九寨溝白河正溝泥石流的侵蝕淤積及其防治

龔成會，陳又麟

(核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610061)

白河正溝位于九寨溝縣西北部，距九寨溝縣城約17 km。正溝系典型的冰川侵蝕，冰磧物堆積形成的高山湖泊，池面海拔1210 m，九環(huán)線從溝口通過，是進(jìn)入九寨景區(qū)的重要通道。近年來正溝主要水源來自上游主要支溝(小冬溝、大冬溝、馬路溝)，泥石流暴發(fā)頻繁，攜帶上游源區(qū)的大量泥沙進(jìn)入正溝，在正溝下游形成了一個泥沙淤積區(qū)，這使得正溝堆積線在1964～2009 m，降低了旅游景區(qū)的質(zhì)量，而且進(jìn)一步威脅著下游居民的財產(chǎn)安全。為了拯救正溝，有必要對正溝泥石流的侵蝕淤積及其防治問題加以研究。

白河正溝的泥石流是一個典型的冰川和降雨的混合類型，十分獨特，其淤積的歷史較長，淤積的結(jié)果十分清楚，并且有直接觀測的泥石流資料，可以成為該類泥石流研究的典范，具有一定的研究意義。本文即對正溝泥石流的特征、泥石流導(dǎo)致的侵蝕與淤積的泥沙數(shù)量、泥石流可能的發(fā)展趨勢和相應(yīng)的防治對策進(jìn)行研究。

1 正溝上游流域概況

正溝上游區(qū)域是正溝泥沙來源的重要區(qū)域，其海拔1200～4540 m，流域地勢南高北低，整個流域的水系發(fā)育，其走向為南北向，上游共發(fā)育3個支溝，各支溝(主要有小冬溝、大冬溝、馬路溝)水源主要為冰雪融水和地表降雨，地貌參數(shù)參見表1。

正溝上游源區(qū)博格達(dá)峰山地由于強(qiáng)烈的刨蝕、侵蝕切割，形成溝壑縱橫、群峰林立的山岳地貌。正溝上游(特別在海拔3500 m 以上的高山帶)冰川地貌廣泛分布(有冰川、角峰、仞脊、石海、石河、倒石錐等)。整個上游地區(qū)擁有冰川928.6×104m2。正溝上游流域的地勢南高北低，各次一級小流域的形態(tài)多為長條形。主要的水源有冰雪融水和大氣降水，前者形成溝道的基礎(chǔ)徑流。按泥石流形成過程劃分，各流域都可明顯地劃分為泥石流清水區(qū)、形成流通區(qū)和堆積區(qū)。

本區(qū)地層巖性主要為二疊系、三疊系和侏羅系的輝巖、安山巖，并含有少量的玄武巖及硅質(zhì)巖。由于上游泥石流(也包含一些山洪)的長期堆積，在正溝形成一個大面積的堆積扇，該堆積扇為北西～南東走向，扇長約2528 m，平均縱比降為32.83‰，面積約為0.749 km2，堆積區(qū)內(nèi)最高點海拔1288 m，池面海拔1210 m，相對高差78 m，其形狀為兩端窄，中部略鼓，頂部較扇緣比降大，寬度小。堆積區(qū)表面河床不穩(wěn)定，其頂部位與大冬溝的交匯處。

表1 正溝上游各支溝地形地貌參數(shù)

工作區(qū)內(nèi)人口密度高，在正溝內(nèi)共615 戶人家，3017人，這些人主要從事牧業(yè)和旅游業(yè)。

2 正溝上游典型的泥石流特征

正溝上游各支溝常年都有徑流，隨著雨季(5月～8月)的來臨，正溝上游經(jīng)常有泥石流發(fā)生。依據(jù)正溝附近水文站資料和對當(dāng)?shù)鼐用裾{(diào)訪可知，近幾十年來正溝上游明顯的泥石流共有5 次，其時間分別為1966年7月、1985年7月、1987年7月、1992年夏、1996年7月20日上午。由于以前的泥石流留下的痕跡有限，難以調(diào)查，考察時所見的主要是1996年泥石流留下的痕跡，故僅以1996年泥石流的特征進(jìn)行深入的調(diào)查和研究，以便說明本區(qū)泥石流的基本特征。

2.1 泥石流暴發(fā)的降雨激發(fā)條件

據(jù)調(diào)查，1996年7月20日正溝上游泥石流的暴發(fā)是由降雨的作用所引起。

2.2 正溝上游1996年泥石流流速、流量

泥石流流速、流量是泥石流的重要特征參數(shù)值，并成為泥石流調(diào)查研究的重點內(nèi)容之一。目前其估算的方法較多，最準(zhǔn)確的方法是通過直接觀測測量，如1980年美國對圣海倫火山泥石流流量的直接觀測，中國滇東北蔣家溝泥石流的觀測測量。然而大部分泥石流是無法觀測的，對其流速、流量的估算可通過斷面的測量，在經(jīng)驗的模型基礎(chǔ)上加以計算。目前傳統(tǒng)經(jīng)典的滿寧公式應(yīng)用廣泛，在中國，在傳統(tǒng)的經(jīng)典公式基礎(chǔ)上，通過觀測分析，在修正的基礎(chǔ)上，建立了一些流速流量計算模式，并廣泛地推廣應(yīng)用。在引用當(dāng)?shù)厮木值挠^測資料，獲得了洪峰流量到來前的流量過程和流速數(shù)據(jù)(洪峰到來時斷面被毀，無法測定流速流量)，對洪峰流量的獲取，主要采用斷面測量，并應(yīng)用我國常用的稀性泥石流流速公式計算流速的基礎(chǔ)上獲得。

2.2.1 泥石流流速、流量的觀測

圖1 實測斷面1 剖面

針對正溝山洪泥石流暴發(fā)的頻繁性，當(dāng)?shù)厮木衷诂F(xiàn)有的2號斷面下游約50 m 處建立了一個觀測斷面，于1994～1996年對流域的流量進(jìn)行了觀測，觀測流量的儀器采用旋漿ls－251 型流速儀。該系統(tǒng)觀測到了1996年7月18～20日的洪水過程和降雨過程，由于在峰值流量到來之前，整個觀測斷面被沖毀，遂采用人工方法進(jìn)行測量，但斷面的沖淤變化無法觀測。從觀測資料可知，當(dāng)時的最大峰值流量為210 m3/s，該峰值流量出現(xiàn)在20日上午9 時以后，洪峰流量到來之前的實測最大流速為3.22 m/s。由于洪峰到來時的充淤變換無法觀測，依據(jù)當(dāng)?shù)氐挠^測人員的經(jīng)驗和泥石流大沖大淤的特點，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀笥^測資料和匯流的特征推測目估的流量偏小。因為由于洪峰到來之前斷面被沖毀的同時會造成洪水的侵蝕斷面增大，如果人們無法觀測而沿用原來的斷面估算流量，真實的峰值流量過程往往偏小需要調(diào)整。

2.2.2 泥石流流速、流量的調(diào)查

鑒于1996年泥石流峰值流量無法很好地觀測，在2002年的調(diào)查中，選擇大冬溝和馬路溝匯合以后的溝床斷面進(jìn)行測量，該斷面與水文局設(shè)置的斷面基本重合(圖1)。該斷面控制集水面積104.7 km2，斷面控制流域主河道長13.2 km。通過斷面面積、比降和洪痕等要素的測量，估算當(dāng)時的流速和流量。

2.2.2.1 流速的計算

中國的泥石流研究者通過大量的泥石流野外觀測與實踐提出了一系列稀性泥石流流速計算模式，常用的如從我國泥石流最多的西南山區(qū)總結(jié)出的計算公式［13］。

式中:Vc為泥石流斷面平均流速(m/s);Mc為泥石流溝糙率系數(shù);Ic為泥石流水力坡度，一般可用河床縱坡代替，無量綱;R為斷面的水力半徑，用泥石流的泥深代替(m);ρc為泥石流流體的容重;ρw為水體的容重;ρs為泥石流固體物質(zhì)的容重。

該溝溝道平直，溝床由大量粗大卵礫石組成，河槽阻塞輕微，河底降落均勻，泥石流的泥深約2 m，依據(jù)《中國泥石流》，此類溝床的糙率系數(shù)大于9.8，取10。實地估算的泥石流容重為1.4 g/cm3，固體物質(zhì)的容重取2.65 g/cm3，水體容重取1 g/cm3，通過對泥深和溝床比降的實際測量可以計算泥石流的流速(表2)。計算結(jié)果泥石流的流速為2.87 m/s，該數(shù)值小于在實際斷面觀測的最大值。這主要是由于當(dāng)時觀測的斷面的位置和筆者測量的斷面位置不完全相同、比降不同的緣故。

表2 主溝1號斷面流速計算結(jié)果表

2.2.2.2 最大流量的計算

主溝1996年發(fā)生的大型泥石流洪痕保留良好，在主溝選擇一斷面測量調(diào)查典型洪痕，根據(jù)已有的模型計算的流速和實際測量的斷面面積，計算泥石流流量。

經(jīng)計算，泥石流的最大峰值流量為290 m3/s。

綜合分析，流量取290 m3/s 作為1996年泥石流的峰值流量，并確定1996年暴發(fā)的泥石流為百年一遇的稀性泥石流。

2.2.2.3 泥石流的匯流過程

取泥石流的觀測斷面所測量的數(shù)據(jù)，以觀測和目測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過形態(tài)調(diào)查法對峰值流量進(jìn)行修正調(diào)整，得出1996年7月19日～21日的泥石流經(jīng)過斷面1 的流量過程，參照1996年修正后的流量過程曲線得出其總徑流量為562×104m3，從20日9 時后，取泥石流的容重為1.4 t/m3計，則總輸沙量為63.9×104m3。

2.3 泥石流的顆粒組成與容重

在堆積扇上選取多個坑探點，通過取樣分析得出泥石流的顆粒組成特征。

通過取樣(顆粒不大于100 mm)分析可知，1996年泥石流堆積扇區(qū)堆積物為灰黑色礫石土，雜有植物根系，粒徑大小較懸殊，礫石多數(shù)次磨圓，以礫石為主，礫石含量在50%以上，而粘粒含量極少。依據(jù)當(dāng)?shù)啬繐粽叩拇_認(rèn)，現(xiàn)場取樣配置成當(dāng)年的泥石流漿體，估測1996年泥石流的容重為1.4 t/m3。

3 正溝泥石流的侵蝕與淤積

1964年以來正溝泥石流的淤積區(qū)域在1964年的池岸線以北，這些淤積主要來源于兩部分，一部分為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)泥石流的搬運，另一部分為主溝老堆積扇的侵蝕并搬運。前者的數(shù)量通過淤積總量和堆積扇侵蝕量之差獲得。后者通過地形疊加法，求平均侵蝕厚度和面積計算獲得。

3.1 堆積扇侵蝕量的計算

以1964年測定的正溝堆積區(qū)地形圖為基礎(chǔ)，選取多個基準(zhǔn)點，將2009年8月所測的該地區(qū)1∶1000 的地形圖疊加，計算基準(zhǔn)點海拔高差，可分析出地形的差異，尤其是溝床比降的差異，進(jìn)而可估算這45年來侵蝕的厚度。將堆積扇區(qū)按地形變化劃為4 部分，并求得各段侵蝕區(qū)的平均侵蝕厚度及面積，進(jìn)而分別計算各段的侵蝕量計算結(jié)果表明1964～2009年的45年間堆積扇的侵蝕總方量為97.4×104m3。

3.2 扇緣以北區(qū)域堆積總量的計算

海拔1915 m 處以北為正溝1971～2003年以來的泥沙淤積區(qū)，以1971年和2003年池岸線位置為界，將此區(qū)域劃為兩部分。通過對池岸地形的測量，獲取2003年正溝池底地形縱斷面，并假設(shè)1964年正溝池底地形與2009年的地形有相似輪廓，以此繪出1971年池岸地形縱剖面，再結(jié)合2003年池岸地形比降測算兩個區(qū)域的泥沙平均淤積厚度和面積，進(jìn)而分別計算各段的淤積量。計算結(jié)果表明45年內(nèi)淤積在1964年和2003年池岸線之間的泥沙總量為136.6×104m3，按照泥石流的顆粒級配，懸移質(zhì)進(jìn)入湖底區(qū)域，進(jìn)一步估算出2009年池岸線以內(nèi)池底的淤積總量為45.9×104m3。

3.3 源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運總量的計算

正溝自1964年池岸線以北的堆積區(qū)泥沙淤積總量減去主溝老堆積扇的侵蝕量，即為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運總量，共計85.07×104m3。

由上可知，45年來正溝泥沙淤積的總量為182.5×104m3;正溝上游地區(qū)和老堆積扇的侵蝕之比接近1∶1;且堆積中約3/4 的堆積物停積在1964～2009年池岸線之間的新堆積扇上，這個新堆積扇的面積約有0.07 km2(在枯水期可達(dá)0.11 km2)，占正溝水面總面積的2.86%。

4 山洪泥石流的成因與趨勢

正溝上游泥石流的發(fā)生受自然和人為兩方面因素的影響，從自然因素分析可知，正溝各支流溝道比降大，且該區(qū)域降水集中。近年來由于全球氣候的變暖，冰川的退縮，更大面積冰磧物的裸露增大了土源的補(bǔ)給量，短時的高溫結(jié)合集中的暴雨使得流域徑流量極大地增加，1996年7月便出現(xiàn)了百年一遇的特大稀性泥石流。主溝上游有大量的松散固體物質(zhì)，其種類有殘坡積物、溝床堆積的冰磧物，上游有面積達(dá)928.6×104m2的冰川。在全球氣候變暖的情況下，冰川退縮，較多的松散堆積物裸露，徑流沖刷加強(qiáng)，加上地區(qū)降雨的作用，水源豐富，在一定的條件下依然會有山洪泥石流的暴發(fā)。由于本區(qū)上游的生態(tài)環(huán)境對山洪泥石流的發(fā)生具有重要的影響，在生態(tài)環(huán)境惡化的情況下，山洪泥石流暴發(fā)的頻率會增加。如果生態(tài)能得到有效的恢復(fù)和保護(hù)，山洪泥石流將會得到有效的控制。

從人為的因素分析，在1977年以前，正溝上游森林遭到砍伐，導(dǎo)致水土涵養(yǎng)能力急劇降低，地表徑流和水土流失加劇，這種加劇一直影響到1978年以后生態(tài)保護(hù)區(qū)的建設(shè)。近年來隨著正溝上游人口增長和畜牧業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)有的牲畜量已經(jīng)嚴(yán)重超過本區(qū)域天然牧場的承載能力，嚴(yán)重的過渡放牧進(jìn)一步破壞了正溝流域的上游植被。由于草甸帶生態(tài)退化，導(dǎo)致松散堆積物及不良地質(zhì)體裸露面積擴(kuò)大，為山洪泥石流的侵蝕提供了豐富的物源。

5 正溝上游泥石流的防治

造成正溝上游水土流失的根本原因是上游生態(tài)環(huán)境惡化，涵水能力降低，使得大量松散土質(zhì)裸露在暴雨之下。上游產(chǎn)生的泥石流進(jìn)一步侵蝕堆積扇，引起更多的泥沙侵蝕。由于泥石流的泥沙侵蝕，治理正溝宜采用生物措施、工程措施和移民措施相結(jié)合的綜合治理方法。工程措施即在正溝上游河段上游修建攔沙壩和排導(dǎo)槽，攔沙壩可以攔截上游來的泥沙，而排導(dǎo)槽可以穩(wěn)定溝床，使老堆積扇免遭進(jìn)一步的侵蝕。生物措施即在堆積區(qū)和上游的泥沙侵蝕嚴(yán)重區(qū)逐步進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，確保泥沙侵蝕量的逐年減少。生態(tài)移民則要解決目前存在的過度放牧問題，使生態(tài)得到良性發(fā)展，減少流域的泥沙侵蝕。

6 結(jié)論

(1)正溝泥石流暴發(fā)頻繁，其百年一遇稀性泥石流最大峰值流量為290 m3/s，容重為1.4t/m3。

(2)1964年以來，正溝泥石流的淤積區(qū)域在1964年的池岸線以北，這些淤積的泥沙和礫石主要來源于兩部分，一部分為源區(qū)的松散物質(zhì)經(jīng)山洪泥石流的搬運，另一部分為主溝老堆積扇的侵蝕搬運。分析計算結(jié)果顯示1964～2009年的45年間正溝池岸線前進(jìn)了316 m，泥沙淤積總量達(dá)182.5×104m3;來源于正溝上游地區(qū)的泥沙占56%，老堆積扇的泥沙侵蝕占44%，堆積中約3/4 的泥沙停留在1964～2009年池岸線之間，形成新的堆積區(qū)，這個新堆積區(qū)的面積約有0.07 km2(在枯水期可達(dá)0.11 km2)，占正溝水面總面積的2.86%。

(3)由于全球氣候變暖導(dǎo)致正溝上游冰川退縮，加上局地降雨的作用，以及因過度方面造成的生態(tài)環(huán)境的退化，將來正溝的泥石流依然會有可能暴發(fā)。

(4)正溝泥石流防治宜采用生物措施、工程措施和移民措施相結(jié)合的綜合治理方法。

［1］呂儒仁，高生淮.貢嗄山海螺溝冰川冰舌地段的泥石流［J］.凍土研究，1992，14(1):73－80

［2］李昭淑.華山水石流的成因與防治［J］.水土保持通報，1989，9(2):57－64

［3］游勇，歐國強(qiáng)，唐邦興，等.黃龍景區(qū)紅巖關(guān)溝的泥石流及防治［J］.災(zāi)害學(xué)，2004，19(3):39－43

［4］吳積善.云南蔣家溝泥石流觀測與研究［M］.科學(xué)出版社，1990:62－70

［5］唐邦興，周必凡，吳積善，等.中國泥石流［M］.北京:商務(wù)印書館，2000:167－169