四川省北川县赵家沟地震次生泥石流形成条件分析

朱忠礼，刘希林，尚志海

(1.遥感科学国家重点实验室 北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875;2.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275;3.中山大学自然灾害研究中心，广东 广州 510275)

四川省北川县赵家沟地震次生泥石流形成条件分析

朱忠礼1，刘希林2，3，尚志海2

(1.遥感科学国家重点实验室 北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京 100875;2.中山大学地理科学与规划学院，广东 广州 510275;3.中山大学自然灾害研究中心，广东 广州 510275)

赵家沟位于北川县擂鼓镇坪上村西北侧，属汶川地震极重灾区，在地震发生前为一般性清水沟或洪水沟。由于地震的影响，流域内发育了多处滑坡和崩塌，斜坡上和沟道中堆积了大量松散固体物质。在2008年9月24日暴雨的作用下，赵家沟流域发生了百年不遇的泥石流灾害，成为地震次生泥石流沟。通过现场实地调查和室内分析，对地震次生泥石流灾害形成的地质地貌条件、物源条件和水源条件进行了分析。表明地震次生泥石流灾害的发生频率和规模有可能加大，其危险性由于松散固体物质的增大而上升，这是地震次生泥石流灾害显著的特征。

泥石流;形成条件;地震次生灾害;四川省北川县;赵家沟

0 引言

2008年5月12日的汶川8.0级大地震，北川县综合灾情指数仅次于汶川县，地质灾害危险度也非常高。北川县在震前就是地质灾害易发区，全县有75处地质灾害点。地震在北川县诱发了大规模地质灾害，震后遥感解译滑坡与崩塌就达284处［1］。这些滑坡及崩塌堆积物在强降雨作用下进一步诱发了泥石流。2008年9月24日，北川县暴雨导致区域泥石流灾害发生，引发泥石流72处，导致42人死亡，对公路和其他基础设施造成严重损毁［2］。这些泥石流中大多数为老泥石流沟，在地震灾害前就发生过泥石流灾害。由于地震产生的松散固体物质增加，导致在前期雨量较低的情况下仍然发生了泥石流灾害。还有少数沟谷原来没有发生过泥石流灾害，在地震后才导致了泥石流灾害的发生。2010年5月12日对北川县擂鼓镇赵家沟泥石流的实地调查考察，并走访了当地老乡，确定赵家沟泥石流为地震次生泥石流。地震次生泥石流的发生主要受控于地震活动，还同时受研究区构造、岩性、地形、降雨因素的影响。本文对赵家沟地震次生泥石流的形成条件进行分析，为地震次生泥石流研究提供研究案例。

1 流域特征

赵家沟位于北川县擂鼓镇坪上村西北侧，安昌河(安昌河系涪江右岸一级支流)支流苏宝河的左岸。北川县地势西北高，东南低，由西北向东南平均每公里海拔递降46m。赵家沟位于四川盆地向川西高原的过渡地带，紧邻“5.12”汶川大地震主发震断裂带的上盘，地貌属于中低山，地形陡峭。赵家沟流域总面积约1km2，主沟长约1.95km，横剖面呈“V”形，纵剖面呈阶梯状，谷内发育多个陡坎。沟口地理坐标为东经 104°26′01″，北纬 31°48′19″。2008 年 9 月 24 日凌晨0:00到5:00，北川县发生20a一遇的暴雨，导致赵家沟发生了百年不遇的泥石流。坪上村60多户居民，共计230多人，由于及时撤离危险区域而没有造成人员伤亡。泥石流造成下游两岸房屋被淤埋，严重影响了坪上村村民的生产生活，目前已全部搬迁重建。赵家沟流域简图见图1。

赵家沟泥石流形成区为漏斗状地形(照片1)，极易汇集地表径流。其上游三面环山，周围山高坡陡，高程范围为1140～1520m，相对高差为380m，该区比降为630‰。受地震影响，形成区地表破碎，山体不稳定，区内发育5处滑坡，其中沟头滑坡的规模最大(照片2)。形成区与流通区的分界为一陡坎，流通区为狭窄陡深的峡谷，有2处陡坎，沟谷两侧坡度近50°。流通区的高程范围为 1000～1140m，沟长500m。流通区的地形有利于泥石流下泄，从而影响其运动速度和搬运距离(照片3)。在流通区内亦堆积着厚度达5m的坡积物，不断补充泥石流固体物质来源。赵家沟沟口位于泥石流堆积扇的顶部，堆积扇宽度随着与沟口距离增大，先增大后减小。堆积扇呈梨型，最宽处达 100～120m，最窄处仅有 10～20m。距离沟口越远，泥石流堆积厚度越大，堆积厚度由3～4m增大到5～7m，堆积扇面积约4×104m2。堆积扇上分布有大小不一的砾石，砾石最大直径1.5m。堆积扇发育有垄岗状堆积堤(照片4)。

图1 赵家沟流域Fig.1 Zhaojia gully basin

照片1 赵家沟泥石流形成区Photo 1 Source area of debris flow in Zhaojia gully

2 泥石流形成条件与发展趋势

照片2 赵家沟流域内滑坡体Photo 2 Landslides in Zhaojia gully basin

照片3 赵家沟泥石流流通区Photo 3 Transportation area of debris flow in Zhaojia gully

照片4 赵家沟泥石流堆积区Photo 4 Depositional area of debris flow in Zhaojia gully

地震次生泥石流与一般泥石流的差异主要在于地震的影响，地震既改变了沟谷流域的地形，又为泥石流形成提供了丰富的固体物质来源。只要降水达到一定量级，一些沟谷即可暴发泥石流。由于强烈地震往往激发泥石流，在一定条件下，地震活动地带通常也是泥石流活动带［3］。地震对泥石流造成的影响按时间序列可分为两类，一类是地震触发的泥石流，又称同发型。另一类是震后泥石流，又称后发型，即强震会对泥石流活动及灾情有所加强，并使灾害扩大［4］。赵家沟泥石流属震后泥石流，为近百年来第一次发生的泥石流灾害，这也是赵家沟泥石流的独特之处。

2.1 地质地貌条件

赵家沟流域位于青藏高原东缘的地形陡变带上，地形高差较大，河流下切强烈，地貌上表现为狭窄的V型谷(照片5)。流域高差反映了流域的势能和泥石流携带固体物质的能力。流域高差越大，山坡稳定性越差，崩塌和滑坡等不良地质现象越发育，汇流的速度越快，发生泥石流的动力条件也就越充分［5］。赵家沟流域最高海拔1520m，沟口高程850m，相对高差670m。较大的地形高差为泥石流发生提供了势能条件。沟床比降是影响泥石流形成、运动特征的主要因素。一般来讲，沟床比降越大，越有利于泥石流的发生。四川山区泥石流暴发所需的沟床平均比降一般在100‰以上，起动段沟床比降一般大于 260‰，部分衰退期泥石流沟沟床平均比降往往小于100‰［3］。赵家沟流域沟床平均总比降为340‰，斜坡坡度基本上都大于 25°，部分达 40°～50°甚至更陡，满足泥石流发育的基本条件。

赵家沟所在的擂鼓镇位于龙门山主断裂带。擂鼓镇发育2条活动断裂，即北东向的北川断裂和近南北向的擂鼓断裂，属于龙门山断裂系的组成部分。地震对泥石流形成条件的改变主要包括改变了局部地形、加剧了地表重力侵蚀。汶川地震地表破裂在坪上村一带呈N40°E方向延伸，垂直及右旋错位了一系列冲沟、小路、洪积扇、公路、水管、I级阶地及现代河床等，地震破裂沿原断坎的坡脚出露，最大垂直错位达4.50 m、右旋水平错位1.43 m［6］。位于赵家沟堆积区附近的农田在地震中出现阶状错断，形成坡角34°，产状 155°∠34°的 2 个台坎，断距分别为 5.4 m和0.7 m。位于该沟谷的山间小路发生右旋位移，水平位移量约3.0 m左右［7］。在地震极重灾区，新构造运动活跃，地表明显变形，节理裂隙发育(照片6)。从而导致地表侵蚀进一步加剧，为泥石流汇流提供更加有利的地形条件。

2.2 物源条件

照片5 赵家沟流域地形特征Photo 5 Topography of drainage basin of Zhaojia gully

照片6 赵家沟流域出露的变形岩层Photo 6 Distorted bedrock outcrops in Zhaojia gully

形成泥石流的固体物质通常取决于地层岩性、地质构造和地震活动等。地层岩性通过岩石的抗风化和抗侵蚀能力影响着泥石流的固体物质来源。一般来说，坚硬岩层和岩性均一的流域，其抗风化和抗侵蚀能力较强，不易为泥石流提供松散固体物质;软弱岩层和软硬相间的岩层易受外力风化剥蚀作用影响从而能为泥石流提供较多的松散固体物质。根据研究区1∶20万地质图资料，研究区出露的地层有志留系、泥盆系、石炭系及第四系，岩石类型包括志留系的砂岩、千枚岩，泥盆系的白云岩、白云质灰岩、石灰岩、砂页岩、泥质灰岩、石英砂岩、赤铁矿，石炭系的石灰岩、页岩、砂岩夹赤铁矿、高岭土，第四系的坡积-冲积物。赵家沟流域的泥石流形成于志留系含有软弱千枚岩的砂岩地层(照片7)，在地震作用下，容易发生重力侵蚀进入沟道中。由于汶川地震的影响，赵家沟内岩体破裂严重，稳定性差，极易风化、剥蚀，为泥石流的形成提供了物质来源。汶川地震并没有导致赵家沟泥石流直接发生，但是通过流域内不良地质现象的增加，储存了大量的松散固体物质来源。地震产生的大量滑坡、崩塌和碎屑土石，在暴雨激发下形成了泥石流，使赵家沟从非泥石流沟转变为泥石流沟。

汶川地震造成赵家沟流域内多处山体崩塌和滑坡，一些边坡因地震发生了严重的开裂和松动，9月24日暴雨发生之前，这些松散物质对赵家沟流域影响不大。但在暴雨的激发下山体边坡失稳，滑坡和崩塌物质进入沟道，由此产生的碎屑物质就成为泥石流的主要物质来源。根据现场调查，整个流域有7处大小滑坡体(图1)。根据汶川地震后航空图像解译得到，赵家沟流域由于汶川地震诱发的滑坡面积为13.2×104m2，“2009.9.24”暴雨后新增滑坡面积 2.0×104m2，合计为 15.2 × 104m2［8］。汶川地震对岩土体的改造十分强烈，导致赵家沟流域裂隙发育，岩性破碎。该流域位于汶川地震极重灾区，地震烈度Ⅹ～Ⅺ度，地震和滑坡将大量坡积物和碎石土体带入沟谷中(照片8)，一遇暴雨极易产生泥石流。另外，由于地震引起的崩塌、滑坡、地裂等作用，使地表和植被遭受破坏，增强了暴雨对地表的片蚀和冲蚀，有利于细沟、切沟、冲沟的产生，在沟道中堆积有不少冲洪积物。总之，汶川地震极大地改变了泥石流发生的物源条件，也改变了赵家沟近百年没有发生泥石流的历史。

照片7 赵家沟流域岩层特征Photo 7 Bedrocks in Zhaojia gully

2.3 水源条件

照片8 赵家沟流域内松散固体物质Photo 8 Loose materials in Zhaojia gully

我国泥石流暴发的水源主要是降雨，因此泥石流发生时间与暴雨频发时间同期，多发生在6～9月。赵家沟地处北亚热带季风气候区，大陆性季风气候特点较显著，气候温和，四季分明，年平均气温15.6℃，年平均降水量1399.11mm。赵家沟属山区小流域，径流暴增骤减，沟谷侵蚀强烈，地表径流加速了泥石流发育。赵家沟流域内常年有流水，并作为坪上村村民的饮用水源。在地震没有发生之前，此流域为一般清水沟或洪水沟。

赵家沟泥石流是伴随着洪水而发生的。2008年9月23日，北川县开始大面积降雨，唐家山自动雨量站记录雨量173.8mm。9月24日凌晨0:00～5:00唐家山站记录雨量为57.9mm，最终诱发大范围泥石流的雨量在5:00～6:00，其雨强达到41mm/h，这种降雨量为20a一遇［2］。据坪上村村民回忆，暴雨从凌晨0:00一直持续到天亮，沟道内洪水达3m多深。在暴雨的作用下，大量的水体浸透山坡和沟床中的松散固体物质，滑坡、崩塌以及其他形式的固体物质在自身重力及洪水冲击下形成了泥石流。

2.4 泥石流发展趋势

地震通过改变地质构造、地形、岩土性质等多方面影响着泥石流发生和发展过程。地震次生泥石流在我国并不罕见，其中西藏古乡沟泥石流亦可称之为地震次生泥石流，其发展过程可为汶川地震次生泥石流研究提供借鉴。1950年8月15日，西藏察隅地区发生了8.5级大地震。大量的崩滑松散固体物质及冰崩、雪崩、岩崩物质汇集于西藏波密县古乡沟流域中上游，1953年9月23日古乡沟暴发了规模罕见的粘性冰川泥石流，古乡沟泥石流即始于此［9，10］。在1953～1965年的13a期间，古乡沟有7a暴发了大型泥石流，为泥石流强烈活跃期;在1966～2005年的40a期间，仅有1972年和2005年暴发大型泥石流，为泥石流较弱活跃期［10］。古乡沟泥石流的活动情况表明，地震次生泥石流灾害在震后15年期间处于活跃状态，随后逐渐衰减，但泥石流灾害风险并没有因此降低。参考《泥石流灾害防治工程勘察规范》中泥石流沟易发程度数量化评分表的指标对赵家沟评分，赵家沟得分94分，属于泥石流易发沟［11］。虽然赵家沟泥石流规模与古乡沟泥石流相比小得多，但是在雨季来临之际，仍有再次暴发泥石流的可能性。尤其是近10～15年，在松散固体物质可能继续增加的情况下，激发泥石流的降雨临界值可能会降低。根据北川震前和震后泥石流发生的临界雨量和雨强初步分析，与汶川地震前相比，该区域泥石流起动的前期累积雨量降低了14.8% ～22.1%，小时雨强降低了25.4%～31.6%［2］。地震发生后，松散固体物质的增加降低了泥石流形成对降雨条件的要求，从而导致泥石流灾害发生的可能性进一步增大。

3 结语

北川县擂鼓镇赵家沟流域在汶川地震发生前为一般性清水沟或洪水沟，虽然其具备泥石流发生的地形地貌和降雨条件，但是由于松散固体物质不足，一直没有发生过泥石流灾害，坪上村村民们长期在那里安居乐业。在汶川地震的影响下，该流域内累积了大量的松散固体物质，完全具备了形成泥石流的物源条件，因此在2008年9月24日暴雨激发下，暴发了地震后的第一次泥石流灾害。从赵家沟泥石流的形成过程来看，地震是次生泥石流发生的控制因素，不仅提供了松散固体物质，还改变了地形，加剧了侵蚀。除了地震之外，地形、岩性、地质构造等泥石流形成的基础条件依然发挥着重要作用，而暴雨作为诱发泥石流的动力因素，在次生泥石流形成中显得更为突出，有一触即发之势。汶川地震对次生泥石流灾害的影响估计会持续10a左右，在此期间，地震次生泥石流将处于活跃阶段，因此在今后泥石流防灾减灾行动中，要加强对地震灾区暴雨的预测预报，对及时转移危险区内的人口具有重要的意义。

本文完稿之时，2010年8月7日夜22点左右，甘肃省甘南藏族自治州舟曲县发生了特大泥石流灾害，泥石流冲进县城，并形成堰塞湖，导致近2000人遇难或失踪。舟曲县是2008年汶川地震的重灾区，受地震影响，山体松动、岩石裂隙增加，破碎程度加大，在强降雨的激发下，舟曲县城所在的三眼峪沟爆发了大规模的泥石流，其形成过程和模式与赵家沟泥石流具有相似性(三眼峪沟原本就是泥石流沟，这点和赵家沟有所不同)。这再一次提醒我们，对于地震次生泥石流灾害的预防和治理，必须加强对潜在泥石流灾害形成区域的暴雨预报和泥石流沟物源区变化的监控，从而为及时发出灾害预警提供必要的数据和支持。

［1］国家减灾委员会-科学技术部抗震救灾专家组.汶川地震灾害综合分析与评估［M］.北京:科学技术出版社，2008.

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Analysis on the developing conditions of debris flow induced by Wenchuan earthquake in Zhaojia Gully of Beichuan County，Sichuan Province

ZHU Zhong-li1，LIU Xi-lin2，3，SHANG Zhi-hai2
(1.State Key Laboratory of Remote Sensing Science，School of Geography，Beijing Normal University，Beijing 100875，China;2.School of Geography and Planning，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China;3.Natural Disaster Research Center，Sun Yat-Sen University，Guangzhou 510275，China)

Zhaojia gully is located at northwest side of Pingshang village of Leigu town，Beichuan county，Sichuan，China，which was heavily hit by Wenchuan Earthquake.It was general water ditch or flood channel before the earthquake，and developed many landslides and collapses with loose solid material deposited on the slopes and the channel after the earthquake.Driven by the heavy storm on September 24，2008，rare debris flow happened in Zhaojia gully，which made it into a post-earthquake debris flow gully.By on-site field survey and laboratory analysis，this paper studied the developing conditions of debris flow，including geological and geomorphologic conditions，sediments source conditions，and rainfall conditions.The analysis shows that because of earthquake induced solid material，the frequency and magnitude of the debris flow and its hazard will increase greatly，which is the most significant feature of post-earthquake debris flow.

debris flow;developing condition;earthquake induced hazards;Zhaojia gully of Beichuan-County，Sichuan Province

1003-8035(2010)04-0057-06

P642.23

A

2010-08-30

国家科技支撑计划项目(2008BAK49B04)

朱忠礼(1972—)，男，河南商丘人，博士，讲师，主要从事地貌学与地理信息系统研究。

E-mail:zhuzl@bnu.edu.cn