2013年延河流域特大暴雨下的滑坡特征

曹斌挺，焦菊英，，王志杰，魏艷紅，李玉進(jìn)

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；2.中國科學(xué)院 水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌712100；3.陜西理工學(xué)院 歷史文化與旅游學(xué)院，陜西 漢中723001）

重力侵蝕是指斜坡上的巖土體在重力作用下發(fā)生變形、破壞、移動和在不遠(yuǎn)處堆積的過程［1］。黃土高原氣候、地質(zhì)地貌、地形及植被等條件的特殊性，導(dǎo)致該區(qū)重力侵蝕頻發(fā)，重力侵蝕是黃土高原侵蝕產(chǎn)沙的重要方式之一。已有研究表明，在黃土高原丘陵溝壑區(qū)，重力侵蝕占流域侵蝕產(chǎn)沙量的20%～25%，在黃土高塬溝壑區(qū)占58%左右［2］。重力侵蝕包括滑坡、崩塌、滑塌、溜坍、泥石流5種侵蝕類型［3］，而滑坡是黃土高原地區(qū)常見的重力侵蝕類型之一。滑坡是指斜坡上的土體，由于地下水和地表水的影響，在重力作用下，沿著滑動面整體地向下滑動的現(xiàn)象［1］?；峦芏氯拥?，中斷交通、破壞農(nóng)田、掩埋村莊，給人民生命財產(chǎn)造成嚴(yán)重?fù)p失。因而關(guān)于滑坡的相關(guān)研究也備受關(guān)注，前人在黃土滑坡的形成機(jī)理［4－6］、基本類型與影響因素［7－8］、活動分期［9－10］、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的防治和對策［11－12］等方面做了大量的工作。

目前，黃土高原由于實施了大規(guī)模的退耕還林（草）工程，植被狀況明顯好轉(zhuǎn)，土壤侵蝕也得以遏制。然而，2013年7月3日至7月23日，陜西省延安市遭遇自1945年有氣象記錄以來過程最長、強(qiáng)度最大、暴雨日最多且間隔時間最短的持續(xù)強(qiáng)降雨過程，造成土壤水分極度飽和，引發(fā)大范圍的小面積山體滑坡（圖1），為滑坡的研究提供了豐富的研究對象。因此，本研究對此特大暴雨情況下的滑坡特征進(jìn)行調(diào)查研究，以期為今后黃土丘陵溝壑區(qū)土壤侵蝕治理提供參考依據(jù)。

圖1 2013年暴雨年后毛堡則流域遙感圖像對比

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

延河屬于黃河的一級支流，全長286.9km，流域面積7 725km2，地處108°41′01″—108°27′48″E，36°27′00″—37°58′39″N，位于黃土高原中部，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，是黃河泥沙的主要來源之一。延河流域?qū)儆诎敫珊荡箨懶詺夂?，地跨暖溫性森林、暖溫性森林草原和暖溫性典型草?個地帶，年均氣溫9℃，年降雨量約520mm，且多集中在6—8月，其降水量占全年的70%，且多暴雨。土壤類型有黃綿土、沖積土、黏土、黑壚土等，分布最廣的是黃綿土。植被類型從南向北分為南部刺槐、油松、嶗山遼東櫟、闊葉—針葉混交林帶，中部延安到安塞之間為檸條、白羊草草原過渡帶，安塞以北為百里香、長芒草草原帶［13］。

本研究在延河流域由南到北選取6個典型小流域，即南部寶塔區(qū)萬花鄉(xiāng)的毛堡則流域（9.4km2）和尚合年流域的一個支溝（3.60km2）、中部安塞縣招安鎮(zhèn)陳家坬流域的一個支溝（4.90km2）和安塞縣譚家營鄉(xiāng)的張家河流域（10.77km2）、北部安塞縣鐮刀灣鄉(xiāng)的石子灣（10.40 km2）和高家溝流域的一個支溝（9.50km2），對流域內(nèi)2013年特大暴雨引起的滑坡進(jìn)行調(diào)查。

1.2 滑坡調(diào)查

依據(jù)中國地質(zhì)調(diào)查局《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查規(guī)范（1∶50 000）》（DD2008—02）［14］，于2013年10月21日—11月9日對6個小流域的滑坡情況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括：

（1）滑坡地理位置和周邊環(huán)境：經(jīng)緯度、高程、地貌部位、斜坡形態(tài)、原始斜坡坡度、植被類型。

（2）滑坡類型：崩塌、傾倒、滑動、側(cè)向擴(kuò)離、流動、復(fù)合。

（3）滑坡形態(tài)與規(guī)模：滑坡體的平面、剖面形狀，坡度、長度、寬度、厚度、面積和體積。滑坡體積的計算采用傳統(tǒng)方法與平行斷面法相結(jié)合，傳統(tǒng)方法即將形態(tài)較規(guī)則的滑坡體采用平均厚度乘以滑坡面積得到滑坡體積，平行斷面法是將形態(tài)較復(fù)雜的滑坡體分割為不同的塊段，再將各塊段理想化成規(guī)則的形狀，利用相對應(yīng)的體積計算公式進(jìn)行各塊段的體積計算。不同形狀塊段體積的計算公式如下［15］：

（1）楔形體。相鄰兩條剖面其中一條剖面面積呈線狀尖滅的情況下，則將該兩條剖面控制的塊段簡化為楔形體，按楔形體公式計算其體積：

式中：L——楔形體的底邊高（m）；S——楔形體的底面積（m2）；V——楔形體體積（m3）。

（2）錐形體。相鄰兩條剖面其中一條剖面面積呈點狀尖滅的情況下，則將該兩條剖面控制的塊段簡化為錐形體，按錐形體公式計算其體積：

式中：L——錐形體的底邊高（m）；S——錐形體的底面積（m2）；V——錐形體體積（m3）。

（3）截錐體。相鄰兩條剖面面積之差與大者面積之比≥40%時，則將該兩條剖面控制的塊段簡化為截錐形體，按截錐形體公式計算其體積：

式中：L——截錐體的高（m）；S1，S2——截錐體兩面的底面積（m2）；V——截錐體體積（m3）。

（4）梯形體。相鄰兩條剖面面積之差與大者面積之比＜40%時，則將該兩條剖面控制的塊段簡化為梯形體，按梯形體公式計算其體積：

式中：L——梯形體的高（m）；S1，S2——梯形體上下兩個面的底面積（m2）；V——梯形體體積（m3）。

在調(diào)查滑坡的同時，運用環(huán)刀法對每個滑坡體的土壤容重進(jìn)行測定，每個滑坡體取3個重復(fù)。土壤容重計算公式如下：

式中：ρ——滑坡體的土壤容重（g/cm3）；m1——環(huán)刀的質(zhì)量（g）；m2——環(huán)刀內(nèi)烘干土壤的質(zhì)量（g）；V1——環(huán)刀的體積（cm3）。

根據(jù)滑坡體容重和滑坡體體積，計算滑坡量，經(jīng)匯總得到整個小流域的滑坡量，再計算小流域的滑坡侵蝕模數(shù)，定義滑坡侵蝕模數(shù)為單位面積上的滑坡量：

式中：Ms——滑坡侵蝕模數(shù)（t/km2）；G總——小流域的總滑坡量（t）；A——小流域的面積（km2）。

本研究中，滑坡頻率被定義為單位面積上滑坡發(fā)生的個數(shù)：

式中：f——滑坡頻率（處/km2）；n——小流域的滑坡總數(shù)（處）；A——小流域的面積（km2）。

1.3 降雨資料收集

2013年延河流域降雨數(shù)據(jù)來源于陜西省水利廳網(wǎng)站的每日雨情簡報，并采用空間插值的方法（IDW）繪制延河流域2013年侵蝕性降雨等值線圖。依據(jù)國家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級劃分標(biāo)準(zhǔn)：24h降雨總量在25.0～49.9mm為大雨，24h降雨總量≥50.0mm為暴雨，統(tǒng)計2013年延河流域大雨、暴雨日數(shù)及降雨量，雨量站有安塞、寶塔、子長、志丹、延川、延長、靖邊、甘泉。本研究侵蝕性降雨量是以日降雨量≥12mm 統(tǒng)計的［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 延河流域2013年降雨特征

2.1.1 侵蝕性降雨特征 根據(jù)陜西省水利廳網(wǎng)站雨情簡報，2013年延河流域春季和冬季基本無降雨，5—10月份延河流域8個區(qū)縣侵蝕性降雨量及其年內(nèi)分布特征如表1所示。2013年延河流域侵蝕性降雨量年內(nèi)分布呈現(xiàn)單峰型，主要集中在7—9月，該時段侵蝕性降雨量可占全年侵蝕性降雨量的85%～92.5%。7月份侵蝕性降雨最大，其中延長縣的侵蝕性降雨量為295.1mm，子長縣為385mm，安塞、靖邊和甘泉3個縣的變化為400～500mm，超過500 mm的有3個縣區(qū)，分別為寶塔區(qū)（766.8mm）、延川縣（654mm）、志丹縣（502.9mm），是往年7月平均降雨量的2～5倍。最大1日侵蝕性降雨量最高達(dá)122.4mm，發(fā)生在7月12日延川縣。通過圖2可以看出寶塔區(qū)是2013年延河流域的暴雨中心。

表1 延河流域5－10月侵蝕性降雨量 mm

2.1.2 大雨和暴雨特征 延河流域大雨、暴雨情況統(tǒng)計結(jié)果顯示，2013年延河流域大雨共發(fā)生79站次，其中5月最少，只發(fā)生2站次，6月發(fā)生10站次，8月和9月均發(fā)生16站次，7月最多，共發(fā)生35站次，占大雨站次的44.3%。其中，7月安塞縣大雨次數(shù)最多，達(dá)到7次，大雨總量達(dá)到225.9mm；延長縣和甘泉縣大雨次數(shù)最小，均為2次，平均大雨總量為70mm（表2）。

圖2 延河流域2013年侵蝕性降雨等值線圖

2013年延河流域暴雨共發(fā)生39站次，5月和9月沒有暴雨發(fā)生，其次為6月發(fā)生2站次、8月發(fā)生6站次，7月最多，共31站次，占暴雨站次的79.5%。其中，7月寶塔區(qū)暴雨次數(shù)最多，共有8次降雨超過50mm，總暴雨量達(dá)到567.6mm；其次是延川縣，暴雨次數(shù)為5次，暴雨總量為383.2mm；子長縣暴雨次數(shù)最小，只有2次，暴雨總量為126.2mm（表2）。

2.1.3 誘發(fā)滑坡的降雨特征 降雨是誘發(fā)滑坡發(fā)生的最重要和最活躍的自然因素。已有研究［17－18］通過對1960—2006年陜西黃土高原地區(qū)滑坡發(fā)生前10d期間的當(dāng)日平均降水量、平均降水日數(shù)、平均連續(xù)降水日數(shù)、≥10mm平均日數(shù)、≥25mm平均日數(shù)、前10d平均累積降水量和滑坡發(fā)生當(dāng)日降雨量、當(dāng)月降水量、當(dāng)月暴雨次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析表明：當(dāng)日平均降水量達(dá)到20mm左右，降雨日數(shù)為5d左右，10mm以上日數(shù)2d左右，25mm以上日數(shù)約1d，這些條件滿足之一時，滑坡就開始發(fā)生；滑坡發(fā)生前連續(xù)降水日平均4.2d；滑坡與滑坡發(fā)生前10d平均累積降水量、當(dāng)月降水量、當(dāng)月暴雨次數(shù)明顯正相關(guān)，與滑坡前10d平均累積降水量的正相關(guān)性最高，10d內(nèi)累計降雨量大于50mm時誘發(fā)滑坡的次數(shù)明顯增多；主要由單日降水誘發(fā)的滑坡，日降雨量一般＞30mm。

表2 延河流域5－9月大雨、暴雨分布

而延河流域2013年降雨主要集中在7月。僅7月就發(fā)生暴雨31站次、大雨35站次，其中寶塔區(qū)暴雨次數(shù)最多達(dá)8次，安塞縣大雨次數(shù)最多達(dá)7次。7月總降雨日最多的26d（甘泉縣），最少的19d（延長縣）。7月10d內(nèi)累計降水量最大的為403mm（延川縣），其次是386mm（寶塔區(qū)）和330.5mm（志丹縣），最少的也有216.7mm（延長縣）。這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前人研究得出的滑坡發(fā)生的降水條件。降雨觸發(fā)滑坡，有4種作用方式［19］：（1）對邊坡土體，大量地表水進(jìn)入土體，起加載作用，飽和土體、增大容重，產(chǎn)生動靜水壓力；（2）降雨侵蝕坡腳，破壞坡體，改變著邊坡結(jié)構(gòu)；（3）雨水滲入，弱化土體，泥化軟化滑帶，黏土礦物的水化作用導(dǎo)致粘著力降低，甚至消失，降雨改變邊坡力學(xué)性能；（4）滑動體的漸進(jìn)性破壞和滲透力的作用。

2.2 滑坡特征

2.2.1 滑坡數(shù)量特征 通過統(tǒng)計每個小流域的滑坡頻率、滑坡量和滑坡侵蝕模數(shù)（表3），可以看出：滑坡頻率與滑坡量和滑坡侵蝕模數(shù)保持一致的規(guī)律性。就滑坡頻率而言，南部毛堡則流域和尚合年流域共有133處滑坡，滑坡頻率為10處/km2，中部陳家坬流域和張家河流域共發(fā)生滑坡74處，滑坡頻率為5處/km2，而北部高家溝流域和石子灣共發(fā)生滑坡53處，滑坡頻率為2.7處/km2，約是南部小流域的1/4，中部小流域的1/2。對于滑坡侵蝕來說，距離暴雨中心（寶塔區(qū)）較近的南部和中部小流域內(nèi)滑坡量和滑坡侵蝕模數(shù)也明顯大于北部小流域，如南部的毛堡則流域和尚合年流域的滑坡侵蝕模數(shù)最大，達(dá)7 000t/km2以上；中部的張家河流域和陳家坬流域的滑坡侵蝕模數(shù)為3 700 t/km2；北部的石子灣流域滑坡侵蝕模數(shù)最小，為1 400 t/km2左右，約是南部的1/5，中部的1/3。通過分析小流域滑坡頻率、滑坡侵蝕模數(shù)與5—10月份的總降雨量的關(guān)系（圖3）也可以看出：降雨量越大，小流域的滑坡頻率和滑坡侵蝕模數(shù)越大，說明降雨是滑坡的主要觸發(fā)因素。由于調(diào)查中最大的滑坡發(fā)生在高家溝流域，侵蝕量接近20 000t，單個滑坡的侵蝕量就接近該流域滑坡量的一半，導(dǎo)致高家溝流域滑坡侵蝕模數(shù)較大。

表3 延河流域典型小流域滑坡數(shù)量特征

圖3 小流域滑坡侵蝕模數(shù)、滑坡頻率與降雨量的關(guān)系

2.2.2 滑坡類型 按滑坡所涉及的地層和結(jié)構(gòu)，黃土滑坡可分為3個類型［4］：（1）黃土內(nèi)滑坡，滑動面（帶）在黃土地層內(nèi)部，沿軟弱層滑動；（2）黃土與基巖接觸面滑坡，滑動面（帶）位于下伏的基巖頂面；（3）黃土—基巖滑坡，又可分為黃土—基巖順層滑坡和黃土—基巖切層滑坡。依據(jù)以上分類，本次調(diào)查的滑坡為強(qiáng)降雨引發(fā)的淺表層滑坡，在黃土溝谷兩側(cè)呈片分布，主滑面發(fā)生在相對均勻的黃土層內(nèi)，基本屬于黃土內(nèi)滑坡。該類滑坡的發(fā)生主要與黃土的性質(zhì)密切相關(guān)。黃土有其特殊的沉積環(huán)境，多以粉砂為主，質(zhì)地均勻，其孔隙發(fā)育多為大孔隙，結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)較差，垂直節(jié)理發(fā)育，富含碳酸鹽，透水性強(qiáng)，水穩(wěn)性差，遇水易崩解等特點，土體隨含水量的增大而強(qiáng)度急劇減小［20］。黃土斜坡坡體在自重作用下向臨空方向產(chǎn)生蠕動，坡體強(qiáng)度逐漸減低，當(dāng)抗壓強(qiáng)度小于剪切應(yīng)力時逐漸發(fā)生變形，坡面逐漸形成拉張裂縫。當(dāng)降雨時，水分沿著黃土孔隙、節(jié)理或裂縫下滲，坡體含水量增大，同時由于節(jié)理的作用，導(dǎo)致蠕動變形加劇，形成滑動面，最終導(dǎo)致滑坡的發(fā)生［8］。

此次調(diào)查的滑坡為降雨引發(fā)的淺層黃土滑坡，而坡度是淺層滑坡發(fā)生的一個重要內(nèi)在條件，是滑坡發(fā)育的主控因素之一，在一定坡度范圍內(nèi)（20°～60°），坡度越大，滑坡量越大，在不同小流域及不同植被類型坡面的影響是一致的（圖4）。斜坡坡度對滑坡的影響，一方面是因為斜坡不同高度、坡度、形狀等因素，可使斜坡內(nèi)力狀態(tài)惡化而導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)；另一方面是斜坡的自然坡度對降雨的地表徑流、降雨入滲、地下徑流均有很大的影響，導(dǎo)致斜坡土體因降雨致使含水量的改變，從而影響斜坡土體抗剪強(qiáng)度的變化［21］。本次調(diào)查的滑坡多發(fā)生在25°～55°的黃土斜坡上，這是由于25°～55°的斜坡有一定的承雨面積，雨水不斷滲入，土體軟化，自重增加，坡度越大，坡體向下的剪切力越大，被浸濕的淺層土體更易發(fā)生滑動。相對來說，黃土中的直立坡或很陡的坡降雨時很少遭受雨淋，坡面干燥，若坡腳被浸濕，則易形成崩塌；若坡腳不受雨淋或沖刷，該類陡坡反而較為穩(wěn)定［6］。

2.2.3 滑坡的規(guī)模與形態(tài) 本次調(diào)查發(fā)現(xiàn)，2013年延河流域暴雨并沒有引發(fā)中、大型滑坡，滑坡的長度和寬度多在數(shù)十米之內(nèi)，厚度一般在4m以內(nèi)，滑坡體積較小，為21～17 000m3，小于10萬 m3，均屬于小型滑坡。已有研究也表明在黃土丘陵溝壑區(qū)滑坡、崩塌等重力侵蝕主要以小型滑坡、崩塌、瀉溜為主［8］。通過統(tǒng)計各小流域不同規(guī)?；碌臄?shù)量統(tǒng)計（表4），可以看出：在6個小流域，≤1 000m3的滑坡最多，占總滑坡的78%。其中，南部的毛堡則流域和尚合年流域以≤1 000m3的滑坡為主，占小流域滑坡數(shù)量的75%，其次是規(guī)模為1 000～5 000m3的滑坡，占小流域滑坡數(shù)量的20%左右，＞5 000m3的滑坡最少，只有2處；中部的張家河流域和陳家坬流域以≤500m3的滑坡為主，占小流域滑坡數(shù)量的50%左右，其次是規(guī)模為500～1 000m3，1 000～5 000m3的滑坡，各占小流域滑坡數(shù)量的25%左右；北部的高家溝流域和石子灣流域規(guī)?！? 000m3的滑坡占小流域滑坡數(shù)量的90%左右，更大規(guī)模的滑坡均較少。

圖4 單個滑坡侵蝕量與坡度及植被類型的關(guān)系

調(diào)查中最大的滑坡發(fā)生在高家溝流域，滑坡體規(guī)模為74m×65m×3.6m，坡度為38°，體積為17 000 m3，侵蝕量接近20 000t。該處滑坡位于流域內(nèi)主干道一側(cè)，主干道是人工開挖而成，削坡嚴(yán)重，破壞了原有坡面的應(yīng)力平衡，造成坡面陡直，原有斜坡穩(wěn)定性降低；在大暴雨條件下，一方面坡體含水量增加，坡體自重增大，且該坡體上部是少量喬木，進(jìn)一步增加坡體向下的作用力，另一方面，主干道排水設(shè)施嚴(yán)重淤積，不能起到排水作用，導(dǎo)致水流在坡腳附近聚集，坡腳遭到嚴(yán)重沖刷和侵蝕，坡體穩(wěn)定性降低，形成了較大規(guī)模的滑坡和“醉林”現(xiàn)象。

表4 延河流域典型小流域滑坡規(guī)模特征

根據(jù)調(diào)查規(guī)范［15］的分類，將滑坡的平面形態(tài)分為半圓、矩形、舌形和不規(guī)則形，剖面形態(tài)分為凸形、凹形、直線形、階梯形和復(fù)合形。通過統(tǒng)計不同平面形態(tài)和剖面形態(tài)的滑坡數(shù)量（表5），可以看出：本次調(diào)查滑坡的平面形態(tài)以舌形為主，占滑坡總數(shù)的60%，其次是半圓，占滑坡總數(shù)的17%；滑坡的剖面形態(tài)以直線形較多，占滑坡總數(shù)的35%，其次是復(fù)合形，占滑坡總數(shù)的22%。

表5 延河流域典型小流域滑坡形態(tài)特征

3 結(jié) 論

（1）2013年延河流域侵蝕性降雨主要集中在7—9月，大雨、暴雨主要集中在7月。7月降雨是延河流域有氣象記錄以來，同期累積降雨量最大、累計侵蝕性降雨量最大、降雨日最多、暴雨次數(shù)最多、且歷時最長的一次降雨。其中寶塔區(qū)7月侵蝕性降雨量最大（766.8mm），暴雨、大雨次數(shù)最多，超過延河流域平均年降雨量，是延河流域2013年暴雨的暴雨中心區(qū)。

（2）本研究在延河流域從南到北6個典型小流域共調(diào)查滑坡260處，位于暴雨中心區(qū)的毛堡則流域和尚合年流域的滑坡侵蝕模數(shù)最大，達(dá)7 000t/km2以上，距離暴雨中心區(qū)較遠(yuǎn)流域的滑坡侵蝕模數(shù)相對較小，其中，中部2個小流域為3 700t/km2，北部的為1 400t/km2左右；滑坡量與滑坡頻率也呈現(xiàn)南部＞中部＞北部的規(guī)律。

（3）2013年延河流域暴雨引發(fā)的滑坡為淺表層滑坡，屬于黃土內(nèi)滑坡。坡度是該類滑坡的主要影響因素之一，在一定坡度范圍內(nèi)（20°～60°），坡度越大，滑坡量越大，在不同小流域及不同植被斜坡的影響是一致的。

（4）2013年延河流域暴雨引發(fā)的滑坡均為小型滑坡，其中規(guī)?！? 000m3的滑坡最多，占總調(diào)查滑坡數(shù)量的78%，＞5 000m3的滑坡很少?；碌钠矫嫘螒B(tài)以舌形為主，剖面形態(tài)以直線形和復(fù)合形占到一半。

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