趙 巖， 孟興民,2， 鄭嬌玉， 慶 豐

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害防治工程研究中心，甘肅 蘭州 730000)

地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用與理論初探

趙 巖1， 孟興民1,2， 鄭嬌玉1， 慶 豐1

(1.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 西部環(huán)境教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅省環(huán)境地質(zhì)與災(zāi)害防治工程研究中心，甘肅 蘭州 730000)

該文指出了地貌學(xué)理論在泥石流研究中的重要性，提出了泥石流的地貌學(xué)定義，并對泥石流形成理論進行了完善與拓展。通過分析地貌學(xué)在泥石流研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，總結(jié)了近30年來在這一領(lǐng)域所開展的工作以及所取得的成果與進展，討論了研究中所存在的問題。通過對白龍江流域714條泥石流溝的各地貌要素分布特征分析，對泥石流研究中地貌學(xué)理論的應(yīng)用進行了探討，包括泥石流研究中的地貌要素體系，地貌學(xué)要素在泥石流形成條件分析中的理論體系，以及地貌學(xué)要素在泥石流研究中的應(yīng)用體系。并基于這些理論對白龍江泥石流溝的能量條件的定量評價做了有益的嘗試，以期為地貌學(xué)理論更好地應(yīng)用在泥石流研究中提供思路。

泥石流；地貌學(xué)；能量條件；應(yīng)用理論

近年，突發(fā)性重大災(zāi)害一再觸痛著人們的心靈，其中泥石流災(zāi)害就是一個重要的災(zāi)種。在山區(qū)，隨著人地矛盾的日益增長，越來越多的山區(qū)居民聚居于相對平緩的泥石流堆積扇上，一旦泥石流爆發(fā)，將給這些村莊、城鎮(zhèn)、公路、鐵路等造成嚴重的危害[1]。例如，2003年四川丹巴縣泥石流造成51人遇難[2]；2004年浙江樂清市北部山區(qū)3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)于8月13日凌晨約4-5時許，發(fā)生特大泥石流地質(zhì)災(zāi)害，造成47人遇難；2010年8月7日，甘肅舟曲縣特大泥石流災(zāi)害，是中國有記載以來最大的泥石流災(zāi)難[3]；2016 年5月7-8日，福建泰寧縣池潭村西遭遇強降雨引發(fā)泥石流沖毀中水十二局和十六局生活營地以及水電廠辦公樓，造成35人遇難。

故泥石流成因的相關(guān)研究亟待深入，而地貌條件是泥石流形成的內(nèi)因和必要條件，制約著泥石流的形成和運動，影響著泥石流的規(guī)模和特性[4]。作者認為泥石流應(yīng)該提出其地貌學(xué)定義，即地球內(nèi)力造成的地勢抬升必然引起外力侵蝕、搬運的夷平作用，而泥石流活動便屬于這一地貌演化過程中的一種主要由水和重力作用所引發(fā)的強烈的地表流水侵蝕、搬運與堆積的過程。目前地貌學(xué)理論在泥石流的研究中得到了廣泛的應(yīng)用，而在應(yīng)用中還存在很多問題，比如在研究中沒有深入考慮泥石流的獨特性，沒有很好地從地貌在泥石流形成條件中的確切作用來應(yīng)用到泥石流的研究中。對于這一點，尚缺乏切實可行的應(yīng)用理論指導(dǎo)。鑒于此，本文正是通過總結(jié)目前地貌學(xué)理論在泥石流研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出其中所存在的問題，并根據(jù)泥石流獨特性，嘗試建立地貌學(xué)理論在泥石流研究應(yīng)用的理論體系，以期為地貌學(xué)原理更好地應(yīng)用在泥石流研究中提供思路。

1 地貌學(xué)理論在泥石流研究中的應(yīng)用

1.1 地貌要素在泥石流研究中的應(yīng)用

在泥石流溝判定研究中，1985年呂儒仁[5]較早地將地貌要素作為直接因素應(yīng)用在了泥石流溝的判定中，并將地貌要素劃分為流域面積、海拔、高差、溝床平均比降與山坡坡度四個分要素；譚炳炎[6]將地貌因素作為一級要素應(yīng)用在了泥石流溝嚴重程度的評判中，并將地貌因素細化為流域面積、相對高差、山坡坡度、植被覆蓋率與類型、河溝扇形地貌5個二級要素；蔣忠信[7]使用了溝谷縱剖面形態(tài)指數(shù)等要素建立了暴雨泥石流溝的簡易判別方法；韋方強等[8]使用了相對高度與溝床比降等要素建立了泥石流溝識別要素臨界值判別方法；其他還有朱靜、王禮先、鐘敦倫和莊建琦等的研究[9-12]。

地貌學(xué)在泥石流定量評價應(yīng)用中，以泥石流危險性評價最具代表性。我國較早的研究為1986年譚炳炎[7]的泥石流嚴重程度的綜合評判，將地貌要素引入到泥石流溝危險性評價研究中；1988年劉希林[13]在“泥石流危險度判定的研究”中應(yīng)用流域面積、相對高差等地貌要素，提出了多因子綜合評判的模型，并在以后的研究中不斷深入和完善[14-18]。之后，泥石流危險性評價工作在全國范圍內(nèi)展開，成為泥石流災(zāi)害研究的熱點，地貌要素在其研究中的應(yīng)用也得到了很大的發(fā)展。

其他方面研究還有蔣忠信[19]研究了泥石流溝谷縱剖面的形態(tài)特征，用統(tǒng)計的方法總結(jié)了泥石流活動性與縱剖面形態(tài)的關(guān)系；李泳等[20]用比降曲線和面積高程曲線討論了流域可能發(fā)生泥石流的曲線形態(tài)和演化趨勢；莊建琦等[13]利用流域面積、主溝長、溝床比降、平均坡度、相對高差、圓狀率和相對切割程度等地貌要素對泥石流溝發(fā)育階段進行了定量判定等等。

1.2 侵蝕循環(huán)理論在泥石流研究中的應(yīng)用

首先講述其理論起源，1899年Davis[21]正式提出地貌循環(huán)理論的概念，并將地貌演化階段分為幼年期、壯年期和老年期三個階段；1952年Strahler[22]提出侵蝕流域的面積高程分析方法，并用曲線積分值S的大小來量化戴維斯模型的侵蝕流域地貌演化階段，從而將戴維斯的地貌發(fā)育模型定量化。

由于地貌系統(tǒng)演化過程的數(shù)學(xué)描述與熱傳導(dǎo)方程相似，里奧普和拜里把熵的概念引入地貌學(xué)中，從而更好地描述戴維斯侵蝕循環(huán)過程和階段。1987年艾南山[23]以Davis侵蝕循環(huán)理論以及Shannon[24]的信息熵理論，將熵的概念和計算方法引入到Strahler積分中，提出侵蝕流域系統(tǒng)的地貌信息熵理論；其在之后的研究中又引入了超熵的概念，并應(yīng)用在滑坡、泥石流和地震的研究中[25-26]。

基于侵蝕循環(huán)理論的面積高程積分法以及地貌信息熵等理論得到了廣泛的應(yīng)用，比如孫然好等[27]將其應(yīng)用在了山體演化階段的判定；楊宗佶等[28]將其應(yīng)用在典型滑坡危險度評價的研究中；張寶軍等[29]將其應(yīng)用在沖溝溝頭活躍度的判定；而將其應(yīng)用在泥石流研究中較早的為蔣忠信[30]的研究，作者提出以溝谷縱剖面形態(tài)指數(shù)N表達超熵數(shù)學(xué)式，并應(yīng)用于泥石流溝的判別與活動性評價。之后，鐵永波等[31]將地貌信息熵理論應(yīng)用在了泥石流溝谷的危險性評價研究中；呂學(xué)軍等[32]將面積高程分析法應(yīng)用在了泥石流發(fā)育階段的定量化研究中；王曉明等[33]利用地貌系統(tǒng)信息熵來判斷泥石流的發(fā)育程度；李雅輝等[34]基于地貌信息熵對泥石流敏感性進行定量評價；王鈞等[35]將地貌信息熵應(yīng)用在震后泥石流危險性評價中；劉麗娜[37]在利用地貌信息熵進行泥石流危險性評價研究等等。

1.3 地貌學(xué)在泥石流研究與應(yīng)用中存在的問題

如上所述，地貌學(xué)已廣泛應(yīng)用于泥石流的研究與應(yīng)用中并取得了一定的成果，但也存在諸多問題，其中最重要的問題是在泥石流的形成條件分析上，不能明確各個地貌要素在其中所能反映的作用，這也導(dǎo)致了目前的研究所選用的地貌要素指標存在很大的差異，因而研究的結(jié)果也差異較大。地貌要素一般能從一定程度上反映泥石流形成的條件，但無論哪一個地貌要素，都只能從某個方面反映一個流域是否具備泥石流發(fā)生的條件。而目前對于地貌要素的選取，還存在較大的主觀人為性，很容易造成要素選擇的片面性與重復(fù)性，導(dǎo)致評價結(jié)果會具有較大的偏差。

地貌學(xué)應(yīng)用在泥石流研究中屬于兩個學(xué)科的交叉范疇，在使用地貌要素時既要深刻理解其地貌學(xué)意義，又要從泥石流成因角度去分析其所反映的條件。在研究中需避免主觀人為性，科學(xué)地選擇對研究內(nèi)容相關(guān)的要素，并避免重復(fù)性。因此從泥石流形成條件出發(fā)，深入分析各個地貌要素的特點以及從中所起到的作用尤為重要。

2 地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用理論體系探討

2.1 泥石流研究中的地貌學(xué)要素體系探討

從以上的研究中，可知不同的學(xué)者在應(yīng)用地貌學(xué)知識時所選用的地貌要素不盡相同，本文根據(jù)地貌要素的特征劃分為地形特征和形態(tài)特征兩大類，且眾多的地貌要素有著原始要素與要素間綜合計算的區(qū)別，本文將其劃分為三級指標，以區(qū)分要素的綜合性程度，現(xiàn)初步總結(jié)如表1所示。

目前，這些地貌學(xué)要素已應(yīng)用在了泥石流的許多研究中，如泥石流的識別和判定，特別是泥石流的定量評價方面，其中做得相對成熟的是泥石流的風險評價，而泥石流的風險評價包括泥石流的危險性評價和易損性評價等等，應(yīng)用這些地貌要素通過各種方法模型等手段進行各項泥石流的研究，現(xiàn)總結(jié)如圖1所示。

表1 應(yīng)用在泥石流研究中的地貌要素體系

圖1 地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用

2.2 地貌學(xué)要素在泥石流形成條件中的理論探討

首先討論各地貌要素在泥石流形成中所反映的條件，以白龍江甘肅境內(nèi)流域為例，通過區(qū)內(nèi)DEM進行水文分析共提取出1 984條流域，通過歷史災(zāi)害資料的收集以及實地的調(diào)查共收錄有泥石流災(zāi)害記錄的泥石流溝714條(圖2)，通過統(tǒng)計的方法深入分析泥石流流域的地貌特征。

圖2 白龍江泥石流溝流域分布圖

我們先以流域相對高差為例研究白龍江流域泥石流溝的相對高差的特征，計算714條泥石流溝的相對高差，并通過統(tǒng)計分析可以得到泥石流溝相對高差的分布情況(圖3a)。結(jié)果顯示84%的泥石流溝集中在高差為600～1 800 m的范圍內(nèi)，但這并不能說明600～1 800 m的高差更適合泥石流的發(fā)育，為此我們采用泥石流溝在不同相對高差范圍內(nèi)的分布概率來分析其分布特征。從圖3a的曲線可以看出總體上泥石流溝的分布概率隨著相對高差的增高呈現(xiàn)曲折上升的趨勢，而600～1 800 m的高差范圍內(nèi)泥石流溝的分布概率卻是相對比較低的，相對高差超過1 800 m后泥石流溝的分布概率超過了0.5，并呈逐漸升高的趨勢，說明至少對于白龍江流域來說相對高差大于1 800 m的流域才是更有利于泥石流發(fā)育的高差范圍。對泥石流溝在流域面積、主溝長度、溝床比降、面積高程積分值、平均坡度、相對切割度、圓狀率等的分布特征不再贅述，分布結(jié)果和特征如圖3及表2所示。

從分析結(jié)果來看，泥石流溝在各地貌要素的分布條數(shù)和分布概率有著較大的差異，表明單從分布條數(shù)的多少來判斷其是否為泥石流發(fā)育的有利條件是欠妥的。從各地貌要素的概率分布的總體趨勢可以看出，隨著各地貌要素值的增加而呈現(xiàn)遞增趨勢的為主溝溝長、流域面積和相對高差，呈現(xiàn)遞減趨勢的為溝坡坡度、溝床比降、相對切割度和面積高程積分值，而圓狀率沒有表現(xiàn)出明顯的趨勢，說明流域形態(tài)對泥石流發(fā)育的影響不明顯。

目前對于泥石流的形成條件的總結(jié)比較認可的為能量條件、物質(zhì)條件和激發(fā)條件三個條件，而這三個制約泥石流形成的條件是抽象的概念條件，我們認為其相對應(yīng)的具體的實際條件可以概括為地形地貌條件、地質(zhì)環(huán)境條件和氣候水文條件三大制約條件。而這三大條件只是代表流域的基礎(chǔ)制約條件，實際應(yīng)用中還要將其細化，我們將其中能量條件劃分為總能量條件與能量轉(zhuǎn)化條件，物質(zhì)條件劃分為現(xiàn)有物質(zhì)條件和潛在物質(zhì)條件，激發(fā)條件可分為水源條件和匯水條件，總結(jié)如表3所示。

圖3 泥石流溝特征要素分布情況

地貌要素影響因素分析反映條件條數(shù)分布概率分布總體趨勢溝坡坡度/(°)影響物質(zhì)補給方式與數(shù)量[4]影響坡面流速、溝道匯流速度物質(zhì)匯流25～3515～25遞減溝坡坡向影響冰雪積累、消融和降雨量的大小[4]水源///主溝溝長/km影響著流域匯流條件[39]。匯流0～7575～200遞增流域面積/km2影響泥石流規(guī)模能量條件0～20>15遞增相對高差反映流域總能量條件總能量1000～1600>1600遞增溝床比降/m影響流體由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽艿倪^程[4]能量轉(zhuǎn)化250～550100～250遞減相對切割度/‰反映流域發(fā)育的完善程度[39]發(fā)育程度100～2000～100遞減圓狀率流域形態(tài)、水系形態(tài)等影響匯流時間[40]匯流25～30//縱剖面形態(tài)反映流域發(fā)育階段，體現(xiàn)泥石流活躍程度發(fā)育階段///面積高程積分值定量反映侵蝕流域系統(tǒng)地貌演化階段發(fā)育階段045～065020～045遞減

表3 應(yīng)用在泥石流研究中的地貌要素體系探討

表4 地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用理論體系探討

表5 地貌要素分級與賦值結(jié)果

注:ΔH為流域相對高差;A為流域面積;I為溝床比降;S為面積高程積分值

2.3 地貌學(xué)要素在泥石流研究中的應(yīng)用體系探討

由上面總結(jié)的各地貌要素在泥石流形成中所反映的條件分析，可知各個地貌要素在泥石流形成中所體現(xiàn)的條件各有特征，所以要想更科學(xué)地在泥石流的研究中應(yīng)用地貌學(xué)理論，需要建立一個應(yīng)用體系，而這個應(yīng)用體系需要從泥石流形成條件的基礎(chǔ)上進行分析，那么根據(jù)能量、物質(zhì)和激發(fā)這三個條件嘗試將地貌學(xué)要素進行分析與分類如表4所示。

3 基于地貌要素理論的流域能量評價

基于以上理論探討，可知地形地貌條件在泥石流的形成條件中主要反映的是泥石流的能量條件。而我們認為能量條件是泥石流形成的主控條件，相對于物質(zhì)條件和激發(fā)條件其具有相對穩(wěn)定性，即短時間內(nèi)不會發(fā)生質(zhì)的變化。故基于地貌要素理論的流域能量評價，可為區(qū)域泥石流的發(fā)育情況、整體能量現(xiàn)狀以及進一步的泥石流演化趨勢等的研究提供研究基礎(chǔ)與參考。

本文嘗試使用地貌要素對流域的能量條件進行定量的評價，并從總能量條件和能量轉(zhuǎn)化條件兩方面來分析。流域的高差能夠反映但還不能夠代表流域的能量條件，因為沒有面積的限定即使高差很大，而流域面積較小時總體能量條件也不會太高；另一方面，面積高程積分值和縱剖面形態(tài)指數(shù)等能夠定量表示流域的地貌演化階段，即流域侵蝕的程度，可以從地貌演化階段方面反映流域的能量大?。荒芰哭D(zhuǎn)化方面采用溝床比降來代表。故我們初步選擇流域相對高差、流域面積、面積高程積分值和溝床比降四個要素進行能量的評價。由于能量的評價目前幾乎沒有研究的案例，本文只是做初步的嘗試性研究，故將研究盡量簡化，結(jié)合圖3和表2的分析結(jié)果我們將各地貌要素進行分級和賦值如表5所示，并計算出基于流域單元的白龍江流域能量評價疊加值如圖4所示。

圖4 流域能量評價結(jié)果

從評價結(jié)果來看，舟曲、文縣段的流域能量值較高，而武都、宕昌段流域能量值中等，從實際情況來看武都區(qū)的泥石流目前最為活躍，那么從地貌演化過程來看武都區(qū)的整體流域能量條件為中等可視為地貌演化的壯年期，泥石流活動較為活躍，下一步發(fā)展趨勢為進入老年階段，而舟曲和文縣則處于地貌演化的幼年階段，雖然目前泥石流活動相對較弱，但下一步將發(fā)展為壯年期，應(yīng)引起重視。

根據(jù)《甘肅泥石流》中泥石流的記錄[42]，選取6條典型泥石流溝對比其各地貌要素值、泥石流發(fā)生頻率和能量值結(jié)果如表6所示，位于舟曲的三眼峪和羅家峪相對高差和溝床比降明顯高于武都段的甘家溝、佛堂溝和馬槽溝，而前者的泥石流發(fā)生頻率為5年一次遠低于后者的每年8～10次，一定程度上驗證了這一點,但流域能量值和泥石流發(fā)展趨勢以及發(fā)生頻率等的關(guān)系還要進一步深入的研究。

表6 典型泥石流溝地貌要素值、發(fā)生頻率和能量值對比

注:ΔH為流域相對高差;A為流域面積;I為溝床比降;S為面積高程積分值；F為泥石流發(fā)生頻率。

4 結(jié)語

本文總結(jié)了地貌學(xué)理論在泥石流研究中的重要性，并提出泥石流的地貌學(xué)定義，對泥石流形成理論進行了完善與拓展。通過分析地貌學(xué)在泥石流研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀，總結(jié)了近30年來在這一領(lǐng)域所開展的工作以及所取得的成果與進展以及研究中所存在的問題。通過分析714條泥石流溝的各地貌要素分布特征，總結(jié)出目前泥石流研究中所涉及到的地貌要素以及各個地貌要素對泥石流形成所能反應(yīng)的形成條件，最終在理論上對泥石流研究中地貌學(xué)的應(yīng)用進行了探討，建立了初步的應(yīng)用理論體系。并基于地貌要素理論對白龍江泥石流溝的能量條件的定量評價做了有益的嘗試。

總之，地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用還存在很多的問題要解決，本文只是一個初步的研究，還有很多問題需要進一步的深入研究。在實際的應(yīng)用中，要重視泥石流形成條件的分析，重視地貌因素在泥石流形成中所能反映出的條件，重視應(yīng)用的理論性、科學(xué)性與合理性，不斷完善地貌學(xué)在泥石流研究應(yīng)用的理論體系，借助先進的技術(shù)與模型，將地貌學(xué)更好地應(yīng)用于泥石流的研究中。

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Application of Geomorphological Theory in Study of Debris Flow and Exploration of its Applied Theory

ZHAO Yan1, MENG Xingmin1, 2, ZHENG Jiaoyu1and QING Feng1

(1.CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,KeyLaboratoryofWesternChina’sEnvironmentalSystemwiththeMinistryofEducation,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China; 2.GansuEnvironmentalGeologyandGeohazardsEngineeringResearchCentre,Lanzhou730000,China)

Wesummeduptheimportanceofgeomorphologytheoryindebrisflowresearch,andputforwardthegeomorphologydefinitionofdebrisflow,andimprovedthetheoryofdebrisflowformation.Ouraimistosummarizetheworkshavetaken,anddiscusstheinsufficientexistedinthe30a’studyinthisfield.Accordingtoanalysisofgeomorphicfactorsdistributioncharacteristicsof714debrisflowgulliesinBailongriverbasin,wediscusstheappliedtheoryofgeomorphologicaltheoryinstudyofdebrisflow,includingtheapplicationofgeomorphologicaltheoryinanalysisofdebrisflowformationconditions,theapplicationsystemofgeomorphologicaltheoryinstudyofdebrisflow,andtheapplicationsystemofgeomorphologyparametersinstudyofdebrisflow,hopingtoofferathoughtforthebetteruseofgeomorphologicalprincipleinstudyofdebrisflow.

debrisflow;geomorphology;energycondition;appliedtheory

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.009.]

2016-06-15

2016-07-25

中央高?；緲I(yè)務(wù)費專項資金項目(lzujbky-2015-k10); 國家國際科技合作專項(2013DFE23030); 甘肅省民生科技計劃項目(1503FCME006); 國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973 計劃)項目(2014CB744703)

趙巖(1989-), 男, 山東臨沭人, 碩士研究生, 主要從事環(huán)境遙感與地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)理論方面的研究. E-mail: zhaoyan14@lzu.edu.cn

孟興民(1963-), 男, 甘肅武威人, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為環(huán)境遙感與地質(zhì)災(zāi)害. E-mail: xmmeng@lzu.edu.cn.

P694； X43

A

1000-811X(2017)01-0043-07

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.01.009

趙巖，孟興民，鄭嬌玉，等. 地貌學(xué)在泥石流研究中的應(yīng)用與理論初探[J]. 災(zāi)害學(xué)，2017，32(1)：43-49. [ZHAO Yan, MENG Xingmin, ZHENG Jiaoyu, et al. Application of geomorphological theory in study of debris flow and exploration of its applied theory[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(1)：43-49.