则查洼沟“8·4”泥石流灾害成因分析
龚兴隆
1,2,3
,
陈昆廷
4,
陈晓清
1,2,3
,
游勇
1,
陈剑刚
1,2,
赵万玉
1,
郎介
5
1. 中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室, 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所, 610041, 成都;
2. 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 100101, 北京;
3. 中国科学院大学, 100049, 北京;
4. 屏东科技大学 研究总中心, 屏东科技大学水土保持系, 91201, 台湾屏东;
5. 九寨沟风景名胜区管理局, 623402, 四川九寨沟
收稿日期：2019-10-21; 修回日期：2020-08-30
项目名称：四川省国土资源厅"8·8"九寨沟地震灾区生态化地质灾害防治重大科技支撑研究课题"生态化泥石流灾害防治技术研究"（KJ-2018-24）；国家自然科学基金青年基金"约束条件下泥石流停淤特征与均衡停淤方法研究"（51709259）；中国科学院山地灾害与地表过程重点实验室开放基金研究项目"透水沥青混凝土应用于风景区泥石流‘水石分离’防治工程可行性研究"；中国科学院青年创新促进会人才项目（2017426）；中国科学院"西部青年学者"人才项目"九寨沟世界自然遗产地泥石流灾害防治关键技术"
摘要：位于四川省九寨沟景区内的则查洼沟在2016年8月4日暴发泥石流，掩埋景区栈道，堵断从诺日朗至长海的唯一景区公路。降雨资料显示，2016年8月4日的最大1 h降雨量和24 h累计降雨量只有10.0和17.5 mm，远远低于研究区10年一遇的降雨强度，泥石流灾害规模与降雨量不相符。为了厘清泥石流灾害发生原因，笔者进行了野外调查，通过形态调查法、雨洪法和溃坝分析获取泥石流峰值流量。结果表明：溃坝分析法与形态调查法计算的峰值流量大致吻合，该值与20年一遇的泥石流峰值流量（32.73 m3/s）相当。说明：2016年8月4日暴发的泥石流属于溃决型泥石流，拦砂坝的溃决产生放大效应，加剧泥石流灾害，其灾害规模相当于20年一遇，未来泥石流灾害的频率和规模将增大；原有20年一遇的泥石流防治工程设计标准偏低，地震后应按照50年一遇的设计标准对则查洼沟进行工程治理，且应当使用混凝土材质修建拦砂坝等控制性工程，从而降低溃决风险。
关键词：泥石流 峰值流量 溃坝 九寨沟景区 则查洼沟
1. Key Laboratory of Mountain Hazards and Earth Surface Processes, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences(CAS), 610041, Chengdu, China;
2. CAS Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, 100101, Beijing, China;
3. University of Chinese Academy Sciences, 100049, Beijing, China;
4. General Research Service Center, Department of Soil and Water Conservation, National Pingtung University of Science and Technology, 91201, Pingtung, Taiwan, China;
5. Jiuzhai Valley National Park Administration Bureau, 623402, Jiuzhaigou, Sichuan, China
九寨沟世界自然遗产地以独特的自然景观，成为中国最具吸引力的自然风景旅游地之一。然而，景区内泥石流灾害活跃, 破坏景观资源, 危害生态环境, 危及游客和居民生命财产安全, 对景区造成了严重的影响[1-4]。则查洼沟是九寨沟景区内一条活跃的泥石流沟，于2016年8月4日暴发泥石流，泥石流冲出沟口，掩埋了堆积扇上的栈道和公路，致使景区交通中断。根据现场调查，该次泥石流的冲出总量约1.39万m3，远大于10年一遇的泥石流规模；泥石流在堆积扇上的淤积面积约0.77万m2，淤积厚度为0.8~1.5 m，淤积方量为0.89万m3；另外一部分物质冲至景区公路，其堆积方量约为0.5万m3。
景区内气象站记录的降雨资料显示，2016年8月4日的最大1 h降雨量和24 h累计降雨量分别为10.0和17.5 mm。通过查询《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》[5]可知，在频率P=10%条件下，则查洼沟的1和24 h相应的暴雨强度分别为25.8和55 mm。泥石流灾害规模与降雨量不相符。因此，为了厘清2016年8月4日的泥石流灾害特性及发生原因，进行现场调查，通过形态调查法、雨洪法和溃坝分析获取泥石流峰值流量。最终基于现场调查及计算结果，分析了2016年8月4日的泥石流灾害成因，为今后则查洼沟泥石流的防灾减灾提供了参考依据，从而达到科学治理泥石流灾害并减少景区水土流失的目的。
1 研究区概况
则查洼沟位于四川省九寨沟景区内，沟口坐标为E 103°55′22.8″、N 33°8′34.8″，诺日朗瀑布至长海的景区公路从该泥石流沟堆积区通过。则查洼沟沟口距离诺日朗瀑布和九寨沟景区入口的直线距离分别为2.4和13.9 km。流域面积为1.96 km2，主沟长度为2.57 km，流域内最低点位于景区公路附近，海拔为2 439 m，最高点位于流域南西，海拔为4 040 m，地形相对高差达1 601 m，平均沟床纵比降为610.89‰(图 1)。
1.1 地形条件
研究区地处青藏高原东南部，是青藏高原向四川盆地过渡地带，属于四川盆地外围山地区。则查洼沟沟道整体较为顺直，沟道纵坡大，上陡下缓。该流域支沟发育，有5条小型支沟，纵坡普遍较大，沟谷深切，沟道整体较为顺直，局部弯度较大(图 1)。则查洼沟地势陡峻，流域内≥25°的陡坡地面积达1.7 km2，占流域总面积的86.9%。根据沟道特征及物源分布特征，可以将其分为形成区、流通区和堆积区。形成区为海拔3 620 m以上区域，面积约0.26 km2，沟道长度约470 m，沟道两侧斜坡坡度＞50°，平均沟床纵比降约708‰；森林植被覆盖率低，基岩裸露，寒冻风化严重，崩塌较发育。流通区的海拔位于2 600~3 620 m之间，面积约1.47 km2，沟道长度约1 530 m，沟道两侧斜坡坡度陡峻，平均沟床纵比降约415‰；沟道两侧崩塌和滑坡发育，沟道内分布有大量的泥石流堆积物，特别是在各支沟与主沟交汇处。堆积区位于海拔2 600 m以下区域，面积约0.23 km2，沟道长度约570 m，平均沟床纵比降约244‰；地形较平坦，无崩塌和滑坡分布。
1.2 地质条件
研究区属于松潘-甘孜地块，出露地层主要为第四纪地层和中生代地层，岩性主要为石灰岩和夹杂少量砂岩的板岩，在晚三叠世和早侏罗世期间因褶皱和逆冲作用而发生强烈变形[6]。第四纪以来，受到塔藏断层、岷江断层和虎牙断层的影响，该区域的构造运动比较强烈。历史上岷江断层和虎牙断层活动，导致了1933年叠溪7.5级地震、1960年漳腊6.7级地震、1973年黄龙6.5级地震和1976年松潘-平武地震群(Ms=7.2, 6.7, 7.2)[7]。距今最近的一次地震是2017年8月8日发生的九寨沟7.0级大地震，这次地震被认为是由于虎牙断层西北延伸的盲断层活动造成的[7-8]。
1.3 气候特征
研究区地处我国北亚热带半湿润区，表现出气候温和、降水适中的冷凉干燥季风气候特征。年平均气温为7.3 ℃，最热月平均气温为16.8 ℃，最冷月平均气温为-3.7 ℃。积雪期从每年10月至翌年4月，最大积雪深度超过150 mm，年平均降水量仅为761.8 mm，年降雨时间超过150 d。降雨集中在5—9月，常以暴雨的形式出现，年最大24 h降雨均值< 30 mm，实测24 h最大暴雨量>50 mm[9]。降水的年变化率比较小，约为10%~15%，降水量随海拔增高而增加，在景区入口(海拔1 996 m)的年均降雨量最小为696.6 mm，在长海(海拔3 100 m)的年均降雨量最大为957.5 mm。
2 2016年泥石流灾害
2.1 防治工程情况
由于研究区地形陡峭、松散固体物源丰富，在集中降雨和暴雨的激发下，极易发生泥石流灾害。通过资料收集和现场调查发现，自有记录以来，最早于2006年8月暴发泥石流，泥石流冲毁了沟口景区栈道。2008年7月再次暴发泥石流，泥石流浆体进入景区公路，对景区安全运营造成影响。为了防止泥石流对下游栈道和公路造成破坏，保护景区居民和游客安全，2009年按照20年一遇的设计标准对该泥石流沟进行了工程治理设计，在沟道内修建了一座浆砌石的拦砂坝(包括拦砂坝副坝)，其设计的泥石流拦蓄量为22 400 m3，拦砂坝长34.7 m，坝高8 m[10]。
2.2 泥石流灾害情况
根据现场调查，该次泥石流冲出总量约为1.39万m3；部分物质淤积在老泥石流堆积扇上，淤积面积约0.77万m2，淤积厚度为0.8~1.5 m，淤积方量为0.89万m3；另外一部分物质冲至景区公路，其堆积方量约为0.5万m3。泥石流冲毁了泥石流堆积扇上的景区栈道(图 2)，并掩埋从诺日朗瀑布至长海的唯一景区公路，导致交通中断(图 3)，景区运营受到较大影响。九寨沟景区内共建有4个自动气象站，分别位于景区内的扎如寺、则查洼寨、原始森林公园和长海。来自气象站的降雨资料显示，位于原始森林公园的气象站记录的降雨量最大，最大1 h雨量和24 h雨量分别为10.0和17.5 mm；位于扎如寺的气象站记录的降雨量最小，24 h雨量为0.2 mm；距离则查洼泥石流沟最近的则查洼气象站记录的最大1 h雨量为2.1 mm，24 h降雨量为6.7 mm。
2.3 存在问题
通过查询《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》可知，则查洼沟流域的1 h和24 h多年的最大暴雨平均值为15和35 mm；在频率P=10%条件下，1 h和24 h相应的暴雨强度分别为25.8和55 mm。景区内气象站记录的降雨资料显示2016年8月4日的最大1 h降雨量和24 h累计降雨量分别为10.0和17.5 mm，远远低于频率P=10%条件下的降雨强度。此外，通过遥感影像对比分析发现，在2016年8月4日前则查洼沟流域内无新增崩滑物源，这也与物源量增加会降低诱发泥石流所需的累计降雨量和临界降雨量不符[11]。因此，有必要厘清2016年8月4日暴发的泥石流灾害成因。
3 泥石流流量计算与分析
3.1 现场调查
现场调查发现，2016年暴发的泥石流物源主要来自形成区。形成区沟道以冲刷作用为主，沟道狭窄，泥石流输沙能力大，泥深及流速大，沟道物质以巨大块石为主，细颗粒含量少。在流通区，冲刷下切作用相对减弱，泥石流输沙能力降低，流速降低，沟道物质以块石和砾石为主，细颗粒含量较少；该段沟道内有多处跌坎，跌坎上游局部淤积，但整体还是以冲刷为主。堆积区的上游段沟道受泥石流侧向冲蚀发生塌岸，呈现相对宽缓的“U”型宽谷，沟道纵断面较缓，沟道冲淤能力较弱。堆积区的下游段沟道以淤积作用为主，堆积物多为砾石和砂石，细颗粒含量也相对较多。
此外，在2016年泥石流事件中，大量松散物质在拦砂坝前淤积，淤积厚度7 m, 坝前的泥石流宽度为30 m，淤积长度约44 m；随着拦蓄的泥石流物质不断增多，在拦砂坝上逐渐形成溃口，溃口不断扩大，最终发生局部溃决，溃口平均宽度为20.5 m，残余坝体高度为6 m(图 4和图 5)。拦砂坝溃决形成的巨大峰值流量剧烈冲刷下游沟道。泥石流在运动过程中，冲击沟道两侧树木，留下了明显的泥痕(图 6)。大量的泥石流物质冲出沟口，并在堆积扇上淤积，野外调查中选取了6个泥石流堆积物的样品进行了现场配浆实验(图 7)；现场配浆结果表明，泥石流重度为1.737~1.898 t/m3，平均值为1.807 t/m3。
3.2 形态调查法
在拦砂坝下游，调查2个典型的泥痕断面，通过现场测量泥痕高度、泥石流过流断面面积和沟床纵比降等参数计算泥石流峰值流量[12]：
式中：Q为泥石流的峰值流量，m3/s；A为泥石流过流断面面积，m2；V为泥石流断面平均流速，m/s，通过下式计算：
|
$
V = \frac{1}{n}{R^{2/3}}{I^{1/2}}。$
|
(2) |
式中：n为泥石流沟的沟床糙率，该参数与泥石流流体性质及沟道特征有关，根据现场调查取值为0.1；R为计算断面水力半径(泥石流过流断面面积与湿周的比值)，m；I为泥石流沟床纵比降, 量纲为1；计算结果见表 1。
表 1(Tab. 1)
表 1 计算的泥石流峰值流量
Tab. 1 Calculated results of the debris flow peak discharge
| 方法 Method | 参数 Parameters |
形态调查法
Cross-section survey method | 断面面积
Area of the cross-section/m2 | 水力半径
Hydraulic radius/m | 沟床纵比降
Longitudinal slope gradient | 平均流速
Average velocity/(m·s-1) | 泥石流峰值流量
Debris flow peak discharge/(m3·s-1) |
| 6.45 | 0.75 | 0.391 | 5.16 | 33.29 |
| 9.58 | 0.85 | 0.182 | 3.83 | 36.69 |
雨洪法
Rain-flood method | 频率
Frequency/% | 洪水峰值流量
Flood peak discharge/(m3·s-1) | 泥石流体的密度
Density of debris flow/(t·m-3) | 堵塞系数
Blockage coefficient | 泥石流峰值流量
Debris flow peak discharge/(m3·s-1) |
| 10 | 6.37 | 1.80 | 1.80 | 22.27 |
| 5 | 8.58 | 1.85 | 1.85 | 32.73 |
| 2 | 11.55 | 1.90 | 1.90 | 48.27 |
溃坝分析
Dam breach analysis method | 公式
Equation | 溃决前泥石流宽度
Debris flow width before breakage/m | 溃决前泥石流深度
Debris flow depth before breakage/m | 溃口宽度
Breach width/m | 坝体残余高度
Residual height of the dam/m | 泥石流峰值流量
Debris flow peak discharge/(m3·s-1) |
| (5) | 30 | 7.0 | 20.5 | 6.0 | 36.5 |
| (6) | 30 | 7.0 | 20.5 | 6.0 | 43.6 |
| (7) | 30 | 7.0 | 20.5 | 6.0 | 36.8 |
|
表 1 计算的泥石流峰值流量
Tab. 1 Calculated results of the debris flow peak discharge
|
3.3 雨洪法
根据泥石流的规模、危害程度及保护对象的重要性，则查洼沟的设计标准为20—50年一遇[13]。因此，通过以下公式计算10%、5%和2% 3种降雨频率下的泥石流峰值流量Q[12]：
|
$
{Q = D(1 + \psi ){Q_{\rm{f}}};}
$
|
(3) |
|
$
{\psi = \left( {\gamma - {\gamma _{\rm{w}}}} \right)/\left( {{\gamma _{\rm{s}}} - \gamma } \right)。}
$
|
(4) |
式中：D为堵塞系数，它的值取决于沟道堵塞情况[12]，急剧堵塞D=3.0~2.6，严重堵塞D=2.5~2.0，正常堵塞D=1.9~1.5，轻微堵塞D=1.4~1.1；根据现场调查，本研究中堵塞系数D的取值为1.9~1.8；ψ为泥石流峰值流量增大系数；γw为水的密度，t/m3，通常取γw=1.00 t/m3；γs为固体物质的密度，t/m3，通常取γs=2.65 t/m3；γ为泥石流体的密度，t/m3；Qf为洪水峰值流量，m3/s，根据四川省中小流域暴雨洪水计算手册确定；计算结果见表 1。
3.4 溃坝分析
在2016年的泥石流事件中，拦砂坝发生局部溃决。前人研究表明，拦砂坝溃决会产生放大效应，从而加剧对下游城镇的破坏[14-16]；因此，为研究拦砂坝溃决与2016年泥石流事件之间的关系，笔者通过3种常用的计算方法估算了溃决峰值流量，计算结果见表 1。
根据水利部给出的2种经验公式可以估算峰值流量Q[17]：
|
$
Q = \frac{8}{{27}}\sqrt g {\left( {{B_0}{h_0}/{B_{\rm{m}}}} \right)^{0.28}}{B_{\rm{m}}}{\left( {{h_0} - {h_{\rm{d}}}} \right)^{1.22}};
$
|
(5) |
|
$
Q = \frac{8}{{27}}\sqrt g {\left( {{B_0}/{B_{\rm{m}}}} \right)^{0.4}}{\left( {\frac{{{h_0} + 10{h_{\rm{d}}}}}{{{h_0}}}} \right)^{0.3}}{B_{\rm{m}}}{\left( {{h_0} - {h_{\rm{d}}}} \right)^{1.5}}。$
|
(6) |
式中:g=9.8 m/s2；B0为溃决前泥石流宽度, m；h0为溃决前泥石流深度, m；Bm为溃口宽度, m；hd为坝体残余高度, m。
此外，戴荣尧等[18]通过以下方法计算峰值流量Q：
|
$
Q = 0.27\sqrt g {\left( {{L_{\rm{b}}}/{B_0}} \right)^{1/10}}{\left( {{B_0}/{B_{\rm{m}}}} \right)^{1/3}}{B_{\rm{m}}}{\left( {{h_0} - \kappa {h_{\rm{d}}}} \right)^{3/2}}。$
|
(7) |
式中：Lb为拦砂坝坝后泥石流的淤积长度，m；κ为与坝体残余高度相关的修正系数，量纲为1，可以通过下式获取：
|
$
\kappa = \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}
{1.4{{\left( {{B_{\rm{m}}}{h_{\rm{d}}}/{B_0}{h_0}} \right)}^{1/3}}, {B_{\rm{m}}}{h_{\rm{d}}}/{B_0}{h_0} < 0.3;}\\
{0.92, {B_{\rm{m}}}{h_{\rm{d}}}/{B_0}{h_0} > 0.3。}
\end{array}} \right.
$
|
(8) |
计算公式中的溃决前泥石流宽度、溃决前泥石流深度、溃口宽度、坝体残余高度和泥石流淤积长度均通过现场测量获取。计算过程中，将拦砂坝溃口简化为梯形，并取溃口的平均宽度作为Bm的计算值。
3.5 泥石流峰值流量分析
根据现场配浆实验和查询规范表，泥石流密度的综合取值为1.8 t/m3；考虑到泥石流密度随着暴雨频率的增大而增大[12]，10%、5%和2%3种降雨频率下的泥石流密度取值分别为1.80、1.85和1.90 t/m3。表 1展示了10%、5%和2%3种降雨频率下泥石流的峰值流量，其中20年一遇的泥石流峰值流量为32.73 m3/s。根据现场调查获取泥石流过流断面面积、水力半径、沟床纵比降和沟床糙率，通过形态调查法估算了堆积区2个典型泥痕断面处的泥石流峰值流量分别为33.29和36.69 m3/s(表 1)，该值与20年一遇的泥石流峰值流量大致相等。
根据表 1的计算结果可知，通过公式(5)、(6)、(7)估算的泥石流峰值流量分别为36.5、43.6和36.8 m3/s。公式(5)、(6)、(7)中溃决前泥石流宽度、溃决前泥石流深度、溃口宽度和坝体残余高度输入的值相同，选用的参数及各参数组合不同造成计算结果不同。拦砂坝溃决产生的泥石流峰值流量介于36.5~43.6 m3/s之间，与形态调查法计算的峰值流量大致吻合。
此外，根据泥石流灾害防治工程勘察规范可估算泥石流冲出总量W[19]：
式中：Q为泥石流峰值流量，取形态调查法和溃坝分析所得结果的平均值，Q=37.38 m3/s；t为泥石流持续时间，t=1 500 s。根据公式(9)所得的泥石流冲出总量为1.48万m3，与实际量测的泥石流冲出总量1.39万m3大致相符，进一步佐证形态调查法和溃坝分析估算的泥石流峰值流量，2016年8月4日发生的泥石流规模相当于20年一遇。综上所述，2016年8月4日发生的泥石流规模远大于雨量站记录的降雨量所能激发产生的泥石流规模，这是由于拦砂坝的溃决导致泥石流峰值流量放大，最终造成2016年8月4日的溃决型泥石流事件。在其他地区也发生过由于溃坝而加剧泥石流灾害的案例，例如，2010年8月13日发生的文家沟泥石流[14-15]和2010年8月8日发生的舟曲泥石流[16]。
4 结论
2016年8月4日则查洼沟暴发泥石流，掩埋景区栈道，堵塞了景区公路，严重影响景区的安全运营。笔者基于现场调查，形态调查法，雨洪法和溃坝分析，获取泥石流峰值流量，并得出以下结论：
1) 则查洼沟总体上为深切“V”型沟道，沟床狭窄，岸坡陡峻，沟谷纵比降大，为泥石流的暴发提供了有利的地形条件；特殊的地质条件致使研究区的岩体破碎，崩塌和滑坡较发育，为泥石流的活动提供了丰富的松散固体物源；研究区的集中降雨和暴雨有利于激发泥石流灾害。
2) 则查洼沟泥石流灾害活跃，泥石流规模属于中小型，2016年8月4日暴发的泥石流规模为20年一遇。近期受九寨沟7.0级地震的影响，流域内还有超过20万m3的松散固体物源未来可能参与泥石流活动，未来则查洼沟泥石流灾害的频率和规模将增大。
3) 溃坝分析估算的泥石流溃决峰值流量是合理的，与形态调查法的计算结果大致相符。拦砂坝溃决产生放大效应，其峰值流量加剧了2016年泥石流事件的破坏。
本研究得到了九寨沟风景名胜区管理局的支持和帮助，在此表示感谢！
2020, Vol. 18 
