中巴喀喇昆侖公路(巴基斯坦境內(nèi))河床沉積物與泥石流堆積物的關(guān)系

胡 進(jìn)，朱穎彥，楊志全，廖麗萍

(1.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所 中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049;3.戴爾豪西大學(xué)土木與資源工程系，加拿大B3J 1Z1)

中國-巴基斯坦國際公路是一條連接中國西部城市喀什(Kashgar)和巴基斯坦北部城市塔科斯(Thakot)的國際公路，又稱中巴喀喇昆侖公路(International Karakoram Highway(KKH)，簡稱中巴公路)(圖1)。中巴公路作為中國與巴基斯坦兩國之間唯一的陸路交通，促進(jìn)了兩國的經(jīng)濟(jì)與文化交流，具有重要的戰(zhàn)略意義。

中巴公路區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的地質(zhì)、地貌、水文與氣候環(huán)境形成了充分的孕災(zāi)環(huán)境。中巴公路1979年建成通車后，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害年年肆虐，泥石流向主河排泄，沖毀淤積公路，中巴公路沿線河流河床堆積物與泥石流沖出物密切相關(guān)。本文對中巴公路K670+990至K808+700段沿線河床的45個(gè)沉積物樣本進(jìn)行了粒度分析，并與公路沿線泥石流溝沉積物的粒度分布特征進(jìn)行了對比分析。

1 研究區(qū)域概況

中巴公路地處喜馬拉雅山和喀喇昆侖山以西、帕米爾高原北緣向巴基斯坦南部平原的過渡地帶，地勢北高南低。區(qū)內(nèi)山巒疊嶂、雪峰林立、峽谷深切、冰川活躍、河流湍急，沿途屹立海拔超過7300m的山峰44座。中巴公路所穿越地區(qū)是除極地之外最大的陸地冰川帶，確認(rèn)冰川共有1050條，80%為山岳冰川，主要分布在洪扎河(Hunza River)流域［1］。

公路區(qū)域自中新世以來，處于擠壓構(gòu)造環(huán)境，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈。印度板塊與歐亞板塊在帕米爾地區(qū)強(qiáng)烈碰撞擠壓，產(chǎn)生巨大的逆沖推覆構(gòu)造，帕米爾、喀喇昆侖、西昆侖、興都庫什造山帶皆強(qiáng)烈隆升及水平位移，形成了大體向北凸出的弧形構(gòu)造和逆沖斷裂帶，造成區(qū)域地殼抬升，河谷深切，河谷階地最高可達(dá)Ⅳ級或更高，各級階地多為基座式階地，高差懸殊。公路穿越區(qū)域處于西昆侖—帕米爾地震帶，由加里東、印支褶皺帶和塔里木地臺部分地區(qū)組成。第四紀(jì)以來斷裂活動(dòng)為北西向弧形展布，斷層屬逆走滑性質(zhì)。

公路沿線地層分布主要為第四系松散堆積物和巖漿巖，其次是變質(zhì)巖和沉積巖。巖漿巖類以加里東期及燕山期花崗巖，喜山期花崗巖、閃長巖為主。第四系松散堆積物分布于沿線各級河流谷地及谷地兩岸、山麓及山麓邊緣、山原及古夷平面區(qū)，類型有崩積、殘積、沖積、洪積、坡積、冰水堆積等。

圖1 公路沿線河流水系分布圖Fig.1 Maps of the river systems along KKH

喀喇昆侖公路地處南亞次大陸北溫帶大陸干旱、半干旱氣候區(qū)，公路由南向北，海拔高差近4000m，氣候垂直分帶明顯，高山地形導(dǎo)致天氣變化多端、易產(chǎn)生極端降雨。洪扎及其以南地區(qū)為北溫帶氣候，年降水量一般600～1000mm，夏季降雨較為集中，洪扎以北為內(nèi)陸高原山地氣候，降水量小、空氣稀薄、太陽輻射強(qiáng)烈、氣溫低，最低氣溫可達(dá)-30°。

中巴公路沿線河流屬太平洋水系印度河上游，公路自塔科特橋(Thakot Bridge)起，沿印度河(Indus River)、吉爾吉特河(Jilgit River)、洪扎河(Hunza River)、紅其拉甫河(Khunjerab River)的河谷布線，逆流北上，路線盤旋抬升，經(jīng)紅其拉甫山口(Khunjerab Pass)，進(jìn)入中國境內(nèi)的新疆塔什庫爾干縣(表1、圖1)。

表1 公路沿線河流水系一覽表Table 1 List of the river system along KKH

印度河發(fā)源于喜馬拉雅山，在卡拉奇附近注入阿拉伯海，河水以融雪(冰)、降雨和地下水補(bǔ)給為主，冬季流量較小，夏季河水暴漲，流量較大，屬混合型補(bǔ)給河流，每年的6～9月為汛期。吉爾吉特河則為印度河上游右岸支流，源于喜馬拉雅山脈海拔5000～6000m的冰川，上游又稱吉扎爾河，在本吉(Bunji)附近匯入印度河。洪扎河是吉爾吉特河的一級支流，由科里河(Kilik River)和紅其拉甫河匯流而成，再匯合吉爾吉特河后，進(jìn)入印度河。

公路所穿越的是構(gòu)造活躍、地震頻繁、高差懸殊、河谷陡峭、剝蝕發(fā)育、河流切割、氣候多變的地帶，泥石流等地質(zhì)災(zāi)害極其發(fā)育。公路受區(qū)域地貌特征限制，公路布線以河谷沿溪線和山腰線為主，公路北段20km路段為越嶺線。公路主線多位于泥石流堆積區(qū)或流通區(qū)，線位低矮，泥石流災(zāi)害幾乎年年損毀公路。野外統(tǒng)計(jì)表明，中巴公路沿線泥石流溝多達(dá)150余條［2］。泥石流溝按水源補(bǔ)給類型可以劃分為雨水型泥石流、雨水-冰川型泥石流、冰川-冰湖潰決型泥石流和凍融型泥石流四類(表2)。

表2 中巴公路沿線四種泥石流災(zāi)害的分布Table 2 Distribution of the four kinds of debris flows along the Karakoram Highway

2 河床沉積物的粒度分析

2.1 粒度組成

中巴公路沿線河床沉積物的粒度組成以礫石與砂粒為主，粘粒和粉粒含量極少。表3列出了中巴公路北段K670-K808之間100多公里范圍內(nèi)的河床堆積物粒度數(shù)據(jù)。45個(gè)樣品的取樣位置均為公路沿線靠公路側(cè)的河床之中，野外取樣采用四分法采取且數(shù)量不少于2kg，在室內(nèi)采用標(biāo)準(zhǔn)篩分實(shí)驗(yàn)方法完成測試。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，河床沉積物粒度組成以＞20mm和＞2mm兩個(gè)粒組占主體，其中＞20mm粒組百分含量變化范圍在42.23% ～95.53%，平均為68.10%;＞2mm粒組為3.46% ～48.44%，平均為20.89%。

表3 中巴公路沿線河床沉積物粒度組成Table 3 Grain-size composition of the riverbed sediments along Karakoram Highway

中巴公路沿線河床沉積物粒度特征曲線可劃分為雙峰分布和多峰兩類形態(tài)分布，表征沉積物的機(jī)械組成和搬運(yùn)沉積過程。采用Krumbein(1934)的分級標(biāo)準(zhǔn)(φ=-log2D)［3］，繪制了河床沉積物粒度分布的頻率曲線(圖2)。

圖2 頻率曲線圖Fig.2 Frequency curves

2.2 頻率曲線

(1)主峰分布。以K719+510(圖2(a))為例，主峰峰值多出現(xiàn)在-4φ附近，次峰峰值則出現(xiàn)在2φ附近;

(2)多峰分布(雙峰分布)。以K670+990(圖2(b))，K736+590(圖2(c))為例。第一峰值多出現(xiàn)在-6φ～-5φ范圍，第二峰值出現(xiàn)在 -5φ～-4φ范圍，第三峰值出現(xiàn)在-3φ～-2φ和0～2φ范圍。

中巴公路河床沉積物的粒度分布曲線的形態(tài)與公路泥石流堆積物的分布曲線相似。河流河床沉積物的頻率曲線一般為單峰和雙峰型，主峰為細(xì)粒，次峰為細(xì)砂，兩峰的百分比都不高，峰值不突出［4］。泥石流沉積物的粒度分布以多峰為主，有少數(shù)雙峰的分布特征［4］(圖3)。從形態(tài)來看，圖2與圖3的兩者的曲線形態(tài)類似。

圖3 武都地區(qū)泥石流堆積物粒度分布頻率曲線［4］Fig.3 Grain-size distribution frequency curves of debris flow sediments in Wudu area

中巴公路沿線河流，如吉爾吉特河、洪扎河，在枯水期間，河道深切擺動(dòng)，兩側(cè)河漫灘干涸出露，部分河道成為地下河，而在夏秋季期間，遠(yuǎn)山冰雪消融，降雨增多，地表徑流增加，泥石流全線暴發(fā)，大量的碎屑物質(zhì)從公路兩側(cè)的山谷沖出泥石流越過公路，排泄入主河后停積，擠壓河道，抬升河床，淹沒公路。泥石流匯入主河，雖然受河流沖刷，承受水流分選作用，但是由于河道彎曲和水流流速低，河流搬運(yùn)能力相對不足，堆積物的搬運(yùn)距離短，分選差，在河床的泥石流堆積物因密度大，粘度高，抵抗河流沖蝕的能力強(qiáng)，堆積在河床漫灘的泥石流堆積物因此得雖然因水蝕而部分搬運(yùn)，但泥石流堆積物的主體成分與組分得以保存，因此中巴公路河床沉積物的粒度分布曲線表現(xiàn)出與泥石流沉積物類似的分布特征。

2.3 粒度參數(shù)

粒度參數(shù)反映顆粒組分的總體數(shù)字特征，本文采用矩值法［5-7］，分析了 K670+990至 K808+700共45個(gè)取樣點(diǎn)沉積物的平均值(Mz)，中值(D50)，分選系數(shù)(Sd)，偏態(tài)(Sk)和峰度(Ku)，計(jì)算結(jié)果如表4:

表4 河床沉積物粒度參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of grain-size parameters of riverbed sediments

2.4 結(jié)果與分析

表4計(jì)算結(jié)果表明:

圖4 河床沉積物顆粒大小中值的變化Fig.4 The median change of grain-size of riverbed sediments

(1)河床沉積物顆粒平均值Mz和中值D50較大，平均粒度以粗顆粒為主。分析45個(gè)點(diǎn)的中值(表4)，可以看出兩者的波動(dòng)變化，再對照沿線泥石流溝的分布，波動(dòng)變化與泥石流溝的位置有一定的對應(yīng)關(guān)系。擬合得出中值95%置信區(qū)間的上限為50.3mm，下限為21.9mm(圖6)。由此可見，沉積物的平均粒度以粗顆粒為主，與泥石流沉積物的以粗顆粒為主的粒度分布［8］相類似。

利用Minitab 16軟件對中值進(jìn)行回歸統(tǒng)計(jì)分析，得到了中值的變化趨勢線(圖4)，中值回歸方程為y=0.5131x+36.127。對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方差分析中值的回歸P值分別為0.062，高于預(yù)先選擇的α水平(P=0.05)但超出不多，基本可以認(rèn)為其關(guān)系是顯著的。從D50的殘差正態(tài)概率圖則可以看出殘差基本服從一條直線(圖6、圖7)，表明二者的殘差基本服從正態(tài)分布。

回歸分析:D50與編號

回歸方程

D50=36.13+0.5131 number

S=23.3322R-Sq=7.9% R-Sq(adj)=5.7%

方差分析

來源 DF SS MS F P

回歸 1 1998.0 1998.02 3.67 0.062

殘差 43 23408.8 544.39

總計(jì) 44 25406.8

由于取樣位置所處區(qū)域公路沿線發(fā)育的泥石流類型主要為冰川-冰湖潰決型泥石流和凍融型泥石流，將45個(gè)取樣點(diǎn)沉積物的平均值與兩類泥石流堆積物的平均顆粒體積直徑對照后可以發(fā)現(xiàn)位于冰川-冰湖潰決型泥石流分布帶K670+990～K794+820的42個(gè)取樣點(diǎn)沉積物顆粒大小平均值95%置信區(qū)間介于53.8～85.4mm之間，而位于凍融型泥石流分布帶的K803+030至K808+700的3個(gè)點(diǎn)的平均值則介于76.4～123.5mm之間，基本上與對應(yīng)區(qū)域泥石流堆積物的平均顆粒體積直徑(其中冰川-冰湖潰決型泥石流平均顆粒體積直徑95%置信區(qū)間為33.6～70.9mm，凍融型泥石流為52.6～265.9mm)變化范圍(圖5)保持一致。

圖5 中巴公路沿線泥石流沉積物平均顆粒體積直徑分布示意圖① 楊志全、朱穎彥等，中巴公路沿線泥石流災(zāi)害空間分布及平均顆粒特征探討.地質(zhì)科技情報(bào)(待刊).2014.Fig.5 Distribution diagram of average particle volumetric diameter of debris flows sediments along KHH

(2)45個(gè)河床沉積物樣品分選系數(shù)較大，表明沉積物分選性較差。表4的45個(gè)樣品的分選系數(shù)變化范圍在1.68～4.69，其中冰川-冰湖潰決型泥石流帶沉積物分選系數(shù)平均值為3.09，凍融型泥石流帶平均值為2.95。按照Simon(2001)所給出的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表5)，屬于分選差至分選極差這個(gè)范圍，其中分選差的占8.9%(4個(gè))，分選很差占84.4%(38個(gè))，分選極差占6.7%(3個(gè))。分析結(jié)果表明沉積物分選差或者分選極差，這就與泥石流沉積物分選差或極差的特點(diǎn)一樣［8］。同時(shí)這一分布特點(diǎn)還印證了河床上的沉積物進(jìn)入新環(huán)境以后未經(jīng)過明顯改造，沉積物的搬運(yùn)距離較短，沉積物距離其源區(qū)較近。

表5 Simon(2001)粒度參數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)［7］Table 5 Simon(2001)criteria for the classification of grain size parameters

圖6 D50擬合線的95%置信區(qū)間和95%預(yù)測區(qū)間Fig.6 The 95%confidence interval and 95%prediction interval ofD50fitting line

圖7 D50殘差正態(tài)概率圖Fig.7 The normal probability plot of D50residual error

(3)偏度以正偏為主，河床沉積物樣品粒徑偏粗。45個(gè)樣品除了K803+900取樣點(diǎn)為負(fù)偏外，其余均為正偏，變化范圍在-0.14～3.70。按照Simon(2001)所給出的劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬于對稱到極正偏這個(gè)范圍，其中對稱的占4.4%(2個(gè))，正偏占11.1%(5個(gè))，極正偏占84.5%(38個(gè))。結(jié)果表明河床沉積物樣品粒徑偏粗，以粗組分為主，這一點(diǎn)與泥石流沉積物粒度分布以正偏為主，以粗粒物質(zhì)組成占優(yōu)勢的分布特征［7］是相類似的。

(4)峰態(tài)主要為窄峰型。45個(gè)樣品的峰態(tài)值中，極寬峰和寬峰共有7個(gè)，占總數(shù)的15.6%，而窄峰和極窄峰則占71.1%(32個(gè))。按照劃分標(biāo)準(zhǔn)，從峰態(tài)的計(jì)算結(jié)果可以看出河床沉積物的粒度分布大多屬于窄峰型，這與上述分析的河床沉積物粒度分選性很差是一致的。

45個(gè)取樣點(diǎn)的河床沉積物粒度分布的平均值、分選系數(shù)、偏度和峰態(tài)等粒度參數(shù)的特點(diǎn)表明該地區(qū)河床沉積物具有與泥石流沉積物相類似的粒度分布特征，這就印證了該區(qū)域河流沉積物主要來源于兩側(cè)泥石流沉積物的補(bǔ)給，泥石流沉積物進(jìn)入河流中后由于搬運(yùn)距離較短，還未經(jīng)過明顯改造分選，因而表現(xiàn)出與泥石流沉積物類似的分布特征。

3 結(jié)論

通過本文的研究，得到以下研究結(jié)論:

(1)中巴公路沿線河床沉積物的粒度組成主要以礫石和砂粒等粗顆粒為主，粒度分布的主要特征為雙峰或多峰分布，表現(xiàn)出與泥石流沉積物類似的分布特征。對應(yīng)泥石流分布帶，河床沉積物顆粒的平均粒徑與區(qū)域泥石流堆積物的平均顆粒體積直徑變化范圍基本保持一致。

(2)河床沉積物粒度參數(shù)與泥石流沉積物的分布特征相類似，說明了中巴公路沿線河流沉積物主要來源于流域內(nèi)泥石流沉積物的補(bǔ)給。

致謝:本論文得到交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“(2008 318 221 56)和國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41071058)資助。2006～2011年期間，本項(xiàng)目先后開展了5次中外聯(lián)合考察，野外工作得到了中交集團(tuán)中國路橋工程有限責(zé)任公司駐巴基斯坦工程項(xiàng)目部、中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院的支持，查閱了有關(guān)項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料。巴基斯坦國家地質(zhì)中心(National Centre of Excellence in Geology，Pakistan)主任 M.Asif Khan T.I.教授、巴基斯坦白沙瓦大學(xué)(University of Peshawar，Peshawar)地質(zhì)系主任 M.Haneef教授、巴基斯坦西北邊界省工程技術(shù)大學(xué)(NWFP University of Engineering＆ Technology，Peshawar)土木工程系Irshad Ahmad教授等巴方研究人員參與了項(xiàng)目聯(lián)合考察與學(xué)術(shù)研討會，并提供了地質(zhì)數(shù)據(jù)與工程資料。中科院成都山地所葛永剛博士、博士生裴來政參加了2008年9月的中巴聯(lián)合考查。湖南科技大學(xué)韓用順副教授參與了2011年7月的中巴公路考察工作。特此一并感謝。

［1］MOOL Pradeep Kumar，BAJRACHARYA Samjwal Ratna，SHRESTHA Basanta，et al.Inventory of Glaciers and Glacial Lakes and Identification of Potential Glacial Lake Outburst Floods(Glofs)Affected by Global Warming in the Mountains of Himalayan Region.Pakistan Agricultural Research Council(PARC)，International Centre for Integrated Mountain Development(ICIMOD)，2005.

［2］中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所.中巴喀喇昆侖公路環(huán)境保護(hù)與地質(zhì)災(zāi)害防治關(guān)鍵技術(shù)［R］.2012.Institute of Mountain Hazards and Environment，CAS.Research report on the key technology of the environmental protection and the prevention of geological disasters along karakoram highway［R］.2012.

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