城镇泥石流综合治理效果评估——以四川黑沙河沟泥石流工程为例

张 勇，陈宁生，胡桂胜，李 俊

(1.中国科学院大学，北京 100049；2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室,四川 成都 610041)

0 引言

城镇泥石流是指对城镇居民的生命与财产、生活和生产活动以及城镇建设与发展造成损害或不利影响的泥石流灾害[1]。为保证城镇居民和基础建设的安全，我国自20世纪80年代以来修建了大量的泥石流防治工程，但城镇泥石流防治依然存在较多问题[2-3]。纵观近年来城镇泥石流灾害事件，有部分泥石流沟已经实施了防治工程，如舟曲三眼峪、龙池镇黄央沟等，但是治理工程没能有效防治泥石流灾害，造成了严重的后果[4-7]。目前，泥石流防治工程的研究主要集中于工程设计与评估方面[8-11]，针对城镇泥石流综合治理效果研究的较少。因此，进行已有的典型城镇泥石流防治工程的效果研究尤为重要。

图1 黑沙河沟流域图Fig.1 The map of Heishahe Gully

黑沙河沟是一条典型的城镇泥石流沟，位于安宁河左岸，历史上暴发过多次大规模泥石流[12-15]：1964年的泥石流灾害淹没农田74.3 hm2，摧毁房屋74间，冲毁公路1 500 m，直接威胁着沟口G108、成昆铁路、G5高速和流域下游居民人身财产安全。随着1980年左右对黑沙河沟泥石流进行了治理，在近40年的时间里，黑沙河沟泥石流的规模和频率逐年降低，至今未再暴发过大规模泥石流。

1980年左右，对黑沙河沟泥石流实施了“工程措施与生物措施相结合，上中下游全面规划，山水林田综合治理”的方案进行了综合治理，自治理工程实施至今，该地区数次发生强降雨后均未暴发大规模泥石流灾害，综合治理工程对防灾减灾起到了决定性的作用，有效地保护了下游人民群众生命财产安全，其治理思路和效果值得总结和评估。本文针对黑沙河沟泥石流防治工程设计理念及综合治理方式进行了阐述，提出了城镇泥石流治理工程评估模式，即通过现场调查和遥感解译与模型计算的方法，对综合治理的效果进行评估。评估结果表明针对城镇泥石流采用工程措施与生态措施结合的工程治理设计理念效果较好，其防治模式可推广到其他类似的泥石流沟。

1 黑沙河流域概况

黑沙河沟位于四川省凉山彝族自治州北部的喜德县月华乡与礼州镇之间(图1)，南距西昌市区23 km。黑沙河沟流域内包含黑沙，麦地，麻肚三条支沟，流域面积约23.7 km2，属于中高山地区，流域地势整体西低东高，流域最高海拔2 095 m，高山西面为一由构造断陷形成的山凹盆地，最低海拔1 557 m，相对高差达538 m，沟床纵坡比降达211‰。流域沟谷形态的横断面呈“V”字形。

黑沙河沟在地质构造上处于康滇台隆安宁河断裂带上，地震活动频繁，历史上发生过大于4.75级地震11次，6级以上7次。流域出露的岩层以侏罗纪益门组和新村组为主，岩性主要为紫红色页岩、粉砂岩、砾岩和炭质页岩。由于强烈的风化作用，以及构造运动的破坏和地震的影响，流域内岩体破碎，崩塌滑坡体数量众多。

黑沙河沟地处亚热带气候区，干湿季节明显，形成“冬无严冬，夏无酷暑”的气候特点。流域径流主要以降雨为主，年降雨量1 000 mm以上，但年降雨分配极不均匀，5～10月为湿季或雨季，多雨，其中6～9月更为集中，这四个月的降水量占全年降水量的75%以上，连续无降水日不超过10 d，连续降水最长可持续30 d以上；11月至4月为旱季，特别是3月到4月，晴朗少雨，随气温和土温的上升，经常伴以大风，蒸发特别强。测区多年平均湿度69%左右，平均风速2.4 m/s，最大风速20 m/s，年平均日照时间约2 400 h。

2 黑沙河泥石流综合治理工程

2.1 综合治理思路

黑沙河沟泥石流属于暴雨型沟谷泥石流，其起动机理为暴雨作用下，上游形成的强大洪水汇集于沟道，汇流过程中将坡面松散泥沙及坡面的各类松散堆积物源裹夹入沟道，并顺沟而下。通过沟道揭底冲刷和强烈的侧蚀作用，将两侧沟岸松散固体物质卷入泥石流中，从而暴发泥石流灾害。

针对黑沙河泥石流的形成条件和运动特征，治理初期确定了“工程措施与生物措施相结合，上中下游全面规划，山水林田综合治理”的方针。

第一步是控制并减少集水面积。考虑到75%水量来自上游的鲁基盆地，因此修建了“七一”水库。一方面拦截上游的全部径流量，另一方面控制形成泥石流的水动力；

第二步是拦挡泥砂。在流域中下游修筑拦挡工程，控制泥石流运动；

第三步是生态治理。提高流域内水土保持能力，减小泥石流运动中松散固体物源的补给量。

2.2 工程措施

拦挡工程是防治泥石流的有效且重要的措施。黑沙河沟流域内的防治工程如表1所示。除拦挡工程外，还在流域下游修建导流堤、分流堰、排洪沟等相应工程措施，用以稳定泥石流的流势、稳固沟床，同时确保将泥石流顺利排导入安宁河。

表1 黑沙河流域内防治工程统计表

2.3 生物措施

为削减松散固体物源补给量和形成泥石流的径流量，在黑沙河沟流域内大力开展生物措施，流域内生物措施见表2。同时改善不合理的耕作制度，退耕护还林还草，积极发展经济作物。

表2 黑沙河流域内生物措施统计表

3 综合治理效果评估

3.1 泥石流形成条件的改变

丰富的松散固体物源、充足水源条件及较陡地形地貌条件是泥石流暴发的三个必要条件，缺一不可。自综合治理工程实施后至今，黑沙河沟流域内的物源条件，水源条件及地形地貌条件发生了显著改变。首先通过现场调查，将流域内泥石流形成的基本情况掌握，进而采用遥感解译的方法评估了治理工程实施后泥石流形成条件改变情况。

(1)水源条件

水源条件的改变来自两方面。首先是“七一”水库将上游鲁基盆地的径流量全部拦截，起到调节洪峰，削减泥石流峰值流量的作用。同时，极大减小了流域的集水面积，通过实地调查，集水面积从原来的23.7 km2减小至11.4 km2，降低了形成泥石流的水动力。其次，生物措施的有效实施，缓解了形成泥石流的径流量。

(2)物源条件

黑沙河沟泥石流运动的物源主要来自流域内的滑坡崩塌体、沟道堆积物和人工弃渣。

随着生物措施的稳步实施以及改变传统的耕作方式，通过实地调查并结合遥感解译发现：流域内的植被覆盖率有了显著增加，比治理前增加了近60%(图2)。

图2 黑沙河流域山区土地利用类型面积百分数Fig.2 Percentage of land use types in Heishahe Gully

从图2可知，治理后林地和草地面积逐渐增加，林地面积增加最快，从治理前的2.8%增加到62%，灌木地、裸露地和农耕地逐渐减少，灌木地面积减少最快，从原来的22.7%降低到6.1%。

工程措施直接拦截泥石流大颗粒，减小沿途松散固体物质的补给以及防止沟道下切。同时，其间接效果在减少松散固体物源量上也发挥着重要作用：黑沙河流域内滑坡崩塌体巨多，利用拦沙坝和谷坊坝拦蓄的泥沙量，抑制不稳定斜坡坡脚处滑动，使沟道岸坡达到稳定，减小不稳定斜坡的数量。

通过实地调查并结合遥感解译，发现经过综合治理以后，流域内松散物源量从1.878 3×107m3下降到2.03×106m3(图3、表3)，极大减小了泥石流运动过程中松散物源的补给量和泥石流的运动规模。

图3 黑沙河流域松散物源分布图Fig.3 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

物源类型崩滑堆积物坡积物沟道堆积物总量松散固体物质总量3812045203

(3)地形地貌条件

随着拦砂坝库容的减少，拦挡工程直接拦砂作用减弱，稳沟固坡、削减泥石流洪峰流量、提高侵蚀基准面的作用逐渐增强[14]。

通过实地调查发现，泥石流拦砂坝库满后，其淤积物表面不是水平的，而是有一个回淤坡度，并且该回淤坡度均小于原沟床纵坡。拦沙坝改变沟道纵坡比降如图4所示。

图4 拦沙坝改变沟道纵坡比降示意图Fig.4 Schematic diagram of a check dam changing the channel gradient

综上所述，采用遥感解译的方法可以准确的获取沟道内松散物源和植被覆盖率情况，为治理工程效果的评估提供可靠的手段，由于缺少工程措施的相关设计参数，包括拦沙坝坝高等相关参数，暂时未评估工程措施的直接拦挡效果和间接稳沟固坡效果。

3.2 黑沙河沟泥石流运动参数的改变

黑沙河沟从1874年以来，流域年平均冲出泥沙石块约8.9×104m3，最大一次达3.08×105m3，已经堆积在出山口的达9.21×106m3[12]。但在综合治理的近40年时间里未再暴发大规模泥石流，泥石流发生的频率逐年降低，泥石流的容重和运动特征也发生了显著变化。

泥石流运动参数具体包括泥石流的容重、流速、流量和一次总量等。这些参数的获得主要通过泥石流的洪痕和流域地质环境条件进行模型计算。因此，本文采用模型计算的方法，分析黑沙河泥石流容重情况和泥石流运动特征情况，反映黑沙河泥石流综合治理的效果。

(1)泥石流容重

泥石流的容重一般情况下随其规模的变化而改变，泥石流的性质也会随之改变。通过对流域内典型泥石流原状堆积物进行取样并进行室内颗粒分析实验，参考相关规范，根据公式(1)计算出不同频率下泥石流的容重见表4。

p′=0.01T

(1)

rc——百年一遇泥石流容重/(g·cm-3)；

p′——暴发频率系数；

T——泥石流暴发周期/s。

表4 不同频率泥石流容重计算结果(单位：g·cm-3)

通过表4可以得出，黑沙河沟泥石流百年一遇泥石流容重仅为1.71 g/cm3，属于稀性泥石流，10年一遇泥石流近于水石流。一般来说，物源量较少，多为稀性泥石流或水石流。

(2)泥石流流速

目前众多流域计算公式都是在曼宁公式的基础上综合考虑沟床糙率、比降和泥深，并适当修正而形成的公式，因此在选择模型计算时，应根据流域特征选择合适的公式。考虑到该流域内无直接观测设备，因此通过调访和实地调查，根据流域沟槽特点和洪痕位置以及沟道比降，并结合我国西南山区泥石流的运动特征，采用稀性泥石流计算公式(2)计算黑沙河沟泥石流的流速其结果见表5。

(2)

式中：Mc——稀性泥石流沟床的糙率系数(通过查表取值)；

a——阻力系数；

Rc——泥石流水利半径/m，一般以泥深代替；

φc——泥石流泥沙修正系统；

Ic——泥石流水利坡度/‰；

rc——泥石流容重/(g·cm-3)；

rs——固体物质的容重，取2.65～2.7 g/cm3；

rw——水的容重，取1.0 g/cm3。

表5 黑沙河沟主沟不同断面泥石流流速计算结果

(3)泥石流流量

4.3 推进残疾人小康进程将更加精准 国务院《关于加快推进残疾人小康进程的意见》提出“依托专业康复机构指导社区和家庭为残疾人实施康复训练，将残疾人社区医疗康复纳入城乡基层医疗卫生机构考核内容”；《“十三五”加快残疾人小康进程规划纲要》提出“加强残疾人健康管理和社区康复，依托专业康复机构指导社区和家庭为残疾人实施康复训练，推动基层医疗卫生机构普遍开展残疾人医疗康复”。这不仅反映了康复医学在小康进程中的重要作用，也明确了康复医学是残疾人社区康复的重要内容之一，是中国30年社区康复实践经验的积累[11]。

采用雨洪法计算流量，雨洪法(公式3)是目前泥石流洪峰流量计算的基本方法，其计算步骤是在清水流量的基础上，考虑堵塞和泥石流的容重特征，然后考虑沟道的堵塞情况，选用堵塞系数，按下式计算泥石流洪峰流量，其结果见表6。

QC=(1+φ)Qw·DC

(3)

式中：QC——频率为P的泥石流峰值流量/(m3·s-1)；

Qw——频率为P的暴雨洪水峰值流量/(m3·s-1)；

DC——泥石流堵塞系数，其取值可查表。

其中：ψ=f(μ,τn)；τn=f(m,s,J,L)

式中：Qw——频率为P的暴雨洪水设计流量/(m3·s-1)；

ψ——洪峰径流系数；

s——暴雨雨力/(mm·h-1)；

n——暴雨指数；

F——流域面积/km2；

L——沟道长度/km；

τ——流域汇流时间/h；

μ——入渗强度/(mm·h-1)；

m——汇流参数；

φ—— 泥石流泥沙修正系数。

φ=(γc-γw)/(γs-γc)

式中：γc——泥石流重度/(g·cm-3)；

γw——清水的重度/(g·cm-3)；

γs——泥石流中固体物质比重/(g·cm-3)。

(4)泥石流一次总量

根据泥石流历时T和最大流量Qc，通过断面的一次泥石流总量Wc由下式计算：

(4)

表6 黑沙河流域不同频率泥石流峰值流量

一次泥石流冲出固体物质总量按下式计算：

(5)

式中：WS——为通过计算断面的固体物质实体总量/m3；

CV——泥石流中土体的体积浓度。计算结果见表7。

表7 不同频率下一次泥石流浆体总量和固体物质总量

利用模型计算的方法很好的掌握了治理工程实施后泥石流运动参数的改变情况。通过评估结果可知，经过综合治理后，黑沙河沟泥石流的各项运动参数均呈明显减小趋势。沟口位置泥石流流速仅为3.74 m/s。泥石流流速的降低会极大的降低泥石流的揭底冲刷、侵蚀作用，进而减小泥石流的运动规模；100年一遇的泥石流峰值流量为219.3 m3/s，一次固体物质总量为4.5×104m3，并且10年一遇泥石流的一次固体物质总量不到1×104m3，远低于治理前的年平均泥沙石块冲出量8.9×104m3。这说明，流域内的防治工程在减小泥石流流速和削减泥石流峰值流量上起到重要作用。同时，流域内植被覆盖率的提高，加上工程措施的直接拦挡效果和间接稳沟固坡效果的多重作用。

4 结论

(1)通过对黑沙河沟泥石流治理工程效果的评估，提出了现场调查，遥感解译和模型计算相结合的综合评估模式(图5)，很好的评估了治理工程实施后的防灾减灾效果。现场调查可以全面了解治理工程概况并获取模型计算所需的相关参数，并为遥感解译提供一定的指导；遥感解译为评估流域内植被覆盖率和松散固体物质情况提供了可靠的手段；模型计算可以较准确的得出泥石流运动参数，可以评估工程措施的直接拦砂效果和间接稳沟效果。该综合评估模式为城镇泥石工程治理效果的评估提供了一定的借鉴。

图5 城镇泥石流治理工程综合评估模式Fig.5 Comprehensive evaluation model of urban debris flow control project

(2)经过评估得出：黑沙河沟泥石流采用综合治理的方法很好的控制了泥石流的频率和规模；工程措施的直接拦挡和间接稳沟固床效益在防治泥石流方面提供了重要保障；生物措施的治理效果主要体现在水土保持作用，一方面可以减小泥石流松散物源的补给量，另一方面缓解降雨直接冲刷坡面松散物质，减小水流入渗作用和径流量。黑沙河泥石流综合治理的成功为安宁河流域内泥石流的防治提供了很好参考价值，该沟的泥石流防治模式可以推广至类似的城镇泥石流沟。

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