重慶山區(qū)礦山泥石流溝形態(tài)特征——以奉節(jié)縣汾河礦區(qū)為例

文光菊，楊 樂，鄧文杰

(1.外生成礦與礦山環(huán)境重慶市重點實驗室(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042;2.重慶市地質災害自動化監(jiān)測工程技術研究中心(重慶地質礦產研究院)，重慶 400042;3.重慶川東南地質工程勘察設計院，重慶 400038)

0 引言

礦山泥石流是山地礦山最常見的地質災害類型之一。以山城著名的重慶具備礦山泥石流形成的地形地貌條件。隨著山區(qū)工程建設活動的加劇，尤其是以往礦山環(huán)境的破壞，一些處于萌芽期的礦山泥石流逐步進入發(fā)展期和活躍期，使得此類災害的比例正在逐年上升。例如:2004年6月5日重慶南桐東林煤礦煤矸石山滑坡形成矸石流造成11人失蹤死亡;2009年6月30日重慶合川煤矸石山發(fā)生泥石流造成2人遇難。

為預防、減輕礦山泥石流災害，學者們通過試驗分析了礦山泥石流的物源特征［1-2］;基于水動力條件分析了礦山泥石流的形成原因及特征［3］;通過調查、測繪，提出了礦渣侵蝕泥石流形成過程呈降雨-侵蝕-崩滑-搬運復合型和循環(huán)型模式［4］;并通過總結、分析，提出了礦山泥石流的防治措施［5-6］。為加強礦山泥石流防災減災工作，部分學者還用模糊數(shù)學理論對礦山泥石流危險性進行了評價［7-8］。這些研究為防治礦山泥石流災害奠定了重要基礎。

研究發(fā)現(xiàn)，泥石流溝在流域地形地貌上有特殊反映［9］，且泥石流溝的地貌特征是泥石流災變過程的一個重要因子［10］，它很大程度上控制著泥石流的發(fā)育程度、規(guī)模等［11］，然而不同區(qū)域的泥石流溝具有不同地貌形態(tài)［12］，故研究礦山泥石流溝的地貌形態(tài)特征具有重要意義，尤其是礦山泥石流高易發(fā)區(qū)的山區(qū)，很有必要弄清礦山泥石流溝的形態(tài)特征，以期為礦山泥石流防災減災提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

汾河礦區(qū)位于重慶市奉節(jié)縣，屬于剝蝕侵蝕中低山地貌，地形總體表現(xiàn)為北東高、南西低。流域面積約130 km2，最高海拔為白槽煤礦，標高+1612.1 m，最低點為汾河下游段，溝底標高+310.2 m左右，相對高差近1301.9 m，地形坡角15°～35°。流域內大部分地段被第四系土層覆蓋，局部基巖裸露。土層厚度0～1.5 m。斜坡類型主要為順向坡及切向坡。

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬亞熱帶溫暖季風濕潤氣候區(qū)，多年平均降水量在1109.1 mm左右，最大降水量1635.2 mm，日最大降水量127.9 mm。區(qū)內屬長江水系，地表徑流為長江支流草堂河，季節(jié)性間隙沖溝發(fā)育，溪溝水具有暴落暴漲的特點，雨后不久便無流水。大氣降水以地表徑流為主，井田內的山溝水匯入草堂河后再注入長江。

1.3 地質構造與地震

研究區(qū)處于川東褶皺帶萬縣弧形構造東端之紅巖向斜南翼，局部處于龍池坪背斜兩翼，構造線方向為近東西向。根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》(GB18306—2010)，區(qū)內地震基本烈度為Ⅵ度，地震動峰值加速度為0.05g。

1.4 泥石流基本特征

礦區(qū)內煤礦資源豐富，20世紀80年代開始開采，2005年8月以前，流域共有96個中小型煤礦，經閉坑、整合后僅剩3個煤礦。多年的開采活動在流域內形成了規(guī)模不等的矸石山31座，矸石山隨意堆放致使流域內的草堂河上游約11 km范圍內河床淤高5～15 m成為“懸河”(圖1)，毀壞河流沿線農田數(shù)百畝，房屋4間，一家磚廠無法正常生產，嚴重威脅流域內居民的正常生產生活及生命財產安全。

圖1 草堂河Fig．1 Caotang river

礦區(qū)發(fā)育有1條泥石流主溝，16條樹枝狀支溝(圖2)。溝道匯水區(qū)兩岸植被茂盛，溝頭呈圈椅狀，崩坡積物較為發(fā)育，并堆有大量的散落煤矸石和矸石山，為泥石流的形成提供了豐富的物源。

圖2 泥石流溝分布圖Fig．2 Distribution of debris flow gullies

2 研究方法

分形理論由Mondelbrot教授于1975年首次提出，主要用于研究自然界中沒有特征長度但具有自相似性的圖形和現(xiàn)象［13］。這種自相似不僅是嚴格的幾何相似，還包括統(tǒng)計呈現(xiàn)出的自相似性。分形理論的定量表征為分形維數(shù)，常用的分形維數(shù)為相似維數(shù)，即假設某一個集合由N(r)個相似比為r的部分組成，則相似維數(shù)Ds表示為［14］:

3 礦山泥石流溝的分形分析

地形地貌是泥石流形成所需的基本條件之一，它影響著泥石流的起動和運動過程。地形地貌可細分為溝道比降、坡角、溝道長度、流域面積和流域形態(tài)等因素。研究發(fā)現(xiàn)，溝道比降、溝道長度和流域面積的大小及其組合對泥石流的形成起著重要作用［12］。本文利用分形理論，從流域面積、溝道比降和溝道長度3方面分析奉節(jié)縣汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)特征。

3.1 流域面積

根據(jù)礦區(qū)17條礦山泥石流溝的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表1)，礦山泥石流溝的流域面積最大為130 km2，最小為0.188 km2;流域面積大小與溝道數(shù)量的分布較離散，流域面積與溝道數(shù)量總體上呈遞減趨勢，即流域面積越小，相應的溝道數(shù)越多，而隨著流域面積的增加，溝道數(shù)量急劇減小;流域面積集中分布于［0.2，0.4］范圍內，共有5條泥石流溝，占總數(shù)的29.4%。經雙對數(shù)相關性分析(圖3)，泥石流溝的流域面積與溝道數(shù)量具有較好的相關性，根據(jù)分形理論，說明礦山泥石流溝的流域面積存在分形現(xiàn)象，即流域面積存在自相似性，相應的分維值為0.69。

表1 流域面積與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計關系Table 1 Statistical relationship between basin area and gully number

3.2 溝道比降

圖3 流域面積與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關系Fig．3 Logarithm relationship between basin area and gully number

泥石流的起動和運動過程與溝道比降密切相關，當其他條件一定時，溝道比降越大，松散物質越易起動，泥石流流速也越大。統(tǒng)計顯示(表2)，汾河流域泥石流溝的比降主要分布于［25%，30%］，相應的泥石流溝為6條，占總數(shù)的35.3%。經雙對數(shù)相關性分析(圖4)，溝道比降與泥石流溝道數(shù)量具有較好的相關性，說明礦山泥石流溝道比降存在分形現(xiàn)象，即其比降存在自相似性，相應的分維值為2.07。

表2 溝道比降與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計關系Table 2 Statistical relationship between gully gradient and gully number

圖4 溝道比降與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關系Fig．4 Logarithm relationship between gully gradient and gully number

3.3 溝道長度

溝道長度對泥石流的影響與匯水面積的相似。汾河流域泥石流溝的長度主要分布于［1，1.5］范圍，共有6條泥石流溝，占總數(shù)的35.3%(表3)。將溝道長度與溝道數(shù)量做雙對數(shù)分析得到(圖5)，溝道長度與泥石流溝道數(shù)量具有較好的相關性，說明溝道長度也存在分形現(xiàn)象，并存在自相似性，其分維值為1.35。

表3 溝道長度與泥石流溝道數(shù)的統(tǒng)計分析Table 3 Statistical relationship between gully length and gully number

圖5 溝道長度與泥石流溝道數(shù)的對數(shù)關系Fig．5 Statistical relationship between gully length and gully number

4 討論

為進一步揭示重慶山區(qū)礦山泥石流溝的特征，現(xiàn)將汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分別與自然泥石流溝和典型礦山泥石流溝的溝谷形態(tài)特征進行比較。

4.1 與自然泥石流溝形態(tài)的比較

蔣家溝和白龍江流域是我國典型的自然泥石流溝，其中蔣家溝流域位于滇東北高山峽谷地帶，流域內新構造運動活躍，地震活動也較強烈;白龍江流域大部分位于甘肅省南部，為高山峽谷地貌，流域內新構造運動劇烈，地震頻繁且強烈［11］。兩個流域泥石流溝的形態(tài)主要地質環(huán)境受地質環(huán)境的影響。汾河礦區(qū)屬于剝蝕侵蝕中低山地貌，地震基本烈度為Ⅵ度。相比之下，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)除了地質環(huán)境的影響，還有人為活動的改造。但由表4知，兩種泥石流的溝谷形態(tài)均以流域面積分維值最小，溝道長度次之，溝道比降分維值最大。根據(jù)溝谷形態(tài)分形維值的意義，分維值越小對應的指標對泥石流溝谷的影響越顯著，則流域面積對自然泥石流和礦山泥石流溝的形態(tài)影響越顯著，說明兩種泥石流的溝谷形態(tài)具有相似性，故流域面積、溝道長度和比降三個指標也適用于重慶山區(qū)礦山泥石流溝形態(tài)特征的分析。

4.2 與典型礦山泥石流溝形態(tài)的比較

神府-東勝礦區(qū)和小秦嶺礦區(qū)分別為煤礦和金礦區(qū)，隨著采礦活動的不斷進行，區(qū)內礦山泥石流較發(fā)育，是我國典型的礦山泥石流區(qū)域。其中，神府-東勝礦區(qū)原為游牧地區(qū)且無泥石流暴發(fā)歷史，隨著煤田的大規(guī)模開采，區(qū)內礦山泥石流頻頻發(fā)生，泥石流主要由人為誘發(fā)，泥石流溝的形態(tài)也主要是人為活動的結果。小秦嶺礦區(qū)和奉節(jié)縣汾河礦區(qū)地處山區(qū)，泥石流溝的形態(tài)除了地質環(huán)境影響，還受人為活動的作用。

從溝谷形態(tài)分維值變化趨勢看(表4)，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分維值變化趨勢與神府-東勝礦區(qū)和小秦嶺礦區(qū)的總體一致，但因地質環(huán)境和人為活動強度的不同，三個區(qū)域的分維值仍存在差異，如汾河礦區(qū)泥石流溝的流域面積分維值與小秦嶺礦區(qū)的相近，而比神府-東勝礦區(qū)的流域面積分維值小30%;汾河礦區(qū)的溝道長度分維值與神府-東勝礦區(qū)的相近，而比小秦嶺礦區(qū)的溝道長度分維值小15%;汾河礦區(qū)的溝道比降分維值又明顯大于其他兩個礦區(qū)的分維值。據(jù)此得到，不同區(qū)域的礦山泥石流溝的形態(tài)是地質環(huán)境和人為活動共同作用的結果。

表4 不同泥石流溝的形態(tài)分維值Table 4 Fractal dimension values of different debris flow gullies

5 結論

(1)基于汾河礦區(qū)內17條泥石流溝的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用分形理論分析了重慶山區(qū)礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)特征，得到泥石流溝的流域面積、溝道比降和溝道長度存在分形特征，其分維值分別為0.69、2.07和1.35。

(2)將汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)與自然泥石流溝的對比，兩種泥石流的溝谷形態(tài)具有相似性，均受流域面積的影響顯著;流域面積、溝道長度和比降三個指標也適用于重慶山區(qū)礦山泥石流溝形態(tài)特征的分析。

(3)根據(jù)溝谷形態(tài)分維值的變化趨勢，汾河礦區(qū)泥石流溝的形態(tài)分維值變化趨勢與典型礦山泥石流溝的變化趨勢總體一致，但因人類活動強度和地質環(huán)境的不同而存在差異，并且不同區(qū)域礦山泥石流溝的形態(tài)是地質環(huán)境和人為活動共同作用的結果。

［1］楊敏，陳華清，張江華.金礦區(qū)礦渣型泥石流物源滲透特征研究［J］.中國水土保持，2012(8):46-48.YANG Min， CHEN Huaqing， ZHANG Jianghua.Study on provenance infiltration characteristics of mine debris flow in gold mine area［J］.Soil and Water Conservation in China，2012(8):46-48.

［2］徐友寧，曹琰波，張江華.等.基于人工模擬試驗的小秦嶺金礦區(qū)礦渣型泥石流起動研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(7):1388-1395.XU Youning，CAO Yanbo，ZHANG Jianghua.et al.Research on starting of mine debris flow based on artificial simulation experiment in Xiaoqingling gold ore area［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(7):1388-1395.

［3］倪華勇，鄭萬模，巴仁基，等.基于水動力條件的礦山泥石流成因與特征——以石棉縣后溝為例［J］.山地學報，2010，28(4):470-477.NI Huayong， ZHENG Wanmo，BA Renji， et al.Formation and characteristics of mine debris flows based on dynamic conditions—taking hougou gully in shimian county foran example［J］.Journalof Mountain Science，2010，28(4):470-477.

［4］呂學軍，倪華勇，徐如閣，等.四川峨邊縣蔣溝礦渣侵蝕泥石流成因與特征［J］.水土保持研究，2011，18(3):83-87.LUE Xuejun， NIHuayong， XU Ruge， etal.Formation and characteristics of mine-slag debris flows from Jianggou ravine in Ebian county，Sichuan province［J］. Research of Soil and Water Conservation，2011，18(3):83-87.

［5］鄧龍勝，范文，熊煒，等.礦渣型泥石流發(fā)育特征及危險性評價［J］.工程地質學報，2009，17(3):415-420.DENG Longsheng，F(xiàn)AN Wen，XIONG Wei，et al.Development features and risk of inducing slag debris flow at daxicha gully［J］.Journal of Engineering Geology，2009，17(3):415-420.

［6］徐友寧，何芳，張江華，等.礦山泥石流特點及其防災減災對策［J］.山地學報，2010，28(4):463-469.XU Youning，HE Fang，ZHANG Jianghua，et al.Characteristics and strategy for prevention and reduction of mine debris flow［J］.Journal of Mountain Science，2010，28(4):463-469.

［7］劉向東.模糊綜合評判法在礦渣型泥石流危險性評價中的應用［J］.地質災害與環(huán)境保護，2012，23(3):88-92.LIU Xiangdong. Applying the fuzzy integrated evaluation method in assessing the risk of mine slagtype debris flows［J］.Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2012，23(3):88-92.

［8］莫時雄，程峰，王杰光，等.典型金屬礦山泥石流潛勢度的模糊層次綜合評判［J］.中國地質災害與防治學報，2009，20(2):41-45.MO Shixiong，CHENG Feng，WANG Jieguang，et al.Fuzzy hierarchic evaluation for debrits flow potential of typical metal mine［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2009，20(2):41-45.

［9］方瓊，段中滿.湖南省地形地貌與地質災害分布關系分析［J］.中國地質災害與防治學報，2012，23(2):83-88.FANG Qiong，DUAN Zhongman.Distribution analysis oftopography and geologicalhazards in Hunan province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2012，23(2):83-88.

［10］黃海，石勝偉，謝忠勝，等.雜谷腦河流域暴雨型泥石流溝地貌特征分析［J］.水土保持通報，2012，32(3):203-207.HUANG Hai，SHI Shengwei，XIE Zhongsheng，et al.Geomorphic features of rainstorm-induced debris flow gullies in Zagunnao river basion［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2012，32(3):203-207.

［11］黃江成，歐國強，潘華利.白龍江與小江泥石流流域地貌演化比較分析［J］.中國地質災害與防治學報，2014，25(1):6-11.HUANG Jiangcheng， OU Guoqiang， PAN Lihua.Geomorphic evolution of comparison on debris flow gullies in Bailongjiang and Xiaojiang basins［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2014，25(1):6-11.

［12］鐵永波，李宗亮.磨西河流域 泥石流流域形態(tài)的非線性特征［J］.工程地質學報，2011，193(2):376-380.TIE Yongbo，LI Zongliang.Nonlinear characters of debris flow evolution in Moxi river basin［J］.Journal of Engineering Geology，2011，193(2):376-380.

［13］倪化勇，劉希林.泥石流災害的分形研究［J］.災害學，2005，20(4):18-22.NI Huayong，LIU Xilin.Fractal research on debris flow disaster［J］.Journal of Catastrophology，2005，20(4):18-22.

［14］李建林，張洪云，李振林.礦山泥石流溝谷形態(tài)的分形分維［J］.中國地質災害與防治學報，2012，23(1):1-5.LI Jianlin，ZHANG Hongyun，LI Zhenlin.Fractal analysis on morphology of mine debris flow gully［J］.TheChinese JournalofGeologicalHazard and Control，2012，23(1):1-5.