵。但是该区域的松散体量相对较小，容易被泥石流冲毁，形成溃决，瞬间增大泥石流规模。调查期间流水面宽度仅为3 m。图7为2号堵溃点，主要由河道左岸滑坡坍塌而成，滑塌体呈扇形，两边弧长约30 m，中部宽50 m，厚4～6 m，其物质构成主要为块碎石土，最大粒径达3 m左右，目前整个滑塌体前缘挤压沟道，沟道明显弯曲，流水面宽度仅为1.5 m。

表3 乌拉溪沟不同频率下的降雨强度Table 3 Rainfall intensity at different frequencies in Wulaxi Gully

表4 泥石流估算模型Table 4 Debris flow estimation model

图6 1#堵溃点Fig.6 The 1# blocking point

3.1.2 泥石流堵溃分析

影响泥石流堵河的主要因素有泥石流的性质和规模、主支沟流量、主支沟交汇角等[21]。具体

判别式如下

CF=lnFR-0.883(1-cosθ)2-2.587γ<-8.572

(2)

FR=QM/QB

(3)

γ=γc/γm

(4)

式中：CF为堵河判别系数；QM为主河单宽流量；QB为支槽泥石流单宽流量；θ为主支槽夹角；γc为支槽泥石流容重；γm为主槽水流容重。考虑到沟口上游踏卡电站的影响，乌拉溪沟沟口附近踏卡河流量取20 m3/s。计算泥石流堵河的可能性见表5。

结果显示，当降雨频率达到二十年一遇时，泥石流就会堵塞踏卡河，与1997年泥石流实际情况相符，因此需要采取防灾减灾措施。

3.2 基于权重分析法的泥石流危险性分析

据调查，乌拉溪沟泥石流主要威胁对象包含甲铺子村和一座小型变电站。结合乌拉溪沟泥石流活动受威胁对象在流域内的分布情况，按1997年左右泥石流暴发时在前期堆积扇上的冲淤范围(考虑暴发频率按5%)，划分乌拉溪沟沟道右侧185 m、左侧220 m的扇形区为危险区，危险区总面积约0.97×104m2(图8)。

本文依据侯兰功[22]提出的模型对不同暴雨频率下乌拉溪沟的泥石流危险性进行评价。单沟泥石流危险度H计算公式如下

(5)

图7 2#堵溃点Fig.7 The 2# blocking point

表5 不同频率下泥石流堵河可能性判别结果Table 5 Discretionary results on the possibility of blocking river by debris flow at different frequencies

图8 泥石流危险区Fig.8 Debris flow danger zone

式中：Gi为评价因子的权重；Dj为危险系数，取值为0～1；p为降雨强度级别。

泥石流危险度的计算是泥石流危险性评价的基本工作，本文根据刘希林[23]的分级标准，将危险度分为4个等级，即轻度危险(0～0.35)，中度危险(0.35～0.6)，高度危险(0.6～0.85)及极度危险(0.85～1)，且分级标准不受评价因子数量及类型的影响。

评价因子选取及权重计算方面，李秀珍[24]提出的单沟泥石流危险性评价模型应用广泛，认可度较高。本文结合乌拉溪沟实际情况，筛选出以下7个评价因子进行危险性评价：松散物源量C1；24小时最大降雨C2；沟谷流域面积C3；主沟长度C4；流域相对高差C5；泥石流规模C6；不稳定沟床比降C7。

踏卡沟在1997年暴发过一次大型泥石流，至2008年频率有所降低。2008年之后受“5·12”汶川特大地震、“4·20”芦山强烈地震、“11·22”康定地震及频发极端天气和不合理人类工程活动影响，泥石流灾害又频繁发生。基于该沟泥石流发生频率变化较大，故本文舍去泥石流发生频率这一评价指标。

踏卡沟流域雨季降雨集中，且易发生突发性暴雨，诱发大量泥石流灾害。因此本文选取24 h降雨量作为评价指标。对各因子进行分级确定危险度，计算结果见表6。权重计算采用层次分析法(AHP)，构造判断矩阵，计算结果见表7。

将计算的权重值、危险度以及降雨强度级别p代入侯兰功[22]模型，计算结果见表8。结果表明：乌拉溪沟属于高危险性泥石流沟，二十年一遇的危险等级达到极度危险，与1997年泥石流现场调查情况相符。

4 结论与减灾对策

4.1 结论

乌拉溪沟为一老泥石流沟，历史上曾多次发生过泥石流，目前泥石流正处于活跃期，其泥石流类型为低频稀性沟道型泥石流。本文通过野外调查、参数计算、模型评价的方法，取得以下结论和认识：

a.乌拉溪沟泥石流平均容重为1.685 g/cm3， 二十年一遇泥石流流速为4.35 m/s，峰值流量达221.09 m3/s，一次冲出固体物质总量为4.18×104m3。

表6 泥石流危险因子等级划分Table 6 Classification of debris flow risk factors

表7 评价因子判断矩阵权重计算Table 7 Matrix weight calculation of evaluation factor judgment

表8 不同频率下泥石流危险性评价结果Table 8 Evaluation of risk degree of Wulaxi Gully debris flow at different frequencies

b.乌拉溪沟流域目前能为泥石流提供的物源类型较丰富、数量较大，特别是受“5·12”汶川地震和“4·20”芦山地震的影响，流域内松散固体物质储量大量增加，且该区域的表层松散土体变得极为活跃。经统计，物源总量约527.85×104m3，其中崩滑类物源量36.90×104m3，坡面侵蚀类物源量471.48×104m3，沟道堆积类物源总量19.47×104m3；各类物源中可能参与泥石流活动的物源动储量约105.57×104m3，占总物源量的18.90%。

c.根据堵河危险性分析表明，乌拉溪沟爆发二十年一遇泥石流就可能会堵塞踏卡河，从而大幅度提高洪水水位，影响洪水流向，严重威胁甲铺子村村民的生命与财产安全。并且基于权重分析方法得出乌拉溪沟属于高危险性泥石流沟。

4.2 减灾对策

a.目前乌拉溪沟泥石流主要威胁沟口左侧居住的居民和一座小型变电站，险情为大型。根据二十年一遇防治设计标准，可在乌拉沟流通区下游(海拔高度2 583.9 m处，距沟口约370 m)修建泥石流拦挡坝，主要拦挡泥石流中的固体物质，同时还能稳固沟床和两侧岸坡。为了能够满足乌拉溪沟1次二十年一遇泥石流固体物质冲出量(41 800 m3)的拦截能力，设计拦挡坝回淤库容应为46 200 m3。

b.乌拉溪沟泥石流为典型的干旱河谷区低频泥石流，可利用对降雨、气温的实时预测，实现对泥石流灾害的预警预报。同时加强沟道内物源的活动监测，利用高精度遥感影像，定期进行新增物源面积和体积调查，掌握沟道内物源发展动态。