汶川地震驱动的灾害链对岷江上游输沙量的影响

丁海容, 李 勇, 闫 亮, 颜照坤, 赵国华, 马 超

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059; 2.四川大学 水利水电学院,成都610065)

汶川地震驱动的灾害链对岷江上游输沙量的影响

丁海容1,2, 李 勇1, 闫 亮1, 颜照坤1, 赵国华1, 马 超1

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),成都 610059; 2.四川大学 水利水电学院,成都610065)

2008年5月12日龙门山汶川8.0级特大地震对地表产生强烈震动和破坏，引发了大量崩塌滑坡灾害。震后伴随强降雨天气，山洪泥石流灾害频发，显示了地震及震后洪水的灾害链：地震-崩塌、滑坡、泥石流-堰塞湖-溃决洪水。作者采用岷江上游紫坪铺水文站1980～2007年的输沙量数据以及岷江上游21个雨量站的降雨资料，探讨了岷江上游降水量-输沙量的相关关系，分析了输沙量的变化趋势；在此基础上，分析了汶川地震后4年时间该流域频发的特大暴雨对河流输沙量增加的作用，探讨了汶川地震驱动的灾害链对输沙量的控制因素。结果表明，强降水是震后输沙量增多的诱发因素；坡度对输沙量的变化具有控制作用；汶川地震的同震作用和地震断裂带的控制作用是导致河流输沙量增加的重要因素；汶川地震后植被覆盖率降低、水土流失加剧是河流输沙量增加的重要条件。

汶川地震；岷江上游；暴雨；输沙量

汶川地震导致山体破碎、岩石松动, 崩塌、滑坡增加，堆积在沟谷里的松散固体物源也增多，在极端气候所造成的局地短时强降雨作用下，泥石流频发。泥石流入河阻断河流形成堰塞湖，堰塞坝溃决形成山洪灾害，同时河流中输沙量迅猛增加。地震直接诱发的山地灾害形成灾害链: 崩塌、滑坡→泥石流→堰塞湖→溃决洪水(泥石流)[1]。根据灾害链的逻辑关系，可以认为地震作用导致河流输沙量增加。汶川地震后，众多专家对地震-滑坡-泥石流-山洪等灾害链展开了大量研究，如王兆印等指出，地震滑坡及随后发生的泥石流等次生灾害过程对流域产沙量会产生显著影响, 而且这种影响至少持续100 a[2]。曹叔尤等指出，在未来10年内汶川地震区滑坡、泥石流将处于高度活跃期，各流域的产沙量将有明显的增加，并认为河流的泥沙输移量随地震震级的增加而增加[3]。日本学者DHANIO Laurentia等人根据2004年3月26日发生在印尼的山地灾害相关资料,定量研究了因山体发生崩塌、滑坡,对流域输沙量的影响，其结论是:山地灾害的发生,改变了流域的径流泥沙运动形态，不仅造成河流的泥沙大量沉积,且崩塌前径流深度为降水量的60% ,而崩塌后下降到45%，浑浊度比崩塌前提高了400倍[4]。日本关东地震、台湾集集地震[5,6]和汶川地震[7,8]都表明:强震过后一段时间内，泥石流的数目、规模和频率会大幅度增加，泥石流的激发雨量显著降低，河流输沙量显著增加。这些研究成果从定性、定量的角度都说明:强震引发了大面积、数量众多的滑坡崩塌滚石等地质灾害，而这些灾害产生的大量松散物质为泥石流提供了丰富的物源；地震后，一旦遭遇强降雨天气，必然再次引发滑坡、泥石流等次生灾害，同时导致河流中输沙量迅猛增加。但是，对于2008年汶川地震后，输沙量到底增加了多少？导致输沙量增加的主要因素有哪些？这些问题目前还没有一个明确的回答。由于河流输沙量与地质、地貌、气候，特别是暴雨关系密切，因素复杂，涉及的问题众多，因此，本文在前人研究的基础上，分析汶川地震的同震作用对输沙量的控制因素，以期为灾后重建工作提供科学依据，也为流域综合规划等工作提供参考。

1 岷江上游的水文特征

岷江流域发源于岷山南麓，是长江上游的一级支流，以岷山为分水岭，分别流经岷山的东西两侧，横切龙门山构造带，进入四川盆地，为青藏高原东缘的贯通型河流(图1)。岷江在都江堰以上称为岷江上游, 位于龙门山、岷山等一系列山脉与四川盆地之间组成的青藏高原东缘地形陡变带内。该区域内新构造活动强烈，是地震多发区。岷江不仅是青藏高原东缘龙门山区最大的河流, 而且也是成都平原最大的补给区。岷江上游属于典型的山区河流，呈现出山高、谷深、坡陡、水急的河谷地貌，总趋势为西高东低, 横跨中国东西第一大地势台阶, 呈南北宽、东西窄的袋状。岷江上游的河流长度340 km，流域面积约为23 000 km2，河道平均比降为7.5‰，左右岸面积极不对称, 流域面积不对称系数达1.21。岷江上游河谷剖面表现为下部“V”型和上部宽坡型的深切河谷，海拔高度在 700～6 253 m 之间，主干河道流向为由北向南, 在汶川南侧向东南横切九顶山之后, 流入成都平原。该流域地处中国东部季风湿润区和青藏高原高寒区的过渡地带,年平均降水500～850 mm，雨季为5～10月份，雨季的降水量占年降水量的75%以上，该流域主要位于四川盆地北部的鹿头山暴雨区(图1)；多年平均径流量为14.4×109m3,丰水期5～10月份占全年径流的75% , 而枯水期11月份-次年4月份仅占全年的25%；多年平均输沙量为708×104t。该流域范围含盖了四川省的汶川、理县、黑水、茂县、松潘五县，它是成都平原的水源地,也是长江的重要支流。

图1 岷江上游水系及降水量图

2 降水量与输沙量相关性分析

本文采用的水文资料为1980～2007年紫坪铺水文站的输沙量数据；所采用的降水量资料为该流域1982～2007年间松潘、黑水、杂谷脑、渔子溪、寿溪、米亚罗、杂谷脑、三打古、花红树等21个雨量站的降水量数据。应用Excel 软件，对该流域的降水量、输沙量统计数据进行整合，建立降水量-输沙量的相关关系，分析其相关性。

2.1 降水量与输沙量的变化趋势分析

紫坪铺水文站在1980～2007年的平均年降水量为1 201 mm。其中最小值出现在2007年，为763 mm；最大值出现在1990年，为1 805 mm。降水量出现峰值的频率为2～4 a，如1981、1983、1990、1992、1995、2001年都出现了降水量峰值。统计结果表明，自1980年以来降水量总体呈下降趋势，到2007年减少了约300 mm，约占多年平均降水量的25%。降水量的年际变差系数为0.18(图2)。

岷江上游(紫坪铺水文站)1980～2007年平均年输沙量为7.0443×106t。其中最大值出现在1992年，为9×106t，最小值出现在2002年，为5.625×106t。其年际变差系数为0.14。输沙量总体呈下降趋势，从1980年至2007年减少了约0.32×106t，占多年平均输沙量的4.5%(图2)。

图2 1980～2007年岷江上游降水量与输沙量变化趋势

2.2 降水量与输沙量的季节性变化

岷江上游流域内的降水量与输沙量在季节上的变化趋势较一致(图3)，说明输沙量的季节变化受降水量影响较大。输沙量的年内分配比降水量的年内分配集中,岷江上游流域6～8月份的输沙量占全年的70%～90%以上,统计的21个雨量站暴雨日数有80 %以上集中在6～10月份,所以,该流域输沙量集中在6～8月份的这个特点主要是因暴雨年内分配的集中所致。特殊年份,年输沙量甚至集中在一两场暴雨期间。

图3 岷江上游紫坪埔站月均降水量与输沙量季节变化图

2.3 降水量与输沙量的相关性分析

通过对岷江上游(紫坪铺站)年降水量与输沙量的相关分析(图4)表明，二者相关系数为R=0.571，显示岷江上游的年降水量与年输沙量变化具有一致性，降水量与输沙量的相关关系式为y=0.266x+359.15。表明岷江上游输沙量主要受到降水的控制，随着降水量的增加，河流的输沙量也相应增加。岷江上游的暴雨洪水是导致输沙量增加的主要因素，且年输沙量受控于年降水量的变化。

2.4 汶川地震前后降水量与输沙量变化的对比分析

汶川地震发生至今已经历了4个雨季，震后强降雨天气增多，特别是在主汛期(6～9月份)。如2010年该流域的降水量达到2 545.8 mm,远远高于地震前的多年平均降雨量；8月份降水量更是达到507.2 mm,较往年平均值大239 mm(图5)。2010年“8·13”、“8·18”强降雨由于地域、时间、雨量都很集中，因此强度特别大，给震区带来巨大灾难。

图4 岷江上游年降水量与输沙量之间的相关关系

图5 汶川地震前后岷江上游降水量对比

从2000～2008年，即汶川地震前，该流域的年输沙量没有大的变化。2008年年输沙量为9.0571×106t,比地震前的多年平均输沙量增加了27.56%；2009年的年输沙量为8.0805×106t，比地震前的年均输沙量增加了13.8%(图6)。尽管2008年、2009年岷江上游流域没有发生大洪水、泥石流等灾害，但其输沙量较多年平均值增加30%左右。值得注意的是2010年的年输沙量为12.3919×106t，是地震前多年平均输沙量的1.75倍。输沙量显著增加的原因主要是在2010年该流域暴发了“8·13”和“8·18”特大洪水、泥石流，大量松散固体物质以泥石流的形式输移到河流中，仅在2010年8月份输沙量就占全年总输沙量的58.55%。由此可知，汶川地震后，岷江上游流域输沙量总体增加，增幅达13.8%～70%；但输沙量的增幅也处于变化之中，在伴随暴雨泥石流发生的年份，其输沙量迅速增加。此外，输沙量也不是在各月均匀增加，而是在发生暴雨泥石流的月份输沙量增加得大。因此，在汶川地震后，只要出现强降雨天气，河流的输沙量将会迅猛增加。

图6 汶川地震前后岷江上游输沙量对比图

在没有更多汶川地震后泥石流流域输沙量数据的情况下，崔鹏等采用幂函数形式拟合活跃性衰减曲线的稳定界限，计算出岷江干流磨子沟在泥石流活跃期为15～20 a时，其输出的固体物质量约为地震前的1.8～2.4倍[9]。这也证明汶川地震后，在出现强降雨的年份，河流的输沙量成倍增加。

3 汶川地震后输沙量增加的控制因素分析

通过对比汶川地震前后岷江上游输沙量的变化表明，该流域的输沙量主要集中在6～8月份，且这一时期正是该流域暴雨的多发期。而在特殊年份, 年输沙量甚至集中在一两场暴雨期间。这一特征在汶川地震后表现得更为显著。

3.1 汶川震后岷江上游主要暴雨事件

汶川大地震发生至今已4年多，经历了4个雨季，极端天气频发，多地出现历史罕见的大暴雨，因地震形成的固体松散物、堆积物非常丰富，若遇强降雨，极易暴发泥石流灾害。2010年“8·13”和“8·18”、2012年“8·17”，岷江上游流域相继遭遇了特大暴雨袭击(图7、表1)。根据映秀镇气象台的实测数据，2010年8月12日映秀镇当日累计降雨量为19.9 mm；13日累计降雨量为126.8 mm，最大雨强为32.2 mm/h；14日累计降雨量为23.4 mm，前期降雨量总计达162.1 mm。当最大雨强为16.4 mm/h时，在红椿沟暴发了山洪泥石流[10]，泥石流总量为71.1×104m3，其中冲出G213国道以下形成壅塞体的堆积物体积为0.397×106m3[11]。

2010年8月13日都江堰市龙池镇遭遇强降雨，据龙池镇查关村气象站降水资料(图7、图8)显示，从13 日到14 日，总降雨量达到156.9 mm，最大雨强达75.0 mm/h，大约在16:00 时暴发大规模泥石流，17:40时泥石流转为洪水流。此外，从18日到19日，总降雨量达到252.2 mm，最大雨强达69.0 mm/h，大约在20:00时暴发山洪泥石流[12]，泥石流洪峰量达1 082 m3/s，泥石流总量为2.23×106m3[13]，其中冲入河的泥石流体积为1.165×106m3。此次震后山洪导致近800人被困，造成1人死亡、12人失踪,137间房屋倒塌或损毁。

2012年8月龙门山一带遭遇强降雨天气，截止到8月20日，全四川省共计99个加密雨量站点出现暴雨过程，55个加密雨量站点出现大暴雨，而“短时强度大”更是此次暴雨天气过程的特点[14]。据报道， 8月17日，都江堰联合村24 h雨量达231.7 mm； 8月18日都江堰泰安村的雨量最大，达到106 mm； 8月19日，都江堰玉堂镇24 h雨量达282.6 mm,龙池茶观村24 h雨量达252.3 mm。暴雨导致从紫坪埔至龙池的必经之路白沙大桥受损，靠近都江堰方向的桥面塌陷成”V”字形，致使都江堰至虹口的道路中断，都江堰城区出现内涝，虹口漂流船冲进市区。“8·17”这次暴雨是2012年以来最强的区域性暴雨、大暴雨天气。相比历史资料来看，2012年算是近几年来强降雨较为频繁的年份。从2012年1月1日至8月19日的成都市总降水量已达819.8 mm，而成都市全年总降水量的多年平均值为986.1 mm，即前8个月的降雨量已达到往年全年的降雨量[15]。

表1 岷江上游震后暴雨、泥石流统计

3.2 汶川地震后输沙量增加的成因及特征分析

河流中的泥沙为流域侵蚀和河道冲刷的产物，且以前者为主。岷江上游流域地处中国东部季风湿润区和青藏高原高寒区的过渡地带，该流域输沙量的变化,主要是由该流域所处的特殊自然地理环境和地形地貌等因素的综合影响所致；强降雨天气、地震破裂带与强降雨带的分布、植被覆盖率的减少等因素对输沙量的增加都具有控制作用，并表现出以下特征。

a.强降水是震后输沙量增多的诱发因素。岷江上游流域是位于龙门山中段的山区河流，该流域的强降雨带位于鹿头山暴雨区，强降雨带主要受到地形雨的控制。汶川地震驱动的隆升作用导致山脉升高，从而使得地形雨效应更加明显，大暴雨更为频繁。如2010年8月该流域接连遭遇了暴雨袭击，在8月13～19日期间，都江堰龙池镇分别遭遇了廿年一遇、十年一遇的强降雨，暴雨冲垮山石，形成高速泥石流汇流，从而导致河流输沙量在一两场大暴雨期间迅速增加[11]。

b.坡度对输沙量变化具有控制作用。岷江上游流域属于典型的山区河流，流域内山高坡陡, 河谷狭窄, 河流纵比降较大, 陡峻的地势为势能转化为动能提供了有利条件。受汶川地震同震作用的影响，该流域坡度发生了变化。据李勇等研究表明，汶川地震驱动的隆升作用使得龙门山地区河床梯度剖面的坡度增加了0.1‰～1‰，导致龙门山地区河床梯度总体变陡[16]。由于流域的坡度等地形因素对侵蚀或泥沙数量有着显著的影响，Fournier利用分布在全世界不同地区的78处汇水流域的资料建立了推算年侵蚀模数经验公式[17]

式中:S为年侵蚀模数；X湿为最湿月的降水量；X年为年降水量；h为流域内单位面积上的平均高差；α为流域的平均坡度。根据此公式，假设降水不变的条件下，该流域的输沙量与坡度具有线性关系。岷江上游流域坡度增加，年侵蚀模数也增加。该流域的输沙量受到坡度的控制作用。

图7 2010年8月中旬地震灾区暴雨、泥石流分布图

图8 都江堰市龙池镇“8·13”和“8·18”降雨过程

c.植被是控制水土流失的重要因子,也是影响侵蚀或输沙量的另一重要因素。植被越茂密，地表遭受的侵蚀就越微弱，泥沙数量就越少。反之，植被越稀疏，地表遭受的侵蚀就越强烈，泥沙数量就越多[17]。2008年汶川地震引发的崩塌、滑坡、泥石流等次生灾害造成受灾地区林地垮塌、林木倒伏、林木毁损的情况十分严重。据初步估计,岷江上游林地毁损89 326.31 hm2,毁损良种基地346.77 hm2[18]。一些处于地震核心区的森林覆盖率损失面积都在20%以上，植被覆盖率与山洪成正比例变化[19]，植被覆盖率下降的直接影响就是山洪发生频率增加。此外,汶川地震后新生的水土流失量明显大于震前的水土流失量。其中平均土壤侵蚀模数由震前的3703 t/(km2·a)增加到震后的4 604 t/(km2·a)[20],地震前后的土壤侵蚀强度的增幅达25%。震前年均土壤侵蚀量达0.498×109t，震后年均土壤侵蚀量达0.687×109t(未计入滑坡、堰塞湖等次生地质灾害的流失量)，土壤侵蚀量增加，导致洪水含沙量增多。以上资料表明，汶川地震造成了森林涵养水源的能效下降，水土流失加剧，河流的输沙量在震后迅猛增加。

d.汶川地震的同震作用和地震断裂带的控制作用是导致河流输沙量增加的重要因素。汶川地震的同震作用导致山体破碎、崩塌、滑坡增多，堆积在沟谷的松散固体物源增多。岷江上游位于龙门山地震频发区，该流域的强降雨带与映秀-北川发震断裂带基本重合[16]，地震断裂带控制了崩塌、滑坡及松散固体物质的分布及范围，在其他条件(坡度、植被覆盖率、气温条件等)不变的情况下，由于可被带入河道的物质增多，在同样降雨条件下，河流的输沙量也将呈现增加的趋势。

4 结 论

通过分析岷江上游降水量-输沙量之间的相关性，重点探讨了该流域2010年 “8·13”和“8·18”、2012年“8·17”典型暴雨事件的发育情况，结果表明，汶川地震对岷江上游输沙量的控制因素主要表现为：①强降水是震后输沙量增多的诱发因素；②坡度对输沙量的变化具有控制作用；③汶川地震的同震作用和地震断裂带的控制作用是导致河流输沙量增加的重要因素；④汶川地震后植被覆盖率降低、水土流失加剧是河流输沙量增加的重要条件。

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InfluencesofdisasterchaindrivenbyWenchuanearthquakeonsedimentdischargeinupperreachesofMinjiangriver,Sichuan,China

DING Hai-rong1,2, LI Yong1, YAN Liang1, YAN Zhao-kun1, ZHAO Guo-hua1, MA Chao1

1.StateKeyLaboratoryGeohazardPreventionandGeoenvironmentProtection,ChengduUniversityofTechnology,Chengdu610059,China;2.CollegeofWaterResourceandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China

Ms.8.0 earthquake hit Wenchuan of Longmen Mountain zone in China on May 12, 2008. It caused strong vibration and destruction for the ground surface. With the action of the post-seismic heavy rain, flash floods and debris flows happened frequently. This shows the post-seismic disaster chain: earthquake-collapse, landslide, debris flows-dammed lake-outburst flood. Based on the sediment discharge data of the Zipingpu hydrological station from 1980 to 2007 and the rainfall data of 21 rain-gauge stations in the upper reaches of the Minjiang river, this paper explores the relationship between the rainfall and the sediment discharge in the zone and analyses the change trend. Furthermore, it researches the effect of the frequent heavy rain on the sediment discharge in the 4 years after the Wenchuan Earthquake and analyses the controlling factors. The results show that the heavy rainfall is the inducing factor which leads to increase of the sediment discharge after the earthquake, the slope controls the change of the sediment discharge, the coseismic effect and the controlling effect of the earthquake fault zone are the important factors to induce the increment of sediment discharge, and the decreasing vegetation coverage and aggravating soil erosion after the earthquake are the important prerequisites to lead to the increment of the sediment discharge.

Wenchuan earthquake; upper reaches; Minjiang river; rainstorm; sediment discharge

10.3969/j.issn.1671-9727.2013.06.11

1671-9727(2013)06-0712-09

TV142

A

2013-01-08

国家自然科学基金资助项目(41172162)

丁海容(1978-),女,博士,讲师,主要研究方向:水文学及水资源, E-mail:dinghairong@cdut.cn。