九寨溝景區(qū)丹祖溝泥石流暴發(fā)特征研究

蘭昌義， 鄭 貴， 陳淋冊(cè)

(四川省冶金地質(zhì)勘查局 水文隊(duì)，四川 成都 611730)

1 泥石流概況

丹祖溝泥石流位于阿壩藏族羌族自治州九寨溝縣九寨溝景區(qū)日則溝(諾日朗—五花海)左岸，溝口為珍珠灘瀑布，該溝流域面積約73.88 km2，主溝長(zhǎng)約16 km，溝源最高點(diǎn)高程4 500 m，溝口最低高程為2 410 m，高差2 090 m，平均坡降約86.7‰。共發(fā)育6條支溝，支溝長(zhǎng)約3～5 km，相對(duì)高差約890～1 420 m，平均縱坡降約126‰～371‰，流域全貌圖見圖1。

圖1 丹祖溝泥石流全貌
Fig.1 Overview of debris flow in Danzu gully

2 暴發(fā)歷史

據(jù)資料記載，1984年丹祖溝支溝發(fā)生4次泥石流,使鏡海水體嚴(yán)重污染,泥石流輸送的泥沙在鏡海尾部淤積后滋生水草，且每年向鏡海中心擴(kuò)展約20m，減小了海子水域面積。為了保護(hù)景觀和生態(tài),中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所提出了攔擋漂木的格柵壩、攔淤泥沙的濾水壩、在施工過程中保護(hù)生態(tài)的預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)等新型工程結(jié)構(gòu)[1]。在1991—1993年對(duì)該溝進(jìn)行了治理，在距溝口6km處(3#支溝內(nèi))設(shè)置格柵壩2座，主溝下游距溝口約1km處設(shè)置濾水壩2座，運(yùn)行效果顯著，有效控制了泥石流對(duì)下游風(fēng)景的影響。

根據(jù)九寨溝國(guó)家級(jí)風(fēng)景名勝區(qū)管理局對(duì)九寨溝地災(zāi)隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)報(bào)告(2010—2016年)記錄，丹祖溝每年在汛期都會(huì)發(fā)生不同規(guī)模山洪或泥石流，分別在2010年8月18日、2011年7月25日、2011年8月19日、2012年5月9日、2014年7月30日、2014年8月6日—12日多次出現(xiàn)鏡海水體渾濁。據(jù)資料分析，歷史上丹祖溝主溝并未發(fā)生泥石流，支溝發(fā)生泥石流后在支溝口與主溝道交匯處淤積，地表水以高含沙水流(洪水)的形式沿主溝道流出，進(jìn)入日則溝內(nèi)從而影響下游鏡海水體。溝內(nèi)地下水受地表水體影響也變渾濁，以泉的形式補(bǔ)給五花海，使五花海水體也變渾濁。

3 溝道特征

丹祖溝泥石流所在溝域主要由丹祖溝主溝以及6條大支溝組成。溝域平面呈羽狀，在1#支溝下游大轉(zhuǎn)彎，由北東向逐漸轉(zhuǎn)為南東向流動(dòng)，流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。受“8·8”地震影響，主溝內(nèi)新增物源主要為崩塌堆積物，坡頂基巖裸露，裂隙發(fā)育，受地震作用發(fā)生崩塌，落石主要堆積于岸坡坡腳，形成倒石堆，受后期雨水沖刷形成坡面流，進(jìn)入主溝道，但由于主溝坡度較緩，平均坡降為86.7‰，主溝道縱坡見圖2。坡面流運(yùn)動(dòng)距離較短即發(fā)生堆積，因此未形成大規(guī)模泥石流。另外，主溝中下游2 800 m以下巖溶發(fā)育，一部分地表水通過巖溶管道漏入五花海，另外一部分通過主溝內(nèi)冰積層潛流，溝內(nèi)地表徑流部分轉(zhuǎn)入地下，在溝口以泉的形式出露，使主溝下游形成干谷。

支溝泥石流可分為形成區(qū)、流通區(qū)和堆積區(qū)。形成區(qū)地形較陡，位于各支溝溝道中上游段，平均縱坡降達(dá)300‰以上，溝谷兩側(cè)坡度較陡，一般20°～50°，岸坡頂部基巖裸露，裂隙發(fā)育，受“8·8”地震影響發(fā)生崩塌，堆積于岸坡中下部，倒石堆侵占溝道，形成堵點(diǎn)，在泥石流沖刷作用下堵溝的可能性較大。流通區(qū)位于各支溝溝道中下游段，支溝平均縱坡降為126‰～371‰，泥石流在該段以揭底沖刷為主。堆積區(qū)位于支溝下游，由于支溝口地形都較開闊，泥石流在與主溝交匯處迅速撒開，在支溝口形成堆積扇，僅高含沙水流進(jìn)入主溝。

表1 丹祖溝流域特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of characteristic parameters of Danzugou watershed

圖2 丹祖溝泥石流主溝縱剖面圖
Fig.2 Longitudinal section of main gully of debris flow in Danzugou

圖3 九寨溝鄰谷補(bǔ)給水循環(huán)系統(tǒng)示意圖
Fig.3 Schematic diagram of make-up water circulation system of Jiuzhaigou adjacent valley
(日則溝接受則查哇溝和丹祖溝地下徑流補(bǔ)給)

4 水源特征

丹祖溝為日則溝內(nèi)左岸最大支流，因灰?guī)r夾砂板巖互層巖性組合及北西—南東向褶皺、斷裂構(gòu)造作用，日則溝與相鄰溝谷間形成順層及斷裂帶發(fā)育巖溶地下水系統(tǒng)，為日則溝與相鄰的丹祖溝間產(chǎn)生地下水聯(lián)系和補(bǔ)排關(guān)系提供了重要條件，九寨溝鄰谷補(bǔ)給水循環(huán)系統(tǒng)見圖3[2]。同一褶皺的溝底高程日則溝低于丹祖溝238～343 m，為則查洼溝和丹祖溝通過地下徑流方式形成向日則溝補(bǔ)給提供了水動(dòng)力條件，也為日則溝成為流域侵蝕基準(zhǔn)面提供了條件。該段大泉及地下水集中溢出帶，鈣華堆積與之共生，具有冬季多數(shù)海子不結(jié)冰的地下水溢流排泄等地下水集中在日則溝排泄的特征，也佐證了日則溝具備侵蝕基準(zhǔn)面的特征。

丹祖溝泉位于與珍珠灘瀑布西側(cè)的丹祖溝口，露頭從溝內(nèi)第四系松散堆積層中溢出，流量相對(duì)較小，為66～277 L/s(0.094～0.204 m3/s)(照片1)。該泉位于五花海向斜近軸部，丹祖溝溝口段與向斜軸展布一致，溝口段因巖溶水下滲而成為干谷段由以上三個(gè)特征分析得出，丹祖溝泉應(yīng)為丹祖溝巖溶水下滲后在日則溝的露頭點(diǎn)。

照片1 丹祖溝溝口泉眼露頭
Photo 1 Spring outcrop of Danzugou

通過對(duì)2#支溝下游平臺(tái)以下至2#濾水壩上游段約2 km長(zhǎng)主溝道斷面實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，溝道豐水期過流斷面面積從6 m2逐漸減小為2 m2左右，溝道縱坡從127‰減小為67‰，根據(jù)流速計(jì)算公式，按高含沙水流重度取1.3 t/m3，流速由2.8 m/s降低為1.3 m/s，流量由17 m3/s降低為2.6 m3/s，地表水流漏失約85%。主溝道地表水流絕大部分通過覆蓋層及巖溶通道轉(zhuǎn)化為地下水，因此主溝內(nèi)發(fā)生泥石流缺乏水動(dòng)力條件。

5 物源特征

2017年“8·8”九寨溝地震，震級(jí)7.0級(jí)，溝內(nèi)旅游公路、棧道及景點(diǎn)受到一定程度破壞，震中位于丹祖溝內(nèi)支溝北側(cè)，溝內(nèi)烈度為IX度。受地震活動(dòng)松動(dòng)破壞的影響，陡峻的斜坡易發(fā)生滑坡、崩塌而為泥石流的形成提供了固體物源。

據(jù)勘查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，丹祖溝固體物源點(diǎn)共73處，按物源類型統(tǒng)計(jì)，崩滑堆積物46處，崩塌物源16處，溝床堆積物源9處；按物源分布位置統(tǒng)計(jì)，主溝道物源27處(崩滑堆積物18處，崩塌物源6處，溝床堆積物源1處)，支溝物源46處(崩滑堆積物28處，崩塌物源10處，溝床堆積物源8處)。主溝道中靜儲(chǔ)量約198.4×104m3，可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約41.25×104m3，支溝道中靜儲(chǔ)量約274.36×104m3，支溝道中可能參與泥石流活動(dòng)的動(dòng)儲(chǔ)量約66.73×104m3。受“8·8”地震影響新增物源203.96×104m3，動(dòng)儲(chǔ)量約52.78×104m3[3]。主支溝物源統(tǒng)計(jì)見表2。參與泥石流活動(dòng)的物源中，崩滑堆積體物源按沖刷坡腳后的岸坡自然休止角以上部分土體方量作為動(dòng)儲(chǔ)量；溝道堆積物源按最大沖刷揭底深度以上土體方量作為動(dòng)儲(chǔ)量；崩塌物源是以后緣卸荷裂隙與巖層面組合切割巖體可能失穩(wěn)最大方量為動(dòng)儲(chǔ)量。典型物源見照片2及圖4。

表2 主支溝物源統(tǒng)計(jì)表Table 2 Material source statistics of main and branch ditches

照片2 支溝物源1#-3#崩塌堆積體全貌
Photo 2 Overall view of 1#-3#collapse accumulation bodyof branch ditch provenance

圖4 崩滑物源BH-3剖面圖
Fig.4 BH-3 profile of landslide source
1.第四系泥石流堆積層;2.第四系崩坡積物;3.第四系更新統(tǒng)冰磧泥礫層;4.二疊系下統(tǒng)大關(guān)山組;5.塊碎石土;6.塊石土;7.灰?guī)r。

另外，主溝下游1#濾水壩目前淤積厚度約2 m，淤積方量約為5 000 m3，2#濾水壩目前淤積厚度約4 m，淤積方量約為15 000 m3，濾水壩運(yùn)行至今約24年，平均每年淤積方量約830 m3。淤積碎塊石土干重度按2.5 t/m3計(jì)，丹祖溝流域侵蝕模數(shù)約為28.1 t/km2·a。這與《四川省九寨—黃龍核心景區(qū)景觀水系統(tǒng)及生態(tài)地質(zhì)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展綜合應(yīng)用研究報(bào)告》中測(cè)定九寨溝的侵蝕模數(shù)在25.12～38.2 t/km2·a之間相吻合,這也從另一側(cè)面印證了丹祖溝主溝歷史上未發(fā)生過泥石流的事實(shí)，主溝地表水僅攜帶高含沙水流沖至下游，在溝口濾水壩位置過濾后，地表水體重度減小，水中泥沙含量也減小。

6 支溝泥石流暴發(fā)特征

支溝內(nèi)暴發(fā)泥石流以1#支溝規(guī)模最大，2#支溝次之，3#支溝規(guī)模最小。1#支溝為典型粘性泥石流，溝內(nèi)樹木可見明顯泥痕(見照片3-照片6)，近期暴發(fā)泥石流規(guī)模較大，一次性沖出量約2萬m3，相當(dāng)于50年一遇暴雨頻率。2#支溝也是粘性泥石流，近期暴發(fā)泥石流規(guī)模中等，一次性沖出量約5 000 m3，相當(dāng)于20年一遇暴雨頻率。3#溝近期未見泥石流暴發(fā)痕跡，溝口泥石流堆積扇上新近堆積物較少。通過對(duì)遙感影像解譯，未發(fā)現(xiàn)4#、5#、6#支溝溝口有大型泥石流堆積扇，溝道內(nèi)物源相對(duì)1#、2#、3#支溝也較少，判斷上游三條支溝暴發(fā)泥石流規(guī)模相對(duì)較小。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和配漿實(shí)驗(yàn)，確定1#支溝泥石流重度約1.843 t/m3，堵塞系數(shù)取2.5，泥石流5%峰值流量約64.99 m3/s，歷時(shí)1 h一次沖出量約2.64×104m3，一次泥石流固體沖出量約1.35×104m3。

照片3 1#支溝溝道被拉槽
Photo 3 1#branch ditch is pulled

照片4 樹皮被刮鏟受損嚴(yán)重
Photo 4 Bark severely damaged by scraper

照片5 樹木上泥痕明顯
Photo 5 Obvious mud marks on trees

照片6 溝道兩側(cè)彎道超高0.6m
Photo 6 Superelevation 0.6 m of curve on both sides of ditch

7 泥石流發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

丹祖溝主溝受支溝高頻泥石流影響，暴發(fā)山洪的頻率增高，支溝泥石流具備形成泥石流的地形條件，流域內(nèi)松散物質(zhì)豐富，泥石流啟動(dòng)的激發(fā)條件降低，尤其是1#支溝極易暴發(fā)泥石流。主溝溝道開闊，縱坡較緩，成為泥石流天然停淤場(chǎng)，且支溝口距主溝溝口較遠(yuǎn)，泥石流對(duì)溝口景觀直接影響較小，因此充分利用主溝天然停淤能力，保證高含沙水流不直接影響景觀。