基于面積-高程積分值的泥石流發(fā)育階段分析
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2021-04-02 09:14:42陳愛云，李浩，周浩，汪洋，劉宇航

人民長江訂閱 2021年3期 收藏

關(guān)鍵詞：發(fā)育階段泥石流高程

陳 愛 云，李 浩，周 浩，汪 洋，劉 宇 航

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063； 2.中國地質(zhì)大學(武漢) 工程學院，湖北 武漢 430074； 3.中國地質(zhì)大學(武漢) 地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢 430074)

泥石流的發(fā)育和其他自然現(xiàn)象一樣，有其產(chǎn)生、發(fā)育和消亡的過程[1]，可以將其發(fā)育過程劃分為幾個階段。蔣忠信將泥石流流域地貌演化期定量劃分為孕育、發(fā)展、旺盛、衰減與穩(wěn)定5個階段[2]；王曉朋將泥石流發(fā)育劃分為幼年期、壯年(偏幼)期、壯年(偏老)期及老年期4個階段[3]；趙巖則將泥石流發(fā)育劃分為發(fā)育期、發(fā)展期、旺盛期、衰減期和消退期5個階段[4]。

一個流域內(nèi)的多條泥石流溝的發(fā)育階段也存在差別。呂學軍針對四川達曲河流域的21條泥石流溝發(fā)育階段進行了定量化研究，其中壯年(偏老)期泥石流有8條，壯年(偏幼)期泥石流有7條，幼年期泥石流6條[5]。王曉朋研究了遼寧省岫巖縣哈達碑流域的21條泥石流溝，其中幼年期泥石流1條，壯年(偏幼)期泥石流13條，壯年(偏老)期泥石流5條，老年期泥石流2條[2]。王林計算了岱海流域11條泥石流溝的高程-面積比，其中老年期泥石流1條，老年(偏壯)期泥石流3條，壯年(偏老)期泥石流5條，壯年期泥石流2條[6]。

泥石流的發(fā)育演化過程受到多種因素的影響。Azor等人認為，巖性、氣候等因素在流域地貌發(fā)育過程中起到了重要作用[7-8]；盧陽認為地震活動對泥石流災害發(fā)育的影響明顯，地震通常會在極短的時間內(nèi)改變溝谷流域的地形地貌，加劇溝谷侵蝕，有利于泥石流溝的形成和發(fā)育[9]；石建軍等人認為，元謀斷裂對東山地區(qū)泥石流的形成和發(fā)育起到了控制作用，它決定了東山地區(qū)泥石流頻發(fā)的特性[10]。

綜上所述，泥石流的發(fā)育演化過程會受到多種因素的影響，從而導致其發(fā)育階段存在差異。但當前的研究大多只是宏觀地探討影響泥石流流域地貌發(fā)育的因素有哪些，很少有人針對一個流域內(nèi)的泥石流發(fā)育階段存在差異的原因進行具體分析。

云南省綠春縣牛孔河流域泥石流災害頻發(fā)，調(diào)查時發(fā)現(xiàn)?？缀颖卑赌嗍鳒匣鞠觯习赌嗍鳒媳┌l(fā)頻繁，?？缀觾砂赌嗍靼l(fā)育形態(tài)和特征存在明顯差異。本文以?？缀恿饔虻牡湫湍嗍鳒蠟檠芯繉ο?，以戴維斯地貌侵蝕理論為基礎，探討了泥石流發(fā)育階段劃分標準，采用面積-高程積分法量化了牛孔河兩岸各泥石流溝的發(fā)育階段；并在此基礎上，分析了造成牛孔河兩岸泥石流發(fā)育階段存在差異的原因。這對揭示?？缀恿饔蚰嗍鞯陌l(fā)育規(guī)律以及在該地區(qū)進行泥石流預測預報和防治具有一定的指示意義。

1 ?？缀恿饔蚰嗍魈卣?/h2>

研究區(qū)位于云南省東南部，處于哀牢山南出支脈西端，為中山峽谷地貌，主要表現(xiàn)為階地和深切的“V”形谷。境內(nèi)河谷、沖溝發(fā)育，地表水系相對密集，呈樹枝狀分布，由四周向主河范圍匯集。區(qū)內(nèi)主要河流為?？缀?、巴洛馬尼河以及大小溪溝數(shù)條。研究區(qū)處于印度板塊向中國大陸擠壓作用的前沿地帶，受構(gòu)造活動的影響，區(qū)內(nèi)巖土體整體上較為破碎，崩塌、滑坡多發(fā)，產(chǎn)生了大量松散堆積物[11]。研究區(qū)內(nèi)巖性較為單一，主要為一碗水組(T3y)和高山寨組(T3g)泥巖、頁巖、泥質(zhì)粉砂巖，基本為軟巖易滑地層。同時，研究區(qū)屬云南省4個多雨區(qū)之一的滇南多雨區(qū)，年平均降雨量2 026.5 mm，尤以6～8月雨日最集中，歷史單日最大降雨量為132.3 mm(1993年7月7日)。

?？缀訛檠芯繀^(qū)內(nèi)的主要干流，周圍支溝密集。本文在野外實地調(diào)查的基礎上，根據(jù)室內(nèi)航片判讀和Google Earth衛(wèi)星圖像解譯相互校正，以?？缀恿饔?條具有一定規(guī)模和比較典型的泥石流溝為研究對象，其中3條位于牛孔河北岸，5條位于牛孔河南岸，分別編號為N1～N8(見圖1)。

圖1 研究區(qū)泥石流分布Fig.1 Distribution of debris flows in the study area

研究區(qū)內(nèi)N1～N3泥石流發(fā)育在牛孔河北岸(見圖1)，這3條泥石流溝溝口扇形地貌穩(wěn)定，堆積扇厚度大、寬度廣，為老堆積扇，無新堆積扇產(chǎn)生(見圖2)。泥石流溝谷岸坡穩(wěn)定，植被覆蓋率高，河道中基本無堆積物，泥石流后緣高程低，物源較少。這幾條泥石流溝暴發(fā)頻率低，近年無暴發(fā)記錄。

N4～N8等5處泥石流發(fā)育在?？缀幽习?見圖1)，這5條泥石流溝溝口扇形堆積地貌發(fā)育，且堆積扇正在逐漸擴展，前緣河道主流明顯被擠偏移(見圖2)。泥石流溝谷兩側(cè)岸坡不穩(wěn)定，植被覆蓋率低，河道中有大量碎石堆積物，溝口可見大量沖積塊石。這幾條泥石流溝暴發(fā)頻率高，處于暴發(fā)活躍期，其中N6小土嘎泥石流在2018年6月暴雨期間剛發(fā)生過一次大的活動。

圖2 北岸N1、N2及南岸N6、N7泥石流(N為泥石流全貌，D為泥石流堆積扇)Fig.2 The N1、N2 debris flows in the north bank and the N6、N7 debris flows in the south bank(N is the overall view of debris flow，D is stacked fan of the debris flow)

2 牛孔河流域泥石流發(fā)育階段分析

2.1 地貌演化階段劃分

侵蝕、搬運、沉積是地貌演化和發(fā)育的基本過程，其中侵蝕是地表削平降低的主要過程[12]。美國地貌學家Davis[13]首先提出了地貌侵蝕循環(huán)學說，認為地貌演化是一種構(gòu)造、應力和時間的函數(shù)，并根據(jù)這3個變量的組合變化，把地形發(fā)育劃分為幼年期、壯年期和老年期3個階段。1952年美國地貌學家Strahler[14]提出了面積-高程曲線與相應的函數(shù)積分，即在地形圖上量算流域范圍內(nèi)每一根等高線以上控制的面積，根據(jù)得到的數(shù)據(jù)通過相關(guān)的處理建立面積-高程曲線，并對該曲線進行積分，然后根據(jù)積分的大小來確定地貌的發(fā)育階段，這為Davis的地貌演化階段模式賦予了定量指標。

面積-高程積分法的基本思想是任意一條流域的地貌發(fā)育階段均可用反映地表物質(zhì)相對侵蝕量的面積-高程曲線來表示，其計算方法如下。

S為曲線和x軸、y軸包含面積與整個方塊的面積之比(見圖3)。面積表示了流域的整體侵蝕狀況，S越大，地表物質(zhì)被侵蝕程度越小。當S>0.7時，表示流域的地表物質(zhì)被侵蝕小于30%。而曲線的形狀則直觀反映了流域不同部位的侵蝕特征，坡面形狀是侵蝕流域地貌演化階段的一種外在表現(xiàn)形式。

圖3 地貌發(fā)育階段面積-高程積分曲線Fig.3 Area-elevation integral curves of geomorphic development stage

現(xiàn)存地貌形態(tài)真實記錄了以往內(nèi)外營力相互作用的程度和結(jié)果，可以認為使用面積-高程積分對地貌發(fā)育階段進行定量劃分是比較便捷和可靠的(見表1)。

表1 地貌發(fā)育階段劃分Tab.1 Division of geomorphic development stage

2.2 基于地貌演化和溝谷特征的泥石流發(fā)育階段劃分標準

泥石流活動屬于地貌演化過程中眾多夷平作用過程的一種，其發(fā)育階段自然也可以通過面積-高程積分值來定量劃分。但根據(jù)S值劃分的幼年期、壯年期和老年期是針對地貌侵蝕循環(huán)理論的，而對于泥石流溝的發(fā)育階段的劃分則要根據(jù)泥石流發(fā)育特點來進行重新劃分。通過已有的研究可知[15-19]：將泥石流的發(fā)育演化過程詳細劃分為4個階段更為合理，分別為發(fā)育期、旺盛期、衰退期和停歇期，處于不同發(fā)育階段的泥石流，其相應的溝谷發(fā)育階段、泥石流溝擬合曲線形狀和溝谷特征也各不相同(見表2)。

表2 泥石流發(fā)育階段劃分Tab.2 Division of development stage of debris flow

2.3 ?？缀恿饔蚰嗍靼l(fā)育階段定量劃分

利用ArcGIS空間分析功能，各流域范圍內(nèi)等高線以20 m為間距，統(tǒng)計每條等高線以上的面積，并導出到EXCEL中，對所繪制的面積-高程曲線進行趨勢擬合。擬合時發(fā)現(xiàn)3次多項式擬合效果較好，每條泥石流溝的R2(擬合度，其值越接近1擬合效果越好)均大于0.98。在此需要說明的是，此處的擬合方程并無地貌學意義，只作數(shù)學統(tǒng)計用。擬合后得出每條泥石流溝流域的曲線方程，再運用MATLAB軟件，分別對曲線方程在[0，1]區(qū)間上進行積分，從而計算出泥石流溝谷的高程-面積積分S值(見表3)。

發(fā)育在?？缀颖卑兜腘1～N3泥石流溝S值為0.304 4～0.352 5(見表3)，其泥石流溝擬合曲線也均為下凹型(見圖4)，這3條泥石流均處于泥石流發(fā)育的衰退期；而發(fā)育在牛孔河南岸的N4～N8泥石流溝S值則明顯增大，為0.502 7～0.561 0(見表3)，泥石流溝擬合曲線也均為近直線型(見圖4)，這5條泥石流均處于泥石流發(fā)育的旺盛期。對比可知，按照正常的泥石流發(fā)育演化過程發(fā)育期→旺盛期→衰退期→停歇期，牛孔河北岸泥石流發(fā)育階段較南岸提前。

表3 ?？缀恿饔蚰嗍鳒习l(fā)育階段劃分Tab.3 Division of development stage of debris flows in Niukong river basin

圖4 研究區(qū)泥石流溝擬合曲線Fig.4 Fitting curves of debris flow gullies in the study area

3 ?？缀恿饔蚰嗍鳒习l(fā)育階段的影響因素

在牛孔河流域，?？缀又骱拥雷呦蚧九c牛孔-黃草嶺斷層平行。?？?黃草嶺斷層是阿墨江斷裂帶的一條典型次級斷層，其北盤為上盤，南盤為下盤，走向由NW轉(zhuǎn)為NWW，傾向N，傾角大于50°，為逆沖斷層，主壓應力優(yōu)勢方位為NNE方向。其所屬阿墨江斷裂帶具有二級大地構(gòu)造界線(墨江-綠春褶皺帶和蘭坪-思茅褶皺帶)的屬性和深斷裂的特征，由一系列WN的次級斷裂組成，均為第四紀中更新世斷裂，最近一期強烈活動發(fā)生在第三紀末-第四紀初的喜馬拉雅運動的第Ⅲ幕，第四紀活動明顯減弱[20]。發(fā)育在?？缀颖卑兜腘1～N3泥石流溝均處于牛孔-黃草嶺斷層上盤，發(fā)育在南岸的N4～N8泥石流溝則均處于?？?黃草嶺斷層下盤，斷層上下盤分布的泥石流發(fā)育階段存在明顯差異(見圖5)。

圖5 斷層與泥石流發(fā)育階段關(guān)系Fig.5 Relationship between fault anddevelopment stage of debris flows

從構(gòu)造活動的層面來分析，牛孔-黃草嶺斷層是一條第四紀中更新世逆沖斷層，其上盤(上升盤)活動性較強。對于活動性斷層，于偉健[20]、郭長寶[21]等的研究均表明斷裂活動造成斷裂帶影響范圍內(nèi)巖體破碎程度高、巖土力學性質(zhì)差，從而導致滑坡、崩塌等地質(zhì)災害密集發(fā)育；黃潤秋等人認為發(fā)震型逆斷層具有非常明顯的“上盤效應”，即這種斷層上盤較下盤發(fā)育的地質(zhì)災害數(shù)量多、規(guī)模大和分布密度大[22]；王棟等研究發(fā)現(xiàn)，傾斜斷層的上盤區(qū)域與下盤區(qū)域相比，在整體上更加靠近斷層破裂面，上盤地震動的峰值、反應譜值大于下盤值。

綜合以上研究，可以合理推測，在第四紀中更新世時期，?？?黃草嶺斷層活動性很強時，其上盤巖體更為破碎，且上盤發(fā)育的滑坡、崩塌等地質(zhì)災害數(shù)量更多、密度和規(guī)模更大，所以斷層上盤泥石流物源更為豐富。同時由于上盤活動性較強，其地表抬升幅度也較下盤大，即相較于侵蝕基準面的相對高差較下盤大，這些因素都更有利于泥石流的發(fā)育。

按照正常的泥石流發(fā)育階段：發(fā)育期→旺盛期→衰退期→停歇期，在泥石流剛開始形成和發(fā)展時，?？?黃草嶺斷層上盤的泥石流發(fā)育階段是較下盤提前的，即斷層上盤泥石流已發(fā)育到了旺盛期時，下盤泥石流還處于發(fā)育期。然后在外界流域同等侵蝕強度下，經(jīng)過第四紀以來的漫長發(fā)育過程，上盤泥石流逐漸發(fā)育到衰退期，而下盤泥石流則發(fā)育到旺盛期。在現(xiàn)階段，?？?黃草嶺上盤的泥石流發(fā)育階段為衰退期，流域地貌發(fā)育成熟，趨于老年化，危害性?。欢卤P的泥石流發(fā)育階段滯后，泥石流發(fā)育正處于旺盛期，危害性較大。

4 結(jié) 論

本文以經(jīng)典的地貌學理論為基礎，探討了泥石流發(fā)育階段劃分標準，并對?？缀恿饔虻母髂嗍鳒习l(fā)育階段進行了定性分析和定量評價；同時，深入探討了造成?？缀觾砂赌嗍靼l(fā)育階段存在差異的原因，從而得出以下結(jié)論。

(1) 根據(jù)?？缀恿饔蚋髂嗍鳒犀F(xiàn)有地貌形態(tài)特征分析，?？缀颖卑兜腘1～N3泥石流流域地貌發(fā)育較成熟，趨于老年化，泥石流暴發(fā)頻率低；而南岸的N4～N8泥石流極不穩(wěn)定，規(guī)模大，且暴發(fā)頻率高。?？缀觾砂赌嗍鞯孛舶l(fā)育階段存在明顯差異。

(2) 通過面積-高程積分法對?？缀恿饔蚰嗍靼l(fā)育階段進行定量分析，牛孔河北岸的N1～N3泥石流溝S值為0.304 4～0.352 5，均處于泥石流發(fā)育的衰退期，而發(fā)育在南岸的N4～N8泥石流溝S值則明顯增大，為0.502 7～0.561 0，均處于泥石流發(fā)育的旺盛期，北岸泥石流發(fā)育階段較南岸提前。

(3) 斷裂是導致?？缀恿饔蚰嗍靼l(fā)育階段存在差異的主要原因。在現(xiàn)階段，?？?黃草嶺斷裂上盤的泥石流發(fā)育階段為衰退期，流域地貌發(fā)育成熟，趨于老年化，危害性小；而下盤的泥石流發(fā)育階段滯后，泥石流發(fā)育正處于旺盛期，危害性較大。

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