蔣家溝泥石流溝道年際沖淤變化特征分析

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(1.中國科學(xué)院 a.山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室; b.水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.云南省昆明市東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治中心，昆明 654100)

蔣家溝泥石流溝道年際沖淤變化特征分析

魏麗1a,1b,2,胡凱衡1a,1b,黎曉宇1a,1b，顏春達(dá)3

(1.中國科學(xué)院 a.山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室; b.水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041;2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.云南省昆明市東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治中心，昆明 654100)

為了分析泥石流對溝道沖淤的累積影響效應(yīng)，根據(jù)蔣家溝1999—2014年泥石流溝道斷面測量數(shù)據(jù)對溝道年際沖淤變化特征及影響因素進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：蔣家溝泥石流溝道斷面形態(tài)變化主要表現(xiàn)為斷面展寬、斷面淤積抬高或沖刷降低;溝道寬度變化主要發(fā)生于1999—2009年，2009年后溝道寬度相對穩(wěn)定，溝道沖淤速率逐漸減緩；溝道整體縱剖面曲線呈現(xiàn)下凹型，下凹度不斷減小，2009年后下凹度在1.1左右波動，縱剖面整體比降不斷增大，2009年后比降增加速率減緩；泥石流輸沙規(guī)模減小、泥深及流速減小、支溝泥石流匯入、溝道下游排導(dǎo)工程是影響蔣家溝泥石流溝道沖淤的主要因素。研究成果可為泥石流流通及堆積區(qū)的防治提供參考。

蔣家溝泥石流；溝道年際沖淤；下凹度；比降；沖淤速率

1 研究背景

泥石流是山區(qū)常見的一種自然災(zāi)害，是一種飽含泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體。泥石流固體物質(zhì)含量高，流速大，對溝道侵蝕能力強(qiáng)，能迅速改變溝谷形態(tài)，嚴(yán)重制約土地資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)。如1984年7月18日，四川省九寨溝縣關(guān)廟溝暴發(fā)泥石流，流速高達(dá)9.2 m/s，泥石流強(qiáng)烈淘蝕溝床，使溝床刷深2.0～3.0 m，溝道展寬3.0～5.0 m，并將大量的固體物質(zhì)輸移出溝口，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失[1]。

目前對于泥石流溝道侵蝕的研究主要集中于侵蝕量及其影響因素的研究[2-4]，對于溝道年際整體沖淤變化研究相對較少。由于長序列的泥石流溝道斷面測量數(shù)據(jù)的缺乏，對于泥石流溝道的變化研究主要基于單次泥石流，如Cenderelli[5]根據(jù)美國North Fork Mountain的DEM地圖分析了大型泥石流對溝道地形的影響。Berger等[6-7]，Schürch等[8]利用壓力傳感器測量了位于瑞士東南部Illgraben流域2007—2009年間所暴發(fā)的單場泥石流流經(jīng)的溝道斷面的沖淤深度，探討了影響泥石流斷面沖淤的主要因素。

云南東川蔣家溝是一條典型的泥石流溝，位于稱為“天然泥石流博物館”的小江流域。中國科學(xué)院東川泥石流觀測研究站(以下簡稱東川站)自1961年開始對蔣家溝泥石流進(jìn)行定位觀測，近17 a來對泥石流溝道斷面進(jìn)行了系統(tǒng)測量，積累了長序列的觀測資料。本文利用蔣家溝1999—2014年共16 a斷面測量數(shù)據(jù)對泥石流溝道年際沖淤變化及其影響因素進(jìn)行分析探討。

2 研究區(qū)概況

蔣家溝流域位于26°13′N—26°17′N，103°6′E—103°13′E，處于川滇地軸東緣的小江深大斷裂帶內(nèi)，是金沙江上游小江流域內(nèi)活動頻率最高的一條泥石流溝。其泥石流暴發(fā)歷史長、規(guī)模大、種類齊全，是天然泥石流原型觀測研究的理想基地。蔣家溝流域面積48.52 km2，具有200多條支溝，46條沖溝。流域內(nèi)地震活動強(qiáng)烈、巖層破碎、地形陡峻、植被稀疏，地表形態(tài)十分復(fù)雜，滑坡和崩塌活動強(qiáng)烈，一到雨季，泥石流頻繁暴發(fā)。蔣家溝流域概況及主要測量斷面見圖1，流域主要支溝包括門前溝、多照溝、查菁溝，門前溝與多照溝匯口以上為泥石流形成區(qū)，匯口以下為泥石流流通及堆積區(qū)，測量斷面均位于匯口以下流通及堆積段[9]。

圖1 蔣家溝流域概況及觀測斷面分布Fig.1 Map of Jiangjia Gulley and distribution of observated cross-sections

在斷面測量過程中，由于泥石流改道等因素，D17，D19，P3，P2，P1斷面未進(jìn)行持續(xù)測量，無連續(xù)測量數(shù)據(jù)，其余D1，D3，D5，D7，D9，D11，M3，M61，D13，D15斷面具有1999—2014年16 a完整觀測資料，P6，P5，P4斷面具有2004—2014年11 a完整測量資料。本文所采用的斷面數(shù)據(jù)測量時間在每年雨季最后一場泥石流結(jié)束后，不考慮年內(nèi)單場泥石流對溝道的沖淤影響，僅考慮泥石流溝道年際變化，僅根據(jù)具有連續(xù)觀測資料的斷面進(jìn)行分析探討。

3 斷面沖淤變化

斷面測量時間序列較長，本文以5 a為時間間隔，選取1999，2004，2009，2014年測量數(shù)據(jù)作為對比，各斷面形態(tài)變化見圖2。

圖2 各斷面形態(tài)變化Fig.2 Changes in the morphology of cross-sections

由圖2可知，各溝道斷面寬度及高程在近年發(fā)生了明顯的變化，寬度及高程變化統(tǒng)計見圖3。除P5，P4斷面外，其它斷面均有不同程度的擴(kuò)寬。斷面展寬主要發(fā)生于1999—2009年，2009—2014年僅D1，P4斷面寬度增加。1999—2004年斷面展寬主要集中于上、中游斷面，其中D7，D9，D11斷面寬度增加超過150 m，年均分別增加37，46，34 m；2004—2009年斷面展寬主要集中于中下游斷面，其中M3，M61，P6斷面寬度增加超過100 m，年均分別增加38，24，21 m；2010—2014年僅D1，P6斷面分別增加6，47 m。總體上，1999—2004年、2004—2009年、2009—2014年斷面寬度隨時間段推移變化幅度逐漸減小，寬度平均累計擴(kuò)展分別為85.6，41.9，4.0 m，2009年后僅P6斷面展寬47 m，溝道其余斷面已經(jīng)相對穩(wěn)定，無特別明顯的展寬。

圖3 各斷面高度及寬度變化Fig.3 Variations of width and height of cross sections

各斷面高程表現(xiàn)為淤積抬高與沖刷降低2種變化模式，沖刷降低發(fā)生于溝道末端的P5，P4兩斷面，其它斷面均表現(xiàn)為淤積抬高。1999—2004年除無測量數(shù)據(jù)的末端P6—P4斷面外，溝道其余斷面全面淤積，其中上游溝段淤積高度較為相似，中游溝段各斷面淤積高度波動較大，如M61斷面淤積高度為相鄰斷面D13淤積高度的3.5倍，分別為14.0，4.3 m，年均淤積分別為2.8，0.9 m，為全斷面中淤積高度最大與最小的兩斷面；2004—2009年D1—M61溝道仍全面淤積，D13—D15斷面淤積高度變化較小，P6斷面累計淤高5 m，相鄰P5,P4斷面卻發(fā)生沖刷降低，其中D3,M61斷面為全斷面中淤積最強(qiáng)烈的斷面，累計淤高達(dá)12 m，年均淤高2.4 m，P5,P4斷面分別累計沖刷達(dá)8.2，9.6 m，年均累計沖刷達(dá)1.6，1.9 m；2009—2014年溝道沖淤幅度相對較小，僅部分溝段發(fā)生淤積，上游溝段D1—D7斷面淤積幅度呈現(xiàn)遞減趨勢，最大淤積斷面為D1斷面，累計淤高10 m，小于前兩時段斷面最大淤積值，如D7,D9,D13斷面高程無變化，P5,P4斷面沖刷幅度較小，僅累計沖刷降低約1 m，較2004—2009年沖刷程度大幅降低?？傮w上，1999—2004年、2004—2009年、2009—2014年斷面淤高幅度逐漸減小，平均累計淤高分別為7.7，6.1，3.0 m，溝道斷面淤高速度逐漸減緩。

4 溝道縱剖面變化

蔣家溝觀測溝道縱剖面見圖4。

圖4 溝道縱剖面高程Fig.4 Longitudinal profile of channel

溝道縱剖面比降及凹度是縱剖面形態(tài)的重要特征參數(shù)，與泥石流能量耗材密切相關(guān)。蘆田和男等[10](1979)通過研究日本泥石流災(zāi)害提出泥石流堆積上限比降為26.79%，下限為6.99%。采用最小二乘法計算溝道比降以反映縱剖面比降沿程變化，用縱剖面向下凹的程度，即用溝道縱剖面曲線拋物線方程指數(shù)n下凹度定量地描述縱剖面形態(tài)，當(dāng)n>1時，縱剖面為凹型，表明比降沿著向溝口的方向增加；n<1為凸型，表明比降沿著向溝口的方向減?。籲=1則縱剖面為直線型[11]。蔣家溝觀測溝道比降及下凹度見圖5。

圖5 溝道比降及下凹度變化Fig.5 Changes of gradient and convex index of the channel

溝道比降在1999 —2001年呈現(xiàn)波狀變化的特點，比降最小值為6.99%，與蘆田和男提出的堆積下限相等，2001年后比降不斷增大，2009年后比降增加速率變緩，說明溝道沖淤幅度相對變小。2003—2008年溝道下凹度不斷減小，說明溝道不斷淤積，2009—2014年下凹度在1.1左右波動，無明顯增大或減小趨勢，也證明溝道沖淤幅度較小。

5 溝道沖淤影響因素分析

泥石流溝道沖淤主要受泥石流性質(zhì)、流型、規(guī)模、運(yùn)動參數(shù)、侵蝕基準(zhǔn)面等因素影響，蔣家溝泥石流為典型的黏性陣性泥石流，歷年重度及流型變化相對較小。本文主要就泥石流輸沙規(guī)模、泥深及流速、支溝泥石流及排導(dǎo)工程3方面因素對溝道沖淤影響進(jìn)行探討。

5.1 泥石流輸沙量

東川站觀測泥石流的溝段約為D9—M3段溝道，若泥石流未達(dá)到觀測斷面，則該次泥石流輸沙量未記錄在內(nèi)。陳杰等[12]根據(jù)蔣家溝1999—2003年觀測資料發(fā)現(xiàn)溝道單次泥石流沖淤變化與泥石流輸沙量有關(guān)，一般當(dāng)單場泥石流輸沙量<50萬m3時，溝道整體發(fā)生淤積；當(dāng)輸沙量>50萬m3，溝道整體發(fā)生沖刷。1965—2014年泥石流輸沙量觀測值見圖6，泥石流多年平均每年輸沙量為182萬m3。1965—2001年泥石流輸沙量呈現(xiàn)波狀起伏的特點，泥石流最大輸沙量>600萬m3，分別發(fā)生在1991年、1997年；泥石流最小輸沙量<30萬m3，分別發(fā)生在1988年、1993年;1999—2001年泥石流年輸沙量仍在平均值左右波動，2001年之后泥石流輸沙量迅速減少，遠(yuǎn)小于歷年輸沙平均值，2005年后到達(dá)觀測斷面泥石流輸沙量平均值僅20萬m3。根據(jù)泥石流觀測記錄，1999—2014年共暴發(fā)泥石流98場，平均每場泥石流輸沙量為10萬m3，單場輸沙量>50萬m3僅5場，占比僅為5.1%，單場輸沙量<10萬m3,占比高達(dá)76%。2004年后蔣家溝泥石流暴發(fā)規(guī)模不斷減小，2004—2014年共暴發(fā)泥石流49場，僅2場輸沙量>10萬m3，大部分泥石流淤積在上游斷面，造成D1—D7斷面淤高強(qiáng)烈，中下游斷面變化相對較小。

圖6 1965—2014年泥石流輸沙量Fig.6 Sediment discharge of debris flow from 1965 to 2014

溝道上游D1—D7相鄰觀測斷面溝段比降見圖7。1999—2008年各段比降變化相對較大，2009年后各段比降逐漸趨向穩(wěn)定，且比降由上到下逐漸減小，各段淤積高度也沿程減小(見圖4)，呈現(xiàn)出類似河道沿程淤積的特點。D1斷面位于形成區(qū)門前溝與多照溝匯口，近年來D1斷面不斷抬高，1999—2014年累計淤高23 m，在匯口形成天然的泥石流攔砂壩，減緩了蔣家溝泥石流形成區(qū)溝道比降，不利于泥石流向下游主溝道輸移，部分泥石流淤積在D1斷面以上形成區(qū)溝道進(jìn)一步造成輸移至下游觀測溝段泥石流規(guī)模不斷減小。

圖7 D1—D7相鄰觀測斷面溝段比降Fig.7 Gradients of adjacent sections from D1 to D7

5.2 泥石流泥深及流速

泥石流泥深及流速是影響泥石流侵蝕能力的重要參數(shù)，泥石流沿程侵蝕與流體類型與邊界條件有關(guān)[13]。東川站自1961年進(jìn)行蔣家溝泥石流觀測起，泥石流溝床呈箱型或復(fù)式箱型，溝槽寬度最大可達(dá)100 m，溝道深度達(dá)數(shù)十米，箱型溝槽限制了泥石流向兩側(cè)漫流，泥深及泥石流流速較大，有利于泥石流向下游輸移，減少了泥石流沿程淤積。當(dāng)溝槽因泥石流淤積導(dǎo)致寬度、深度減小時，泥石流流動過程中不斷向兩側(cè)漫流，泥深減小，泥石流在上游溝道不能克服溝床阻力，能量不足以使泥石流體向下游流動，沿程不斷淤積，泥石流累積淤積進(jìn)一步導(dǎo)致溝槽形態(tài)變化，不利于泥石流向下游運(yùn)動。根據(jù)實地觀測，1985年蔣家溝箱型溝槽深度達(dá)15～20 m，1991年8月溝槽深度約為15 m，之后溝槽不斷淤積抬高。1999,2004,2014年M3斷面附近溝道寬度、深度對比見圖8。

圖8 1999年、2004年、2014年蔣家溝M3斷面附近溝道對比Fig.8 Channels near section M3 in 1999, 2004, and 2014

1999年，溝道呈現(xiàn)明顯的箱型形態(tài)，泥石流沿深槽運(yùn)動;2004年溝槽逐漸淤積，溝槽深度減小，深槽形態(tài)已不太明顯;2014年時已無深槽形態(tài)，泥石流在寬闊的溝道輸移，不斷向兩側(cè)漫流。另2000年前后蔣家溝溝槽常流水在D7斷面被當(dāng)?shù)卮迕窠財?，使得泥石流暴發(fā)后D7斷面以下溝槽堆積的未固結(jié)的泥石流不再受到溝道原有的高含沙水流的沖刷切割，加速了溝槽淤積抬高。溝槽形態(tài)影響泥石流泥深與流速。1999—2014年蔣家溝泥石流歷年平均每陣泥深及流速見表1。泥深及流速變化趨勢相似，1999—2002年泥深及流速呈現(xiàn)波狀起伏的特點，2002—2014年泥深及流速整體不斷減小。泥深的減小一方面受泥石流整體規(guī)模的影響，一方面也受到溝道形態(tài)約束。2002年后原有的泥石流箱型溝槽逐漸淤滿，泥石流運(yùn)動無兩側(cè)邊界約束，泥深及流速減小，能量不足以向下游輸移，沿程逐漸淤積，泥石流輸沙量不斷減小，大大減小了泥石流對溝道的侵蝕能力，造成強(qiáng)烈的溝道淤積抬升。

表1 1999—2014年蔣家溝泥石流歷年平均每陣泥深及流速Table 1 Average depth and velocity of debris flow ofeach array from 1999 to 2014

注：2011年和2012年由于泥石流未沖到中下游，僅在匯口附近，因此無法進(jìn)行觀測記錄

5.3 支溝泥石流及下游排導(dǎo)工程

泥石流運(yùn)動受平面形態(tài)如巖咀與支溝堆積扇的影響，泥石流沖淤在M61處受到查菁溝泥石流堆積扇的影響，流路增長，彎曲度亦不斷增加，主流線不斷向左遷移，查菁溝堆積扇猶如攔砂壩使泥石流順暢輸移受阻，形成局部頂托回淤，造成M61及相鄰M3斷面淤積強(qiáng)烈[9]。

蔣家溝泥石流在D15至小江匯口段溝道內(nèi)的輸移路徑曾發(fā)生多次變化，1999—2014年泥石流改道情況見圖9。

圖9 1999—2014年泥石流改道示意圖Fig.9 Change of transport route of debris flow

1999—2002年，泥石流沿D15—D17—D19段深槽下泄，以約45°夾角與小江交匯，期間1999年9月及2001年7月份蔣家溝2場泥石流在P5斷面處沖毀原有導(dǎo)流堤，以接近90°與小江交匯并堵塞小江[14-15]。為了防止泥石流再次堵江造成災(zāi)害，2003年加固延長了導(dǎo)流堤至D15斷面處(見圖1)，導(dǎo)流堤完工之后，泥石流在D15斷面受到導(dǎo)流堤攔擋作用導(dǎo)致該斷面強(qiáng)烈淤積且在D15以下斷面改道，2003年至2004年7月份前泥石流路徑變化為D15—P6—P5—P1，再次以約45°與小江交匯，泥石流輸移溝道由改道前D15—P6段的窄深式箱型溝槽變?yōu)镈15—D17段寬淺溝道，溝道比降減小，泥石流溝床兩側(cè)無約束，造成該斷面逐漸淤積。2004年7月泥石流又在P4位置改道，與小江交匯位置逐漸向小江下游移動，匯口高程即侵蝕基準(zhǔn)降低，造成下游P5,P4斷面沖刷，2004—2009年6 a間，P5,P4斷面累積沖刷分別達(dá)8.29，9.61 m。

6 結(jié) 論

本文根據(jù)蔣家溝1999—2014年間16個溝道斷面觀測數(shù)據(jù)，分析了泥石流溝道年際沖淤變化及其影響因素,所得結(jié)論如下:

(1) 蔣家溝泥石流溝道斷面除末端兩斷面沖刷降低之外，其余斷面均不斷展寬及淤積抬高，斷面展寬主要發(fā)生于1999—2004年，2009—2014年除末端P6斷面外，其余溝道斷面寬度已經(jīng)相對穩(wěn)定不再發(fā)生擴(kuò)展；斷面沖刷降低主要發(fā)生于2004—2009年，斷面平均累計淤積高度隨時間段推移不斷減小，2009—2014年累計淤積高度減小至3 m。

(2) 溝道縱剖面整體呈下凹曲線，下凹度不斷減小;2009年后下凹度穩(wěn)定在1.1左右，溝道整體比降不斷增大，2009年比降增大速率減緩。

(3) 蔣家溝泥石流輸沙規(guī)律減小，泥石流泥深及流速減小、支溝泥石流匯入、泥石流排導(dǎo)工程及匯口侵蝕基準(zhǔn)面降低是影響溝道沖淤的主要因素。本文可為在泥石流流通及堆積區(qū)的防治提供參考。

致謝：感謝中國科學(xué)院東川泥石流觀測研究站提供良好的工作條件和相關(guān)觀測數(shù)據(jù)！

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(編輯：陳 敏)

Inter-annual Variation of the Morphology of Debris Flow Channelin Jiangjia Gully

WEI Li1,2,3，HU Kai-heng1,2，LI Xiao-yu1,2, YAN Chun-da4
( 1.Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China; 2.Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences & Ministry of Water Conservancy，Chengdu 610041，China; 3.Graduate School of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China; 4.Dongchuan Geological Hazard Prevention and Control Center, Kunming 654100, China)

In the aim of investigating the cumulative effect of debris flow on channel morphology, we analyzed the variations and influential factors of erosion and deposition in Jiangjia Gully according to sectional measurements from 1999 to 2014. Results revealed that the channel width increased continuously and the sectional height elevated or decreased depending on the erosion or deposition of channel. The channel width increased mainly from 1999 to 2009, and then remained stable after 2009 when erosion or deposition intensity decreased. Moreover, the curve of longitudinal profile of channel was concave, and the concavity index decreased gradually, fluctuating around 1.1 after 2009. The gradient of channel profile increased gradually, but the increment alleviated after 2009. Decreases in the sediment discharge, depth and velocity of debris flow, and debris flow afflux from tributary, as well as debris flow drainage project in the downstream were dominant factors influencing the channel morphology.

debris flow in Jiangjia Gully; inter-annual erosion and deposition; concavity index; channel gradient; erosion and deposition rate

2016-05-26；

：2016-06-27

國家自然科學(xué)基金面上項目(41371039)；國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2015CB452704);中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室自主支持項目(Y3L1340340)

魏 麗(1986-)，女,四川廣元人，博士研究生，主要從事泥石流運(yùn)動機(jī)理研究，(電話)13348824765(電子信箱)weili@imde.ac.cn。

10.11988/ckyyb.20160528

2017,34(9):57-62

P642

：A

：1001-5485(2017)09-0057-06