北京王虎沟泥石流堆积物粒度参数分析

李柏，高甲荣，胡封兵，崔强，杨麒麟，王越

(北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

北京王虎沟泥石流堆积物粒度参数分析

李柏，高甲荣†，胡封兵，崔强，杨麒麟，王越

(北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083，北京)

通过野外实地调查与室内实验相结合的方法，对王虎沟泥石流堆积物的粒度组成进行研究分析，采用平均粒径、分选系数、偏度、峰度等粒度参数分析了北京王虎沟堆积物特征。研究表明：颗粒平均粒径在上、中和下游表现为大—小—大，整个流域颗粒的分选均较差，上游和中游堆积区颗粒粒径偏度比下游更趋于对称;上中下游峰度值表现为大—小—大。通过对当地泥石流堆积物颗粒参数的分析，得出：此流域如遇暴雨极易发生泥石流灾害，会对当地人民群众的生产生活带来重要影响。

泥石流;堆积物;粒度参数;北京山区

泥石流是山区常见的山地灾害，具有极强的破坏性，严重威胁山区人民的生产和生活。泥石流堆积物是泥石流快速侵蚀、搬运的产物，包含大量泥石流形成、运动和堆积过程的信息［1］，是泥石流发育历史及其特性的物质记录。泥石流堆积物的粒度组成是泥石流的重要结构特征之一，它反映了泥石流堆积物的分散度，是决定泥石流堆积物工程地质性质的一个重要指标;同时，也反映了泥石流的形成机制与动力学、运动学特征。因此，对泥石流堆积物粒度构成的研究一直是泥石流研究的重要内容之一［2］。目前，常用的粒度参数有：粒度平均值、粒度标准差、粒度偏度、粒度峰态和粒度众数值等。从组成上看，泥石流颗粒主要由砾石、砂砾、粉粒和黏粒组成。组成泥石流颗粒的级配变幅很大，从直径大于20m的巨砾到肉眼不可见的几微米的胶体微粒均有分布，粒径级配范围跨越多个数量级。大小颗粒粒径之比可达106～107［3］。颗粒没有特征尺度;从形态上看，小颗粒可视为大颗粒的缩影，颗粒具有自相似性。

笔者通过对对王虎沟泥石流堆积物的粒度组成研究，分析北京王虎沟堆积物特征，研究泥石流堆积物的粒度特性，对研究泥石流的活动历史、现状和发展趋势具有重要意义，以期为今后进一步探讨北京山区泥石流形成机制和运动过程以及为北京山区泥石流防治制订有效措施提供科学依据。

1 研究区概况

王虎沟位于西白莲峪中上游，该流域泥石流位于王虎沟村下方。流域面积0.52 km2，沟谷平均坡度为30.08°。泥石流堆积物位于 E 116°50'45.4″，N 40°40'39.7″。流域内存在大量沟坝地，以核桃(Juglandis)等经济作物为主。

流域所处区域地层形成悠久，主要为太古界时期形成。岩石以片麻岩、片岩为主，分布含较多的石英岩、大理岩的浅变质岩石。地层的成层性较好，延伸稳定，混合岩化作用较好，属于浅、中深区域变质。其大型构造为短轴背斜。岩性以黑云母石英片岩、黑云母角闪斜长片麻岩、花岗片麻岩类石英岩为主。

该流域地质构造主要位于新华夏构造断裂带第二沉降褶皱带的石城断裂带。走向北20°东，倾向东，倾角6°。新华夏构造断裂表现清冽，属于现代活山性断裂。

流域位于暖温带半干旱、半湿润东南季风气候区，年平均气温10.9℃。降水集中，雨热同季，四季分明。根据北京市多年平均年降水量资料，流域位于降水等值线700～800mm之间。年际间降水不均衡。夏季降水最多，占今年降水量的76.4%。夏季降水集中在7、8月，占全年降水的29.4%。年平均气温为10.8℃。年平均地温为13.0℃。极端地面最高温度67.5℃。最低地温均值为-7.0℃。冻融作用和风化作用强烈，岩石破碎。

流域植被属针阔混交森林植被带，主要分布天然次生林。树种多样，主要由山杨(Populus davidianaDode)、山核桃(Carya cathayensisSarg)、椴树(Tilia tuan)、鹅耳栎(Carpinus turczaninowii)、栾树(Koelreuteria paniculataLaxm)、山榆(Ulmus laevis)、椿树(Ailanthus altissima)以及辽东栎(Quercus liaotungensisKoidz)。天然次生林较多，植被覆盖率较高。

根据实地查考，该流域残存有大量沟坝地。由于当时生产力水平较低，过度垦荒和放牧，破坏了流域内植被，打破了山区本身脆弱的生态系统平衡。在外来干扰的作用下，生态系统迅速恶化，水土流失严重，增大了泥石流的发生。流域内采石现象普遍存在，所以极易发生泥石流。

2 研究方法

泥石流体中固体颗粒的组成受源地土体级配的控制，经流体搬运后，它又与流体性质和沉积环境有关。泥石流体夹带固体物质的组成特性反映泥沙的运动方式和动力条件，因而近几十年来常用以作为研究沉积物的一种方法［4］。选取泥石流堆积区的典型部位，分为上游、中游和下游各20组，通过挖圆形探坑，取出全部颗粒。将颗粒直径大于10mm的大颗粒塞出，称量。将剩余颗粒1 kg左右带回实验室分析。砾石的调查，在沟道内随机选取一定数量的砾石进行不同长度和倾向调查并记录数据。在实验室内，进行颗粒的粒度构成分析，主要采用的方法有福克和沃德的平均粒径、分选系数、偏度、峰度等。

1)平均粒径。平均粒径比中值能更准确地反映碎屑颗粒的集中趋势。采取福克和沃德的平均粒径表达式

式中：M为平均粒径;φ16、φ50、φ84分别是质量比例为16%、50%、84%所对应的粒径。

1934牛克鲁宾(Krumbcin)将伍登—温特华斯的粒级划分转化为φ值，即将2的几何级数制标度转化为中值标度，其转换公式

式中：D为颗粒的直径，其中D=2n，log2D=n，所以φ =-n［5］。

2)分选系数。表示分选程度的参数。它表示颗粒大小的均匀程度。分选系数反映粒度的分选状况，它和平均粒径一样，矩值的测定值愈多，计算出来的分选系数愈精确，则愈能正确地反映固体颗粒的分选状况。分选系数愈小，分选度愈好，分选系数愈大，则相反［6］。采用由福克和沃德提出的标准偏差公式［7］

式中：δ为分选系数;φ5和φ95分别是质量比例为5%和95%所对应的粒径。规定分选级别的标准为：分选极好(＜0.35)，分选好(0.35～0.50)，分选较好(0.50～0.71)，分选中等(0.71～1.00)，分选较差(1.00～2.00)，分选差(2.00～4.00)，分选极差(＞4.00)。

夹杂洪水(δ=0.994)和稀性泥石流(δ=1.41)分选度较差，而黏性泥石流体的分选度(δ为4.28～4.5)属于分选极差或毫无分选。黏性泥石流与其堆积物样品(δ=4.05)及形成区样品(δ=4.4)的值相似。这与黏性泥石流体中固体物质搬运距离短、堆积速度快、呈整体流动有关。所以分选系数常被作为反映泥石流搬运过程和堆积状态的指标［8］。

3)偏度。偏度用来判别粒度分布的不对称程度。采用福克和沃德的偏度公式

式中K为峰度值。

峰值的等级界限为：很平坦(＜0.67)，平坦(0.67～0.9)，中等(正态)(0.90～1.11)，尖锐(1.11～1.56)，很尖锐(1.56～3.00)，非常尖锐(＞3.00)。

3 结果与分析

式中：S为偏度;φ50是质量比例为50%时的粒径。

等级界限分为五级：很负偏态(-1～-0.3)，负偏态(-0.3～-0.1)，近于对称(-0.1～0.1)，正偏态(0.1～0.3)，很正偏态(0.3～1)。

4)峰度(尖度)。峰度是用来衡量粒度频率曲线尖锐程度的，也就是度量粒度分布的中部与两尾端的展形之比。采用福克和沃德提出的峰度公式

3.1 堆积物砾石性状

王虎沟泥石流堆积物位于王虎沟村泥石流遗址下方，其部分表面已经经过人类改造，建有牛棚和菜地，下部分泥石流堆积物保留完好。王虎沟堆积物呈舌状堆积，堆积物中心轴总长43m，最宽处8m。坡度比较均一，约11°。堆积物的主要成分为砾石和含有黏性成分的物质。在堆积物中，主要由砾石构成堆积物的骨架，而含有黏性成分的颗粒夹杂在砾石的中间。砾石的平均粒径为0.515m，最大粒径为1.2m，多数砾石的磨圆度在0.3左右。鉴于上述情况，王虎沟堆积物属于黏性泥石流堆积。

3.2 堆积物粒度特征

堆积物尾部保留有完好的堆积物，因以此处为采样点做粒度分析;另外，为了分析整个流域的颗粒分布变化，分别在流域上游、中游选取坡面堆积物进行粒度分析。因此，王虎沟流域采样点为3个，分别位于上游、中游和下游泥石流堆积区。王虎沟流域上游、中游和下游采样点泥石流堆积区堆积物颗粒粒度分析如表1所示。

表1 王虎沟堆积物颗粒粒度分析Tab．1 Size analysis of grains of deposits in Wanghugou Gully

堆积物中颗粒平均粒径在上游、中游和下游分别为0.419、0.907和0.571，其中中游最小，下游略大于中游，而上游最大。堆积物的平均粒径从上游到中游变化趋势表现为大—小，这一变化反映了从上游到中游水流作用逐渐增强的特点，而平均粒径从上游到下游变化趋势表现为大—小—大，反映了从上游到下游泥石流固体物质搬运的特点。

在自然环境中，很多因素影响着颗粒的平均粒径，其中植被、降雨等自然地理状况影响的程度最大。因为上游处在流域的源头(即水流汇流区)，中游处在流域的流通处(即水流流通区)，水流对堆积物颗粒的作用要比上游大，而下游处在流域的尾端即堆积区，所以中游的平均粒径最小，下游的平均粒径要大于中游，而上游的最大。

表1可以看出：在整个流域中上游的分选系数为2.209(在2.00～4.00之间)，表现为分选差的特点，而中游和下游的分选系数分别为2.040和2.555，全部和上游一样表现为分选差的特点。由此可见整个流域的分选系数全部集中在2.040～2.555之间，反映了河流地貌颗粒分选较差的特点。整个流域中上游为以侵蚀作用为主的地段，中游为以沉积作用为主的地段，而下游为以堆积作用为主的地段。整个流域中中游泥石流堆积区的分选最好，其次是上游，下游的分选最差，这表明在泥石流形成过程中，不断有其他物源加入其中，这就造成了泥石流堆积物颗粒分选系数差的特点。

表1中上游颗粒粒径的偏度为-0.100，中游颗粒粒径的偏度为0.030，而下游颗粒粒径的偏度为-0.187;由此可以得出：上游和中游堆积区比下游更趋向于对称，而下游堆积物比上游和中游更趋向负偏。

上游堆积峰度为 0.857，中游堆积峰度为0.731，而下游堆积峰度为0.918。上游峰度值比中游峰度值大，而中游峰度值比下游峰度值小。通过数据可以得出，上中下游堆积区基本上趋向于正态。

图1为上中下游堆积区的颗粒频率曲线，流域各处堆积物频率曲线为多峰度曲线。在流域上游、中游和下游，随着颗粒粒径的由小变大，土质量比基本是由小变大再变小的趋势。在上游中，当颗粒粒径为 0.25mm时，土质量比达到最大值，为29.08%，当颗粒粒径分别为0.005mm和10mm时，土质量比达到最小值，为0;在中游中，当颗粒粒径为0.5mm时，土质量比达到最大值，为22.54%，当颗粒粒径分别为0.005mm、5mm和10mm时，土质量比达到最小值，为0;在下游中，当颗粒粒径为0.1mm时，土质量比达到最大值，为22.64%，当颗粒粒径为0.005时，土质量比达到最小值，为0。

图1 王虎沟堆积物的颗粒分布Fig．1 Grain distribution of the deposit in Wanghugou Gully

图2为上中下游的颗粒累积曲线。随着颗粒粒径由小变大，在上中下游中小于一定颗粒土质量比从大变小，而大于颗粒土质量比则从小变大;因此，粗组分和细组分约分别占50%。

3.3 堆积物地貌演变

王虎沟泥石流堆积物平面形状大体呈舌状。当暴雨或其他自然灾害发生时，引发山体滑坡并携带大量的泥沙以及石块倾斜而下，形成泥石流。泥石流到达山谷底部逐渐堆积，形成堆积区。当西白莲峪主沟形成洪水，与王虎沟泥石流相遇时，洪水改变王虎沟泥石流的堆积走向，使其向西白莲峪主沟方向发生偏移。泥石流堆积物大量堆积在西白莲峪主河道内和泥石流的支沟内，造成河道堵塞，改变堆积区内堆积物的地貌特征。

图2 王虎沟堆积物的颗粒累积曲线Fig．2 Accumulative curves of grain composition of deposit in Wanghugou Gully

4 结论

1)整个流域中，中游颗粒平均粒径最小，下游略大于中游，而上游最大。从整个流域上游到中游主要是水流的冲击作用，而从中游到下游主要是泥石流的堆积作用，泥石流堆积区主要集中在流域的下游，这样也改变了整条流域主要的水流方向，对下游村民的生活生产带来很大影响。

2)整个流域的分选系数全部集中在2.040～2.555之间，反映了河流地貌颗粒分选较差的特点。在整个流域中上游为以侵蚀作用为主的地段，中游为以沉积作用为主的地段，而下游为以堆积作用为主的地段。在泥石流形成过程中，不断有其他物源加入其中，这就造成了泥石流堆积区内堆积物颗粒分选系数差的特点。

3)上游和中游堆积区比下游更趋向于对称，而下游堆积物比上游和中游更趋向负偏。表明上游和中游堆积区中颗粒分布比较均匀，也就是在上游和中游水流更加平稳，而下游堆积区中的颗粒分布比较散乱，更易形成泥石流的堆积。

4)上游峰度值比中游峰度值大，而中游峰度值比下游峰度值小。通过数据可以得出，上中下游堆积区基本上趋向于正态，从上游到中游再到下游，堆积区中颗粒从平坦到尖锐，同样表明下游比上、中游更易形成泥石流的堆积，对河道的走势造成一定的影响。

5 参考文献

［1］熊黑钢，崔之久.论泥石流沉积与环境［J］.山地研究，1991，9(1)：7-13

［2］卫宏，靳晓光，王卫，等.泥石流堆积物的结构维数及其地质意义［J］.中国地质灾害与防治学报，2000，11(3)：1-10

［3］谢小立，熊泽海.长江中游丘岗农业水资源态势与管理方略［J］.农业生态环境，1999，15(3)：14-16

［4］王裕宜，唐钱登，严壁玉，等.泥石流体结构和流变特性［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2004，6(1)：16

［5］赵澄林，朱筱敏.沉积岩学［M］.北京：石油工业出版社，2001：48-49

［6］崔之久.初探泥石流及其扇形地的沉积类型宏观特征与形成机制［J］.沉积学报，1986，4(2)：59-79

［7］Folk R L，Ward W C.A study in the signification of grain size parameuters［J］.J Sedim Petro，1957，27：3-27

［8］王裕宜，詹钱登，严璧玉.泥石流体结构和流变特性［M］.长沙：湖南科学技术出版社，2001：22

Granularity parameter of debris flow deposit in Wanghugou Gully，Beijing City

Li Bai，Gao Jiarong，Hu Fengbing，Cui Qiang，Yang Qilin，Wang Yue

(Key Lab.of Soil＆ Water Conservation and Dersertification Combating of theministry of Education，Beijing Forestry University，100083，Beijing，China)

Based on field investigation and laboratory experiment，using average radius，sorting coefficient，tolerance，peak etc.，partical size of Wanghugou debris flow were analyzed.Results show that themean grain diameter in up，middle and down streams changed from large to small and then to large.The particles in whole gully had poor sorting property.In up and down stream，the skewness of the particle size tends to bemore symmetrical than inmiddle stream.The peak values of up，middle，and down stream changed from large to small and to large again.It can be concluded if this area encounters heavy rain fall，debris flow would highly likely to happen，which will bring huge impact on daily work and life of local people.

debris flow;deposit;parameter of granularity;Beijingmountain area

2011-02-13

2011-06-02

水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室开放课题基金项目“北京山区泥石流灾害评价与防治措施研究”(201008)

李柏(1986—)，男，硕士研究生。主要研究方向：山地灾害防治工程。E-mail：33126421@qq.com

†责任作者简介：高甲荣(1963—)，男，教授。主要研究方向：水土保持。E-mail：jiaronggao@sohu.com

(责任编辑：程 云)