泥石流對山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的影響

泥石流對山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的影響

0特性分析在現(xiàn)代社會出現(xiàn)嚴重的危害土壤侵蝕及其河流沉積和河流沉積是人類社會最重要的環(huán)境問題之一，導致巨大的經(jīng)濟損失，嚴重制約了人類社會的可持續(xù)發(fā)展。土壤侵蝕主要有坡面侵蝕和溝道侵蝕,其中溝道侵蝕主要分流水侵蝕和泥石流侵蝕。泥石流作為一種常見的山地自然災害,形成過程復雜,暴發(fā)突然,破壞力強,常對山區(qū)的經(jīng)濟建設和人民生命財產安全造成嚴重的危害。如2008年“5.12”汶川大地震后,暴發(fā)多次泥石流,掩埋村莊,侵蝕農田,沖毀道路、橋梁等,不僅給人民生命財產安全造成巨大損害,而且,由于泥石流中斷道路、沖毀通信設施等,還極大地阻礙了災區(qū)的救援行動。處于大山深處的汶川縣龍溪鄉(xiāng)533hm2田地在滑坡、泥石流的侵蝕下,僅余66.7hm2。1984年7月18日,四川省九寨溝縣關廟溝暴發(fā)容重達2.23t/m3的粘性泥石流,泥石流強烈掏蝕溝床,使溝床刷深2.0～3.0m,溝道展寬3.0～5.0m,將大量的固體物質輸移出溝口,沖毀房屋35925m2,公路40km,土地5.17hm2,造成26人死亡。川藏公路西藏境內的索通溝1991年暴發(fā)泥石流,強烈沖刷溝床,使穿越泥石流溝道的橋梁基礎暴露,造成這座橋面高出溝床10m的混凝土雙曲拱橋完全被毀。1泥石流侵蝕研究目前,國內外在泥石流方面的研究,特別是對泥石流淤埋危險的研究已經(jīng)取得了諸多成果[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]。但是,關于泥石流侵蝕的研究還比較少。而泥石流侵蝕的危害并不亞于泥石流淤埋。因此,對于泥石流災害的治理,也迫切需要解決侵蝕的問題。1.1改變了城鄉(xiāng)間相互作用的,這也和其它類型的溝道侵蝕模式迄今為止,已有眾多學者在清水和普通挾沙水流對溝道的侵蝕方面作了比較全面的研究并取得了豐富的成果。(1)以溝道形態(tài)、地貌的變化發(fā)展為依據(jù)探討溝道侵蝕的發(fā)展機制,是溝道侵蝕研究中最基本的方法之一。尤其從長時間尺度來看,通過對不同歷史時期典型溝谷地質地貌資料的對比可以定性地分析出不同時期溝谷的侵蝕速率。而在小尺度上,該方法也同樣適用。如Sidorchuk就將影響溝道切割的各特性因子(流量、流速、水流紊動狀態(tài)、溫度、土壤特征及植被條件等)與土體的連續(xù)性方程及河床斷面形態(tài)變化相結合,利用動力平衡模式推估出了溝道流的瞬時沖刷模式。(2)對溝道侵蝕三種主要類型——溝床侵蝕、溝岸侵蝕和溯源侵蝕的過程和機理分別作了較多的研究。不少學者報道和研究了典型的溝床侵蝕——黃河“揭底沖刷”現(xiàn)象,并對其臨界條件進行了研究。并由此展開了一系列對溝床侵蝕的研究,或從河床或溝底泥沙的起動入手,或從流體動力條件與溝底泥沙的抗剪強度之間的關系出發(fā),對溝床侵蝕的影響因素作了比較全面的考慮,包括流體條件(流體流速、流量等)和溝床條件(溝底泥沙的極限抗剪強度)。而對溝岸侵蝕的研究方法和途徑也非常豐富,主要包括從河岸的穩(wěn)定性出發(fā)建立河岸的穩(wěn)定性模型、從河岸土體的力學性質出發(fā)進行理論分析和從水流動力條件出發(fā)進行研究等。另一方面,對溯源侵蝕的研究雖然起步較晚,但近年來也有不少學者開始在這方面投入大量工作并取得了不少成果,對溯源侵蝕的發(fā)生、發(fā)展過程以及與溝頭以上匯水面積等之間的關系等都有了一定認識。1.2泥石流溝道侵蝕機理的數(shù)據(jù)分析泥石流和普通挾沙水流相比,由于泥石流流體中的固體物質的含量和顆粒粒徑都遠遠大于普通挾沙水流,泥石流的物理力學性質、運動規(guī)律、侵蝕特性等與普通挾沙水流都有明顯區(qū)別。因此,不能將清水或普通挾沙水流侵蝕的研究成果直接、簡單地應用于泥石流,對于泥石流溝道侵蝕作用需要作專門的研究。雖然如此,相較于已經(jīng)較為成熟的泥石流理論以及泥石流淤積的研究來說,目前對泥石流溝道侵蝕的研究還相對比較薄弱,仍然主要是對野外泥石流現(xiàn)象的報道和基于對溝道斷面進行調查的數(shù)據(jù)分析。(1)對影響泥石流溝道侵蝕的各種因素,雖然早就有所報道,并且有不少學者專門論及影響泥石流溝道侵蝕的各種因素,指出泥石流溝道侵蝕的主要影響因素有容重、流量、流速以及侵蝕基準面、溝道的坡度、溝床物質組成和抗沖性等。但是迄今為止,涉及各因素對侵蝕過程、機理的具體影響機制的研究仍然鮮有報道?？偟膩碚f,對泥石流溝道侵蝕的各種影響因素目前主要還是基于現(xiàn)象描述,對主要控制因素沒有區(qū)分,更沒有反應各主要控制因素與侵蝕規(guī)模、侵蝕速率的定量表達式等方面的研究。(2)對泥石流溝道侵蝕過程與機理的認識還有待進一步加強。由于泥石流體與清水或一般挾沙水流在結構和運動性質上有很大的不同,是介于挾沙水流和滑坡體之間的一種特殊流體,不屬于純粹的流體和土體,同時又兼有流體和土體的一些性質。因此,泥石流在對溝道進行侵蝕的過程中,不像清水或挾沙水流使顆粒發(fā)生單粒的運動和落淤,也不像滑坡體那樣呈整體的起動或停積,它具有介于二者之間特有的機理。鑒于野外泥石流觀測的難度,因此目前的描述主要是從不同性質泥石流與挾沙水流或滑坡之間的相似性進行理論分析。例如,吳積善認為稀性泥石流侵蝕與挾沙水流比較接近,高粘性泥石流的沖淤則比較接近滑坡。將泥石流與挾沙水流和滑坡進行類比對于我們認識泥石流溝道侵蝕過程確實起到了很大的幫助,提供了一種思路。但由于其難以定量描述侵蝕速率變化等侵蝕過程的發(fā)展,也不能對侵蝕深度等物理過程特征進行預測,因此,要以此為依據(jù)指導泥石流溝道的治理還是遠遠不夠的。2泥石流通道侵蝕模式2.1徑流沖刷和重力共同作用下的混合侵蝕泥石流侵蝕既不同于一般徑流沖刷,又是在徑流沖刷和重力共同作用下的混合侵蝕。由于泥石流動力過程的突發(fā)性和瞬時性,對周圍環(huán)境和人民生命財產安全等都具有極大的危害。2.1.1過程4:蔣家溝沖蝕泥石流溝道侵蝕作為一種特殊的侵蝕類型,與一般水流相比,其侵蝕作用非常強烈,在一次過程中便可刷深溝床數(shù)米甚至數(shù)十米,可使山區(qū)地貌和局部環(huán)境發(fā)生急劇變化。如1984年6月14日,云南東川蔣家溝在一場粘性泥石流侵蝕作用下,不僅沖蝕掉蔣家溝上游眾多切溝溝床土層,亦沖刷掉梅子樹溝、下竹箐溝等沖溝溝床的堆積層(攔砂壩回淤灘溝段除外),成為基巖裸露的溝床。對蔣家溝干流亦進行了強烈沖蝕,在多照溝溝床刷深2～3m,在門前溝口的蔣家溝干流上刷深近16m,在觀測段刷深9.2m,在導流堤溝段刷深2～3m。這是自1980年以來,該溝泥石流侵蝕作用最強烈的一次過程。而從稍長時段來看,如西藏波密古鄉(xiāng)溝上游主溝從1954年至1963年的10年間被泥石流刷深140～180m,年均值達16m。2.1.2暴雨引發(fā)泥石流泥石流溝道侵蝕最直接的危害就是威脅沿溝各種設施。如2006年9月17日,云南大理漾洱暴雨引發(fā)泥石流,對320國道產生了嚴重沖刷,4500m3泥石流沖毀公路,導致320國道平坡段交通中斷。同時,泥石流溝道侵蝕還會引發(fā)很多次生災害,諸如產生新崩塌、滑坡和水土流失,或增強其危害程度,促進分水嶺外移,擴大流域、導致溝道襲奪等,危害非常嚴重。2.2泥石流對溝岸的沖擊泥石流對溝道侵蝕方式主要有下蝕、側蝕、溯源侵蝕、前進侵蝕和局部沖刷等。泥石流下蝕又稱為垂直侵蝕、深切侵蝕等,是指當泥石流流速大于溝底土壤的臨界不沖流速時,溝底泥沙、土壤被沖起帶走、溝床遭刷深的過程。下蝕的強度取決于泥石流性質、類型、流速、流量、持流時間和溝床物質的抗沖性等。局部沖刷又稱為落差性的溝床下切,包括過壩流體對壩腳的沖擊侵蝕、束窄溝段集中沖擊侵蝕和頂沖溝床的沖擊侵蝕等。在泥石流沖擊作用下,往往出現(xiàn)沖刷坑,沖刷坑向上游擴展,可形成溝內新溝槽,亦可毀壞攔擋或排導工程等。側蝕主要發(fā)生在溝岸,尤其是彎道凹岸,泥石流體不斷沖刷、掏蝕溝腳泥沙,造成溝岸懸空,由于重力作用而發(fā)生溝岸崩塌,溝岸迅速后退。側蝕的過程即是溝道朝橫向展寬的過程。溝頭在地表徑流的作用下,不斷呈跌水形狀坍塌前進,由低處向高處延伸,蠶食梁塬坡地,即溯源侵蝕。泥石流溝道溯源侵蝕與河流的溯源侵蝕相似,即從溝口或溝道上某一溝段溝床遭刷深,由此向上游迅速發(fā)展的現(xiàn)象。而泥石流的前進侵蝕卻是由強烈下蝕處向下游擴展的現(xiàn)象。溯源侵蝕和前進侵蝕都是溝道沿縱向延長的過程。2.3泥石流體及其系流體泥石流是我國山區(qū)常見的一種自然現(xiàn)象,是一種飽含大量泥石流石塊和巨礫的固液兩相流體(龍頭部位或有的高濃度粘性泥石流還混合有氣體),呈粘性層流或稀性紊流等運動狀態(tài),是各種自然因素(地質、地貌、水文、氣象、土壤、植被等)和人為因素綜合作用的結果。泥石流體與清水或一般挾沙水流在結構和運動性質上有很大的不同,是介于挾沙水流和滑坡體之間的一種特殊流體,不屬于純粹的流體和土體,同時又兼有流體和土體的一些性質。因此,泥石流在對溝床的沖淤過程中,不像清水或挾沙水流使顆粒發(fā)生單粒的運動和落淤,也不像滑坡體那樣呈整體的起動或停積,它具有介于二者之間特有的機理。2.4溝岸側蝕和泥石流侵蝕泥石流溝道侵蝕有3種主要侵蝕類型:溝床下切侵蝕、溝岸側蝕和溯源侵蝕。它們因為發(fā)生的位置以及方向的不同而相互區(qū)別,但并不是孤立存在的,它們三者之間存在著相互促進的作用。在一定的水動力條件下,當溝床泥沙被沖起帶走,溝床被刷深,發(fā)生溝床下切侵蝕,這種侵蝕方式發(fā)生在溝床上,并且由于它的作用結果是使溝床向下被刷深,因此被稱為溝床下切侵蝕;當岸腳泥沙被淘刷沖出,溝岸不斷后退,這種侵蝕類型發(fā)生在溝岸,其結果是導致溝岸向后退,溝床被拓寬,因此被稱為溝岸側蝕;而溝床下切侵蝕和溝岸側蝕使溝床被刷深、拓寬的同時,溝頭臨空面增高、變陡,導致上部土體在重力作用下坍塌到溝底從而使溝頭向上延伸。實際上,溝頭溯源侵蝕的發(fā)生就是溝頭底部被下切侵蝕和向頭壁的側蝕掏空而發(fā)生崩塌的過程。同時,溝床下切侵蝕使溝岸坡度變得陡峻,臨空面加高,導致岸坡的滑動力(矩)增大而抗滑力(矩)減小,相應的岸坡穩(wěn)定系數(shù)減小,發(fā)生滑坡、崩塌的危險性增加,促使溝岸侵蝕的發(fā)生。在一條溝道內,泥石流的侵蝕具體方式,一般上游以下蝕為主,兼有溯源侵蝕;中游的泥石流侵蝕時斷時現(xiàn),并與間歇性堆積交替出現(xiàn);下游卻以局部沖刷危害為主,加速泥石流串流改道,擴大堆積危害范圍等。從泥石流性質來看,粘性泥石流侵蝕集中于上游溝段,隨其流速、流量的增加,逐漸向下游推進;稀性泥石流侵蝕在上游以下蝕作用為主,到中游側蝕增強,到下游局部沖刷作用最為強烈,故溝口扇上水系往往呈輻射狀,一旦泥石流來臨,各溝均可過流,對各溝沿岸設施帶來危害。從一場次泥石流過程中流體性質變化來看,由稀性泥石流變?yōu)檎承阅嗍?侵蝕作用移向上游,中、下段轉為堆積;反之,泥石流侵蝕作用移向中、下游。在一場泥石流的上漲階段,先為稀性泥石流,后經(jīng)粘性泥石流短暫的鋪床堆積后,便可轉為侵蝕,先在彎道上出現(xiàn)局部沖刷,隨著流速、流量增加而轉為溯源侵蝕;在下落階段,經(jīng)粘性泥石流堆積后,又被稀性泥石流侵蝕,而成為新的溝道。當溝口侵蝕基礎面下降時,泥石流的侵蝕作用將增強,且從溝口向上游推進,溯源侵蝕加劇;反之,泥石流侵蝕作用減弱,退居上游。3泥石流侵蝕強度與人為不合理干擾程度的關系影響溝道侵蝕的因素很多,概括起來有兩大類,即自然因素和人為因素。在無人為干擾的泥石流地區(qū),純?yōu)樽匀挥绊懸蛩?有人類干擾地區(qū),除自然因素外,泥石流的侵蝕強度隨著人為不合理干擾程度的增強而遞增。影響泥石流侵蝕的主要是自然因素,大體上可分為流體條件、溝床條件和流域、區(qū)域條件。其中,又以流體條件和溝床條件的影響最為突出。3.1泥石流的侵蝕與類型流體條件是溝道侵蝕的動力條件。流體類型決定著泥石流的侵蝕方式。通過野外觀測,塑性泥石流一旦起動便呈整體搬運外移,成為整體性侵蝕;粘性泥石流的侵蝕一般呈層狀侵蝕,或稱為掀揭侵蝕;稀性泥石流卻以散粒侵蝕作用為主。流體的類型、容重、流速、流量等特征值都會對溝道侵蝕方式和強度產生重要的影響。3.2溝床縱向的侵蝕基準面形態(tài)變化溝道侵蝕的載體是溝道,因此溝床的形態(tài)(包括縱剖面、橫斷面、侵蝕基準面等)和抗蝕性等均可影響溝道侵蝕的方式和強度。溝床縱剖面和橫斷面對侵蝕的影響主要是通過改變溝道流體的流速來實現(xiàn)。溝床縱坡較大,橫斷面狹窄,則流體流速較大,侵蝕作用強烈;反之,如果溝床縱坡減小,橫斷面比降寬,則侵蝕減弱,甚至出現(xiàn)沉積而不發(fā)生侵蝕。溝床縱剖面形態(tài)的變化可由侵蝕基準面的升降而引起。侵蝕基準面上升,溝床縱坡減小,則侵蝕減弱,侵蝕基準面下降,溝床縱坡增大,侵蝕作用也增強。溝道內物質的抗沖性也是影響溝道侵蝕的重要因素。若溝床和溝岸為基巖,抗沖性好,則沖刷下切緩慢,侵蝕作用不強;若溝床和溝岸由坡積物、殘積物、近代泥石流堆積物或挾沙洪水的沖積物等松散物質所組成,則泥沙容易被沖起,在相同的動力條件下,侵蝕作用也較強。4泥石流溝道侵蝕我國是一個山地面積占國土面積2/3之多的