汶川震后降雨诱发型泥石流特征及成灾机理

杨丰荣，周宏伟，霍 苗，曹 畑，梁煜峰，林珂珂(四川大学水利水电学院，成都 610065)

“5·12”汶川地震导致汶川震区产生大量的崩塌、滑坡体等松散堆积物，为泥石流的发生提供了有利条件，导致震后灾区泥石流频发[1-4]。据“5·12”汶川大地震现场排查汇总结果可知，汶川地震后灾区新增9 000个地质灾害点，这些新增地质灾害点以泥石流、滑坡为主，主要涵盖8个重灾区(江油、旺苍、绵竹、崇州、彭州、都江堰、茂县、广元利州区)和重灾县39个，其中以汶川、北川、青川3个重灾县最为严重，灾害点数量超过500处[4]。

现有的调查和研究分析表明，汶川地震前后，无论是泥石流的数量还是激发雨量都发生了明显的变化。据不完全统计，2008-2012年5年间，汶川震区共爆发泥石流2 333处，约为震前5年间爆发泥石流总数(2003-2007年，共758处)的3倍[6]。唐川等[7]分析了北川区域泥石流震前震后泥石流发生的临界雨量和雨强得出，震后泥石流启动的前期雨量降低了14.8%～22.1%，小时雨强降低25.4%～31.6%。TANG C等[8]对比北川县泥石流爆发的雨量数据表明，震后泥石流爆发的前期累积雨量和激发雨强较震前分别降低了15%～22%和5%～31%。马超等[9]对汶川地震灾区2008-2010年的暴雨泥石流雨量过程进行分析得出34.4 mm是震后短时间内泥石流暴发的特征雨量。

本文针对汶川地震9个地区共37条典型泥石流沟(汶川12条，清平6条，都江堰6条，北川4条，等)降雨诱发型泥石流灾害事件及临近典型泥石流沟地区的13条非泥石流沟的地形资料进行了分析，得到了汶川震后降雨诱发型泥石流的地形、雨量、雨型特征，并结合汶川震后泥石流沟地形特征，物源体结构松散，渗透性大，对降雨敏感性高的基础上，认识了汶川震后降雨诱发型泥石流的诱发特性及成灾机理，力求为泥石流预警预报以及防治等提供参考依据。

1 降雨诱发型泥石流灾害地形特征

汶川地震后，震区内产生大量的山体崩塌滑坡、植被被毁、坡体组成物质异常松散，为震区沟道带来大量的松散物质(泥石流物源体)，并迫使许多处在衰退期的低频泥石流沟转变为高频泥石流沟[10]，小型泥石流沟转变为大型泥石流沟，从未发生泥石流灾害的沟道演变成为泥石流沟[11,12]。从而导致汶川震后泥石流分布密度大，造成的危害十分严重，如震中汶川地区的映秀镇、绵虒镇，北川地区的擂鼓镇、老县城，绵竹市地区的清平乡，距离震中较近的都江堰市龙池镇龙溪河流域(该流域被龙门山前山、后山以及中央断层穿过)以及彭州市龙门山镇白水河流域(该流域处于龙门山断裂带中段与盆山的结合部，被映秀-北川断裂带穿过)[13-18]。为分析泥石流所在沟道的地形特点，选取汶川震后37条典型泥石流沟，临近典型泥石流沟地区的13条非泥石流沟作为代表，具体地形资料见表1、表2。由表1，表2可看出75.68%的典型泥石流沟主沟长度均在2～3km左右，其中宗渠沟最长达11.1 km，茂县的大白杨沟最短仅为0.98 km，而非泥石流沟主沟长度均在14 km以上，即长度较短的沟道易于泥石流的形成。此外，相对于非泥石流沟来说，除太平驿沟与簇头沟外，泥石流沟道流域面积均较小，94.59%在15 km2以下。由此可见汶川震区拥有泥石流形成的天然地形条件。

表1 汶川震区典型泥石流沟地形资料表Tab.1 Wenchuan earthquake zone typical debris flow gully terrain data sheet

表2 汶川震区未发生泥石流沟道地形资料表Tab.2 Wenchuan earthquake zone no debris flow gully terrain data sheet

图1显示了典型泥流沟的沟道流域面积和主沟平均比降。由图1可发现，泥石流沟道流域面积与主沟平均比降基本呈反向相关关系，即沟道平均比降越小，泥石流沟道流域面积越大，沟道平均比降越大，泥石流沟道流域面积越小，这表示沟道流域降雨量与相应沟道比降共同导致了降雨诱发型泥石流的产生。由表2、表3可知，震区内非泥石流沟比降84.61%低于10%，泥石流沟主沟比降72.97%都分布在20%～50%范围内，与四川省泥石流爆发所需的沟床平均比降一般在10%以上[19]一致，其中以40%～50%范围分布密度最大，占总量的27.03%，即汶川震区泥石流沟比降大，利于泥石流的诱发。

2 降雨诱发型泥石流灾害雨量特征

为分析汶川震后降雨诱发型泥石流灾害的雨量特征，本文搜集了汶川震后18条典型泥石流沟降雨诱发型泥石流灾害事件的雨量资料，具体见表3。由表4可以看出：降雨诱发型泥石流灾害所在区域年平均降雨量均较大，在1 000 mm以上高达94.4%，灾害发生时间主要集中在7-9月份，这与汶川震区降雨分布一致；84.6%的泥石流沟存在激发雨强小于最大1 h降雨量的现象，这表明降雨诱发型泥石流并不是小时雨强达到激发雨强便导致灾害产生，而是与丰富的前期雨量密切相关，即前期累计降雨量越高，越容易引发泥石流。

图1 汶川震区典型泥石流沟流域面积及主沟平均比降Fig.1 Wenchuan earthquake zone typical debris flow gully watershed area and main ditch average slope

表3 汶川震区典型泥石流沟分布与地形坡度的关系Tab.3 Wenchuan earthquake zone typical debris flow gully distribution relationship with terrain slope

表4 汶川震后典型泥石流沟降雨诱发型泥石流灾害雨量资料表Tab.4 After wenchuan earthquake the typical debris flow ditch the rainfall data table of rainfall induced debris flow disaster

3 降雨诱发型泥石流雨型特征

通过分析汶川震区震后降雨诱发型泥石流灾害事件降雨过程雨量资料，依照雨型特征可将汶川震区降雨诱发型泥石流分为3类，即暴雨突发型、大中雨激发型及连续阴雨诱发型。

(1)暴雨突发型。此类降雨诱发型泥石流降雨历时最短，约6～8 h，小时降雨量非常大而密集，多在40 mm/h以上，累计雨量在短时间迅速增大，泥石流爆发突然，历时短、约在1 h左右，暴雨突发型泥石流的发生通常出现在最大小时雨强发生时或者紧随最大小时雨强前后。此类泥石流如汶川震区的八一沟(2010-08-13)和银厂沟(2012-08-18)泥石流，具体见图2。

图2 汶川震后暴雨突发型泥石流典型灾害降雨过程Fig.2 After wenchuan earthquake the storm burst type of debris flow disasters typical rainfall process

(2)大中雨激发型。此类降雨诱发型泥石流降雨历时较连续阴雨诱发型短，较暴雨突发型长，约10～12 h，小时降雨量较大，多在30～40 mm/h，累计雨量增速较快，泥石流爆发突然，历时较短约1～4 h，大中雨激发型泥石流的发生通常出现在最大小时雨强发生时或最大小时雨强后。此类泥石流如汶川震区的西山坡沟(2008-09-24)和文家沟(2010-08-13)泥石流，具体见图3。

图3 汶川震后大中雨激发型泥石流典型灾害降雨过程Fig.3 After wenchuan earthquake the big rain excitation type debris flow disasters typical rainfall process

(3)连续阴雨诱发型。此类降雨诱发型泥石流降雨历时在三者中最长，约为2～5 d，小时降雨量小，多在20 mm/h以下，累计雨量增速缓慢但雨量较大，故泥石流历时较长约6～8 h，连续阴雨诱发型泥石流的发生通常出现在最大小时雨强发生前后较长一段时间。此类泥石流如汶川震区的古溪沟(2013-07-10)和簇头沟(2013-07-13)泥石流，具体见图4。

图4 汶川震后连续阴雨诱发型泥石流典型灾害降雨过程Fig.4 After wenchuan earthquake the continuous rain induced debris flow disasters in typical rainfall process

4 降雨诱发型泥石流成灾机理

对于震后泥石流成灾机理，目前研究成果较多，唐川等[7]认为暴雨过程形成的斜坡表层径流导致悬挂于斜坡上的滑坡体表面和前缘松散物质向下输移，进入沟道后转化为泥石流；陈宁生等[20]通过实验得出地震使高含水量的土体孔压增加，强度迅速降低。泥石流易发性可通过层次分析法、灰色关联分析法、模糊综合评判法和BP神经网络法做出较为准确的判别[20]。

影响降雨诱发型泥石流产生的主要因素包括：沟道地形地貌、形成区(物源区)的物源体的堆积形态与物质特性及降雨条件。由降雨诱发型泥石流灾害地形特征分析可知汶川震区具备泥石流形成的地形、地貌条件，并且由于地震作用存在大量的松散物质。物源体的堆积形态主要受形成区地形影响，经分析，86.49%的泥石流沟形成区为“V”型河谷，89.43%泥石流沟形成区沟谷比降在25%以上，物源体堆积形态易于启动。主要组成物质为地震造成的滑坡体、碎屑流及两岸山体崩塌体，其结构松散，渗透性大，对降雨敏感性高。那么在诱发泥石流发生的众多因素中，降雨应是最主要、最常见的诱发因素。“降雨诱发泥石流”仅仅是直观的说法，严格来讲，是降雨转化的地下水及其与泥石流物源体之间的复杂相互作用激发了泥石流。本文在汶川震后典型泥石流灾害雨型特征分类、地形特征、物源体特征的基础上，对三类降雨诱发型泥石流的成灾机理进行分析。

若为暴雨突发型，降雨历时短，小时降雨量大，累计降雨增速快。泥石流爆发以侵蚀为主，具体表现在以下2个方面：暴雨降落到地面，将对地面产生降雨侵蚀力，形成三角形冲坑，造成泥石流物源体的加速形成和失稳破坏；来不及下渗的地表水在物原体表面形成较大积水区及渗入表层物源体使其重量增加，增大了物源体的下滑力，并且渗入的水使物源体软化、潜蚀，导致其抗剪强度降低，最终致使松散的物源体在短时间内形成泥石流。见图5。

图5 汶川震后暴雨突发型泥石流成灾机理Fig.5 After wenchuan earthquake the type emergency mechanism of the storm burst type of debris flow

若为大中雨激发型，降雨历时较短，小时降雨量较大，累计降雨增速较快。泥石流爆发以侵蚀和冲刷为主，具体表现在以下2个方面：大中雨降雨降落到地面，将对地面产生降雨侵蚀力，形成圆弧形冲坑，降雨强度较大并未完全超过土体实际入渗能力，降雨部分渗入松散物源体，使其重量增加，增大了物源体的下滑力，并且渗入的水使物源体软化、潜蚀，导致其抗剪强度降低；随降雨时间延续，降雨形成的地表径流对物源体表面进行冲刷，形成表面剪切力，增大了物源体下滑力，最终致使松散的物源体在较短时间内形成泥石流。 见图6。

图6 汶川震后大中雨激发型泥石流成灾机理Fig.6 After wenchuan earthquake the type emergency mechanism of the big rain excitation type debris flow

若为连续阴雨诱发型，降雨历时较长，小时降雨量较小，累计降雨增速较慢。泥石流爆发以下渗为主，具体表现在以下2个方面：泥石流爆发前一段时间，由于连续小雨持续下渗导致松散的物源体内部具有丰富的含水量，使其重量增加，增大了物源体的下滑力，并且渗入的水使物源体软化、潜蚀，导致其抗剪强度降低；累计降雨的缓慢增加致使松散的物源体饱和程度较高，并促使浸润线水位抬高，抬高的水位对物源体产生浮托力，利于泥石流的起动，从而致使松散的物源体在较长时间内形成历时较长、规模较大的泥石流。见图7。

图7 汶川震后连续阴雨诱发型泥石流成灾机理Fig.7 After wenchuan earthquake the type emergency mechanism of the continuous rain induced debris flow

5 结 语

(1)通过对汶川震区37条典型泥石流沟和临近典型泥石流沟地区的13条非泥石流沟的调查分析得出，相对于非泥石流沟而言，泥石流沟在主沟长度、流域面积、主沟平均比降均大于非泥石流沟，即降雨诱发型泥石流灾害易发生在流域面积不大(94.59%在15 km2以下)、比降不小于15%的沟谷地区，泥石流沟主沟比降72.97%都分布在20%～50%范围内，其中以40%～50%范围分布密度最大，占总量的27.03%，泥石流沟道流域面积与主沟平均比降基本呈反向相关关系，泥石流沟道平均比降越大，沟道流域面积越小。

(2)汶川震区降雨诱发型泥石流灾害所在区域年平均降雨量均较大，1 000 mm以上高达94.4%，灾害发生时间主要集中在7-9月份，与汶川震区降雨分布一致；降雨诱发型泥石流的爆发与丰富的前期雨量密相关，约84.6%的泥石流灾害激发雨强小于其最大1 h降雨量。

(3)通过雨型特征分析比较可将汶川震区降雨诱发型泥石流分为3大类，即暴雨突发型、大中雨激发型及连续阴雨诱发型。暴雨突发型泥石流具有降雨历时短，约6～8 h、小时降雨量大，多在40 mm/h以上、累计降雨增速快，泥石流历时短约在1 h左右的特点。大中雨激发型泥石流具有降雨历时较短，约10～12 h、小时降雨量较大，多为30～40 mm/h、累计降雨增速较快、历时较短约为1～4 h的特点。连续阴雨诱发型具有降雨历时较长，约为2～5 d、小时降雨量较小，多在20 mm/h以下、累计降雨增速较慢、泥石流历时较长约为6～8 h特点。

(4)通过分析降雨诱发型泥石流成灾的3个影响因子：沟道地形地貌、形成区物源堆积形态与物质特性及降雨条件得出，物源体的堆积形态主要受形成区地形影响，86.49%的泥石流沟形成区为“V”型河谷，89.43%泥石流沟形成区沟谷比降在25%以上。堆积体物质结构松散，渗透性大，对降雨敏感性高。降雨是最重要的影响因子，通过进一步分析3种降雨诱发型泥石流的成灾机理，得出暴雨突发型泥石流爆发以侵蚀为主，大中雨激发型泥石流爆发以侵蚀和冲刷为主，连续阴雨诱发型泥石流爆发以下渗为主。

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