九寨沟白河正沟泥石流的侵蚀淤积及其防治

龚成会，陈又麟

(核工业西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610061)

白河正沟位于九寨沟县西北部，距九寨沟县城约17 km。正沟系典型的冰川侵蚀，冰碛物堆积形成的高山湖泊，池面海拔1210 m，九环线从沟口通过，是进入九寨景区的重要通道。近年来正沟主要水源来自上游主要支沟(小冬沟、大冬沟、马路沟)，泥石流暴发频繁，携带上游源区的大量泥沙进入正沟，在正沟下游形成了一个泥沙淤积区，这使得正沟堆积线在1964～2009 m，降低了旅游景区的质量，而且进一步威胁着下游居民的财产安全。为了拯救正沟，有必要对正沟泥石流的侵蚀淤积及其防治问题加以研究。

白河正沟的泥石流是一个典型的冰川和降雨的混合类型，十分独特，其淤积的历史较长，淤积的结果十分清楚，并且有直接观测的泥石流资料，可以成为该类泥石流研究的典范，具有一定的研究意义。本文即对正沟泥石流的特征、泥石流导致的侵蚀与淤积的泥沙数量、泥石流可能的发展趋势和相应的防治对策进行研究。

1 正沟上游流域概况

正沟上游区域是正沟泥沙来源的重要区域，其海拔1200～4540 m，流域地势南高北低，整个流域的水系发育，其走向为南北向，上游共发育3个支沟，各支沟(主要有小冬沟、大冬沟、马路沟)水源主要为冰雪融水和地表降雨，地貌参数参见表1。

正沟上游源区博格达峰山地由于强烈的刨蚀、侵蚀切割，形成沟壑纵横、群峰林立的山岳地貌。正沟上游(特别在海拔3500 m 以上的高山带)冰川地貌广泛分布(有冰川、角峰、仞脊、石海、石河、倒石锥等)。整个上游地区拥有冰川928.6×104m2。正沟上游流域的地势南高北低，各次一级小流域的形态多为长条形。主要的水源有冰雪融水和大气降水，前者形成沟道的基础径流。按泥石流形成过程划分，各流域都可明显地划分为泥石流清水区、形成流通区和堆积区。

本区地层岩性主要为二叠系、三叠系和侏罗系的辉岩、安山岩，并含有少量的玄武岩及硅质岩。由于上游泥石流(也包含一些山洪)的长期堆积，在正沟形成一个大面积的堆积扇，该堆积扇为北西～南东走向，扇长约2528 m，平均纵比降为32.83‰，面积约为0.749 km2，堆积区内最高点海拔1288 m，池面海拔1210 m，相对高差78 m，其形状为两端窄，中部略鼓，顶部较扇缘比降大，宽度小。堆积区表面河床不稳定，其顶部位与大冬沟的交汇处。

表1 正沟上游各支沟地形地貌参数

工作区内人口密度高，在正沟内共615 户人家，3017人，这些人主要从事牧业和旅游业。

2 正沟上游典型的泥石流特征

正沟上游各支沟常年都有径流，随着雨季(5月～8月)的来临，正沟上游经常有泥石流发生。依据正沟附近水文站资料和对当地居民调访可知，近几十年来正沟上游明显的泥石流共有5 次，其时间分别为1966年7月、1985年7月、1987年7月、1992年夏、1996年7月20日上午。由于以前的泥石流留下的痕迹有限，难以调查，考察时所见的主要是1996年泥石流留下的痕迹，故仅以1996年泥石流的特征进行深入的调查和研究，以便说明本区泥石流的基本特征。

2.1 泥石流暴发的降雨激发条件

据调查，1996年7月20日正沟上游泥石流的暴发是由降雨的作用所引起。

2.2 正沟上游1996年泥石流流速、流量

泥石流流速、流量是泥石流的重要特征参数值，并成为泥石流调查研究的重点内容之一。目前其估算的方法较多，最准确的方法是通过直接观测测量，如1980年美国对圣海伦火山泥石流流量的直接观测，中国滇东北蒋家沟泥石流的观测测量。然而大部分泥石流是无法观测的，对其流速、流量的估算可通过断面的测量，在经验的模型基础上加以计算。目前传统经典的满宁公式应用广泛，在中国，在传统的经典公式基础上，通过观测分析，在修正的基础上，建立了一些流速流量计算模式，并广泛地推广应用。在引用当地水文局的观测资料，获得了洪峰流量到来前的流量过程和流速数据(洪峰到来时断面被毁，无法测定流速流量)，对洪峰流量的获取，主要采用断面测量，并应用我国常用的稀性泥石流流速公式计算流速的基础上获得。

2.2.1 泥石流流速、流量的观测

图1 实测断面1 剖面

针对正沟山洪泥石流暴发的频繁性，当地水文局在现有的2号断面下游约50 m 处建立了一个观测断面，于1994～1996年对流域的流量进行了观测，观测流量的仪器采用旋浆ls－251 型流速仪。该系统观测到了1996年7月18～20日的洪水过程和降雨过程，由于在峰值流量到来之前，整个观测断面被冲毁，遂采用人工方法进行测量，但断面的冲淤变化无法观测。从观测资料可知，当时的最大峰值流量为210 m3/s，该峰值流量出现在20日上午9 时以后，洪峰流量到来之前的实测最大流速为3.22 m/s。由于洪峰到来时的充淤变换无法观测，依据当地的观测人员的经验和泥石流大冲大淤的特点，结合当地气象观测资料和汇流的特征推测目估的流量偏小。因为由于洪峰到来之前断面被冲毁的同时会造成洪水的侵蚀断面增大，如果人们无法观测而沿用原来的断面估算流量，真实的峰值流量过程往往偏小需要调整。

2.2.2 泥石流流速、流量的调查

鉴于1996年泥石流峰值流量无法很好地观测，在2002年的调查中，选择大冬沟和马路沟汇合以后的沟床断面进行测量，该断面与水文局设置的断面基本重合(图1)。该断面控制集水面积104.7 km2，断面控制流域主河道长13.2 km。通过断面面积、比降和洪痕等要素的测量，估算当时的流速和流量。

2.2.2.1 流速的计算

中国的泥石流研究者通过大量的泥石流野外观测与实践提出了一系列稀性泥石流流速计算模式，常用的如从我国泥石流最多的西南山区总结出的计算公式［13］。

式中:Vc为泥石流断面平均流速(m/s);Mc为泥石流沟糙率系数;Ic为泥石流水力坡度，一般可用河床纵坡代替，无量纲;R为断面的水力半径，用泥石流的泥深代替(m);ρc为泥石流流体的容重;ρw为水体的容重;ρs为泥石流固体物质的容重。

该沟沟道平直，沟床由大量粗大卵砾石组成，河槽阻塞轻微，河底降落均匀，泥石流的泥深约2 m，依据《中国泥石流》，此类沟床的糙率系数大于9.8，取10。实地估算的泥石流容重为1.4 g/cm3，固体物质的容重取2.65 g/cm3，水体容重取1 g/cm3，通过对泥深和沟床比降的实际测量可以计算泥石流的流速(表2)。计算结果泥石流的流速为2.87 m/s，该数值小于在实际断面观测的最大值。这主要是由于当时观测的断面的位置和笔者测量的断面位置不完全相同、比降不同的缘故。

表2 主沟1号断面流速计算结果表

2.2.2.2 最大流量的计算

主沟1996年发生的大型泥石流洪痕保留良好，在主沟选择一断面测量调查典型洪痕，根据已有的模型计算的流速和实际测量的断面面积，计算泥石流流量。

经计算，泥石流的最大峰值流量为290 m3/s。

综合分析，流量取290 m3/s 作为1996年泥石流的峰值流量，并确定1996年暴发的泥石流为百年一遇的稀性泥石流。

2.2.2.3 泥石流的汇流过程

取泥石流的观测断面所测量的数据，以观测和目测的数据为基础，通过形态调查法对峰值流量进行修正调整，得出1996年7月19日～21日的泥石流经过断面1 的流量过程，参照1996年修正后的流量过程曲线得出其总径流量为562×104m3，从20日9 时后，取泥石流的容重为1.4 t/m3计，则总输沙量为63.9×104m3。

2.3 泥石流的颗粒组成与容重

在堆积扇上选取多个坑探点，通过取样分析得出泥石流的颗粒组成特征。

通过取样(颗粒不大于100 mm)分析可知，1996年泥石流堆积扇区堆积物为灰黑色砾石土，杂有植物根系，粒径大小较悬殊，砾石多数次磨圆，以砾石为主，砾石含量在50%以上，而粘粒含量极少。依据当地目击者的确认，现场取样配置成当年的泥石流浆体，估测1996年泥石流的容重为1.4 t/m3。

3 正沟泥石流的侵蚀与淤积

1964年以来正沟泥石流的淤积区域在1964年的池岸线以北，这些淤积主要来源于两部分，一部分为源区的松散物质经泥石流的搬运，另一部分为主沟老堆积扇的侵蚀并搬运。前者的数量通过淤积总量和堆积扇侵蚀量之差获得。后者通过地形叠加法，求平均侵蚀厚度和面积计算获得。

3.1 堆积扇侵蚀量的计算

以1964年测定的正沟堆积区地形图为基础，选取多个基准点，将2009年8月所测的该地区1∶1000 的地形图叠加，计算基准点海拔高差，可分析出地形的差异，尤其是沟床比降的差异，进而可估算这45年来侵蚀的厚度。将堆积扇区按地形变化划为4 部分，并求得各段侵蚀区的平均侵蚀厚度及面积，进而分别计算各段的侵蚀量计算结果表明1964～2009年的45年间堆积扇的侵蚀总方量为97.4×104m3。

3.2 扇缘以北区域堆积总量的计算

海拔1915 m 处以北为正沟1971～2003年以来的泥沙淤积区，以1971年和2003年池岸线位置为界，将此区域划为两部分。通过对池岸地形的测量，获取2003年正沟池底地形纵断面，并假设1964年正沟池底地形与2009年的地形有相似轮廓，以此绘出1971年池岸地形纵剖面，再结合2003年池岸地形比降测算两个区域的泥沙平均淤积厚度和面积，进而分别计算各段的淤积量。计算结果表明45年内淤积在1964年和2003年池岸线之间的泥沙总量为136.6×104m3，按照泥石流的颗粒级配，悬移质进入湖底区域，进一步估算出2009年池岸线以内池底的淤积总量为45.9×104m3。

3.3 源区的松散物质经山洪泥石流的搬运总量的计算

正沟自1964年池岸线以北的堆积区泥沙淤积总量减去主沟老堆积扇的侵蚀量，即为源区的松散物质经山洪泥石流的搬运总量，共计85.07×104m3。

由上可知，45年来正沟泥沙淤积的总量为182.5×104m3;正沟上游地区和老堆积扇的侵蚀之比接近1∶1;且堆积中约3/4 的堆积物停积在1964～2009年池岸线之间的新堆积扇上，这个新堆积扇的面积约有0.07 km2(在枯水期可达0.11 km2)，占正沟水面总面积的2.86%。

4 山洪泥石流的成因与趋势

正沟上游泥石流的发生受自然和人为两方面因素的影响，从自然因素分析可知，正沟各支流沟道比降大，且该区域降水集中。近年来由于全球气候的变暖，冰川的退缩，更大面积冰碛物的裸露增大了土源的补给量，短时的高温结合集中的暴雨使得流域径流量极大地增加，1996年7月便出现了百年一遇的特大稀性泥石流。主沟上游有大量的松散固体物质，其种类有残坡积物、沟床堆积的冰碛物，上游有面积达928.6×104m2的冰川。在全球气候变暖的情况下，冰川退缩，较多的松散堆积物裸露，径流冲刷加强，加上地区降雨的作用，水源丰富，在一定的条件下依然会有山洪泥石流的暴发。由于本区上游的生态环境对山洪泥石流的发生具有重要的影响，在生态环境恶化的情况下，山洪泥石流暴发的频率会增加。如果生态能得到有效的恢复和保护，山洪泥石流将会得到有效的控制。

从人为的因素分析，在1977年以前，正沟上游森林遭到砍伐，导致水土涵养能力急剧降低，地表径流和水土流失加剧，这种加剧一直影响到1978年以后生态保护区的建设。近年来随着正沟上游人口增长和畜牧业的发展，现有的牲畜量已经严重超过本区域天然牧场的承载能力，严重的过渡放牧进一步破坏了正沟流域的上游植被。由于草甸带生态退化，导致松散堆积物及不良地质体裸露面积扩大，为山洪泥石流的侵蚀提供了丰富的物源。

5 正沟上游泥石流的防治

造成正沟上游水土流失的根本原因是上游生态环境恶化，涵水能力降低，使得大量松散土质裸露在暴雨之下。上游产生的泥石流进一步侵蚀堆积扇，引起更多的泥沙侵蚀。由于泥石流的泥沙侵蚀，治理正沟宜采用生物措施、工程措施和移民措施相结合的综合治理方法。工程措施即在正沟上游河段上游修建拦沙坝和排导槽，拦沙坝可以拦截上游来的泥沙，而排导槽可以稳定沟床，使老堆积扇免遭进一步的侵蚀。生物措施即在堆积区和上游的泥沙侵蚀严重区逐步进行生态恢复，确保泥沙侵蚀量的逐年减少。生态移民则要解决目前存在的过度放牧问题，使生态得到良性发展，减少流域的泥沙侵蚀。

6 结论

(1)正沟泥石流暴发频繁，其百年一遇稀性泥石流最大峰值流量为290 m3/s，容重为1.4t/m3。

(2)1964年以来，正沟泥石流的淤积区域在1964年的池岸线以北，这些淤积的泥沙和砾石主要来源于两部分，一部分为源区的松散物质经山洪泥石流的搬运，另一部分为主沟老堆积扇的侵蚀搬运。分析计算结果显示1964～2009年的45年间正沟池岸线前进了316 m，泥沙淤积总量达182.5×104m3;来源于正沟上游地区的泥沙占56%，老堆积扇的泥沙侵蚀占44%，堆积中约3/4 的泥沙停留在1964～2009年池岸线之间，形成新的堆积区，这个新堆积区的面积约有0.07 km2(在枯水期可达0.11 km2)，占正沟水面总面积的2.86%。

(3)由于全球气候变暖导致正沟上游冰川退缩，加上局地降雨的作用，以及因过度方面造成的生态环境的退化，将来正沟的泥石流依然会有可能暴发。

(4)正沟泥石流防治宜采用生物措施、工程措施和移民措施相结合的综合治理方法。

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