白龍江與小江泥石流流域地貌演化比較分析

黃江成，歐國強，潘華利

(1.云南大學(xué) 亞洲國際河流中心，云南昆明 650091;2.中國科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，四川成都 610041)

0 引言

地貌演化一直是地貌學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的重要研究課題之一。根據(jù)美國地貌學(xué)家W.M.Daivis1899年提出的“地理循環(huán)”學(xué)說，地貌演化是構(gòu)造、時間和營力的函數(shù)，三個變量的不同組合變化，可把地形發(fā)育分為幼年期、壯年期和老年期。泥石流的發(fā)育和其它自然現(xiàn)象一樣，有其發(fā)生、發(fā)展和消亡的過程。不同發(fā)育階段的泥石流流域，其溝谷形態(tài)、活動強度和危害程度也不同。對于許多小流域，崩塌、滑坡產(chǎn)生的物質(zhì)往往通過溝谷，以泥石流的形式輸移到流域的外面，因此泥石流流域?qū)嶋H上是一個谷～坡耦合系統(tǒng)［1］。反映流域谷-坡系統(tǒng)的參數(shù)眾多(包括切割密度、坡度、坡向、相對高差、主溝比降和坡面形態(tài)等)，由于主溝比降和坡面形態(tài)不但可以反映“谷”、“坡”的演化階段，還能表征泥石流流域的穩(wěn)定性與發(fā)展演化趨勢，是侵蝕流域地貌演化階段的一種外在表現(xiàn)形式，可選作泥石流的綜合地貌指標(biāo)［2］。

本文選取白龍江和小江流域的主要泥石流溝，運用Strahler提出的面積～高程曲線法，結(jié)合流域的主溝比降，分析兩流域主要泥石流溝在地貌演化階段的異同，正確判斷泥石流流域所處的發(fā)展階段對于泥石流防災(zāi)減災(zāi)工作具重要意義。

1 面積高程與地貌演化階段

隨著Daivis提出地貌演化理論，許多學(xué)者開始了地貌發(fā)育階段的定量分析。1952年美國地貌學(xué)家A.N.Strahler提出的面積 ～高程曲線法［3］，對 Davis的地理循環(huán)各個階段進(jìn)行了定量劃分，直觀的反應(yīng)了流域演化過程中“面”的變化，可作為流域三維整體的概化。國內(nèi)一些學(xué)者運用該理論對地貌演化階段進(jìn)行了定量分析的相關(guān)研究［4-8］。通過一系列(xi，yi)，可得到流域面積～高程曲線的關(guān)系曲線:

式中:x，y——橫縱坐標(biāo)，x，y 取值范圍［0，1］，x=a/A，y=h/H;a為每一條等高線以上的控制面積;A為泥石流流域面積;h每條等高線與流域最低點的相對高差;H為流域相對高差。

地形發(fā)育階段函數(shù)I:

幼年期:I＞0.60;壯年期:0.35≤I≤0.60;老年期:I＜0.35。

I為曲線和x軸、y軸包含面積與整個方塊的面積之比(圖1)。當(dāng)I＞0.6時，表示流域的地表物質(zhì)被侵蝕＜40%，面積表示了流域的整體侵蝕狀況，而曲線的形狀則直觀反映了流域不同部位的侵蝕特征，坡面形狀是侵蝕流域地貌演化階段的一種外在表現(xiàn)形式。

圖1 面積～高程積分曲線劃分地貌發(fā)育階段示意圖Fig.1 The geomorphologic evolution stage reflected by the integral curve of Area-Altitude

2 白龍江和小江泥石流發(fā)育概況

白龍江和小江流域地處我國西南地形急變帶，由于地層破碎、新構(gòu)造運動強烈、地形陡峻，植被稀少，加之多短歷時強降雨，人為擾動強烈，極有利于泥石流的發(fā)育及活動［9］，成為長江上游泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重的區(qū)域［10］。白龍江位于川甘境內(nèi)，自西北流向東南，主要受白龍江深大斷裂的控制，流域相對高差超過4000m。干流河道平均坡降約為3.4‰，其中，舟曲以上平均比降超過10‰，碧口以下平均坡降約1.4‰(圖2)。

圖2 白龍江干流縱剖面圖Fig.2 The longitudinal profile of Bailong river

小江流域位于金沙江中游右岸，地處在川、滇中山地區(qū)，以南北向發(fā)育的小江深大斷裂為主控制線。流域內(nèi)相對高差3500m，最低點為小江匯口，海拔695m，干流平均比降10.3‰(圖3)。小江流域泥石流分布之廣，類型之齊全、活動之頻繁、規(guī)模之巨大以及危害之嚴(yán)重，均屬國內(nèi)罕見［11］，小江流域每年的土壤侵蝕量高達(dá)4200×104t，年土壤侵蝕量高達(dá)1.38×104t/km2(JACA，2005)。

圖3 小江干流、塊河縱剖面圖Fig.3 The longitudinal profile of Xiaojiang river

調(diào)查表明白龍江干流共分布一定規(guī)模的泥石流溝250條，中上游地區(qū)是分布密度最大、暴發(fā)頻率最高的地區(qū)，旺藏～碧口河段泥石流分布線密度為0.82條/km。小江流域的泥石流溝在功山以下的小江干流以及塊河兩岸密集分布，共發(fā)育泥石流溝122條，其中功山～小江口河段泥石流分布線密度為0.83條/km。

考慮地理位置、流域面積、泥石流性質(zhì)和歷史災(zāi)害情況等因素，分別選取主要泥石流溝。白龍江干流各主要泥石流溝主要特征參數(shù)見表1，其中北峪河、火燒溝、泥灣溝、甘家溝和三眼峪溝，歷史上或發(fā)生過重大災(zāi)害，或泥石流發(fā)生頻率較高:小江干流各主要泥石流溝主要特征參數(shù)見表2，包括了流域中最為著名的蔣家溝、大白泥溝和小白泥溝，近幾十年來幾乎每年都暴發(fā)不同規(guī)模的泥石流。

根據(jù)表1、2可知，白龍江干流主要泥石流溝平均流域面積26.43 km2，小江干流為35.40 km2。流域山坡坡度方面，白龍江流域大部分地區(qū)坡度范圍在15°～40°，小江流域則主要分布在10°～35°的范圍內(nèi)。

主溝比降反映了流域的溝道演化的狀況，是表征泥石流溝谷水動力條件的重要參數(shù)，對泥石流活動度有一定影響。大量統(tǒng)計分析表明［12］，300‰左右溝床比降有利于泥石流的形成，溝床比降過大，與松散物質(zhì)休止角相當(dāng)，易發(fā)生坡面泥石流;溝床比降過小，則松散物質(zhì)起動難度大。白龍江干流主要泥石流溝平均比降為271.20‰，小江干流主要泥石流溝平均比降為209.56‰，相對高差小江泥石流溝大于白龍江泥石流溝(圖4)。

表1 白龍流域主要泥石流溝特征值一覽表Table 1 The main debris flow gullies'characteristic values of Bailong river

表2 小江流域主要泥石流溝特征值一覽表Table 2 The main debris flow gullies'characteristic values of Xiaojiang river

圖4 白龍江小江主要泥石流溝縱剖面(淺色:小江流域，深色:白龍江流域)Fig.4 The longitudinal profile of main debris flow gullies of Bailong River and Xiaojiang river

3 白龍江和小江泥石流流域演化階段分析

根據(jù)白龍江和小江1∶10萬比例尺的地形圖等高線，分別量算出 a、A、h、H，得出一系列的坐標(biāo)對(xi，yi)，繪制出各泥石流流域的面積～高程曲線(圖5、6)。通常計算流域發(fā)育階段的方法為對面積～高程曲線進(jìn)行擬合后積分計算得出，本文運用Arcmap強大的空間分析功能，利用相似比例原理，對面積高程曲線數(shù)字化后求出。

通過對兩個流域主要泥石流溝發(fā)育階段的計算，白龍江干流泥石流溝的發(fā)育階段介于0.35～0.62之間，平均值0.48，按地貌發(fā)育階段劃分結(jié)果:22條為壯年期，僅硝水溝1條處在老年期，其面積高程曲線面積積分為0.62。小江流域主要泥石流流域面積～高程曲線積分在0.31～0.66之間，平均值為0.50，其中發(fā)育階段為壯年期的為19條，占總數(shù)的82.6%;發(fā)育階段為幼年期的有3條，分別為豆腐溝、紅沙溝和黑水河;僅石羊溝為老年期。

進(jìn)一步分析各泥石流流域面積～高程曲線發(fā)現(xiàn)，雖然大部分泥石流溝發(fā)育階段屬于壯年期，但面積～高程曲線表現(xiàn)4四種不同的類型:近直線型、上凸型、中凸型和下凸型。如燕灣溝為近直線型、豆腐溝為上凸型、蔣家溝為中凸形、石門溝為下凸型。流域面積～高程曲線代表流域不同部位受侵蝕的程度，上凸型表示上部侵蝕弱，下部侵蝕強烈，下凸型則相反，中凸型代表中部侵蝕較弱、近直線型則表示流域整體侵蝕狀況相當(dāng)。

圖5 白龍江流域泥石流溝面積～高程曲線Fig.5 The Area-Altitude curve of debris flow gullies in Bailong river basin

根據(jù)泥石流流域不同部位的劃分，上部為形成區(qū)，中部為流通區(qū)，下部為堆積區(qū)，即上凸型或中凸型的地貌演化階段更有利于提供大量的松散物質(zhì)。如蔣家溝、大白泥溝、小白泥溝、火燒溝和燕灣溝等都屬于這兩種類型。

4 結(jié)論

(1)白龍江代表性泥石流溝主溝平均比降271.20‰，小江干流主要泥石流溝平均比降為209.56‰，白龍江干流泥石流主溝比降高于小江流域泥石流溝，相對高差則小江泥石流溝大于白龍江泥石流溝。

圖6 小江流域泥石流溝面積～高程曲線Fig.6 The Area-Altitude curve of Debris flow gullies in Xiaojiang river basin

(2)白龍江和小江流域的泥石流溝大多處在地貌演化的壯年期階段，白龍江和小江分別為95.7%和82.6%，即在較長的時間內(nèi)，兩個流域的泥石流還將持續(xù)活動。

(3)流域間主要泥石流溝演化階段比較結(jié)果顯示，小江流域泥石流所處演化階段略遲于白龍江流域，小江流域平均值為0.50，白龍江為0.48，小江有幼年期的泥石流溝3條，白龍江無幼年期泥石流溝。

(4)比較同一演化階段不同線型的泥石流活動狀況發(fā)現(xiàn)，上凸型和中凸型均有利于泥石流活動，下凸型的演化類型不利于泥石流的活動。

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