祁连县小东索泥石流成因及危险度评价

白 云， 曾 磊， 陈 毅

(四川省冶金地质勘查局六○五大队，四川 彭山 620860)

小东索泥石流位于祁连县八宝镇阿咪东索风景区内，在2014年7月暴雨的影响下，该沟爆发了泥石流灾害，参与该次泥石流的固体物源近35×104m3，使原始流域沟床整体平均抬高5～15 m。本次泥石流灾害虽未造成人员伤亡，但对沟域内生态环境造成严重破坏，直接威胁阿咪东索河道。因此，分析该泥石流的成因、评价其危险度对该区域泥石流的监测预警、灾害防治等具有重要的指导意义。

1 研究区泥石流形成条件分析

1.1 地形及沟道条件

小东索沟流域面积约3.55 km2，整体呈南东—北西向展布，纵向主沟长约5.42 km，主沟纵向平均坡降195‰，相对高差约1 060 m。沟谷形态整体狭长，沟道中上游呈“V”字型峡谷，中游至下游段呈“U”字型峡谷。小东索沟流域整体中游较宽阔，上、下游沟道时宽时窄，沟道宽度一般5～15 m，两侧岸坡坡度一般30°～70°，山势陡峻，且沟道内常年有流水，汇水及水源条件均较好，为泥石流灾害的再次爆发提供了较好的地形条件。

1.2 降雨条件

研究区地处青藏高原的东北部祁连山中段，深居内陆，属高原亚寒带半湿润气候区。受地形、地貌的影响，垂直分带明显。区内总的气候特征：四季不分明、冬长暑短、气候寒冷、降水量少、蒸发量大、日温差大等特点。

据祁连县气象站1960～2017年的降雨特征资料统计，年内降水分配极不均匀，降水多集中在每年6～9月，占全年降水总量89.7%(图1)；降水年际变率大，最多年降水量573.1 mm，最少年降水量63.2 mm，两者相差9.1倍。据1956～2017年一日最大降水量资料，该县一日最大降雨量为40.5 mm，出现在1995年6月15日，一小时最大降水21.9 mm，区内无特大暴雨，多发大雨和中雨，24小时降水量大于50 mm未曾发生，大于25 mm大雨发生24次，大于20 mm的强降雨共发生41次，强降雨出现与泥石流灾害发生大体吻合。

本区50年内每年出现一次大雨天气的几率为35.19%。区内降雨较丰沛，且雨量集中，其雨强完全可以满足激发泥石流的条件，暴雨是该泥石流的主要引发因素。

图1 祁连县降水量直方图

1.3 物源条件

小东索流域为爆发泥石流提供的物源类型主要分为：崩塌、滑坡、坡面泥石流堆积类物源，沟道堆积类物源及坡面侵蚀类物源三大类(图2)。其中崩塌、滑坡、坡面泥石流堆积类将成为日后启动泥石流活动的主要物质基础。原发育的崩滑堆积类物源已大多在2014年泥石流爆发之际被洪水(或泥石流)冲刷携带至中下游沟道或堆积区内。

图2 流域物源特征

泥石流流域内岸坡坡度较陡、基岩风化和采矿活动等导致沟道两岸崩滑体堆积，在夏季强降雨的作用下冰水堆积层因土体中的冰融化后导致土体十分松散而形成坡面泥石流；其次为沟道堆积类物源，坡面侵蚀物源较少，各类物源统计量见表1。

表1 流域内主要物源统计表

1.4 泥石流成因机制分析

2014年7月前小东索沟流域还未曾爆发过大的泥石流灾害，但在沟道上游每年冻融交替季节、雨季都会发生不同规模泥石流或坡面泥流现象。因水动力条件不足，且沟床地形变窄、流水对沟道松散堆积物的冲刷产生的松散土石，导致部分沟道堵塞。2014年7月在暴雨影响下，造成堰塞体溃决，产生再次放大效应，泥石流的流速与流量进一步增大，对该流域生态环境造成了极大破坏，威胁下游河道。由此判断该泥石流属于具堵溃特征的降雨(融雪)启动型沟谷黏性泥石流。

该泥石流主要的诱发因素为暴雨。因形成区地形纵坡较陡，物源丰富，在暴雨、融雪作用下，凭借良好的汇水条件和地形条件，形成泥石流灾害，并将形成流通区内的崩塌流、沟道松散堆积物转化为形成泥石流的物源，冲往下游堆积区。

2 泥石流特征值

2.1 泥石流容重

根据现场调查访问，该泥石流发生时，流体主要呈现稠泥状，水与固体物质的含量约各占50%，运动时碎石、块石被砂砾包裹的方式向前推进，响声沉闷。鉴于上述泥石流流体特征，采用如下计算公式计算泥石流容重：

(1)

式(1)中：γc为泥石流容重，t/m3；ρw为水的密度，t/m3；ds为固体颗粒相对密度，t/m3；f为固体物质体积和水的体积之比。

取堆积物质配制泥石流浆体进行现场容重试验，得出f=1；ds=2.40 t/m3，通过上述计算，泥石流容重值为1.70 t/m3，属黏性泥石流。

2.2 泥石流流速

泥石流流速是决定泥石流动力学性质最重要的参数之一。黏性泥石流的流速计算公式主要有泥石流改进公式、武都地区黏性泥石流流速计算公式、通用公式三种，本次选择通用公式：

Vc=1/nc·Hc2/3·Ic1/2

(2)

式(2)中：Vc为泥石流断面平均流速，m/s；Hc为计算断面的平均泥深，m；Ic为泥石流水力坡度，‰；nc为泥石流沟床糙率。

通过野外地质调查和进行泥石流沟典型断面的绘制，计算水力半径、坡降比等参数，得出泥石流流速流量的数据见表2。

表2 泥石流流速流量数据

2.3 泥石流流量

采用形态调查法计算泥石流流量，计算公式如下：

Qc=Wc·Vc

(3)

式(3)中：Qc为不同部位泥石流流量，m3/s；Vc为泥石流断面平均流速，m/s；Wc为泥石流过流面积，m2。计算结果见表3。

表3 泥石流流量估算表

2.4 一次泥石流总量及固体物质冲出量

根据现场泥石流洪痕实测参数，一次泥石流总量按(4)式计算，一次固体物质冲出量按(5)式计算。

Q=K·T·Qc

(4)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(5)

式(4)中：K值的变化随流域面积(F)的大小而变化；T为泥石流持续时间，s；Qc为最大流量，m3/s。

式(5)中：γH为泥石流固体物质比重，t/m3；γc为泥石流容重，t/m3；γw为水容重，t/m3。

计算结果见表4。

表4 泥石流冲出固体物质总量

3 泥石流危险度评价

危险性是具有潜在致损性的物理事件、现象和人类活动等发生的可能性，定量上可以表达为危险度。小东索流域爆发泥石流后，大部分物源已被冲走，但沟道流通区内仍淤积部分砂砾、碎石，堆积区形态比较明显。小东索流域整体为中山峡谷地带，沟道形态以“V”和“U”型沟道相间，沟道堵塞程度为轻微。主沟沟道纵坡平均坡率约195‰，植被覆盖率较低，起到汇集雨水的作用，而且能够为泥石流活动提供大量的松散物源。本文对其未来泥石流发生的危险性进行评价。

3.1 泥石流危险度评价模型

我国泥石流危险度的评价模型以刘希林的函数赋值模型为代表，陈鹏宇等对其进行了改进。本文采用这两种方法进行危险度评价。

基于灰色关联法，刘希林等提出的单沟泥石流危险性计算方法如下：

H单=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+

0.06S3+0.11S6+0.03S9

(6)

陈鹏宇等改进公式为：

H单=0.103M+0.143F+0.07S2+0.068S3+

0.149S6+0.057S7+0.168S8+0.085S9+

0.155S12

(7)

上述式中各参数代表各评价因子：M为泥石流规模，104m3；F为泥石流发生频次，次/百年；S1为流域面积，km2；S2为主沟长，km；S3为流域相对高差，km；S6为流域切割密度，km-1；S7为主沟床弯曲系数；S8为松散固体物质储量，104m3；S9为不稳定沟床比；S12为植被覆盖率。

式(6)、(7)中的M、F、S1、S2、S3、S6、S7、S8、S9、S12为相应因子在依据表5进行赋值后的数值。表6为该泥石流评价因子详细数据及赋值结果。

表5 泥石流危险因子等级及赋值

表6 危险因子及其赋值

3.2 泥石流危险性评价结果

将表6泥石流评价因子赋值结果代入式(6)计算得危险度为0.43；代入式(7)计算得危险度为0.36。按泥石流危险性分级标准(表7)可知，采用两种评价方法均得出该泥石流为中度危险。

表7 泥石流危险性分级

4 结论及建议

通过对小东索泥石流的野外现场勘查、室内综合研究，得到如下结论与认识：

(1)流域内松散固体物源丰富，主要为滑坡类物源、沟道堆积类物源及沟道岸坡侵蚀类物源，总储量约145.32×104m3，其中不稳定物源约29.72×104m3，占比为20.45%。

(2)小东索泥石流为具有一定堵溃特征的降水启动型沟谷型黏性泥石流，其容重为1.70 t/m3，流速为1.97～3.38 m/s。

(3)通过对泥石流危险性分析，该泥石流属中度危险，再次爆发泥石流的可能性较大。

(4)该区域生态环境脆弱，受泥石流破坏强烈。生态环境的改善对抑制地质灾害有较大作用，可作为一种长效防治的灾害措施。