甘肃舟曲泥石流成因初稿.docx
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甘肃舟曲泥石流成因初稿
甘肃舟曲泥石流成因、特征及综合治理研究
郑如强
国土资源学院地理科学专业2007级指导教师：
罗明云
摘要：
近年来，随着社会经济的发展，人类活动对自然环境的破坏也越加明显。
泥石流作为一种常见的山地灾害，其发生的范围和频率也在逐年增大，所带来的危害也越加严重。
尤以2010年8月份暴发的“甘肃舟曲特大泥石流”最为典型，其带来的严重灾害再次引起了我们对泥石流的关注和重视。
因此对泥石流灾害发生的原因、特征以及综合治理的研究显得尤为重要，能够为我们今后预防和治理泥石流灾害提供更好的科学依据。
本文以甘肃舟曲泥石流为例，浅谈泥石流的成因、特征及综合治理。
关键词：
泥石流；成因；特征；综合治理
Gansuboatsongmud-rockflowgenesis,featuresandcomprehensivemanagementresearch
ZhengRuJiang
Landresourcesinstitutegeographicalscienceprofessional2007GradeInstructor:
LuoMingYun
Abstract:
Inrecentyears,withthedevelopmentofsocialeconomy,humanactivityonthenaturalenvironmentdestructionalsoglaringlyobvious.Mudslidesasacommonmountainhazards,itsoccurrenceofrangeandfrequencyincreasesyearbyyear,theharmalsoincreasinglyserious.Especiallyin2010Augustburstsof"Gansuboatsongmosttypicalheavydebrisflow",itsbringstheseriousdisasterscausedusagaintomudslidesconcerned.Sothereasonofdebrisflowdisaster,characteristicsandcomprehensiveresearchappearsespeciallyimportant,toourfuturemudflowdisasterpreventionandmanagementprovidebetterscientificbasis.ThispaperboatsonginGansuprovinceasanexample,discussesdebrisofthedebrisflowcauses,featuresandcomprehensivetreatment.
Keywords:
mudslides;Causes;Characteristic;Comprehensivegovernance
一．绪论
1.1泥石流的概念
泥石流是产生于山坡与沟谷中含有小至粘粒、大至巨石的水沙固液两相流。
当具备大量松散固体物质、陡峻的地形以及一定强度的降水条件时，水沙混合物在自身重力的作用下向下流动，从而形成泥石流。
泥石流是一种水沙两相流，那么它与一般的挟沙水流的最大区别则在于水体中固体物质的含量不同，也就是固体物质的浓度不同，泥石流的浓度要比挟沙水流的浓度高很多。
那么，挟沙水流中的固体物质的含量究竟要达到多少才能称为泥石流呢？
根据费俊祥【1】等人研究，水流中固体物质的含量有两种表示方法，一种是Sv,,即固体物质所占体积比；二是泥石流的容重Rm,即单位体积中固体和液体物质的总质量。
Rm和Sv,的关系为：
Rm=R+Sv（Rs-R）1-1
其中Rs、R分别为固体和液体容重。
将以上关系式变形可得：
Rm=SvRs+（1-Sv）R1-2
然而，当泥石流的容重为Rm，则在单位时间、单位距离上流动所提供的能量为：
E=RmUJ1-3
其中E为能量，U为平均流速，J为比降，当平均流速和比降一定时，那么泥石流所提供的能量就取决于泥石流的容重，而泥石流的容重又主要取决于固体物质的作用，所以在1-2式中就有如下关系：
SvRs≥（1-Sv）R1-4
在我国实测到的泥石流最高容重Rmax=2.37t/m3,对应固体物质体积比约为83％，即Sv=0.83，而R通常取1t/m3。
根据1-1式，可求得固体容重Rs≈2.7t/m3。
又根据1-4式可求得Sv≥0.27，所对应的泥石流的最低容重Rm=1.46t/m3，所以当Rm≥1.46t/m3时，可认为是泥石流，否则认为是挟沙水流。
1.2泥石流的影响
泥石流由于携带大量的泥沙和石块，具有容重高、流速快、流量大、突发性强等特点，因而具有很强的破坏力，严重地危及着当地工农业生产、交通及城乡居民生活，给国家经济建设和人民生命财产造成重大的损失【2】。
1.2.1泥石流造成的严重损失
我国频发泥石流的省份主要有四川省、云南省、贵州省、陕西省、甘肃省等，现以云南省、陕西省为例说明泥石流灾害所造成的损失情况。
2002年5月至8月中旬，由于连降大雨而引发山洪泥石流灾害，云南全省100多个县市遭受泥石流侵袭。
仅在这4个月的时间里，受灾人口达2114.6万，死亡231人，22041栋房屋被毁，144.6万hm2农田受灾，经济损失高达36.32亿元，超过全省近5年来泥石流灾害造成的经济损失之和【3】。
从1950年至1991年的41年中，陕西全省因泥石流受灾的耕地面积为1033.9万hm2，受灾人口达7078.5万，死亡11415人，经济损失达69.8亿元【4】。
1.2.2泥石流对交通运输的影响
1981年7月9日，发生了西南地区最为重大的一次泥石流灾害。
成昆线利子依达大桥受到泥石流携带巨石的撞击，大桥桥墩和桥台各被冲毁一座，两孔桥梁被推入下游大渡河，致使一节列车毁坏，300余人伤亡，通车中断384小时【5】。
紧接着在8月中下旬，由于连降暴雨，四川、陕西、甘肃三省的宝成、宝天、阳安“三线”铁路总长851km，有1100处路段遭受不同程度的水毁，长度达750km，占线路总长的88.1％，257处塌方，总塌方量188万m3。
经过25000人长达2个月的奋力抢修，“三线铁路”才得以恢复通车【4】。
泥石流也对公路运输造成严重的损害。
例如在1981年8月，位于川陕公路北段的陕西宝鸡至汉中公路，全长264km。
由于遭受泥石流灾害，致使39.46km的路基被冲毁，塌方45.06万m3，路面水毁75km，冲毁桥梁19座（570m）、涵洞192座、道班房6处，全线修复耗资4333万元【4】。
1.2.3泥石流对河道的影响
泥石流对河道的影响最为显著的表现是阻塞河道，形成堰塞湖。
从泥石流沟冲出的大量泥沙、石块阻塞河道，在泥石流入汇点上游形成堰塞湖。
随着湖泊水量增大、水位上涨，对下游地区形成潜在危险。
如果湖泊的拦坝比较坚固，而且有沟道缝隙进行一定量的排水，在没有其他因素的干扰下，就会在此长期存在，从而形成“海子”。
比如四川九寨沟的“海子”【6】，就是由泥石流阻塞河道而形成的。
1.3泥石流研究现状
20世纪60年代铁道科学院成立西南研究所，一开始便将泥石流的研究和防治作为重要任务，并在峨眉山兴建我国最早的泥石流实验室。
随后中国科学院在西南、西北的有关研究所都将泥石流列为重要的研究课题，由于西南地区的泥石流灾害较为典型，就将泥石流灾害的研究集中到成都山地灾害与环境研究所，并在东川矿务局泥石流观测站的基础上，建成蒋家沟泥石流观测研究站。
在1987年成为中科院首批对外开放的野外观测站台，更名为中国科学院东川泥石流观测研究站。
几十年来，我国泥石流的研究和防治工作取得了显著的成效，也有许多的研究成果问世。
纵观这些研究成果，大致可以分为两类，一类是工程技术人员发表的关于泥石流的成因及其如何进行治理的研究；另一类是专家学者发表的关于泥石流运动机理的研究。
对于泥石流运动机理，主要是研究泥石流内部颗粒相互作用力，以求解不同条件下泥石流的阻力与速度。
由于泥石流是固液两相流，颗粒之间的相互作用主要表现为固相和液相之间、固相内部不同颗粒之间的相互作用。
针对这两种相互作用，产生了两种不同的假说：
一种假说是基于泥石流属于宾汉型非牛顿体的特性，认为流体的粘性是支持泥石流中固体颗粒不沉的原因，强调流体特性的作用，以我国学者钱宁为代表；另一种假说则认为固相颗粒之间的相互碰撞产生的离散力支持着固体颗粒的运动，忽略流体的粘性作用，以日本的高桥保为代表【1】。
二．舟曲泥石流概况
2010年8月7日22时许，甘肃省甘南藏族自治州舟曲县突降强降雨，县城北面的罗家峪、三眼峪泥石流下泄，由北向南冲向县城，造成沿河房屋被冲毁，泥石流阻断嘉陵江上游支流白龙江，形成堰塞湖。
此次泥石流为罕见的特大型泥石流灾害，灾情甚为严重，造成了重大的生命财产损失。
据中国舟曲灾区指挥部消息，截至28日，舟曲特大山洪泥石流灾害共造成1463人遇难，1243人获救。
其中水毁房屋307户、5508间；进水房屋4189户、20945间；损坏车辆38辆。
三．舟曲泥石流成因分析
3.1流域因素
3.1.1流域形状
泥石流沟的形状可以反映流域形状，泥石流沟的形状主要分为山坡型和沟谷型两大类。
山坡型是指在陡峻的山坡上发育的单沟，沟长仅数百米、深数十米，流域面积较小，泥石流流量不大，这种沟谷泥石流暴发的频率较小；沟谷型是指由几条支流汇入而组成，流域范围自上而下可以划分为形成区（包括清水供给区和固体物质补给区）、流通区和堆积区三部分。
较为典型的沟谷型泥石流沟流域形状见图1【7】。
此次泥石流主要由三眼峪沟泥石流暴发所造成。
三眼峪沟主要由大峪沟和小峪沟两条支沟汇成，整个流域内共发育59条沟谷，使整个三眼峪沟形状如“瓢”，属于典型的沟谷型泥石流沟，其形状见图2。
图1甘肃武都甘家泥石流沟图2甘肃舟曲三眼峪泥石流沟
3.1.2流域面积
泥石流沟的流域面积一般都比较小，特别是容重较大的粘性泥石流，因为单位面积最大固体物质补给量和降水汇水量会随着流域面积的增大而减小。
因此大流域暴发粘性泥石流的机会较小，而小流域暴发粘性泥石流的机会较大。
根据甘肃省泥石流沟统计资料，粘性泥石流沟流域面积大多在50km2以下，而稀性泥石流沟流域面积大多在400km2以下，全省共有219条泥石流沟，流域面积小于10km2的占73.5％【1】。
甘肃舟曲泥石流发源于其城北的两条小泥石流沟，上边叫三眼峪沟，河长约6.8km，流域面积约为25.75km2【8】；下边叫罗家峪沟，河长约9km，流域面积约为27km2【9】。
两条泥石流沟的流域面积都不大，较小的流域面积为此次泥石流的暴发提供了重要条件。
3.2山坡坡度
舟曲县地势崎岖，山高谷深，属于典型的高山峡谷地形。
特别是导致此次泥石流的三眼峪沟，沟谷总体上呈南北向展布，地势北高南低。
流域内最高点陡石山海拔3828m，最低点入河口处的海拔仅1340m，相对高差达2488m。
而且山坡坡度大都在50°以上，沟道平均比降约为24.1％【8】。
这样的山坡沟谷极有利于降雨的迅速汇集，为泥石流的暴发提供了有利的地形条件。
3.3固体物质的补给
舟曲一带是秦岭西部的褶皱带,山体分化、破碎严重。
地层岩石主要为志留系石灰岩、板岩、碎屑岩、砂岩、页岩，片状节理发育，松脆易风化【10】。
而土壤则大部分为炭灰夹杂的土壤，土质疏松。
四周山体植被稀疏，基本上是光秃秃的荒山。
这使得舟曲成为了全国滑坡、泥石流等地质灾害的多发地区。
加之舟曲县是“5·12”地震重灾区之一，地震导致山体松动，极易垮塌，而山体要恢复到震前水平至少需要3-5年的时间。
复杂的地质条件和疏松的地表物质为此次泥石流的暴发提供了充足的固体碎屑物质。
3.4降雨因素
在我国，绝大部分泥石流的暴发都是由暴雨引起的。
根据谭万沛等对四川凉山南部地区暴雨泥石流的资料分析【11】，在被调查的110条泥石流沟中，当24h降水量在60mm-70mm之间时，发生泥石流的占13％；24h降水量在70mm-100mm之间时，发生泥石流的占34％；24h降水量在100mm以上时，发生泥石流的占50％。
舟曲县的泥石流均为暴雨型泥石流。
由于舟曲处于半干旱地区，暴雨主要集中在盛夏季节。
在此次泥石流暴发之前的一段时间里，国内大部分地区遭遇严重的干旱，包括舟曲县。
这使岩体、土体因干燥而龟裂，产生裂缝。
8月7日22时起，舟曲县突降暴雨。
据电视台报道，此次暴雨历时40多分钟，县城雨量达97mm，暴雨中心的雨量更是高达350mm。
暴雨强度之大，为此次泥石流的暴发提供了充足的水量。
雨水顺裂缝深入岩体内部，从而起到减小坡面物质的正压力和润滑的作用，导致岩体崩塌、滑坡，最终形成泥石流。
表2近年来三眼峪沟泥石流暴发时间与降雨特征表【8】
泥石流发生时间
降雨量（mm）
降雨历时（min）
1978年7月15日
37.4
60
1982年6月18日23时
46.8
60
1989年5月10日21时
47.0
60
1992年6月4日18时
38.4
45
1994年8月7日19时
63.3
120
2010年8月7日22时
97.0
40多
3.5人为因素
3.5.1植被破坏严重
据《舟曲县志》记载：
舟曲山地，层峦叠嶂，万山皆翠；50年代舟曲县境内森林覆盖面积大，山清水秀，生态环境平衡，空气清新湿润，有“陇上小江南”之称。
从1958年“大跃进”时期开始，这里的森林资源遭到掠夺性破坏。
据统计，从1952年8月舟曲林业局成立到1990年的38年间，累计采伐森林189.75万亩，许多地方的森林成为残败的次生林。
加上民用木材和乱砍滥伐、倒卖盗用，全县森林面积每年以10×104m3的速度减少，植被破坏严重，生态环境遭到超限度破坏，水土流失极为严重。
3.5.2人口密度之大
随着社会经济的发展，最近几年大量的农村人口向县城聚集，居住密度不断增大。
舟曲县城测绘面积仅4km2，除河流、山体外，可利用面积1.47km2，城区东西不到2km，南北不到1.5km。
在这个狭小空间里，人口却接近5万，而舟曲县的总人口才13.69万。
城区人口密度位居全省县级城市之首，和兰州相近。
3.5.3防灾意识较差
人们防意识不强。
由于舟曲已经多年没有发生泥石流了，多数人认为这里不再会发生泥石流。
还有许多居民为了扩大新房的面积，不顾危险，就将房子紧挨着泥石流沟的疏导渠坝。
而沟渠仅宽3m，深不到1.5m，沟渠的排泄能力极差。
相关部门对隐患点的治理和排查不够彻底。
90年代，舟曲县对三眼峪的泥石流专门做过一些治理工程，包括泥石流的拦截、排导、停淤工程，但是因为缺乏资金和水土治理专家，工程并没有按设计完成。
并且在《甘南州2009年度地质灾害防治方案》附带的地质灾害重点防范点（区段）的名单中，也没有出现任何关于三眼峪的预警性描述。
四四遇难，会点影响1-4____________________________________________________________________________________________．舟曲泥石流的运动特征
4.1舟曲泥石流的属性
4.1.1泥石流的分类
关于泥石流的分类方法很多，比如按诱发原因可分为洪水泥石流、冰川泥石流、火山泥石流以及地震泥石流等；按侵蚀原因可分为水力类泥石流、土力泥石流和滑坡泥石流等【1】。
由于泥石流的容重对泥石流的运动机理及动力作用产生重要影响，因此可以按照泥石流的容重对泥石流进行分类。
而泥石流颗粒组成的特性直接反映了泥石流的容重，因此就可以进一步按照颗粒组成的特性来划分泥石流。
熊刚【12】在分析了大量泥石流颗粒组成与其容重之间关系的资料后，发现对于＞1.46t/m3的泥石流来说，粒径d=2mm的颗粒正好是泥石流划分的分界点。
表1泥石流分类
分类名称
泥流
狭义泥石流
水石流
稀性
亚粘性
强粘性
容重Rm/t·m-3
1.46-1.80
1.46-1.85
1.85-2.00
2.00-2.40
1.46-1.90
固体体积浓度Sv
0.27-0.47
0.27-0.50
0.50-0.59
0.59-0.83
0.27-0.53
d＞2mm颗粒的
百分比含量/％
＜2
2-80
＞80
主体颗粒
粘粒、粉砂
粘粒、粉砂、沙粒、砾石
砾石、卵石、漂石
4.1.2舟曲泥石流的属性
甘肃舟曲泥石流的总量为160×104m3【9】，其中固体物质含量高达80%左右，因此可得固体体积浓度Sv≈0.8，相对应的泥石流容重Rm≈2.31t/m3。
根据熊刚对泥石流的分类可知，甘肃舟曲泥石流应属于狭义泥石流中的强粘性泥石流。
4.2流速
由于泥石流内部相互作用的复杂性，目前尚无普遍认可的流速公式。
研究人员在云南东川蒋家沟泥石流流速实测的基础上，拟合出具有普遍意义的粘性泥石流流速公式【1】：
U=NC-1H2/3J1/6=1.62[Sv（1-Sv）/D10]2/3H1/3J1/6
式中U:
流速；
Nc:
综合糙率（综合阻力因子）；
H：
泥石流的平均深度；
J：
泥石流沟的平均比降；
Sv:
固体物质体积；
D10=0.011mm（当Rm≥2.12t/m3时）。
舟曲泥石流平均深度约4m。
由此可知，H=4m。
已知Sv=0.8，J=0.241。
代入公式：
U=1.62[Sv（1-Sv）/D10]2/3H1/3J1/6=1.62[0.8（1-0.8）/0.011]2/341/30.2411/6=12.23m/s
由于此次泥石流的粘性比较强，泥深较深，所以泥石流的流速较快，达到12.23m/s。
4.3流量
据文献资料，舟曲泥石流堰塞体长约2km，平均宽度约200m，平均深度约4m。
总体积V=2000m×200m×4m=160×104m3，所以本次泥石流的总流量约为160×104m3。
本次暴雨的最大洪峰量为640m3/s，洪水总量450×104m3，面平均雨量200mm。
据清水流量为640m3/s，根据泥石流平均流量公式【1】：
Qc=Qb[1/（1-Sv）]
式中Qc:
泥石流流量；
Qb:
清水流量；
已知Qb=640m3/s，Sv=0.8，代入公式：
Qc=Qb[1/（1-Sv）]=640[1/（1-0.8）]=3200m3/s
所以舟曲泥石流的流量约为3200m3/s，满足Qc=（1.42～9.75）Qb的条件，所计算的数据显然是可以接受的。
由于本次泥石流的流速快、流量大，再加上发生在夜间，绝大多数人都回到了屋里准备休息，所以造成的人员伤亡特别严重，实属罕见。
五．舟曲泥石流灾害的综合治理
5.1泥石流综合治理的迫切性和重要性
舟曲自建制以来，县城就一直坐落在三眼峪沟泥石流堆积扇上，曾多次遭受泥石流的侵袭。
据文献统计【8】，自1823年到现在的188年中，舟曲曾爆发过11次较大规模的泥石流灾害（不包括此次泥石流灾害）。
现将最近100年以来比较严重的几次灾害简述如下：
1915年夏，泥石流顺沟而下，龙头高达2m，冲毁房屋90余间，耕地20hm2，冲走3人，伤60人，死伤牲畜160头。
1961年夏，三眼峪沟泥石流冲毁民房160间，农田36hm2，死伤28人，牲畜340头，冲毁两河口至郎木寺公路100余m，桥梁8座，中断交通40天。
1989年5月10日，三眼峪沟突发泥石流灾害，伤51人，毁田63.67hm2，毁房360间，冲毁桥梁10座，公路多处，损失牲畜603头，冲毁农电及通讯线路23处，供水管道14处，县城停电15天，停水46天，直接经济损失近1000万元。
1992年6月4日，舟曲骤降暴雨，三眼峪沟内多处滑坡坍塌，从而引发50年一遇的大规模泥石流，共冲毁房屋344间，农田87.73hm2，死伤87人，冲走牲畜396头，毁坏输电通讯线路28处，倒杆96根。
使全长3920m，投资380万元的三眼峪饮水灌溉工程大部分报废。
泥石流还导致排洪道内淤沙达2m厚，城区淤沙达80cm厚，法院、公安局3辆汽车被毁，粮库里20万千克面粉变质，损失高达1260万元。
而在2010年8月7日暴发的泥石流所造成的损失更是前所未有，难以估量。
纵观历史，舟曲县城遭受泥石流的侵袭次数之多，造成的生命财产损失之严重。
因此规划在原地重新修建的舟曲县城对泥石流的综合治理就显得尤为迫切和重要。
5.2泥石流综合治理措施
其实当地政府部门早在上世纪90年代就对三眼峪沟进行了综合治理。
主要措施有：
工程拦挡坝13座，停淤场1个，排导沟1234m，防冲槛24道，水土保持林和经济林166.67hm2，整个工程总投资929.59万元，计划3年时间完成（1997年～1999年）【8】。
但是因为缺乏资金和水土治理专家，多数工程并未按设计完成。
而且已完成的工程也是按照五十年一遇的标准设计。
按照“以预防为主，防治结合，因地制宜，因害设防，突出重点，综合治理”的灾害防治原则【13】，提出了“以拦为主，拦排结合；以治沟为主，治沟与治坡相结合；以拦排工程为主，拦排工程和生物措施相结合”的综合治理方案【8】。
由于舟曲泥石流沟是典型的沟谷型泥石流沟，是一个面积不大的小流域，因此在进行治理的时候还需考虑流域因素。
整个流域可划分为形成区、流通区和堆积区三部分，针对不同的区域范围可以采用不同的治理技术。
1.山坡整治技术
这种治理技术主要布置在泥石流的形成区。
①生态工程：
在裸露的地表进行生态修复，并认真做好25°以上坡耕地的退耕还林还草工作，调整农业结构，改变不合理的耕作方式，禁止乱砍滥伐，大面积种植经济林木，提高植被覆盖率，通过涵养水源，保持水土，减少雨水和固体物质的补给。
②截流工程：
在泥石流清水供给区修建小型截流引水工程，可以汇集暴雨，然后导入稳定的沟谷进行排泄，以减少形成区的雨水补给和减轻对地表的侵蚀。
③谷坊工程：
即修建在泥石流形成区内的小型拦沙坝（高1～3m），起到抬高侵蚀基准，保护坡脚免受冲刷，稳定沟坡的作用。
④固坡护坡工程：
在地质条件复杂、岩层松脆极易发生滑坡坍塌的地区，进行锚桩加固。
2.沟谷整治技术
主要是在泥石流流通区域修建各种类型的拦沙坝，其作用是防止下切，稳定沟床和岸坡，对防治边岸滑坡崩塌的继续发展有明显效果，同时可以起到拦蓄部分泥沙、平缓纵坡、减小泥石流规模的作用。
在个别地段，为了保护两岸，可专门修建护岸工程，如护坡和挡土墙等【13】。
3.堆积区整治技术
这是改造和利用冲积扇的重要工程措施，修建在泥石流下游的堆积区，其目的是将泥石流按照人为的意愿进行排泻、导流和停淤，防止对下游居民区、厂矿企业、道路交通等设施造成危害。
主要工程有：
①排导槽，是控制泥石流流路的重要工程，可防止泥石流在冲积扇上泛滥成灾；②导流堤，是把泥石流导向一定地段工程措施，一般为单堤结构；③停淤场，是在冲积扇上修建停淤泥石流物质的场所，可以减轻泥石流对下游工程的压力和负担，有助于保护受灾对象【13】。
5.3泥石流灾害的防治建议
5.3.1深入开展群测群防，切实加强监测预警工作
此次泥石流发生前，在《甘南州2009年度地质灾害防治方案》附带的地质灾害重点防范点（区段）名单中，并没有出现任何关于三眼峪泥石流沟的预警性描述。
因此我们要充分依靠群众，全面开展泥石流动态调查，明确监测重点，认真落实监测预警措施。
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