地形地貌特征参数对泥石流灾害的控制影响

赵博楠　刘海声　李健

[摘要]现在普遍意义上对泥石流的发育总结在降雨、地形地貌、地下水、岩土体类型、构造和地震、植被、人类工程活动几个主要方面进行讨论。单一的某个因素对其形成发育起到的作用是极为有限的，泥石流的发育必定是多方面因素共同作用的结果，本文通过地形地貌对泥石流地质灾害的控制影响分析，认为单就从地形地貌而言，它对泥石流的影响是必要的，关系着泥石流的流动与凝滞，起到制约的作用。单就地形地貌的基点对泥石流控制因素进行分析，利用相关性分析法对这些因素进行讨论，确定并提取其参数，使用多元线性回归方法建立泥石流与各参数之间的主要关系方程。进一步扩展地形地貌相关特征因素对泥石流形成和发展的理解，为泥石流的控制和预测提供依据。

[关键词]泥石流；地形地貌；沟床比降；相关性；流域面积

研究區位于青海省东部，日月山东麓，黄河一级支流湟水流域中上游。为黄土高原与青藏高原、农业区与牧业区、汉文化与藏文化的结合部，是青海省主要产粮区、现代工业区和地方民族工业发展区，也是全省科技、教育、文化、卫生事业最集中地带之一，交通四通八达，属青海省经济较发达、人口密集区。区内泥石流易发生的岩层主要为第四系湿陷型黄土、新元古、早期显生宙变质岩和侵入砂岩。黄土具有松散的结构，一旦接触到水分，质地就会变软，从而增加了滑动和崩塌的风险。黄土覆盖地区有密集的冲沟，易冲性强。新元古、早期显生宙岩层出露区也易发生泥石流灾害，岩层结构和物理力学特性导致斜坡不稳定，易滑动和坍塌。青藏高原隆升运动创造了干燥的地表环境，土壤稳定性差，同时，暴露在地表上的山脉岩石，风化侵蚀形成大量类似碎屑、土壤和其他颗粒物质，它们在外力作用下易发生滑动和泥岩流等自然灾害。因此，青藏高原地区自然灾害频发，主要是由于岩层特性、地表环境和固体物源的影响所致。泥石流的形成发育单就从地形地貌而言，对泥石流的影响是必要的，关系着泥石流的流动与凝滞，起到一定的牵制。对泥石流控制主要体现在沟床比降、沟坡度、流域面积、相对高差、流域形态、沟槽密度6个主要方面。对研究区泥石流形成发育的主要控制因素分别进行了定性讨论。本文就这6个方面进行简述。通过利用相关性分析法对这些因素进行讨论，确定并提取其参数，使用多元线性回归方法建立泥石流与各参数之间的主要关系方程。这样可以进一步扩展对泥石流形成和发展的理解，为泥石流的控制和预测提供依据。

1 沟床比降

沟床比降其实就是河床比降转化而来，即泥石流所形成的河沟，它的河床比降。沟床比降是泥石流的物源势能转动能的基础，是泥石流形成与运动的物理条件。体现在沟内坡面和沟道侵蚀的相互关系，从而来反映沟道发育的情况。在沟谷发展期间，沟床的下切作用强，稳定性极差，常有突发性，通常会在很短的时间内涌入大量堆积物，从而使沟床的比降不断变化。在沟床比下降的情况下，沟内的堆积物没有足够的势能将其送至沟口下的河谷，至此的泥石流将处于相对间歇，易发性也相对减小，在此条件不变的情况下可转变为非泥石流沟谷。通过统计区域内泥石流沟谷沟床比降可以分析该区域沟床比降对泥石流的形成与运动的相关性。

沟道松散堆积物在其位置上本身具有一定的势能，沟床的比降则可以从正面反映其势能大小，从而从侧面提供了其稳定性的判断，一般之间呈正相关性。但单一弱稳定性的判别并不能直接反映出泥石流的高易发性，只是易发性判断的主要因素之一。形成泥石流的沟降比，其下限应为泥石流自然休止角的上、下界限值及适宜范围；上限取固体物质性质不同而不同的松散物质休止角，最利于泥石流形成的沟壁应在疏松物质饱水后休止角附近，也随物质性质不同而不同。因此，如果沟床比下降的幅度比松散物质的休止角大，就不会形成泥石流，坡面就很难积聚到沟里；如果沟床比下降的幅度小于沟谷侵蚀的下限，沟内的松散物质处于稳定状态，也不会形成泥石流。通过统计沟谷平均沟床比降在100‰～300‰的有57条，占总数的87.7%，100‰～200‰39条，占比例最大，达60%，可以发现易发性较强的泥石流沟谷沟床比降集中在某个区间，在此范围来看其活动相对较为多发。

2 沟坡坡度

沟坡坡度改变对泥石流灾害沟谷的危害表现有以下几个方面：

（1）加剧泥石流的形成和发展：较大的沟坡度会加速水流的下降速度，增加了泥石流形成的可能性。当降雨较大时，水流在陡坡上迅速加速，带走了大量的土壤和岩石，形成泥石流。较大的沟坡度还会增加泥石流的冲刷能力和动能，使其具有更强的破坏力。

（2）增加滑坡和崩塌的风险：较大的沟坡度会导致斜坡的稳定性下降，易发生滑坡和崩塌。当沟坡坡度过大时，地表的土壤和岩石容易失去平衡，发生滑动和坍塌，进而引发泥石流。此外，较大的沟坡度也会增加滑坡和崩塌的扩散范围，加剧灾害的规模和危害程度。

（3）下游两侧沟坡的陡缓情况直接影响到泥石流的范围程度，及物源补给渠道和总量；

（4）由于黄河流域的沟坡坡度比较高，坡上水流量和沟道的变动速度也较快，所以在暴雨过后的洪峰流量变化所需的时间就比较少，既而会让河流更具备成灾的水源优势。

经过对该区泥石流沟谷的沟坡坡度频数计算表明，该区沟坡坡度呈接近于正态分布，发育泥石流较多的优势区段约为30°～60°，共发育56条，占总数的86.1％。泥石流沟各种类型和易发程度的坡降频率在30°～60°的范围内达到顶峰。根据野外调查，在工作区湟水两岸地区最能够提供充足物源的沟坡坡度大致为30°-40°，供给方法以沟蚀、面蚀和塌方等为主；而在药水河两侧的基岩地区则大致在30°～60°，供给方法大多是坍塌、滑动等。

3 流域面积

泥石流主要产生在面积较小的沟谷，一般而言，小型集水区域面积更利于泥石流的产生与发展，在X县内发生的泥石流类型也就体现出这一规律：根据统计分析，流域面积为1～5 km2左右的泥石流类型共计57种，占全区总量的87.6％，易起性较好的泥石流一般都集中发生于这一范围。

通过统计数据，我们可以得到这么一条结果：当泥石流面积超过一个峰值时其易发程度由于体积的扩大而逐步降低。这主要是由于随着集水区的扩大，集水体积的不均匀度增加，集水面积的松散固体与补给物质越来越分散，随着沟谷宽度的增加和比降量的减少，渠道的宽度也会相应扩大，同时支沟的形态也会发生较大变化。这种变化会对泥石流的流动产生不同程度的限制影响，对石屑水流的活动也产生了相应的影响，尤其是在支沟出口和渠道汇流处。随着规模的扩大，泥石流运动会逐步衰减，直到规模面积越过某一阈值，其沟谷便发展演化为普通的山洪沟谷。另外泥石流沟谷集水范围还具有一定下限度，即集水范围达不到泥石流固形物的积累条件。考虑到对泥石流沟谷集水面积的统计测定受到地形构造、土壤岩性、气候、地理、植物等众多条件的干扰限制，据此可以經过研究大致确定在X县的泥石流沟谷所发育的集水面积上、下界阈值依次为0.1 km2和5 km2。

4 相对高差

相对高差主要体现泥石流流域地形起伏的范围和切割冲刷的力度，从侧面反映出沟谷的发展水平。该区泥石流集中地发生于相对高差100～400 m以上的范围内，已发生泥石流44处，占全区总数的67.6%。一般而言，相对高差较大的沟谷一般处在退化阶段，冲刷程度通常较小，而相对高差在200～500 m的沟谷则一般是发育中段的沟谷，且处在稳定调整期，在沟谷的下切冲刷及其他各种因素的联合影响下易出现二侧沟坡以不均衡状态发生坍塌的不良地貌状况，并进而转变为以疏松固体物质补给滑坡和泥石流。但是从另一种视角来看，因为相对高差又影响了整个黄河流域的沟床比降，而本文中又介绍了在这二者的数据上都呈着显著相关性，所以总的来说，其易发性一般都是伴随相对高差的增大而上升的。

5 流域形态

泥岩流沟谷随着不同地区的河流形式与发育阶段有所不同而形成的各种类型，其中漏斗形与勺形是在研究区比较普遍的形态，漏斗形和勺形在泥石流研究区比较普遍的原因主要是由于沟床比降、斜坡稳定性、流域地质特征和水流输沙能力等多种因素的综合作用。这两种形态具有以下特点：

（1）水流聚集效应：漏斗形和勺形具有较窄的沟道和较大的沟床比降，这会导致水流在下降过程中加速并聚集。当降雨较大时，水流在这样的形态条件下更容易形成高速流动，进而带走大量的土壤和岩石，形成泥石流。

（2）斜坡稳定性下降：漏斗形和勺形通常对应着较陡峭的斜坡，而陡峭的斜坡在地质和土壤条件不稳定的情况下容易发生滑坡、崩塌等地质灾害。这些地质灾害的发生进一步促使泥石流的形成和发展。

（3）沟谷侵蚀加剧：漏斗形和勺形的形态特点使得泥石流在通过时对沟谷产生较大的冲刷和侵蚀作用。泥石流的高速流动和携带的大量泥沙会加速沟谷的侵蚀，进一步扩大沟谷的规模和深度，形成更为复杂的地貌。

（4）地质物源丰富：漏斗形和勺形通常出现在地质物源丰富的地区。这些地区的山脉岩石暴露在地表上，经过长期的风化和侵蚀作用，形成大量的碎石、土壤等固体物源。这些固体物源在泥石流发生时容易被搬运和堆积，进一步促使泥石流的发生和扩展。

综上所述，漏斗形和勺形的形态特点使其对泥石流灾害的发生较为有利，主要原因是水流聚集效应、斜坡稳定性下降、沟谷侵蚀加剧以及地质物源丰富等因素的综合作用。调查区内的各个沟谷均具备了形成、流动和堆积区的共同特点，泥石流常出现在具有特定地形特征的流域中。这些流域通常呈现出周围山峦、一面开口的漏斗形或叶状地形。这种地形具有较为开阔的地势，周围的山峰高耸且坡度陡峭，植被稀疏，这为物质的聚集提供了有利条件。尤其是下游流动区的地势通常是狭长陡深的狭谷，使得泥石流能够迅速而直接地流动下去。

6 沟壑密度

流域内干支流总长度与面积之比即沟壑密度，是说明地貌分割破坏情况的一项主要参数，沟壑密度愈高，地貌也愈破坏的更严重，因而必然起伏不均，边坡发育。它一方面导致地表的稳定性减弱，一方面容易产生地表径流。沟壑密度越高，地面径流和冲蚀侵害就越严重，沟谷冲刷切割进程也更迅速。所以沟壑密度是具有重要统计价值的地形科学的描述参数，同时也是反应地区气象、地质、地形状况的一项重要基本参数，是地质演变过程中和土壤地表抗蚀程度有关的一个特征值，对地质灾害的演变具有相当重大的影响意义。

区域的沟壑密度大都集中在于1～2 km/ km2区域中，表明该区域的沟谷茂密，但地貌构造相对破坏，且土壤丧失很大，且存在泥石流灾难的生成必要条件。区内的泥石流沟就大都出现在这一区域内，并呈现易发范围随沟壑密度提高而扩大的态势。

7 分析讨论

通过定性分析讨论我们可以得到泥石流和沟床比降、沟坡度、流域面积、相对高差、沟壑密度、流域形态几个特征参数，对这些参数特性与泥石流进行相关性研究。当有大量表征参数时，这些参数之间可能会相互关联。因此，使用泥石流相关特征参数分析能够涵盖各参数中的相关度。其中流域形态多为定性指标不宜做定量分析，我们将4个特征参数分别与沟壑密度作相关性图（图1），可以看到其相关性都处于0.5内附近。

通过多元线性回归法求解出泥石流和沟床比降、沟坡坡度、流域面积、相对高差4个特征参数综合后的相关性指标作为自变量，以沟槽密度作为泥石流的响应变量，其中流域形态多为定性指标不宜做定量分析，故取消此项。得到R2＝0.5082F＝13.4324p=0.0000

发现相关性达到0.5左右，P<0.05，回归模型y＝0.2965-1.2168X1+1.3761X2+0.1038X3+0.9156X4成立；

从残差图中可看到大部分数据点都处于零点附近，且残差的置信区间均包含零点，这说明回归模型y＝0.2965-1.2168X1+1.3761X2+0.1038X3+0.9156X4能较好的符合原始数据，而存在的5个偏离数据可视为异常点而剔除（图2）。

对参数数据的分析我们可以看到沟床比降、沟坡度、流域面积、相对高差、沟槽密度之间与泥石流的形成存在一定的关联性且相关系数达到0.5左有，在这之间相关系数一般的原因主要就是在对收集这些数据时人的因素造成的误差，在原始数据收集过程中存在估值、大致、定性错误等人为因素，这就是导致各参数与泥石流形成的相关系数偏低的主要原因。

通过对地形地貌对泥石流控制的分析，认为其对泥石流的影响是必要的，关系着泥石流的流动与凝滞，起到制约的作用。对泥石流控制主要体现在①沟床比降，形成泥石流的沟床比降本质应存在一个上、下界限值和适宜范围，通过统计我们可以发现易发性较强的泥石流沟谷沟床比降集中在某个区间，在此范围来看其活动相对较为多发；②沟坡坡度，通过统计泥石流沟各种类型和易发程度的坡降频率在30°至60°的范围内达到顶峰；③流域面积，泥石流主要发生在沟谷地形，特别是那些面积较小的沟谷。相比之下，集水区面积较小的情况更有利于泥石流的形成和进一步发展；④相对高差，泥石流的形成和演化程度与流域地形的起伏范围以及切割冲刷的强度密切相关，这同时也是沟谷发展水平的一种体现。该区泥石流集中地发生于相对高差100～400 m以上的范围内；⑤流域形态，漏子形与勺形是在-作地区中比较普遍的泥岩流沟谷形式，羽状溪系对泥石流的产生也较为不利；而树叶形的河系则对泥石流的冲击能力介于此两者中间；⑥沟槽密度，区域的沟谷密度大都集中在于1～2 km/km2区域中，表明该区域的沟谷茂密，但地貌构造相对破坏，且土壤丧失很大，且存在泥石流灾难的生成必要条件。区内的泥石流沟就大都出现在这一区域内，而且随着沟壑密度的增加，泥石流易发范围也呈现扩大的趋势。这一现象反映了泥石流的地域特点和沟谷地形的发展状态。

通过对参数数据的分析我们可以看到特征参数之间与泥石流的形成存在一定的关联性且相关系数达到0.5左右。这可以得出以下结论：

（1）溝床比降、沟坡度、流域面积、相对高差和沟槽密度是影响泥石流形成的重要因素，它们之间存在一定的关系。

（2）较大的沟床比降、沟坡度、流域面积、相对高差和沟槽密度可能会增加泥石流的形成和发展的可能性。

（3）通过对这些参数的综合考虑和分析，可以更准确地预测和评估泥石流的危险性和潜在风险。

（4）进一步的研究和分析可以深入探讨这些参数与泥石流形成之间的具体关系，为泥石流的预测、防治和管理提供更科学的依据。