滇西北海巴洛沟“7·28”降雨-冰川融水混合型泥石流成因研究*

赵 鑫 张海太 赵志芳 夏龙松 刘 斌 李亚军 李春晓 陈宁生 王 政

(①云南省交通规划设计研究院有限公司陆地交通气象灾害防治技术国家工程实验室， 昆明 650031， 中国)(②云南大学国际河流与生态安全研究院， 昆明 650500， 中国)(③云南丽香高速公路投资开发有限公司， 昆明 650217， 中国)(④云南大学地球科学学院， 昆明 650500， 中国)(⑤迪庆藏族自治州气象局， 香格里拉 674699， 中国)(⑥云南建投第四建设有限公司， 昆明 650217， 中国)(⑦中国科学院、 水利部成都山地灾害与环境研究所， 成都 610041， 中国)

0 引 言

泥石流是山区广泛存在并伴有一定突发性的自然灾害(高相波等， 2020； 王高峰等， 2020)，我国西部高寒高海拔山区，发育各类泥石流灾害(刘佳， 2020)，在全球气候变暖的背景下，冰川消融的不断加剧(童立强等， 2018)，加之极端强降雨的频繁出现，降雨-冰川融水混合型泥石流暴发越发频繁。冰川泥石流广泛发育于高山冰川和积雪边缘地带，以冰川前缘冰碛物、冻融崩塌堆积体为主要物源，在冰雪消融、冰湖溃决及冰崩雪崩等激发作用下启动(杜榕桓等， 1981)。除冰雪融水作用外，短时强降雨过程同样会激发形成泥石流(Chiarle et al.，2007)。研究表明，水热指数、地震、冰川性质和状态、沟谷发育阶段和沟道形状等都对冰川泥石流发挥了不同的作用(吕儒仁等， 1999)。

冰川降雨型泥石流是发育在冰川积雪地区，以降雨和冰川融水共同作为激发水源而形成的泥石流。我国降雨-冰川融水混合型泥石流主要分布在藏东南地区和横断山区(李鸿琏等， 1989)，由于川藏公路的修建导致对藏东南泥石流的研究从1954年就已开始，至今已积累了大量的研究成果。如何易平等(2001)分析了帕隆藏布流域泥石流的活动特征； 胡桂胜等(2011)针对不同激发条件将林芝地区泥石流进行了分类，包括有降雨型、冰川降雨型、冰崩雪崩型及冰湖溃决型泥石流； 邓明枫等(2013)分析了藏东南冰川泥石流启动的水热条件，发现前期的高温和降雨作用共同引发了泥石流。除此之外，还有许多针对古乡沟、培龙沟、天摩沟等典型冰川泥石流沟的启动机理、形成机制、水热条件的研究(朱平一等， 1997，1999; 陈宁生等， 2002; 屈永平等， 2015， 2018)。在横断山区东部，胡发德(1985)也针对贡嘎山区泥石流形成的水源条件对该区泥石流进行了分类； 吕儒仁(1992)，吕儒仁等(1992)重点分析了海螺沟、燕子沟的冰川泥石流形成过程； 徐小飞等(2007)分析了横断山区泥石流暴发的年际及前期水热组合特征。而针对缺少资料的滇西北横断山区降雨-冰川混合型泥石流成因及特征的深入详细调查研究则还鲜有开展。

海巴洛沟位于滇西北横断山区哈巴雪山西侧，距离虎跳峡镇约8km，流域最高点海拔为5396m。流域内发育有少量现代海洋性冰川，上游沟道内分布冰川消融衰退及冰崩雪崩产生了大量冰碛物，沟道两侧还有大量滑坡体。受哈巴雪山西侧海洋性冰川及降水滋养，海巴洛沟沟道内常年有流水。丰富的松散固体物源和水源条件，导致近年来海巴洛沟每年均有较大规模的泥石流发生，发生频率为2～3次/年，表明其泥石流正处于发育的旺盛期。同时海巴洛沟泥石流具有高位、高易发性和高隐蔽性的显著特征，因此海巴洛沟泥石流活动会对当地居民生产生活以及沟道中下游香丽高速公路的建设和运营安全构成严重威胁。

本文以滇西北横断山区海巴洛沟为研究对象，基于国内外研究基础，结合现场调查，重点分析海巴洛沟“7·28”泥石流的成因，计算了该次泥石流形成过程中的水热条件和运动特征，为后续的降雨-冰川融水混合型泥石流监测预警和综合防治提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 地理环境条件

海巴洛沟(图1)位于滇西北迪庆藏族自治州南部，发源于哈巴雪山西侧，汇入金沙江一级支流冲江河，流域面积53.4km2。流域海拔最高点为哈巴雪山主峰5396m，沟口最低点海拔为2060m，相对高差3336m。哈巴雪山西侧峰脊区，多为现代冰川和永久积雪覆盖，海拔4200m以上的峰脊区年降水量超过1100mm(苏骅等， 2020)。流域地处青藏高原东南缘，横断山脉中段，地质构造复杂，新构造运动强烈，属南北向地震带南段之滇西地震带(胡婷， 2017)，流域内活动断层分布密集，发育有白云岩、灰岩、玄武岩、板岩及千枚岩等不同岩性地层，岩性复杂多样且分布交错分布(图1)。受西南季风和南支西风急流的交替控制，该区域气候具有亚热带大陆性高原气候特征，干湿季节分明。同时，在巨大地形高差的影响下，海巴洛沟流域气候立体变化显著。按海拔从下到上依次分为3个气候带：下部河谷亚热带、中部山地温带、顶部高山寒带。降水随地形高度变化差异显著，据香丽高速公路工程地质勘察报告，高山寒带区域每年7～9月份雨季期间，山上经常出现夹杂冰雹的短时强降雨，气候较为恶劣，极易形成山洪、泥石流等地质灾害。

图1 海巴洛沟流域Fig.1 The Haibalo river valley

1.2 “7·28”泥石流概况

根据上游雪山牧民、下游村民以及工区施工工人对“7·28”泥石流降雨过程的情况介绍，本次泥石流的降雨主要集中在哈巴雪山峰脊区，海巴洛沟流域中下游降雨则很小。高位强降雨在上游形成的大面积地表径流汇流到主沟后，与冰川融水汇合，形成大规模沟道山洪，山洪沿主沟沟道运动，携带沟道沿途的冰碛物、寒冻风化碎屑以及沟道侧岸滑坡堆积体形成泥石流。

由于香丽高速公路建设工程的需要，海巴洛沟流域中下游沿沟修建有施工便道及工区设施，强烈的人工活动导致河道变窄，河床提高，从而大大加剧了泥石流灾害的危险性。据现场调查走访，“7·28”泥石流发生时，伴随着巨大轰隆声和强烈地震感，持续时间近30 min。本次泥石流共造成流域下游香丽高速公路施工工区内一座施工钢便桥冲走(图2)； 一座钢便桥冲毁； 数百米施工便道及挡墙遭受不同程度损毁和淤埋(图3)。该次泥石流虽未造成人员伤亡，但严重影响了工区内的生活和施工环境，给公路施工造成较大损失，同时也给工程施工及当地居民生产生活安全构成了很大威胁。

图2 工区内一座施工用钢便桥被冲走Fig.2 A temporary steel bridge for construction in work area was washed away

图3 流域中下游一段施工便道被完全冲毁Fig.3 A section of construction ramp in the middle and lower reaches was completely washed away

2 “7·28”泥石流特征

香丽高速公路位于海巴洛沟泥石流中游窄陡区和下游堆积区结合部，以桥梁形式横穿沟谷，受上部窄陡区泥石流快速运动、强冲击影响，公路桥墩安全受到极大威胁，因此应充分重视桥墩防护工程设计及建设。该部位的泥石流动力特征参数如下。

2.1 成分特征

本次泥石流搬运大颗粒石块较多，其搬运能力与黏粒含量及泥石流容重具有很大关系。调查期间，对海巴洛沟从下游到上游共6个不同位置断面对保存完整的细颗粒泥石流沉积物取样，以进行室内颗分实验(图4)，分析本次泥石流的黏粒含量。根据粒径小于0.005mm的黏粒含量计算不同取样断面处泥石流容重(中国地质灾害防治工程行业协会， 2018)，计算公式和结果如式(1)、表1所示。

表1 不同断面泥石流容重计算Table1 The calculation of debris flow bulk density in different sections

图4 不同取样位置的颗粒粒径分布曲线Fig.4 Particle size distribution curves of different sampling locations

γc=-1.32×103P7-5.13×102P6+8.91×102P5-

55P4+34.6P3-67P2+12.5P+1.55

(1)

式中：γc为泥石流容重(t·m-3)；P为泥石流沉积物中的粒径小于0.005mm的黏粒含量(用小数表示)。

海巴洛沟本次泥石流黏粒含量平均为1.4%，平均容重为16.77kN·m-3，属稀性泥石流。本次泥石流过程中，在高位山洪快速冲刷作用，沟道内大量粒径超过0.5m的石块被搬运堆积于沟道中下游，其中最大石块粒径达3m×2.5m×2.5m(图5)。由于香丽高速公路桥墩坐落于海巴洛沟沟谷，泥石流流体压强及巨石冲击力等力学特征参数，对公路桥墩的安全构成较为严重的威胁。因此，确定该位置的泥石流动力学参数，对于桥墩防护工程的科学有效设计及建设十分重要。

图5 沟道中最大粒径巨石尺寸为3m×2.5m×2.5mFig.5 The maximum boulder’s size is 3m×2.5m×2.5m

2.2 运动特征

本文针对断面10处的桥墩所在位置，分析计算出该位置泥石流流速、流量、冲起高度、一次总量、巨石冲击力及流体压强等力学特征参数，计算结果如表2所示。

表2 桥墩所在位置的泥石流特征参数Table2 Debris flow characteristic parameters in the position of the bridge pier

对于“7·28”泥石流，其流速较快，属于急流稀性泥石流，其流速的计算根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》(中国地质灾害防治工程行业协会， 2018)所推荐的急流稀性泥石流计算公式计算，如式(2)所示。

(2)

式中：Vc为泥石流流速(m·s-1)；g为重力加速度，取9.8m·s-2；R为水力半径，用泥位深度表示(m)；Ic为泥石流流面纵坡比降(用小数表示)。

峰值流量的计算，是在现场形态调查法的基础上，依据式(3)计算。

Qc=Wc×Vc

(3)

式中：Qc为峰值流量(m3·s-1)；Wc为过流断面面积(m2)。

泥石流冲起高度计算根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》，如式(4)所示。

(4)

式中：H为高度(m)；Vc含义同上；g为重力加速度，取9.8m·s-2。

本次泥石流主体过程历时约30min，根据《泥石流灾害防治工程勘查规范》，按式(5)、式(6)分别计算本次泥石流一次过程总量和一次固体物质总量。

Q=0.264TQc

(5)

式中：Q为一次过程总量(m3)；T为泥石流历时(s)；Qc含义同上。

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(6)

式中：QH为一次固体物质总量(m3)；Q含义同上；γc为泥石流容重(t·m-3)；γw为清水容重(t·m-3)，取γw=1.0t·m-3；γH为泥石流固体物质容重(t·m-3)。

泥石流冲击力一般分为大颗粒冲击力和整体冲击压力两种。①泥石流对建构筑物的破坏，往往是个别巨石所致，这些巨石常以短径所在平面的较小截面碰撞建构筑物。本文采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》中提出的大石块对墩的冲击力计算公式(式7)计算泥石流巨石对桥墩的冲击力。②流体压强计算，采用《泥石流灾害防治工程勘查规范》中推荐的原铁道部第二勘察设计院推荐的成昆、东川两线经验公式(式8)，来计算泥石流浆体动压力。

F=γHAVC

(7)

(8)

式中：δ为泥石流体整体冲击压力(Pa)；γc为泥石流容重(t·m-3)；Vc为泥石流流速(m·s-1)；g为重力加速度，取9.8m·s-2；α为石块运动方向与受力面的夹角(°)，桥墩位于主沟沟道一侧，但由于其形状为矩形，且上游一侧的边近乎垂直与主流方向，因此α取值为90°；λ为建筑物形状系数，对于矩形桥墩，取值为1.33；γc为泥石流容重(t·m-3)。

3 “7·28”泥石流成因分析

3.1 物源条件

海巴洛沟流域地处金沙江—中甸断裂带，在玉龙—哈巴雪山断块强烈隆升背景下(曾庆利等， 2007)，流域内活动断层发育(图1)，切割密度大、岩土体破碎。加之干湿分明、冷热交替的气候条件综合作用，流域内岩体风化强烈、覆盖层厚且松散。根据遥感、无人机航拍及现场调查，流域内物源丰富，分布有大量崩滑体(图1)，为泥石流活动提供了充足的物质补给源。崩滑体总面积达51.88×104m2，崩滑体厚度变化从0.8～12m不等，崩滑体总方量估算约176.7×104m3。据现场调查，海巴洛沟流域的泥石流物源可划分为3大类(图6、图7)：(1)沟道上游冰碛物，在哈巴雪山峰脊区现代海洋性冰川运动携带、搬运堆积作用下，冰川消退后，在高位沟道内堆积了大量分选性极差、粗细混杂的冰碛物； (2)高寒区寒冻风化碎屑，在哈巴雪山冰川作用的峰脊区内，沟道岸坡的裸露基岩，受冻融作用的反复影响，岩体逐渐破坏剥落形成大量崩落堆积体； (3)河谷区沟道侧岸滑坡体，受构造及岩性等地质条件控制，在沟道中游及下游区域内，受流体切割和重力作用，坡体失稳形成沟道滑坡堆积体。

图6 海拔4150m处寒冻风化碎屑和冰碛物遥感影像Fig.6 Moraine and frozen weathered debris at altitude of 4150m shown in remote sensing image

图7 沟道中上游侧岸一处滑坡无人机影像Fig.7 A landslide in the middle and upper reaches show in UAV image

据现场调查，在沟道径流的搬运作用下， 85%以上的沟床都有松散固体物质不同程度的分布，估算沟床中松散固体堆积物总量约15.1×104m3，泥石流暴发时沟床物质以沟道揭底的形式参与泥石流活动，为泥石流活动的直接补给源。

3.2 地形条件

海巴洛沟整体地形东北高、西南低，最高点哈巴雪山顶峰海拔5396m，沟口最低点海拔2055m，相对高差为3341m，主沟长度12.8km。流域地貌从上游至下游依次分为高寒冰川冻土地貌、峡谷侵蚀地貌、剥蚀构造地貌3种类型，沟道总体呈现“陡直-平缓-较陡-较缓”的空间变化特征(图8)，沟道两岸自然斜坡平均30°～70°，沟道平均纵坡203‰。峰脊区陡峻的沟道地形，为径流的初始运动提供了充足势能(Wei et al.，2008; 邵莲芬， 2015)； 上游缓通区，地势较缓，沟道堆积物分布较多； 中游窄陡区，沟道呈“V”型，顺直且深长，分布有梯级跌坎12处，跌坎最大高度6.33m，为泥石流快速运动通道； 下游沟道地形平缓，泥石流携带固体物质大部分在此区域逐渐堆积，少部分搬运到沟口堆积扇。

图8 海巴洛沟沟道纵断面(下游流通区已改为下游堆积区)Fig.8 The profile of Haibalo gully

3.3 水热条件

3.3.1 降雨

由于“7·28”泥石流暴发时，流域内未安装雨量监测设备，因此，无法获取本次降雨过程的雨量分布情况。据实地调查及对上游汇水区雪山牧民走访，本次泥石流的大范围降雨过程从27日21时许开始，持续至28日凌晨4时30分许结束，主体降雨过程持续至3时许，持续时间约6h，且流域下游降雨量很小、哈巴雪山峰脊区很大，具有山上大、山下小的分布特征。该次泥石流暴发时刻为28日凌晨2：40，即发生在该次降雨6h主体过程的尾部。

图9 2019年8～10月海巴洛沟流域Y1～Y4雨量站监测的9次降雨过程Fig.9 The 9 rainfall process of Y1 to Y4 precipitation station in Haibalo gully on August to October 2019

由图9分析可知，海巴洛沟流域内9次大范围降雨的主体过程持续时间基本表现为6h特征。并且从图10中可以看出，在各次降雨过程中6h主体过程雨量及6h主体过程中海拔较高的Y3、Y4监测站雨量都占据主导地位，平均占比分别达85.52%和63.70%。

图10 海巴洛沟流域降雨分布特征Fig.10 Rainfall distribution characteristics in Haibalo gully

降雨分布呈现出6h集中以及随海拔升高而增加的明显特征。“7·28”泥石流暴发前的降雨情况也完全符合该降雨分布，可见6h雨量对海巴洛沟泥石流成因调查研究十分关键。

受陡峻地形条件的限制，针对高海拔的哈巴雪山峰脊区雨量监测十分困难。本文通过对海巴洛沟流域上述9次大范围降雨过程的6h雨量统计分析，按流域区域分段拟合得出流域内不同海拔高度范围的6h雨量梯度(图11)。海拔2800m以下的下游亚热带低谷区平均6h降雨梯度为0.22mm·(100m)-1，海拔2800～3500m的中游温带窄谷区平均为1.18mm·(100m)-1，海拔3500m以上的上游高山寒带宽谷区降雨梯度平均达4.38mm·(100m)-1。

图11 海巴洛沟流域6h降雨梯度分布Fig.11 Rainfall gradient distribution of 6h in Haibalo gully

综上分析，海巴洛沟流域内降雨梯度随海拔升高呈现显著递增的分布规律，且海拔越高降雨梯度越大，尤其是Y3、Y4雨量站所在的上游高山寒带宽谷区(图12)，相较流域中下游其6h降雨梯度出现陡增趋势，由此，我们可以推测诱发“7·28”泥石流的短时强降雨集中出现在海巴洛沟雪山峰脊区域。

图12 海巴洛沟流域上游高寒带宽谷区Fig.12 Alpine bandwidth valley area in the upper reaches of Haibalo gully

根据历次降雨过程不同海拔范围的平均6h降雨梯度及流域下游2019年7月27～28日的降雨监测数据，推算出海巴洛沟流域不同海拔高度带6h降雨量(图13)。在哈巴雪山4200～4800m强降雨集中的峰脊区，平均6h降雨量达60.43mm。

图13 海巴洛沟流域不同海拔高度带6h降雨量拟合曲线Fig.13 Fitting curve of 6h-rainfall process at different elevations in Haibalo gully

3.3.2 冰雪消融

本次泥石流降雨主体过程中的强降雨主要集中于哈巴雪山西侧4200～4800m的峰脊区，同时该区域也是雪山的冰川覆盖区。夏季较高的气温使得冰川消融量也大为增加，因此除降雨外，冰雪融水也是泥石流激发水源的一个重要组成部分。冰川消融的差异反映冰川表面能量平衡的差异，通常利用气温指标去衡量冰川的消融量(周石硚等， 2010)。本文冰川消融计算采用现行的度日因子模型，该模型计算式如下：

DDF=M/PDD

(9)

式中：DDF为冰川或雪的度日因子(mm·d-1·℃-1)；M为某时段内冰川或雪的消融水当量(mm w.e.)；PDD为同一时段内的正积温，一般由式(10)获取：

(10)

式中：Tt为某天(t)的日平均气温；Ht为逻辑变量，当Tt≥0℃时，Ht=1.0， 当Tt<0℃时，Ht=0。这一概念性模型已在全球各地不同冰川和不同时间尺度上得到了广泛应用(张勇等， 2006； Braithwaite， 2008)。

图14 峰脊区不同海拔高度带小时气温Fig.14 Hourly temperature at the peak ridge area with different altitude

表3 峰脊区不同海拔高度带6 h冰川消融水当量Table3 6 h glacial ablation water equivalent at the peak ridge area with different altitude

3.3.3 小 结

以上研究表明，激发本次泥石流的水源主要包含了降雨和冰雪融水两部分，其中峰脊区平均6h降雨量为60.43mm，占77.75%，冰川6h平均消融水当量为17.29mm，占22.25%。由此可见，海巴洛沟“7·28”泥石流是以降雨为主、冰雪融水为辅的强径流侵蚀形成的泥石流。

4 结 论

海巴洛沟发源于滇西北横断山区哈巴雪山，本次“7·28”特大规模泥石流受高位强降雨及哈巴雪山冰川融水共同激发形成，研究其特征和成因，对科学准确开展横断山区此类泥石流的监测预警和综合防治，具有重要意义。同时，也为香丽高速公路建设和运营期间泥石流灾害预防，提供重要技术支撑。通过调查、研究及分析，得出以下结论：

(1)“7·28”泥石流平均容重为16.77kN·m-3，洪峰流量为528.16 m3·s-1，属特大稀性泥石流。香丽高速公路桥墩坐落于海巴洛沟谷中游窄陡区和下游堆积区结合部。本文研究成果可为香丽高速公路以及滇西北横断山区内受降雨-冰川融水混合型泥石流灾害威胁的其他工程建设，提供可靠的科学依据。

(2)受地质、气候条件综合作用，海巴洛沟流域活动断层分布密集、岩土体破碎，流域内物源包含3类：河谷区沟道侧岸滑坡体、高位冰碛物和高位寒冻风化碎屑。3种类型崩滑体为泥石流形成提供了充足的物源。

(3)本次泥石流发生在7月27日晚至28日凌晨 6h主体降雨过程的尾部，通过对海巴洛沟流域不同区域2019年8～10月雨季9次较大范围降雨监测发现，流域内降雨具有主体过程持续时间为6h、降雨量随海拔升高而显著增加的时空分布特征，海拔4200～4800m的峰脊区为强降雨集中区域。

(4)本次泥石流属降雨-冰川融水混合型泥石流。激发本次泥石流的水源主要分布在哈巴雪山西侧海拔4200～4800m的峰脊冰川覆盖区内，泥石流水源同时包含了降雨和冰川融水两部分，其中：峰脊区平均6h降雨量占77.75%，冰川平均消融水当量占22.25%。水热成因分析结论，可为后期泥石流监测预警及防治提供理论支撑。