汶川地震是近年来发生在我国最严重的一次地震灾害,其主破裂带由南西向北东方向延伸约300km,地震极重灾区从西南的汶川县到北东方向的青川县,共产生滑坡近15000处,这些滑坡在地震时造成近2万人死亡[1]。地震后,滑坡崩塌体又成为泥石流活动的最主要物源。据统计,仅2008年汶川地震灾区就暴发泥石流近百次,造成450余人死亡[2]。
摘要:2008年汶川地震产生的崩滑体曾造成了巨大的人员伤亡,地震后,这些崩滑体成为泥石流活动的最主要物源,极大地助长了汶川地震后次生灾害的发生。为了有针对性地开展防灾工作,以2010年8月13日都江堰八一沟泥石流为研究对象,采用野外调查与遥感解译的方法,从泥石流形成的地形地貌、物源与水源三大基本条件,详细分析了八一沟8·13泥石流形成条件,发现此次形成条件十分有利于泥石流的暴发,同时,该分析方法对类似条件的泥石流沟具有一定的借鉴意义。
关键词:如何在核心期刊发表论文,八一沟,泥石流,形成条件
八一沟位于汶川地震极重灾区——都江堰市西北的龙池镇云华村,距离都江堰市直线距离10.3km,流域面积8.38km2,受汶川地震的影响十分严重。根据《汶川8.0级地震烈度分布图》,区域地震烈度为Ⅹ度。根据汶川地震后国家地震局修订颁布的《四川、甘肃、陕西部分地区地震动参数区划图(2008)》,地震动峰值加速度0.20g,地震动反应谱特征周期为0.40s。
现场调查发现,八一沟是一条古泥石流沟,流域内分布着多期泥石流堆积物。沈军辉等[3]研究发现流域内存在3期泥石流堆积物(图1),以Ⅰ、Ⅲ期泥石流的规模最大。野外调查获知,地震前流域内植被良好,崩滑物少,近百年来未发生过泥石流灾害。汶川地震后,八一沟分别于2008年5月14日、19日和7月17日,2010年8月13和18日暴发5次规模不等的泥石流。其中以8·13泥石流的规模最大损失最严重,该次泥石流暴发于下午16:00以后,共造成2人死亡,沟口的100余间房屋被冲毁,并掩埋都汶公路连接线250余m,冲毁或淤埋流域内在建的所有谷坊和拦砂坝见图2。
近年来八一沟的几次泥石流是典型的汶川地震震后次生灾害。地震灾区还有上千条类似沟道,它们在震前都有着良好的生态环境,泥石流鲜有发生,而震后却成为高频的泥石流沟道,造成巨大的人员与财产损失[2,4-8],泥石流活动年限更是长达10年到30年[2,4,9]。鉴于龙门山区人口密度大,较多居民居住在小流域沟口,一旦发生泥石流将造成巨大的人员伤亡,因此,需要对震后泥石流的形成条件进行细致的分析,充分论证流域内的地形条件、物源条件与水源条件是否有利于泥石流的形成。
1地形地貌
泥石流运动将高处的重力势能转化为动能,而落差较大的地形地貌就提供了泥石流暴发所需要的能量条件。地形地貌包含因素众多,其中最重要的是沟床比降、山坡坡度与相对高差。水力类泥石流由水流冲刷沟床堆积物起动,沟床比降是最重要的影响因素;而土力类泥石流由土体的崩滑转化而成,因此山坡坡度和沟床比降这两个因素分别影响其形成和汇流过程;相对高差则主要控制着可转化能量的大小。八一沟8·13泥石流主要由地震崩滑堆积物起动,属于土力类泥石流。
八一沟位于龙门山的西南角,地貌上属构造侵蚀中切割陡峻低-中山地貌。主沟从沟口至大干沟小干沟汇口处长1.93km,平均比降110.8‰。流域最高点2508m,最低点844m,流域相对高差1664m。流域内主要有大干沟、小干沟和小湾沟等三条支沟,其中大干沟流域面积2.63km2,沟长2.14km,平均比降403.0‰;小干沟流域面积1.74km2,沟长2.03km,平均比降452.6‰;小湾沟流域面积2.05km2,沟长2.08km,平均比降259.6‰。
1.1山坡坡度
康志成等[10]通过统计我国西部众多泥石流沟发现:>45°山坡多为基岩裸露坡,残坡积物薄;<25°山坡的堆积物厚,但坡体稳定,很少发生重力侵蚀。因此,这两类坡体都不利于泥石流形成。25°~45°山坡上坡积物较多,且山坡坡度与残坡积物的坡度大致相等,处于极限平衡状态,一旦暴雨激发,极易发生滑动。
以1∶10000数字地形图为基础,建立了八一沟流域DEM,并应用GIS手段进行坡度分级,获取流域的坡度分级(图3,表1)。图3显示,八一沟流域的平均坡度达到37.6°,以30°~40°和40°~50°两组坡度的坡体分布最为广泛。进一步计算发现25°~45°坡度的坡体面积达到5.33km2,占整个流域面积的63.6%。这说明流域内超过一半面积的坡体处于临界状态,流域极易在强降水条件下暴发泥石流。
1.2沟床比降
沟床比降主导流域泥石流的汇流过程。对我国西南山区泥石流沟的纵比降统计后发现[11]:沟床比降<50‰时不易发生泥石流,为50‰~100‰时发生泥石流的可能性较小,为100‰~300‰时发生泥石流的可能性较大,为300‰~500‰发生泥石流的可能性大,而>500‰时则不易发生泥石流。
八一沟泥石流在支沟内便发生汇流,在主沟内已发生全面淤积,因此需要考虑各支沟的沟床比降。利用流域1∶10000地形图,结合野外实地调查,发现流域内大干沟、小干沟和小湾沟等三条支沟[l6](图4)的平均比降分别为403.0‰、452.6‰、259.6‰。如此大的沟床比降有利于泥石流在沟道的流动,同时携裹沟道内的松散固体物质,促使流量激增。
2物源条件
物源是产生泥石流的根本,其方量也被作为评估流域泥石流易发性的重要指标[12]。物源的影响因素主要包括构造、地震、物源结构及其组成,构造和地震作用产生物源,而物源结构与组成则决定其有效性,即其转化为泥石流的能力。八一沟位于龙门山地震带区,2008年汶川地震的主断裂(包含映秀-北川断裂北支和南支)从沟道中游穿过(图4)。流域内出露的主要地层有第四系崩滑堆积物(Qdel4)、第四系洪积物(Qpl4)、三叠系须家河组(Tx3)和下震旦统苏雄组(Zs2),出露的岩性主要是凝灰岩、砂岩和泥岩等。汶川地震强大的动力作用致使流域中上游产生大量崩滑体(图5,图6),崩滑体总储量达到757.61×104m3,其中动储量为438.34×104m3[7]。2009年八一沟历次泥石流共冲出固体物质为114.3×104m3[13],即2010年8·13泥石流之前流域内仍有动物源324.04×104m3。这些崩滑物质结构松散,密度低,且都以临界坡度进行堆积;同时,由凝灰岩、砂岩和泥岩等岩石转化的崩坡积物具有较高的黏粒含量。降雨作用下,土体含水量增加,松散土体湿陷收缩,同时土体中的黏土颗粒吸水膨胀,导致孔压上升,土体强度锐减,极易破坏产生泥石流。
通过解译震后spot全色和多光谱数据融合后的2.5m空间分辨率影像发现(图4),汶川地震产生的物源主要分布于大干沟和小干沟的上游区,其中小干沟中的松散堆积物主要分布在沟道内;而大干沟中堆积物的位置集中在各支沟的山脊;小湾支沟内植被丰富,遥感影像未能解译出太多物源[l8],实地考察亦发现有滑坡分布。经计算,流域内崩滑位置极其堆积物的分布总面积为1.56km2,占流域面积的18.6%。野外实地调查发现,沟道两岸崩坡积物的堆积坡度介于30°~40°,接近临界坡度,且实侧堆积物的密度为1.67g/cm3。这些条件表明,在降雨作用下,八一沟流域内广泛分布的崩坡积物极易起动形成泥石流,是流域泥石流发育的最主要物源。
3水源条件
泥石流的水源包含前期降雨和激发降雨。前期降雨主要使土体的含水量升高,强度降低,以使土体能在后期的激发降雨作用下发生破坏。若前期降雨不充分,则降雨在初期首先扮演前期降雨的作用。
八一沟所在的都江堰市位于华西雨屏区,区域多年平均降雨1134.8mm,降雨多集中在6月-8月,最大年降雨量1605.4mm(1978年),最大日降雨量233.8mm。研究表明,区域10min雨强超过4mm,1h雨强大于或等于9mm时,泥石流暴发的概率较大[14]。
汶川地震以后,都江堰市补充建设多个气象站点,以至于本次研究得以使用龙池镇站点的气象数据(图7)。数据显示,2010年8月12日夜晚,龙池镇开始降雨,一直持续到次日凌晨2点,单场降雨量达到53.6mm。下午14∶00龙池镇再次发生降雨,到16∶00降雨开始明显增大,1h降雨强度达到75mm/h,致使泥石流源区土体发生大规模破坏,从而暴发泥石流。
由于凌晨的这场降雨之前没有明显的降雨过程,该次降雨主要扮演前期降雨的作用。泥石流起动的降雨试验表明,这种地震产生的松散堆积物在51.8mm/h的雨强下历经半小时开始破坏[15],即这种松散堆积物在51.8mm/h雨强下对应的前期雨量约为30mm,而堆积物密度增加后,[l9]前期雨量也需要相应增加。8月13日下午14∶00,降雨再次发生,15时的降雨量为15.8mm,并未达到泥石流的激发雨强,16∶00后雨强激增,泥石流暴发,推测此时泥石流的激发雨强为50mm/h左右。
4结论
都江堰市八一沟位于2008年汶川地震的极重灾区,也是震后泥石流发生频率非常高的流域。通过对该流域泥石流形成的各方面条件进行分析,建立起一种更加细致的分析泥石流形成的方法,该分析方法可以推广应用于地震灾区其他范围内泥石流沟的评估。
(1)八一沟流域的平均山坡坡度为37.6°,25°~45°山坡坡度的分布面积为5.33km2,占整个流域面积的63.6%,同时流域内大干沟、小干沟和小湾沟等3条支沟的平均比降分别为403.0‰、452.6‰、259.6‰,这说明流域的地形条件(含山坡坡度与沟床比降)十分有利于泥石流的形成。
(2)汶川地震主断裂贯穿整个流域腰部,地震中,流域内产生了大量松散固体物质,其分布面积为1.56km2,占流域面积的18.6%,有关研究显示物源总量达757.61×104m3,其中动储量为438.34×104m3。这些松散物质的坡度介于30°~40°,接近临界坡度,加上结构十分松散,十分有利于泥石流形成。
(3)八一沟位于华西雨屏区,降雨丰富且点暴雨多,2010年8·13泥石流的前期降雨量约为70mm左右,激发雨强推算为50mm/h。
参考文献:
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