地形地貌特征參數對泥石流災害的控制影響

趙博楠　劉海聲　李健

[摘要]現在普遍意義上對泥石流的發育總結在降雨、地形地貌、地下水、巖土體類型、構造和地震、植被、人類工程活動幾個主要方面進行討論。單一的某個因素對其形成發育起到的作用是極為有限的，泥石流的發育必定是多方面因素共同作用的結果，本文通過地形地貌對泥石流地質災害的控制影響分析，認為單就從地形地貌而言，它對泥石流的影響是必要的，關系著泥石流的流動與凝滯，起到制約的作用。單就地形地貌的基點對泥石流控制因素進行分析，利用相關性分析法對這些因素進行討論，確定并提取其參數，使用多元線性回歸方法建立泥石流與各參數之間的主要關系方程。進一步擴展地形地貌相關特征因素對泥石流形成和發展的理解，為泥石流的控制和預測提供依據。

[關鍵詞]泥石流；地形地貌；溝床比降；相關性；流域面積

研究區位于青海省東部，日月山東麓，黃河一級支流湟水流域中上游。為黃土高原與青藏高原、農業區與牧業區、漢文化與藏文化的結合部，是青海省主要產糧區、現代工業區和地方民族工業發展區，也是全省科技、教育、文化、衛生事業最集中地帶之一，交通四通八達，屬青海省經濟較發達、人口密集區。區內泥石流易發生的巖層主要為第四系濕陷型黃土、新元古、早期顯生宙變質巖和侵入砂巖。黃土具有松散的結構，一旦接觸到水分，質地就會變軟，從而增加了滑動和崩塌的風險。黃土覆蓋地區有密集的沖溝，易沖性強。新元古、早期顯生宙巖層出露區也易發生泥石流災害，巖層結構和物理力學特性導致斜坡不穩定，易滑動和坍塌。青藏高原隆升運動創造了干燥的地表環境，土壤穩定性差，同時，暴露在地表上的山脈巖石，風化侵蝕形成大量類似碎屑、土壤和其他顆粒物質，它們在外力作用下易發生滑動和泥巖流等自然災害。因此，青藏高原地區自然災害頻發，主要是由于巖層特性、地表環境和固體物源的影響所致。泥石流的形成發育單就從地形地貌而言，對泥石流的影響是必要的，關系著泥石流的流動與凝滯，起到一定的牽制。對泥石流控制主要體現在溝床比降、溝坡度、流域面積、相對高差、流域形態、溝槽密度6個主要方面。對研究區泥石流形成發育的主要控制因素分別進行了定性討論。本文就這6個方面進行簡述。通過利用相關性分析法對這些因素進行討論，確定并提取其參數，使用多元線性回歸方法建立泥石流與各參數之間的主要關系方程。這樣可以進一步擴展對泥石流形成和發展的理解，為泥石流的控制和預測提供依據。

1 溝床比降

溝床比降其實就是河床比降轉化而來，即泥石流所形成的河溝，它的河床比降。溝床比降是泥石流的物源勢能轉動能的基礎，是泥石流形成與運動的物理條件。體現在溝內坡面和溝道侵蝕的相互關系，從而來反映溝道發育的情況。在溝谷發展期間，溝床的下切作用強，穩定性極差，常有突發性，通常會在很短的時間內涌入大量堆積物，從而使溝床的比降不斷變化。在溝床比下降的情況下，溝內的堆積物沒有足夠的勢能將其送至溝口下的河谷，至此的泥石流將處于相對間歇，易發性也相對減小，在此條件不變的情況下可轉變為非泥石流溝谷。通過統計區域內泥石流溝谷溝床比降可以分析該區域溝床比降對泥石流的形成與運動的相關性。

溝道松散堆積物在其位置上本身具有一定的勢能，溝床的比降則可以從正面反映其勢能大小，從而從側面提供了其穩定性的判斷，一般之間呈正相關性。但單一弱穩定性的判別并不能直接反映出泥石流的高易發性，只是易發性判斷的主要因素之一。形成泥石流的溝降比，其下限應為泥石流自然休止角的上、下界限值及適宜范圍；上限取固體物質性質不同而不同的松散物質休止角，最利于泥石流形成的溝壁應在疏松物質飽水后休止角附近，也隨物質性質不同而不同。因此，如果溝床比下降的幅度比松散物質的休止角大，就不會形成泥石流，坡面就很難積聚到溝里；如果溝床比下降的幅度小于溝谷侵蝕的下限，溝內的松散物質處于穩定狀態，也不會形成泥石流。通過統計溝谷平均溝床比降在100‰～300‰的有57條，占總數的87.7%，100‰～200‰39條，占比例最大，達60%，可以發現易發性較強的泥石流溝谷溝床比降集中在某個區間，在此范圍來看其活動相對較為多發。

2 溝坡坡度

溝坡坡度改變對泥石流災害溝谷的危害表現有以下幾個方面：

（1）加劇泥石流的形成和發展：較大的溝坡度會加速水流的下降速度，增加了泥石流形成的可能性。當降雨較大時，水流在陡坡上迅速加速，帶走了大量的土壤和巖石，形成泥石流。較大的溝坡度還會增加泥石流的沖刷能力和動能，使其具有更強的破壞力。

（2）增加滑坡和崩塌的風險：較大的溝坡度會導致斜坡的穩定性下降，易發生滑坡和崩塌。當溝坡坡度過大時，地表的土壤和巖石容易失去平衡，發生滑動和坍塌，進而引發泥石流。此外，較大的溝坡度也會增加滑坡和崩塌的擴散范圍，加劇災害的規模和危害程度。

（3）下游兩側溝坡的陡緩情況直接影響到泥石流的范圍程度，及物源補給渠道和總量；

（4）由于黃河流域的溝坡坡度比較高，坡上水流量和溝道的變動速度也較快，所以在暴雨過后的洪峰流量變化所需的時間就比較少，既而會讓河流更具備成災的水源優勢。

經過對該區泥石流溝谷的溝坡坡度頻數計算表明，該區溝坡坡度呈接近于正態分布，發育泥石流較多的優勢區段約為30°～60°，共發育56條，占總數的86.1％。泥石流溝各種類型和易發程度的坡降頻率在30°～60°的范圍內達到頂峰。根據野外調查，在工作區湟水兩岸地區最能夠提供充足物源的溝坡坡度大致為30°-40°，供給方法以溝蝕、面蝕和塌方等為主；而在藥水河兩側的基巖地區則大致在30°～60°，供給方法大多是坍塌、滑動等。

3 流域面積

泥石流主要產生在面積較小的溝谷，一般而言，小型集水區域面積更利于泥石流的產生與發展，在X縣內發生的泥石流類型也就體現出這一規律：根據統計分析，流域面積為1～5 km2左右的泥石流類型共計57種，占全區總量的87.6％，易起性較好的泥石流一般都集中發生于這一范圍。

通過統計數據，我們可以得到這么一條結果：當泥石流面積超過一個峰值時其易發程度由于體積的擴大而逐步降低。這主要是由于隨著集水區的擴大，集水體積的不均勻度增加，集水面積的松散固體與補給物質越來越分散，隨著溝谷寬度的增加和比降量的減少，渠道的寬度也會相應擴大，同時支溝的形態也會發生較大變化。這種變化會對泥石流的流動產生不同程度的限制影響，對石屑水流的活動也產生了相應的影響，尤其是在支溝出口和渠道匯流處。隨著規模的擴大，泥石流運動會逐步衰減，直到規模面積越過某一閾值，其溝谷便發展演化為普通的山洪溝谷。另外泥石流溝谷集水范圍還具有一定下限度，即集水范圍達不到泥石流固形物的積累條件?？紤]到對泥石流溝谷集水面積的統計測定受到地形構造、土壤巖性、氣候、地理、植物等眾多條件的干擾限制，據此可以經過研究大致確定在X縣的泥石流溝谷所發育的集水面積上、下界閾值依次為0.1 km2和5 km2。

4 相對高差

相對高差主要體現泥石流流域地形起伏的范圍和切割沖刷的力度，從側面反映出溝谷的發展水平。該區泥石流集中地發生于相對高差100～400 m以上的范圍內，已發生泥石流44處，占全區總數的67.6%。一般而言，相對高差較大的溝谷一般處在退化階段，沖刷程度通常較小，而相對高差在200～500 m的溝谷則一般是發育中段的溝谷，且處在穩定調整期，在溝谷的下切沖刷及其他各種因素的聯合影響下易出現二側溝坡以不均衡狀態發生坍塌的不良地貌狀況，并進而轉變為以疏松固體物質補給滑坡和泥石流。但是從另一種視角來看，因為相對高差又影響了整個黃河流域的溝床比降，而本文中又介紹了在這二者的數據上都呈著顯著相關性，所以總的來說，其易發性一般都是伴隨相對高差的增大而上升的。

5 流域形態

泥巖流溝谷隨著不同地區的河流形式與發育階段有所不同而形成的各種類型，其中漏斗形與勺形是在研究區比較普遍的形態，漏斗形和勺形在泥石流研究區比較普遍的原因主要是由于溝床比降、斜坡穩定性、流域地質特征和水流輸沙能力等多種因素的綜合作用。這兩種形態具有以下特點：

（1）水流聚集效應：漏斗形和勺形具有較窄的溝道和較大的溝床比降，這會導致水流在下降過程中加速并聚集。當降雨較大時，水流在這樣的形態條件下更容易形成高速流動，進而帶走大量的土壤和巖石，形成泥石流。

（2）斜坡穩定性下降：漏斗形和勺形通常對應著較陡峭的斜坡，而陡峭的斜坡在地質和土壤條件不穩定的情況下容易發生滑坡、崩塌等地質災害。這些地質災害的發生進一步促使泥石流的形成和發展。

（3）溝谷侵蝕加?。郝┒沸魏蜕仔蔚男螒B特點使得泥石流在通過時對溝谷產生較大的沖刷和侵蝕作用。泥石流的高速流動和攜帶的大量泥沙會加速溝谷的侵蝕，進一步擴大溝谷的規模和深度，形成更為復雜的地貌。

（4）地質物源豐富：漏斗形和勺形通常出現在地質物源豐富的地區。這些地區的山脈巖石暴露在地表上，經過長期的風化和侵蝕作用，形成大量的碎石、土壤等固體物源。這些固體物源在泥石流發生時容易被搬運和堆積，進一步促使泥石流的發生和擴展。

綜上所述，漏斗形和勺形的形態特點使其對泥石流災害的發生較為有利，主要原因是水流聚集效應、斜坡穩定性下降、溝谷侵蝕加劇以及地質物源豐富等因素的綜合作用。調查區內的各個溝谷均具備了形成、流動和堆積區的共同特點，泥石流常出現在具有特定地形特征的流域中。這些流域通常呈現出周圍山巒、一面開口的漏斗形或葉狀地形。這種地形具有較為開闊的地勢，周圍的山峰高聳且坡度陡峭，植被稀疏，這為物質的聚集提供了有利條件。尤其是下游流動區的地勢通常是狹長陡深的狹谷，使得泥石流能夠迅速而直接地流動下去。

6 溝壑密度

流域內干支流總長度與面積之比即溝壑密度，是說明地貌分割破壞情況的一項主要參數，溝壑密度愈高，地貌也愈破壞的更嚴重，因而必然起伏不均，邊坡發育。它一方面導致地表的穩定性減弱，一方面容易產生地表徑流。溝壑密度越高，地面徑流和沖蝕侵害就越嚴重，溝谷沖刷切割進程也更迅速。所以溝壑密度是具有重要統計價值的地形科學的描述參數，同時也是反應地區氣象、地質、地形狀況的一項重要基本參數，是地質演變過程中和土壤地表抗蝕程度有關的一個特征值，對地質災害的演變具有相當重大的影響意義。

區域的溝壑密度大都集中在于1～2 km/ km2區域中，表明該區域的溝谷茂密，但地貌構造相對破壞，且土壤喪失很大，且存在泥石流災難的生成必要條件。區內的泥石流溝就大都出現在這一區域內，并呈現易發范圍隨溝壑密度提高而擴大的態勢。

7 分析討論

通過定性分析討論我們可以得到泥石流和溝床比降、溝坡度、流域面積、相對高差、溝壑密度、流域形態幾個特征參數，對這些參數特性與泥石流進行相關性研究。當有大量表征參數時，這些參數之間可能會相互關聯。因此，使用泥石流相關特征參數分析能夠涵蓋各參數中的相關度。其中流域形態多為定性指標不宜做定量分析，我們將4個特征參數分別與溝壑密度作相關性圖（圖1），可以看到其相關性都處于0.5內附近。

通過多元線性回歸法求解出泥石流和溝床比降、溝坡坡度、流域面積、相對高差4個特征參數綜合后的相關性指標作為自變量，以溝槽密度作為泥石流的響應變量，其中流域形態多為定性指標不宜做定量分析，故取消此項。得到R2＝0.5082F＝13.4324p=0.0000

發現相關性達到0.5左右，P<0.05，回歸模型y＝0.2965-1.2168X1+1.3761X2+0.1038X3+0.9156X4成立；

從殘差圖中可看到大部分數據點都處于零點附近，且殘差的置信區間均包含零點，這說明回歸模型y＝0.2965-1.2168X1+1.3761X2+0.1038X3+0.9156X4能較好的符合原始數據，而存在的5個偏離數據可視為異常點而剔除（圖2）。

對參數數據的分析我們可以看到溝床比降、溝坡度、流域面積、相對高差、溝槽密度之間與泥石流的形成存在一定的關聯性且相關系數達到0.5左有，在這之間相關系數一般的原因主要就是在對收集這些數據時人的因素造成的誤差，在原始數據收集過程中存在估值、大致、定性錯誤等人為因素，這就是導致各參數與泥石流形成的相關系數偏低的主要原因。

通過對地形地貌對泥石流控制的分析，認為其對泥石流的影響是必要的，關系著泥石流的流動與凝滯，起到制約的作用。對泥石流控制主要體現在①溝床比降，形成泥石流的溝床比降本質應存在一個上、下界限值和適宜范圍，通過統計我們可以發現易發性較強的泥石流溝谷溝床比降集中在某個區間，在此范圍來看其活動相對較為多發；②溝坡坡度，通過統計泥石流溝各種類型和易發程度的坡降頻率在30°至60°的范圍內達到頂峰；③流域面積，泥石流主要發生在溝谷地形，特別是那些面積較小的溝谷。相比之下，集水區面積較小的情況更有利于泥石流的形成和進一步發展；④相對高差，泥石流的形成和演化程度與流域地形的起伏范圍以及切割沖刷的強度密切相關，這同時也是溝谷發展水平的一種體現。該區泥石流集中地發生于相對高差100～400 m以上的范圍內；⑤流域形態，漏子形與勺形是在-作地區中比較普遍的泥巖流溝谷形式，羽狀溪系對泥石流的產生也較為不利；而樹葉形的河系則對泥石流的沖擊能力介于此兩者中間；⑥溝槽密度，區域的溝谷密度大都集中在于1～2 km/km2區域中，表明該區域的溝谷茂密，但地貌構造相對破壞，且土壤喪失很大，且存在泥石流災難的生成必要條件。區內的泥石流溝就大都出現在這一區域內，而且隨著溝壑密度的增加，泥石流易發范圍也呈現擴大的趨勢。這一現象反映了泥石流的地域特點和溝谷地形的發展狀態。

通過對參數數據的分析我們可以看到特征參數之間與泥石流的形成存在一定的關聯性且相關系數達到0.5左右。這可以得出以下結論：

（1）溝床比降、溝坡度、流域面積、相對高差和溝槽密度是影響泥石流形成的重要因素，它們之間存在一定的關系。

（2）較大的溝床比降、溝坡度、流域面積、相對高差和溝槽密度可能會增加泥石流的形成和發展的可能性。

（3）通過對這些參數的綜合考慮和分析，可以更準確地預測和評估泥石流的危險性和潛在風險。

（4）進一步的研究和分析可以深入探討這些參數與泥石流形成之間的具體關系，為泥石流的預測、防治和管理提供更科學的依據。