藏东南直白沟冰崩型泥石流孕灾条件与动力特征

龙 飞龚 诚黄 海焦成才

〔1.西藏自治区地质环境监测总站,西藏 拉萨850000;2.中国地质科学院探矿工艺研究所,四川 成都611734;3.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北 武汉430074;4.北京欧远致科技有限公司,北京100085〕

地震和全球气候变暖是青藏高原地质灾害的两个关键驱动力[1-2]。地震在诱发同震灾害的同时[3],还对周边岩体具有震裂效应[4-5],而气温升高则对冰川消退和高山区的冻融作用具有明显加剧作用[6],两者的叠加导致冰冻圈的地震影响区泥石流非常活跃。如1950年墨脱地震影响下[7],直白沟和古乡沟相继暴发特大堵江型冰川泥石流灾害[8-9],2017年米林地震后,色东普在4个水文年暴发了7次泥石流[10-11]。前人对于周边区域不同类型冰川泥石流开展了大量研究,如冰崩型泥石流(天摩沟)[12]、冰水复合型泥石流(古乡沟)[13]、冰湖溃决型泥石流(光谢错)等[14],探索了冰川泥石流灾害演化、触发条件、启动机制、动力过程及风险评价,为深入认识冰川泥石流灾害提供了重要理论基础。在取得丰硕成果的同时,由于冰川泥石流多发育于人迹罕至的极高山区,现场观测与监测工作开展较少,使得我们对于冰川泥石流的触发条件、动力参数等特征还存在较多不足。

2017年11月18日,藏东南南迦巴瓦地区发生Ms 6.9级地震,震中位于色东普沟源头(29.89°N,95.04°E)[15]。地震在雅鲁藏布江大峡谷附近诱发大量同震地质灾害[16],大部分为冰冻圈的岩土体失稳,这些灾害多数都与冰川或者高山积雪相关。同时,地震作用还破坏了周边岩体和冰川的稳定性,震后高位冰崩、岩崩高发(以色东普沟为代表),这些高位地质体失稳后,沿沟道铲刮侵蚀,形成大规模泥石流,并多次堵塞雅鲁藏布江形成堰塞湖,回淹范围达上百公里[17]。2020年9月10日下午5:00左右,直白沟暴发大规模泥石流,造成直白大桥损毁,公路路面淤埋破坏,中断交通近半年之久,所幸未造成人员伤亡。同时,大量泥石流固体物质冲入雅鲁藏布江,堵塞主河行洪断面50%。“9·10”冰川泥石流灾害暴发时温度与气温均无明显异常,其触发机制有别于其他震区的泥石流事件[3]。本文通过野外调查、遥感解译、现场观测和灾害监测等研究手段,分析该次泥石流灾害事件的触发条件、演进过程和动力参数,为进一步认识冰崩型泥石流的触发与运动具有重要现实意义和理论意义。

1 流域概况

直白沟位于西藏自治区林芝市米林县派镇,为雅鲁藏布江右岸一级支流。流域地处青藏高原喜马拉雅东构造和雅鲁藏布江水汽通道交汇处[18-19],邻近雅鲁藏布江大拐弯。研究区地质背景复杂,活动构造发育,地震频发,地貌类型复杂多样。直白沟流域面积57.50 km2,主沟沟长11.50 km,地势总体东高西低,海拔最高点为著名的南迦巴瓦峰,海拔高程为7 527 m,最低海拔为主河交汇口,海拔2 953 m,相对高差达4 574 m。沟道上游发育著名的则隆弄冰川,冰川的进退变化为泥石流孕灾提供了丰富的冰碛物物源。受冰川作用,流域水系复杂,一直延伸到出山口的冰川侧碛垄将汇流通道分割成3个水系,为泥石流的运动提供了有利的沟道地形条件。

直白沟流域复杂的地质构造和充沛水汽补给为泥石流的启动提供了驱动力。在地震和气候变暖的内外动力耦合作用下,研究区历史上多次暴发泥石流灾害,对沟口直白村居民区、交通设施以及河流等危害严重(表1)。总体上,直白沟泥石流具有冰川失稳和岩土体失稳两种激发模式,1950年和1968年暴发的3次泥石流灾害均由冰川跃动诱发;2020年泥石流灾害则为高位冰岩崩诱发。

表1 直白沟泥石流灾害事件统计

如图1所示,2020年9月10日直白沟暴发的大规模泥石流损毁了沟口直白大桥和公路,并堵塞主河。

图1 直白沟2020年9月10日泥石流灾害灾损情况

泥石流中的巨块石撞击在净空约25 m高的直白大桥,造成主桥桥面下沉15 cm,水平错位移动30 cm,泥石流从沟道右岸平台漫流至公路,淤埋公路约150 m,所幸未造成人员伤亡,大量泥石流固体物质冲入雅鲁藏布江,堵塞主河行洪断面50%。

2 泥石流形成条件

2.1 流域地貌特征

直白沟发育典型冰川地貌,主沟沟谷呈现U形地貌,沟谷宽度达800～1 200 m,在强烈构造运动作用下,形成陡峻沟床纵比降,主沟平均纵比降203.73‰。根据泥石流形成过程,可将直白沟自上游而下划分为形成区、流通补给区和堆积区(图2)。

图2 直白沟沟道纵剖面图

海拔3 750 m以上主沟汇水区内冰川发育,基岩陡立,发育零星高位崩滑体,冰川和岩体的失稳常诱发大规模泥石流,划分为泥石流形成区;出山口以上段沟道两岸分布冰碛物台地,沟道下切严重,形成陡峻的岸坡,尤其是冰碛物岸坡,形成近90°的直立陡崖,在沟道流水侧蚀作用下,极易形成补给泥石流的松散物源,划分为泥石流流通补给区;出山口至交汇口段为泥石流堆积区。因此形成区陡峻的沟道和斜坡,有利于泥石流物源的启动,流通区顺直深切的水力断面在泥石流输移过程中产生“束水攻沙”效应,有利于物质输移和泥石流龙头的形成[20]。

2.2 物源特征

通过多期遥感解译和野外调查,查出直白沟物源主要有3类:高位崩滑物源、冰碛物源和沟床物源。流域物源储量丰富,总量估算为6.45×106m3,其中高位崩滑物源量约7.50×105m3,主要分布于海拔5 000 m以上的基岩裸露区,其形成与冻融循环作用和地震活动密切相关;冰碛物源量约4.70×106m3,主要分布于冰川下游段主沟沟道两侧和支沟源头;沟床物源量约1.00×106m3,主要分布于主沟沟道中,为泥石流、碎屑流及斜坡侵蚀等搬运作用在沟道中堆积的松散物质。

2.3 冰川发育特征

由历史灾害事件资料分析[8],冰川是直白沟泥石流重要孕灾体。受气候变暖影响,直白沟冰川退缩严重,主沟冰川长度由1950年的7.4 km缩短至现在的5.9 km。冰川变化速度总体呈现慢—快—慢的趋势,近20 a来冰川变化较慢,末端高程变化约10 m[21]。冰川长度的缩小和厚度的减薄均有利于冰川整体稳定性,其赋存状态的变化对直白沟泥石流的启动机制具有显著影响,相较于20世纪50年代,现状由冰川运动直接诱发的泥石流的可能性已经大大降低。

2.4 气象条件

水热组合和长期气候变化是冰川泥石流的重要诱因,冰川泥石流触发时的气象条件不仅仅由降雨决定,如色东普、天摩沟等,均在少雨的情况下暴发泥石流[22]。研究区对全球气候变暖的响应非常敏感,1981年以来,青藏高原地区气温升温0.60℃/10 a。米林县汛期平均气温与1—10月平均气温均为线性增长趋势,汛期增速0.35℃/10 a,1—10月平均气温增速为0.39℃/10 a。在快速增温的背景下,冰川不稳定性增加,消融加剧,冰崩诱发的泥石流还将持续甚至加强,危险性增加。综上所述,直白沟沟域内赋存丰富的松散物源,在气候变化下的冰雪运动强烈,沟道堵塞严重且纵比降陡峻,具备泥石流形成的三大主要条件。因此在水热条件的有利组合诱发下,直白沟于2020年9月10日暴发特大规模泥石流灾害。

3 泥石流灾害特征

3.1 触发条件

根据安装于直白沟沟口(海拔2 900 m)的降雨量和附近白努弄巴(海拔3 000 m)的气温监测数据,“9·10”泥石流暴发当日未出现集中降雨,沟口24 h降雨量仅有1.00 mm,气温在一周内也无明显强烈变化(图3)。从全年降雨量分布来看,直白沟沟口的降雨量监测显示9月的降雨量仅为23.50 mm,仅占全年降雨总量的6.80%,属于少雨季节(表2)。由此可见,直白沟的“9·10”泥石流并非由于短周期内的气候突变诱发,而是长期以来的气候变化叠加2017年的米林地震的影响,高寒山区强烈的冻融作用驱使高位岩体失稳而形成的泥石流。对比1968年暴发的冰川跃动泥石流事件,同样为无降雨的情况下诱发灾害,由此推测直白沟冰川泥石流与周边的冰水复合型泥石流灾害在启动机制上存在差异[23],其触发条件中水热优势组合并非唯一条件。

图3 “9·10”泥石流暴发时气温与降雨条件

表2 直白沟沟口2020年降雨量监测值分月统计

3.2 泥石流灾害过程

通过泥石流灾害暴发前后的遥感影像分析发现,“9·10”泥石流主要是在2#支沟活动。受2017年米林地震影响,2#支沟源头发育了一处同震崩塌,形成冰岩崩碎屑流堆积于山坡冰碛台地上(图4a)。2020年9月10日,上述崩塌所在海拔5 500 m的分水岭再次发生高位岩崩,大量碎屑物沿斜坡倾泻而下,并撞击下部平台上的冰川,致使冰川前缘发生冰崩(图4b)。冰块混合岩土体一起冲击在冰碛平台上,铲刮2017年形成的冰岩崩堆积体和冰碛物,快速运动的冰岩碎屑流进入狭窄的沟道中,在冰雪的相变作用和沟道径流补给作用下,碎屑流逐步转化为泥石流。高速运动的流体沿途铲刮沟道两侧冰碛垄和沟床物质,不断补给松散固体物质并放大灾害规模。在泥石流冲出出山口后,受沟谷宽度扩张影响,龙头撞击岸坡冲起部分流体沿着沟道右岸平台漫流,大量松散物质堆积于公路路面。泥石流主流部分从直白大桥桥下排导进入雅鲁藏布江,将原160 m宽的主河挤占至80 m。

图4 “9·10”泥石流启动区遥感影像

从现场拍摄的观测视频上看,“9·10”冰川泥石流具有典型黏性泥石流特征,流体结构整体性强,巨块石含量高,滚动的巨块石对流速和峰值流量均具有放大效应(如图5所示)。

图5 “9·10”冰川泥石流观测视频截图(受监测设备影响图像精度较低)

3.3 泥石流沟道冲淤特征

利用泥石流前后遥感影像,基于沟道微地貌变化,“9·10”泥石流过程中的沟道冲淤特征上可划分为4个区段(如图6所示)。2#支沟汇入主沟之前主要表现为冲刷作用为主,但在不同区段,由于灾害体物理性质差异,在不同时空尺度上表现出差异化的冲淤特征。在源头斜坡区域主要表现为以冲刷为主,部分由陡变缓的地形突变段存在明显淤积,显示出物质交换现象。当灾害体为冰岩碎屑流时,其运动性远低于固液两相的泥石流,但是这种高势能驱动下的高流速碎屑流对斜坡依然具有强烈的冲刷作用,灾害体前端快速改变斜坡地貌,侵蚀冲刷形成沟槽(图4b),但碎屑流末端的能量相对较弱,在地形平缓段出现局部的堆积。当碎屑流高速进入2#支沟后,碎屑流中的冰和雪产生相变,不断补给水体进入到流体中,碎屑流逐步转化为泥石流,并在沿沟道运动过程中,侵蚀岸坡和沟床,以滚雪球方式不断放大灾害规模,如图6d所示。泥石流进入主沟后,得到主沟充沛的径流补给和稀释,同时主沟沟道远宽于支沟沟道,泥石流流速逐步减少,但依然具有一定的冲刷能力,在侵蚀岸坡和沟床底部的同时也沿弯道的宽缓平台产生少量堆积(图6c),总体表现为冲淤平衡状态(图6b)。泥石流进入堆积区后,灾害体沿堆积扇扩散堆积,塑造新的堆积扇形态(图6a)。泥石流在沟口产生大量固体物质堆积,堆积范围面积达6.50×104m2,平均堆积厚度约4 m,根据堆积厚度特征,可划分为4个堆积区(见图1),其中Ⅰ区堆积厚度0.2～2 m,Ⅱ区堆积厚度1～3 m,Ⅲ区堆积厚度2～5 m,Ⅳ区堆积厚度3～10 m,估算总计冲出固体物质2.5×105m3,其中进入主河约2.00×105m3。

图6 “9·10”2#支沟泥石流沿沟道的冲淤特征

3.4 泥石流动力参数计算

“9·10”泥石流暴发前,西藏自治区地质灾害主管部门在直白沟开展了地质灾害监测工作,布设了次声仪、泥位计、降雨温度站以及视频等监测设备。在该次泥石流暴发时,捕获到泥石流过流视频,同时当地居民还通过手机现场拍摄了泥石流视频。根据这些视频资料,结合地形测绘资料,可计算出该次冰川泥石流的流速和峰值流量两个关键动力参数。流速计算公式如公式(1),计算结果详见表3。

表3 出山口处泥石流流速观测结果

式中:v为断面流速(m/s);L为运动距离(m);T为运动时间(s)。

峰值流量基于流速和过流断面进行计算,计算公式如公式(2),计算结果详见表4。

表4 出山口处泥石流峰值流量计算结果

式中:Q为峰值流量(m3/s);v为断面流速(m/s);S为过流断面(m2)。

以观测所得流速对泥石流灾害防治工程勘查规范所推荐的黏性泥石流流速计算公式进行对比分析分析结果见表5。

表5 流速经验公式检算

式中:v为断面流速(m/s);n为泥石流粗糙系数公式(3)取0.45,公式(4)取0.27;H为泥石流流深(m);J为沟床纵比降。

计算结果分析表明,直白沟“9·10”冰川泥石流与暴雨型泥石流在动力参数上具有显著的差距,对比规范推荐流速计算公式计算,理论计算值与观测值差距50%以上,由此按照泥痕法计算峰值流量具有同样的误差率。结合触发的气象条件,进一步证明了冰川泥石流成因机制与动力特征的差异性,传统的泥石流动力计算分析方法无法有效刻画冰川泥石流运动特征。

4 泥石流形成机制讨论

(1)泥石流驱动力。该次泥石流事件暴发前7 d内并无明显降雨过程,气温也没有明显异常,由此可知泥石流中的主要水源并非来自降雨或者融水,这与传统水力驱动型泥石流存在巨大差异。结合前后遥感影像分析发现,该次泥石流是由2#支沟出现的高位崩塌并铲刮了斜坡上的冰川和冰碛台地而演化形成。高寒山区的岩体稳定性与冻融作用密切相关。直白沟泥石流暴发前7 d的平均最高温度和最低温度分别为21.5℃和13.1℃,根据海拔对气温影响规律,研究区相应的0℃等温线高程范围为5 100～6 550 m。激发泥石流的高位岩崩海拔正处于0℃等温线波动范围,这也从侧面进一步说明泥石流灾害是冻融循环作用的驱动。同时2017年地震对周边岩土体的震裂效应也加剧了冻融循环作用的强度,未来周边山体可能还存在类似的岩体失稳隐患将是冰川泥石流的重要激发源。

(2)高流速特征。前述可知该次冰川泥石流出山口位置的龙头最大流速达17.72 m/s,且远高于经验公式计算的理论值,这说明该次泥石流灾害的能量转化不同于传统意义上的降雨型泥石流,其运动过程中的能量受到初始激发点物源的高势能控制。启动该次泥石流的高位岩崩(海拔高度5 500 m)距离撞击的斜坡相对高差约600 m,距离沟床底部(海拔高度4 225 m)达1 275 m。高势能岩体失稳形成的碎屑流具有极快的运动速度,同时冰雪的相变作用对流体输移具有减阻等作用更进一步减小了势能向动能转化过程中的能量损耗,经验公式中的阻力系数可能远低于规范中所界定的范围。

(3)水文过程特征。在流速之外该次泥石流灾害的峰值流量同样极高达到9 923.20 m3/s。按照流域汇流的水文理论,仅57.50 km2汇水面积的直白沟在无明显降雨情况下,基本不可能形成满足该次泥石流所需的水量,因此冰川泥石流的水源来源明显不仅仅是降雨和冰雪融水。从灾害过程分析,该次泥石流的水体主要来源于岩崩撞击斜坡上的冰川和冰碛平台上裹挟的冰和雪,固态水体以集中补给方式参与泥石流活动。泥石流龙头峰值流量与龙身流量比值达15.67,流量过程呈现明显三角形而非五边形,这也说明存在集中水体补给的泥石流的冲出量计算不能按照五边形概化模型进行分析。

5 结论

(1)近70 a来直白沟冰川泥石流的驱动力有冰川跃动和高位冰崩两种,均受到地震和气候变暖的影响,尤其是地震诱发的同震灾害和震裂山体的演化。泥石流灾害的启动过程中的水热优势条件组合并非必要条件。

(2)2020年“9·10”冰川泥石流灾害的演进过程可分为岩崩—冰崩—冰岩碎屑流—泥石流—堵江,泥石流水源主要来自于冰雪为代表的固态水,相对于汇流形成的泥石流,水土耦合过程显著异于降雨补给型泥石流。

(3)冰崩型泥石流灾害具有高初始势能和集中补给水源的特点,进而导致其高流速和高峰值流量的运动学特点,沿沟道运动过程中的冲刷和淤积特征主要受固体物质控制,而非水动力条件控制。

(4)冰崩型泥石流灾害的动力学分析表明,冰水相变作用对流速和峰值流量均具有显著放大效应。现有规范推荐的流速、峰值流量和一次性冲出固体物质量计算公式不适宜于此类灾害的计算,误差在50%以上。