四川省北川縣趙家溝地震次生泥石流形成條件分析

朱忠禮，劉希林，尚志海

(1.遙感科學(xué)國家重點實驗室 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875;2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;3.中山大學(xué)自然災(zāi)害研究中心，廣東 廣州 510275)

四川省北川縣趙家溝地震次生泥石流形成條件分析

朱忠禮1，劉希林2，3，尚志海2

(1.遙感科學(xué)國家重點實驗室 北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，北京 100875;2.中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東 廣州 510275;3.中山大學(xué)自然災(zāi)害研究中心，廣東 廣州 510275)

趙家溝位于北川縣擂鼓鎮(zhèn)坪上村西北側(cè)，屬汶川地震極重災(zāi)區(qū)，在地震發(fā)生前為一般性清水溝或洪水溝。由于地震的影響，流域內(nèi)發(fā)育了多處滑坡和崩塌，斜坡上和溝道中堆積了大量松散固體物質(zhì)。在2008年9月24日暴雨的作用下，趙家溝流域發(fā)生了百年不遇的泥石流災(zāi)害，成為地震次生泥石流溝。通過現(xiàn)場實地調(diào)查和室內(nèi)分析，對地震次生泥石流災(zāi)害形成的地質(zhì)地貌條件、物源條件和水源條件進行了分析。表明地震次生泥石流災(zāi)害的發(fā)生頻率和規(guī)模有可能加大，其危險性由于松散固體物質(zhì)的增大而上升，這是地震次生泥石流災(zāi)害顯著的特征。

泥石流;形成條件;地震次生災(zāi)害;四川省北川縣;趙家溝

0 引言

2008年5月12日的汶川8.0級大地震，北川縣綜合災(zāi)情指數(shù)僅次于汶川縣，地質(zhì)災(zāi)害危險度也非常高。北川縣在震前就是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，全縣有75處地質(zhì)災(zāi)害點。地震在北川縣誘發(fā)了大規(guī)模地質(zhì)災(zāi)害，震后遙感解譯滑坡與崩塌就達284處［1］。這些滑坡及崩塌堆積物在強降雨作用下進一步誘發(fā)了泥石流。2008年9月24日，北川縣暴雨導(dǎo)致區(qū)域泥石流災(zāi)害發(fā)生，引發(fā)泥石流72處，導(dǎo)致42人死亡，對公路和其他基礎(chǔ)設(shè)施造成嚴重損毀［2］。這些泥石流中大多數(shù)為老泥石流溝，在地震災(zāi)害前就發(fā)生過泥石流災(zāi)害。由于地震產(chǎn)生的松散固體物質(zhì)增加，導(dǎo)致在前期雨量較低的情況下仍然發(fā)生了泥石流災(zāi)害。還有少數(shù)溝谷原來沒有發(fā)生過泥石流災(zāi)害，在地震后才導(dǎo)致了泥石流災(zāi)害的發(fā)生。2010年5月12日對北川縣擂鼓鎮(zhèn)趙家溝泥石流的實地調(diào)查考察，并走訪了當?shù)乩相l(xiāng)，確定趙家溝泥石流為地震次生泥石流。地震次生泥石流的發(fā)生主要受控于地震活動，還同時受研究區(qū)構(gòu)造、巖性、地形、降雨因素的影響。本文對趙家溝地震次生泥石流的形成條件進行分析，為地震次生泥石流研究提供研究案例。

1 流域特征

趙家溝位于北川縣擂鼓鎮(zhèn)坪上村西北側(cè)，安昌河(安昌河系涪江右岸一級支流)支流蘇寶河的左岸。北川縣地勢西北高，東南低，由西北向東南平均每公里海拔遞降46m。趙家溝位于四川盆地向川西高原的過渡地帶，緊鄰“5.12”汶川大地震主發(fā)震斷裂帶的上盤，地貌屬于中低山，地形陡峭。趙家溝流域總面積約1km2，主溝長約1.95km，橫剖面呈“V”形，縱剖面呈階梯狀，谷內(nèi)發(fā)育多個陡坎。溝口地理坐標為東經(jīng) 104°26′01″，北緯 31°48′19″。2008 年 9 月 24 日凌晨0:00到5:00，北川縣發(fā)生20a一遇的暴雨，導(dǎo)致趙家溝發(fā)生了百年不遇的泥石流。坪上村60多戶居民，共計230多人，由于及時撤離危險區(qū)域而沒有造成人員傷亡。泥石流造成下游兩岸房屋被淤埋，嚴重影響了坪上村村民的生產(chǎn)生活，目前已全部搬遷重建。趙家溝流域簡圖見圖1。

趙家溝泥石流形成區(qū)為漏斗狀地形(照片1)，極易匯集地表徑流。其上游三面環(huán)山，周圍山高坡陡，高程范圍為1140～1520m，相對高差為380m，該區(qū)比降為630‰。受地震影響，形成區(qū)地表破碎，山體不穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)發(fā)育5處滑坡，其中溝頭滑坡的規(guī)模最大(照片2)。形成區(qū)與流通區(qū)的分界為一陡坎，流通區(qū)為狹窄陡深的峽谷，有2處陡坎，溝谷兩側(cè)坡度近50°。流通區(qū)的高程范圍為 1000～1140m，溝長500m。流通區(qū)的地形有利于泥石流下泄，從而影響其運動速度和搬運距離(照片3)。在流通區(qū)內(nèi)亦堆積著厚度達5m的坡積物，不斷補充泥石流固體物質(zhì)來源。趙家溝溝口位于泥石流堆積扇的頂部，堆積扇寬度隨著與溝口距離增大，先增大后減小。堆積扇呈梨型，最寬處達 100～120m，最窄處僅有 10～20m。距離溝口越遠，泥石流堆積厚度越大，堆積厚度由3～4m增大到5～7m，堆積扇面積約4×104m2。堆積扇上分布有大小不一的礫石，礫石最大直徑1.5m。堆積扇發(fā)育有壟崗狀堆積堤(照片4)。

圖1 趙家溝流域Fig.1 Zhaojia gully basin

照片1 趙家溝泥石流形成區(qū)Photo 1 Source area of debris flow in Zhaojia gully

2 泥石流形成條件與發(fā)展趨勢

照片2 趙家溝流域內(nèi)滑坡體Photo 2 Landslides in Zhaojia gully basin

照片3 趙家溝泥石流流通區(qū)Photo 3 Transportation area of debris flow in Zhaojia gully

照片4 趙家溝泥石流堆積區(qū)Photo 4 Depositional area of debris flow in Zhaojia gully

地震次生泥石流與一般泥石流的差異主要在于地震的影響，地震既改變了溝谷流域的地形，又為泥石流形成提供了豐富的固體物質(zhì)來源。只要降水達到一定量級，一些溝谷即可暴發(fā)泥石流。由于強烈地震往往激發(fā)泥石流，在一定條件下，地震活動地帶通常也是泥石流活動帶［3］。地震對泥石流造成的影響按時間序列可分為兩類，一類是地震觸發(fā)的泥石流，又稱同發(fā)型。另一類是震后泥石流，又稱后發(fā)型，即強震會對泥石流活動及災(zāi)情有所加強，并使災(zāi)害擴大［4］。趙家溝泥石流屬震后泥石流，為近百年來第一次發(fā)生的泥石流災(zāi)害，這也是趙家溝泥石流的獨特之處。

2.1 地質(zhì)地貌條件

趙家溝流域位于青藏高原東緣的地形陡變帶上，地形高差較大，河流下切強烈，地貌上表現(xiàn)為狹窄的V型谷(照片5)。流域高差反映了流域的勢能和泥石流攜帶固體物質(zhì)的能力。流域高差越大，山坡穩(wěn)定性越差，崩塌和滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象越發(fā)育，匯流的速度越快，發(fā)生泥石流的動力條件也就越充分［5］。趙家溝流域最高海拔1520m，溝口高程850m，相對高差670m。較大的地形高差為泥石流發(fā)生提供了勢能條件。溝床比降是影響泥石流形成、運動特征的主要因素。一般來講，溝床比降越大，越有利于泥石流的發(fā)生。四川山區(qū)泥石流暴發(fā)所需的溝床平均比降一般在100‰以上，起動段溝床比降一般大于 260‰，部分衰退期泥石流溝溝床平均比降往往小于100‰［3］。趙家溝流域溝床平均總比降為340‰，斜坡坡度基本上都大于 25°，部分達 40°～50°甚至更陡，滿足泥石流發(fā)育的基本條件。

趙家溝所在的擂鼓鎮(zhèn)位于龍門山主斷裂帶。擂鼓鎮(zhèn)發(fā)育2條活動斷裂，即北東向的北川斷裂和近南北向的擂鼓斷裂，屬于龍門山斷裂系的組成部分。地震對泥石流形成條件的改變主要包括改變了局部地形、加劇了地表重力侵蝕。汶川地震地表破裂在坪上村一帶呈N40°E方向延伸，垂直及右旋錯位了一系列沖溝、小路、洪積扇、公路、水管、I級階地及現(xiàn)代河床等，地震破裂沿原斷坎的坡腳出露，最大垂直錯位達4.50 m、右旋水平錯位1.43 m［6］。位于趙家溝堆積區(qū)附近的農(nóng)田在地震中出現(xiàn)階狀錯斷，形成坡角34°，產(chǎn)狀 155°∠34°的 2 個臺坎，斷距分別為 5.4 m和0.7 m。位于該溝谷的山間小路發(fā)生右旋位移，水平位移量約3.0 m左右［7］。在地震極重災(zāi)區(qū)，新構(gòu)造運動活躍，地表明顯變形，節(jié)理裂隙發(fā)育(照片6)。從而導(dǎo)致地表侵蝕進一步加劇，為泥石流匯流提供更加有利的地形條件。

2.2 物源條件

照片5 趙家溝流域地形特征Photo 5 Topography of drainage basin of Zhaojia gully

照片6 趙家溝流域出露的變形巖層Photo 6 Distorted bedrock outcrops in Zhaojia gully

形成泥石流的固體物質(zhì)通常取決于地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和地震活動等。地層巖性通過巖石的抗風(fēng)化和抗侵蝕能力影響著泥石流的固體物質(zhì)來源。一般來說，堅硬巖層和巖性均一的流域，其抗風(fēng)化和抗侵蝕能力較強，不易為泥石流提供松散固體物質(zhì);軟弱巖層和軟硬相間的巖層易受外力風(fēng)化剝蝕作用影響從而能為泥石流提供較多的松散固體物質(zhì)。根據(jù)研究區(qū)1∶20萬地質(zhì)圖資料，研究區(qū)出露的地層有志留系、泥盆系、石炭系及第四系，巖石類型包括志留系的砂巖、千枚巖，泥盆系的白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、石灰?guī)r、砂頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、石英砂巖、赤鐵礦，石炭系的石灰?guī)r、頁巖、砂巖夾赤鐵礦、高嶺土，第四系的坡積-沖積物。趙家溝流域的泥石流形成于志留系含有軟弱千枚巖的砂巖地層(照片7)，在地震作用下，容易發(fā)生重力侵蝕進入溝道中。由于汶川地震的影響，趙家溝內(nèi)巖體破裂嚴重，穩(wěn)定性差，極易風(fēng)化、剝蝕，為泥石流的形成提供了物質(zhì)來源。汶川地震并沒有導(dǎo)致趙家溝泥石流直接發(fā)生，但是通過流域內(nèi)不良地質(zhì)現(xiàn)象的增加，儲存了大量的松散固體物質(zhì)來源。地震產(chǎn)生的大量滑坡、崩塌和碎屑土石，在暴雨激發(fā)下形成了泥石流，使趙家溝從非泥石流溝轉(zhuǎn)變?yōu)槟嗍鳒稀?/p>

汶川地震造成趙家溝流域內(nèi)多處山體崩塌和滑坡，一些邊坡因地震發(fā)生了嚴重的開裂和松動，9月24日暴雨發(fā)生之前，這些松散物質(zhì)對趙家溝流域影響不大。但在暴雨的激發(fā)下山體邊坡失穩(wěn)，滑坡和崩塌物質(zhì)進入溝道，由此產(chǎn)生的碎屑物質(zhì)就成為泥石流的主要物質(zhì)來源。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，整個流域有7處大小滑坡體(圖1)。根據(jù)汶川地震后航空圖像解譯得到，趙家溝流域由于汶川地震誘發(fā)的滑坡面積為13.2×104m2，“2009.9.24”暴雨后新增滑坡面積 2.0×104m2，合計為 15.2 × 104m2［8］。汶川地震對巖土體的改造十分強烈，導(dǎo)致趙家溝流域裂隙發(fā)育，巖性破碎。該流域位于汶川地震極重災(zāi)區(qū)，地震烈度Ⅹ～Ⅺ度，地震和滑坡將大量坡積物和碎石土體帶入溝谷中(照片8)，一遇暴雨極易產(chǎn)生泥石流。另外，由于地震引起的崩塌、滑坡、地裂等作用，使地表和植被遭受破壞，增強了暴雨對地表的片蝕和沖蝕，有利于細溝、切溝、沖溝的產(chǎn)生，在溝道中堆積有不少沖洪積物?？傊氪ǖ卣饦O大地改變了泥石流發(fā)生的物源條件，也改變了趙家溝近百年沒有發(fā)生泥石流的歷史。

照片7 趙家溝流域巖層特征Photo 7 Bedrocks in Zhaojia gully

2.3 水源條件

照片8 趙家溝流域內(nèi)松散固體物質(zhì)Photo 8 Loose materials in Zhaojia gully

我國泥石流暴發(fā)的水源主要是降雨，因此泥石流發(fā)生時間與暴雨頻發(fā)時間同期，多發(fā)生在6～9月。趙家溝地處北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候特點較顯著，氣候溫和，四季分明，年平均氣溫15.6℃，年平均降水量1399.11mm。趙家溝屬山區(qū)小流域，徑流暴增驟減，溝谷侵蝕強烈，地表徑流加速了泥石流發(fā)育。趙家溝流域內(nèi)常年有流水，并作為坪上村村民的飲用水源。在地震沒有發(fā)生之前，此流域為一般清水溝或洪水溝。

趙家溝泥石流是伴隨著洪水而發(fā)生的。2008年9月23日，北川縣開始大面積降雨，唐家山自動雨量站記錄雨量173.8mm。9月24日凌晨0:00～5:00唐家山站記錄雨量為57.9mm，最終誘發(fā)大范圍泥石流的雨量在5:00～6:00，其雨強達到41mm/h，這種降雨量為20a一遇［2］。據(jù)坪上村村民回憶，暴雨從凌晨0:00一直持續(xù)到天亮，溝道內(nèi)洪水達3m多深。在暴雨的作用下，大量的水體浸透山坡和溝床中的松散固體物質(zhì)，滑坡、崩塌以及其他形式的固體物質(zhì)在自身重力及洪水沖擊下形成了泥石流。

2.4 泥石流發(fā)展趨勢

地震通過改變地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖土性質(zhì)等多方面影響著泥石流發(fā)生和發(fā)展過程。地震次生泥石流在我國并不罕見，其中西藏古鄉(xiāng)溝泥石流亦可稱之為地震次生泥石流，其發(fā)展過程可為汶川地震次生泥石流研究提供借鑒。1950年8月15日，西藏察隅地區(qū)發(fā)生了8.5級大地震。大量的崩滑松散固體物質(zhì)及冰崩、雪崩、巖崩物質(zhì)匯集于西藏波密縣古鄉(xiāng)溝流域中上游，1953年9月23日古鄉(xiāng)溝暴發(fā)了規(guī)模罕見的粘性冰川泥石流，古鄉(xiāng)溝泥石流即始于此［9，10］。在1953～1965年的13a期間，古鄉(xiāng)溝有7a暴發(fā)了大型泥石流，為泥石流強烈活躍期;在1966～2005年的40a期間，僅有1972年和2005年暴發(fā)大型泥石流，為泥石流較弱活躍期［10］。古鄉(xiāng)溝泥石流的活動情況表明，地震次生泥石流災(zāi)害在震后15年期間處于活躍狀態(tài)，隨后逐漸衰減，但泥石流災(zāi)害風(fēng)險并沒有因此降低。參考《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》中泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表的指標對趙家溝評分，趙家溝得分94分，屬于泥石流易發(fā)溝［11］。雖然趙家溝泥石流規(guī)模與古鄉(xiāng)溝泥石流相比小得多，但是在雨季來臨之際，仍有再次暴發(fā)泥石流的可能性。尤其是近10～15年，在松散固體物質(zhì)可能繼續(xù)增加的情況下，激發(fā)泥石流的降雨臨界值可能會降低。根據(jù)北川震前和震后泥石流發(fā)生的臨界雨量和雨強初步分析，與汶川地震前相比，該區(qū)域泥石流起動的前期累積雨量降低了14.8% ～22.1%，小時雨強降低了25.4%～31.6%［2］。地震發(fā)生后，松散固體物質(zhì)的增加降低了泥石流形成對降雨條件的要求，從而導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性進一步增大。

3 結(jié)語

北川縣擂鼓鎮(zhèn)趙家溝流域在汶川地震發(fā)生前為一般性清水溝或洪水溝，雖然其具備泥石流發(fā)生的地形地貌和降雨條件，但是由于松散固體物質(zhì)不足，一直沒有發(fā)生過泥石流災(zāi)害，坪上村村民們長期在那里安居樂業(yè)。在汶川地震的影響下，該流域內(nèi)累積了大量的松散固體物質(zhì)，完全具備了形成泥石流的物源條件，因此在2008年9月24日暴雨激發(fā)下，暴發(fā)了地震后的第一次泥石流災(zāi)害。從趙家溝泥石流的形成過程來看，地震是次生泥石流發(fā)生的控制因素，不僅提供了松散固體物質(zhì)，還改變了地形，加劇了侵蝕。除了地震之外，地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等泥石流形成的基礎(chǔ)條件依然發(fā)揮著重要作用，而暴雨作為誘發(fā)泥石流的動力因素，在次生泥石流形成中顯得更為突出，有一觸即發(fā)之勢。汶川地震對次生泥石流災(zāi)害的影響估計會持續(xù)10a左右，在此期間，地震次生泥石流將處于活躍階段，因此在今后泥石流防災(zāi)減災(zāi)行動中，要加強對地震災(zāi)區(qū)暴雨的預(yù)測預(yù)報，對及時轉(zhuǎn)移危險區(qū)內(nèi)的人口具有重要的意義。

本文完稿之時，2010年8月7日夜22點左右，甘肅省甘南藏族自治州舟曲縣發(fā)生了特大泥石流災(zāi)害，泥石流沖進縣城，并形成堰塞湖，導(dǎo)致近2000人遇難或失蹤。舟曲縣是2008年汶川地震的重災(zāi)區(qū)，受地震影響，山體松動、巖石裂隙增加，破碎程度加大，在強降雨的激發(fā)下，舟曲縣城所在的三眼峪溝爆發(fā)了大規(guī)模的泥石流，其形成過程和模式與趙家溝泥石流具有相似性(三眼峪溝原本就是泥石流溝，這點和趙家溝有所不同)。這再一次提醒我們，對于地震次生泥石流災(zāi)害的預(yù)防和治理，必須加強對潛在泥石流災(zāi)害形成區(qū)域的暴雨預(yù)報和泥石流溝物源區(qū)變化的監(jiān)控，從而為及時發(fā)出災(zāi)害預(yù)警提供必要的數(shù)據(jù)和支持。

［1］國家減災(zāi)委員會-科學(xué)技術(shù)部抗震救災(zāi)專家組.汶川地震災(zāi)害綜合分析與評估［M］.北京:科學(xué)技術(shù)出版社，2008.

［2］唐川，梁京濤.汶川震區(qū)北川 9.24暴雨泥石流特征研究［J］.工程地質(zhì)學(xué)報，2008，16(6):751-758.

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［4］康志成，李焯芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

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［11］中華人民共和國國土資源部.泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范［M］.北京:中國標準出版社，2006.

Analysis on the developing conditions of debris flow induced by Wenchuan earthquake in Zhaojia Gully of Beichuan County，Sichuan Province

ZHU Zhong-li1，LIU Xi-lin2，3，SHANG Zhi-hai2
(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2.School of Geography and Planning，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;3.Natural Disaster Research Center，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China)

Zhaojia gully is located at northwest side of Pingshang village of Leigu town，Beichuan county，Sichuan，China，which was heavily hit by Wenchuan Earthquake.It was general water ditch or flood channel before the earthquake，and developed many landslides and collapses with loose solid material deposited on the slopes and the channel after the earthquake.Driven by the heavy storm on September 24，2008，rare debris flow happened in Zhaojia gully，which made it into a post-earthquake debris flow gully.By on-site field survey and laboratory analysis，this paper studied the developing conditions of debris flow，including geological and geomorphologic conditions，sediments source conditions，and rainfall conditions.The analysis shows that because of earthquake induced solid material，the frequency and magnitude of the debris flow and its hazard will increase greatly，which is the most significant feature of post-earthquake debris flow.

debris flow;developing condition;earthquake induced hazards;Zhaojia gully of Beichuan-County，Sichuan Province

1003-8035(2010)04-0057-06

P642.23

A

2010-08-30

國家科技支撐計劃項目(2008BAK49B04)

朱忠禮(1972—)，男，河南商丘人，博士，講師，主要從事地貌學(xué)與地理信息系統(tǒng)研究。

E-mail:zhuzl@bnu.edu.cn