震区泥石流物源泥石流转化率初步研究

屈永平

(四川建筑职业技术学院，四川 德阳 618000)

0 引 言

由于泥石流体自身的粘滞力和冲击力导致泥石流具有一定的夹裹、铲蚀能力[1]。前人对泥石流的冲出量估计主要是基于泥石流物源的储量条件和降雨条件等因素分析[2-3]。汶川地震后，震区内形成大量的滑坡、崩塌、不稳定斜坡等泥石流物源，而泥石流物源的动储量约为泥石流总储量的40%[4]。在持续强降雨条件下，震区发生了多次的大规模群发性泥石流事件，主要有“9·26”、“8·14”、“7·03”和“7·10”等。

泥石流的冲出量不仅与泥石流物源总储量和降雨条件相关[5]，也与泥石流物源的堆积时间和剩余物源储量相关，即泥石流冲出规模与物源储量的转化率和堆积时间呈负函数相关。前人对泥石流物源泥石流转化率的研究相对较少，泥石流转化率对预测泥石流冲出规模、泥石流暴发频率及泥石流剩余物源储量尤为重要。

1 研究区概况

汶川强震区位于四川盆地西北部，阿坝藏族自治州东南部，龙门山中段。研究区地处龙门山断裂带与四川盆地凹陷带的结合部，G213和G317公路从研究区通过。“5·12”地震作用不仅造成了大量的人员伤亡和财产损失，还引发了大量的地震次生灾害，滑坡、不稳定斜坡、崩塌、泥石流等给交通设施、震区重建及当地居民的生命财产构成极大的威胁，特别是G213公路被泥石流事件多次冲毁，给研究区内人民的生活和经济发展带来巨大影响。

研究区总体上地形属于深切割构造侵蚀中、高山地形，沟谷地形陡峻，地形临空条件发育，泥石流流域内崩塌、滑坡、不稳定斜坡等不良地质现象发育，为泥石流松散固体物源失稳提供了有利的地形条件。“5·12”地震的发震断裂位于研究区南东侧，断层全长约为500km。研究区灾害点分布情况见图1[6]。

图1 研究区灾害点分布

根据研究区流域内渔子溪水文站25 a实测，多年平均降水量为1 253.1 mm，最大年降水量为1 688 mm，最小年降水量为836.7 mm，连续最大4个月(6月～9月)降水量为853.2 mm，占年降水量的68.2%。汶川地震后效应导致泥石流暴发时所需降雨阀值突降，雨季强降雨为泥石流暴发提供了有利水力条件。

泥石流暴发条件与泥石流沟的地形地貌、物源条件及降雨条件等因素相关。研究区“8·14”大规模群发性泥石流过程中，暴发前1 h的降雨量为16.4 mm，暴发前3 h累计降雨量为23.4 mm，前期累计降雨量为162.1 mm。持续的强降雨汇流条件下，导致研究区泥石流流域内的滑坡、崩塌体失稳，进而形成大规模的泥石流过程[7]。研究区“7·10”群发性泥石流事件的降雨从2013年7月6日开始，降雨历时近5 d。其中，从7月7日20∶00时至7月11日8∶00 时84 h累计降雨量为207.2 mm。

2 研究方法

2.1 研究区物源分布

GIS解译可知，研究区震后滑坡崩塌地质灾害共2 067处。其中，小型779处，中型1 015处，大型261处，特大型12处。根据前人研究[7]，地形坡度是影响地貌形态最基本的要素之一，研究区的滑坡崩塌灾害点分布坡度为30°～60°，主要集中于高程小于3 500 m范围内[7]。

2.2 研究区泥石流物源转换

汶川强震区的泥石流物源以滑坡、崩塌堆积体等为主，泥石流物源在自然状态下处于稳定状态，随着泥石流物源内含水量逐渐增加，物源的物理力学性质下降[8]。泥石流物源性质、降雨条件和剩余物源储量等因素决定了泥石流暴发时的冲出固体方量，即泥石流冲出量为泥石流物源储量与泥石流侵蚀量的差值。

泥石流物源的孔隙比、密实度、抗剪强度等物理性质与其堆积时间的长短相关[9]，即泥石流物源泥石流转化率与已经暴发的泥石流次数、泥石流剩余物源储量、泥石流物源堆积时间、物源性质以及降雨条件等因素相关。

研究区泥石流物源主要为滑坡、崩塌、不稳定斜坡等堆积体以及沟道堆积物，泥石流物源在一次泥石流过程中被部分侵蚀，即剩余物源储量为下一次泥石流暴发提供物源条件。为研究泥石流物源泥石流转化率，本文选取汶川震区泥石流沟为研究对象，部分泥石流物源储量及在多期泥石流事件中的物源侵蚀量见表1。

汶川强震区2008年“9·26”、2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流物源泥石流转化见图2。从图2可知，“9·26”，“8·14”和“7·10”泥石流单个物源点的转化率变化趋势相同，且整体上泥石流物源的转化率与泥石流物源堆积时间呈负相关。

根据泥石流物源转化率函数的拟合，汶川强震区2010年“8·14”和2013年“7·10”泥石流物源转化率与2008年“9·26”泥石流物源转化率的函数关系见图3。从图3可知，“9·26”转化率与“8·14”和“7·10”泥石流物源的转化率关系为二次函数，且由转化率函数的斜率可知泥石流物源转化率的变化趋势，2010年“8·14”转化率比2013年“7·10”转化率高。公式如下

表1 研究区部分灾害点的侵蚀特征 104 m3

注：表中B为崩塌；G为沟道物源；P为不稳定斜坡；H为滑坡；S为松散堆积物。

图2 “9·26”、“8·14”和“7·10”泥石流物源转化率特征

图3 泥石流物源转化率的函数关系

(1)

式中，q9.26、q8.14、q7.10分别为2008年“9·26”、2010年“8·14”、2013年“7·10”泥石流物源单位面积的转化率；qTot为总转化率。

泥石流物源转化率函数的斜率曲线反映了泥石流物源转化率的变化趋势，由式(1)可知，泥石流物源的转化率2010年“8·14”整体趋势大于2013年“7·10”的整体趋势，且2010年“8·14”至2013年“7·10”的泥石流物源转化率下降值Δdp约为9.819%。

综上所述，泥石流物源泥石流转化率与泥石流剩余物源储量条件[10]、流域面积[11]及其物源的堆积时间[11]等因素相关，即泥石流暴发过程中的转化率与泥石流的流域面积、物源储量、已经暴发的次数、物源堆积时间等相关。转化率模型公式如下

(2)

式中，q为泥石流的单位面积的转化率；A为泥石流流域面积；W为泥石流物源储量；L为泥石流沟主沟长度；T为泥石流暴发时间；n为泥石流暴发次数。

根据泥石流物源转化率的统计模型，对比实际泥石流物源侵蚀方量，得到泥石流的转化率的误差分析。泥石流物源转化率的误差分布特征见图4。从图4可知，泥石流物源转化率误差范围在0～0.23%之间。

图4 泥石流物源转化率模型误差

3 模型验证

为验证模型的适用性，选取汶川强震区典型的“8·14”和“7·03”泥石流事件为验证对象。“8·14”和“7·03”泥石流转化率见图5。根据泥石流物源转化率的计算模型，对比实际泥石流物源侵蚀方量得到泥石流的转化率的误差分析，泥石流物源转化率的误差分布特征见图6。从图6可知，泥石流物源转化率误差范围在0～5%之间。因此，泥石流物源转化率计算模型在研究区有一定的适用性。

图6 泥石流转化率误差分析

4 结 语

本文对汶川强震区“9·26”，“8·14”，“7·03”和“7·10”泥石流物源调查发现，“8·14”泥石流物源转化率平均值为0.021 m3/km2，“7·03”泥石流为0.007 m3/km2，泥石流物源的转化率整体呈下降趋势。通过转化率模型与实际转化率对比，“9·26”，“8·14”和“7·10”误差分析得到的最大误差为0.23%，而“8·14”和“7·03”泥石流物源转化率验证可知，转化率误差最大为5%。因此，本文泥石流物源转化率计算模型在研究区有一定的适用性。