田湾河流域地貌和水系对泥石流分布的影响

任泓颖, 何林芝, 程济帆, 许 超, 陈典坤, 漆力健

(四川农业大学 水利水电学院,四川 雅安 625014)

1 研究背景

泥石流是发生在山区中的自然灾害,由固体物与水相混合在重力或强大外力作用下沿陡峻沟坡急剧运动的饱和流体[1]。中国多高原和山地,地质构造复杂,地表起伏大,表层岩体破碎,植被覆盖率因人类活动而降低,近年来泥石流等地质灾害愈加频繁[2],每年给国家造成了数十亿的经济财产损失[3]。对于经济不发达的偏远山区,频繁的泥石流灾害更是成为了制约当地交通、经济和生产生活的重要因素。在中国,泥石流分布在26个省市的广大山区,遍及全国138个乡镇,近十年共发生泥石流15 000余起[4]。

田湾河位于四川省雅安市石棉县西北,环绕贡嘎雪山,系大渡河右岸的一级支流。田湾河流域的地理坐标:东经101°41′～102°11′,北纬29°12′～29°47′。流域面积1 441 km2,全长86 km,全段天然落差为3 580 m,河道总比降41.6%[5]。由于田湾河流域位于川滇南北向构造带与甘孜断褶带交汇的复合地带,区域内构造地质复杂,尤其在燕山运动和新生代第三纪开始的喜马拉雅运动构造作用的影响下,该区褶皱强烈,断裂发育,岩性破碎。流域内大部分沟谷较为陡峭,为泥石流固体堆积物汇集提供了势能条件。该流域内主要岩性为变质岩与岩浆岩,但在不同区域又不尽相同,田湾河谷地带岩性以石英岩、大理岩、云母石英片岩及板岩为主;龚家沟、油坊沟、唐家沟的中、下游均发育在岩浆岩出露区,岩性以斜长花岗岩、黑云母花岗岩及闪长岩为主,上游主要出露变质岩,岩性主要为变质砂岩、板岩夹变质页岩等。这些岩体在贡嘎山雪水及气候影响下,冻融风化强烈,容易形成大量破碎物,为当地泥石流的多发提供了充分的松散物质来源。再配合地势形成的动力条件,田湾河流域内因此多发泥石流,并且通过对历史数据的统计分析发现,该流域内的泥石流分布具有明显的差异性[6]。分析其差异性的特征和成因,对于深入认识泥石流和探寻泥石流的防治方案具有重要意义。

近年来,对泥石流发生影响因素的研究较多,如张新社[7]等从泥石流形成的物源条件、地形地貌条件入手,以ArcGIS为平台,利用DEM数据研究泥石流发生特征;张晨[8]等运用分形理论,通过编程辅助计算研究了水系的盒维数值与泥石流各特征之间的关系;蒋忠信[9]等通过沟谷纵剖面形态指数N,计算小流域系统的超熵,定量评价流域稳定性和泥石流沟谷的演变过程;戚国庆[10]等依据非饱和土强度理论研究降雨型泥石流形成机理,为泥石流的准确预报提供强有力的理论依据。目前对于泥石流影响因素的研究大多采用实地调查结合历史调研数据的方式,最终通过统计与分析得到相应的评价机制。但是这些研究多局限在某一单因子、少数多因子且属于单一地貌因素方面或是单一水文因素方面,将几种影响因子进行综合考虑分析的研究并不多见,目前鲜少有关于田湾河整体流域的相关研究。

2 研究工具和方法

田湾河水系发育,支流较多。该流域内的各沟谷具有相似的水文气象条件和地质条件,但其中有的沟近期爆发过一次甚至多次泥石流,有的沟却长期未曾爆发过泥石流。田湾河流域内的龚家沟、唐家沟、杨家沟、油坊沟等众多泥石流沟近期均爆发了规模不等的泥石流灾害,例如2007年8月10日,草科乡杨家沟在建的大发水电站突然遭受到泥石流灾害,造成了11人死亡、1人失踪、约800万元的经济损失[11];2012年7月14日,草科乡唐家沟发生泥石流,造成2人死亡、5人失踪、该村经济损失超过6 000万元[12]。

本文主要分析田湾河流域内沟谷的地貌特征和整体水系结构,分析易引发泥石流的流域特征。通过地形测绘,辅助Google Earth三维地图功能,获取田湾河流域内大小支流的相关参数如沟谷长度、沟床比降、支沟流域面积和数目等,并根据Horton理论确定田湾河流域的水系级别,计算得到各级之间的Horton比(即低级河流的相关参数与相邻高级河流的相关参数的比值),作为反映水系发育和河网形态的指标,最后利用Horton理论分析田湾河流域的水系发育情况,与实际调研情况进行分析比对,探寻水系发育和地貌特征对泥石流分布的影响。沟床比降作为地貌方面的特征参数,而Horton比则属于水系方面的特征参数,表征了水系的结构特征和数量关系。

3 沟床比降与泥石流发生的相关性

根据采集的数据可以发现,在描述沟谷特征时,沟床纵比降(即沟床高程差H/沟床长度L)比沟谷流域的相对高程差更具有特征性和代表性。沟床纵比降是泥石流沟谷发育情况的重要参数,一般情况下,随着泥石流沟谷发育,沟床纵比降会逐渐降低。

据统计,田湾河河道左右岸两侧共有82条沟谷,其中共计有20条沟谷发生过一次及以上泥石流,将其称为泥石流沟。根据在地形图上收集到的沟床纵比降数据显示,未发生过泥石流的62条沟谷中有54条即总数87%的沟谷平均比降集中分布在0.2～0.5,20条泥石流沟中有19条即95%的沟谷平均比降集中分布在0.2～0.7(图1)。未发生泥石流的沟谷的安全比降较集中分布在0.23～0.5,而易发生泥石流的沟谷相对未发生泥石流的沟谷的比降范围更大、分布区间更大。

计算得到田湾河右岸沟谷的比降平均值为0.333,左岸沟谷的比降平均值比右岸偏大,为0.398,流域内所有沟谷比降平均值为0.358。

图1 田湾河两岸泥石流的沟谷纵比降分布图Fig.1 Distribution map of gully gradient of debris flow on both banks of Tianwan River

根据实地调查情况,田湾河右岸较左岸来说更易发生泥石流,20条泥石流沟中有15条分布于右岸。为了寻找两岸泥石流发生频率较大差异的原因,除了对比左右岸各沟谷的平均纵比降,将各沟谷的纵剖面曲线绘制出来后,对各沟谷的上、下段比降进行更细致的划分和对比还可以发现:左岸大部分沟谷呈现出“先陡后缓”的共性,各沟谷上段比降大致范围为0.4～0.6,而各下段比降大致范围为0.2～0.4;右岸大部分沟谷的上下段比降呈现出“先缓后陡”的共性,各沟谷上段比降大致范围为0.2～0.4,各下段比降大致范围为0.3～0.6。

从理论上讲,只要坡度>15°(即比降在0.26左右),泥石流就有发生的可能性,但当比降大至一定程度时,沟谷内不易形成堆积物,泥石流反而不容易发生。当沟谷上段坡度较缓时,容易滞留堆积物,较长时间后会形成堆积台地,在堆积台地前缘由于下段坡度变陡会形成陡而高的临空面,若遇雨水丰沛,在临空面附近,堆积物便会混合雨水发生失稳下滑,演化成泥石流。所以从两岸沟谷上下段的比降数据来看,右岸更易发生泥石流。

4 水系发育及河网形态与泥石流发生的相关性

除地形地貌因素以外,流域的水系结构对泥石流起动的影响作用也十分明显。所以除研究各沟谷的地形地貌特征以外,把水系发育及河网形态作为研究泥石流的起动影响因素之一也很重要。将田湾河整个流域按照Horton-Strahler体系划分,结合地形图手动勾勒出不同级别流域的边界以及各级别河流的河床线,根据地形图进行测量和记录。Horton-Strahler体系划分标准为:1级河流为提取的最低级别,两条1级河流汇合成为一条2级河流,两条2级河流汇合成为一条3级河流[13],以此类推。根据地形图上肉眼可识别程度,设置0.1 km为提取的河流长度的阈值,以此来确定选择1级河流,按照Horton-Strahler体系进行提取,田湾河为5级河流(图2)。

图2 田湾河流域水系图Fig.2 Water system map of Tianwan River Basin

在Horton-Strahler河网分级体系中,按照不同河流级别X的河流数量N、平均长度L以及平均河谷坡降J计算以下比值,可以从宏观上分析河网结构[14]。

式中:RNX、RLX、RJX分别为河网的分支比、长度比以及坡降比,统称为Horton比。根据Horton定律,河网的分支比即RNX为低级河流的河流数目比上相邻高级河流的河流数目,河网长度比RLX为高级河流的河流平均长度比上相邻的低级河流平均长度,河网坡降比RJX为低级河流的平均纵比降比上相邻的高级河流的平均纵比降[15]。

田湾河流域中泥石流沟在主河两岸分布极其不对称,表现出很大的差异性。20条泥石流沟中有15条沟分布在田湾河右岸,仅5条泥石流沟分布于田湾河左岸,且右岸的大部分泥石流沟相对于左岸偏长,发生泥石流的规模也偏大。因为两岸的泥石流分布呈现较大差异性,因此在考虑水系结构带来的影响时,本文将对田湾河流域左右岸这两个差异性区域分别进行分析(表1)。

Horton定律表明:Horton比值在一个狭窄的范围内变化,河网分支比在3～5之间,河网长度比在1.5～3之间,河网坡降比在1.5～3之间,多数天然河网都满足该线性规律[16]。由上述田湾河流域的Horton数据(表2)可知,田湾河流域河网的分支比为4.53、2.05、1.85,符合Horton定律。

表1 田湾河两岸的水系结构原始数据一览表Table 1 List of original data of river system structure along both banks of Tianwan River

表2 田湾河两岸的Horton比计算结果一览表Table 2 List of calculation results of Horton ratio on both banks of Tianwan River

根据计算得到的田湾河流域的Horton值绘制右岸相对左岸的各级Horton比变化趋势图(图3),其中横坐标代表相对比的相邻两级,纵坐标代表相邻两级的Horton比值的相对变化率,可以发现左岸的河网分支比、河网长度比、河网坡降比三个比值在1～4级随着河网级别升高分别趋于4、2、2,逐渐稳定;而右岸的三个Horton比虽然在正常范围内,但是比起左岸来说偏离4、2、2较多。单就分支比RNX而言,左右岸各级变化趋势一致,但右岸的值较大,说明右岸上一级的支流相对更多,即水系相对更加发育;就长度比RLX和坡降比RJX而言,右岸的最终平均比虽然接近2,但是各级比值变幅较大:左岸的长度比和坡降比各级变幅最大不超过0.2,而右岸长度比低至1.546,高至2.74,坡降比低至1.47,高至2.32。Horton比出现较大波动,说明该流域水系结构还未发育稳定,在流域的构造演化作用下,更易引发泥石流,增大了该区域内泥石流发生的可能性。

图3 田湾河流域Horton比的各级趋势变化图Fig.3 Trend change map of Horton ratio at different levels in Tianwan River Basin

从右岸相对于左岸的Horton比变化率(表3)可以看出来:右岸河网的分支比相较左岸大,稳定增幅为0.08左右;而右岸的长度比和纵比降比与左岸相比在数值上本是偏小的趋势,却在3～4级之间出现骤变,相对变化率由负转为正,且变幅的幅值较大,可以反映出Horton比在这里出现了较大波动,这也合理解释了为何4级沟谷即田湾河两岸主支沟易发生泥石流。

表3 右岸相对于左岸各级Horton比值的变化率Table 3 Rate of change of Horton ratios on the right bank relative to the left bank at different levels

5 结论

(1) 田湾河流域内未发生泥石流的沟谷的安全比降较集中分布在0.23～0.5,而易发生泥石流的沟谷相对未发生泥石流的沟谷的比降范围更大、分布区间更大。研究数据表明,当沟谷上段坡度较缓时,容易在沟谷内滞留堆积物,较长时间后会形成堆积台地,在堆积台地前缘若下段坡度变陡会形成陡而高的临空面,再遇雨水丰沛,堆积物便会混合雨水发生失稳下滑,更易演化成泥石流。田湾河流域内右岸沟谷的上段比降大致范围为0.4～0.6,而下段比降大致范围为0.2～0.4,纵比降自沟谷源头表现为“先缓后陡”型,而左岸沟谷的上段比降大致范围为0.2～0.4,下段比降大致范围为0.3～0.6,纵比降自沟谷源头表现为“先陡后缓”型,故右岸相比左岸更易发生泥石流。

(2) 水系发育且不稳定的河网形态对泥石流有触发影响。当流域不稳定而伴随构造作用进行演化的过程中,更易形成泥石流发生的各类条件,从而触发泥石流。用Horton定理进行田湾河两岸河网形态的研究时发现,田湾河右岸水系更为发育且河流沟谷的形态尚不稳定,还在演化而趋于平衡的过程中,所以发生泥石流的次数远大于相对较稳定的左岸。