引用格式：
常鸣,许强,王运生,等.四川康定姑咱“8·3”特大山洪泥石流发育特征及孕灾成因研究[J].武汉大学学报（信息科学版）,2024(CHANG Ming,XU Qiang,WANG Yunsheng,et al.Development Characteristics and Disaster-Causing Mechanisms of the"8·3"Catastrophic Flash Flood and Debris Flow in Ganzi, Kangding, Sichuan Province[J].Geomatics and Information Science of Wuhan University,2024)
DOI:10.13203/j.whugis20240299
摘要
2024-08-03，四川甘孜州康定市姑咱镇日地村突发特大山洪泥石流灾害，导致雅康高速公路康定至泸定段日地1号隧道至2号隧道之间的桥梁垮塌，当地村庄房屋被冲毁，造成23人失联，4人遇难。结合无人机航拍和现场调查等技术手段，对日地沟泥石流的发育特征进行了详细分析，初步探讨了此次泥石流的发生过程和成因机理，并对其关键运动特征参数进行了计算，进而采用FLO-2D模型对日地沟泥石流的动力演化过程进行了模拟分析,模拟结果Ω验证精度达到1.65。研究结果表明，流域内固有的陡峻地形、风化碎裂花岗岩体提供的丰富物源以及持续性降雨与冰雪消融耦合的极端气候共同诱发了本次特大山洪泥石流灾害。本次山洪泥石流携带的固体物源约为58×104 m3，其中最大孤石直径达6 m，流速超过8 m/s，单个块体的冲击力超过500 kN，流通区的总冲击力可达百吨以上，具有极大的破坏力。该研究成果有助于提升西南山区山洪泥石流的应急处置和防灾减灾工作。
论文内容
1. 流域概况
日地沟位于甘孜州康定市姑咱镇日地村，地理坐标为102°06′34″E，30°04′15″N，如图1所示，318国道经过沟口，而在流域中部，雅康高速公路则通过隧洞和桥梁的形式穿越此区域。整个流域面积为26.12 km2，地形呈现出典型的V字形，沟床的纵坡比降高达403%。主沟长度为10.48 km，覆盖面积17.14 km2，平均纵坡达376%，相对高差为3 782.121 m。主沟的右侧发育了一条支沟，支沟长度为4.50 km，流域面积为4.83 km2，平均纵坡为616%，相对高差为2 771 m。日地沟的平面形态呈现出桃叶形，这种地貌特征有利于泥石流的汇集和流动。沟道呈V字形，坡度陡峭，在强降雨时，有助于径流迅速沿坡面汇集形成山洪，并有利于泥石流中松散固体物质的积聚。
图1 研究区地理位置
2. 泥石流形成条件
1）地形条件
日地沟所处地带为高山峡谷地貌，沟谷整体形态呈V字形，西南高东北低，地形陡峻，两岸坡度一般在30°~70°，局部地带基岩出露，出露岩性主要为元古代澄江期斜长花岗岩，局部地区上覆第四系全新统崩坡积层及泥石流堆积层。
日地沟流域平面形似桃叶形，地形陡峭，沟道展示出典型的V型形状，为暴雨引起的洪水提供了集中汇流的优越条件。同时，沟道良好的临空环境与沟谷中纵坡不仅有助于流域内不利地质现象的形成，也有助于松散固体物质的有效搬运，为泥石流中的松散固体物源的积聚创造了条件，也加速了泥石流的形成过程。
2）物源条件
日地沟临近鲜水河断裂，多发强震；海拔高，冰雪冻融风化严重，沟道流域物源十分丰富。通过研究区“9·5”泸定震前及震后两期遥感影像解译，2022-07-25震前物源主要为坡面物源，解译面积为0.12 km²，方量为1.2×105 m3，2024-08-01震后物源主要为坡面物源、崩滑物源与沟道物源，面积分别为0.42 km2、0.45 km2、0.2 km2，物源总方量约为4.80×106 m3（图2（b））。
图2 “9·5”泸定地震日地沟震前、震后物源遥感解译对比图
另外，基于2024-01—2024-08共15景Sentinel-1降轨影像，运用永久散射体（persistent scatterer，PS）-分布式散射体（distributed scatterer，DS）逐级解算双层网络方法，得到雅康高速成灾区形变时间序列，如图3所示（共计约35万个PS、分布式目标雷达干涉（DS interferometric synthetic aperture radar, DS InSAR）量测点），发现后缘冰川区域存在明显形变（>30 mm/a），侧面说明冰雪融化可能诱发的潜在灾害链。同时，日地沟沟道两侧部分坡体存在变形，对下游村庄和高速路形成威胁。可结合数字三维地形、地质勘探和水文监测数据等，定期监测并分析坡体的形变情况。
图3 研究区（a）和上沿冰川区（b）InSAR形变时间序列分析
3）水源条件
据沟口监测数据显示，8月3日，日地沟经历了一场强烈的短时强降雨，每小时降水量达18.4 mm。这场暴雨来临之前，前期的累计降雨量就已超过了100 mm，增加了地表径流量和坡面侵蚀强度。在这场短时强降雨的持续影响下，日地沟中上游的不稳定斜坡和松散土体开始发生大规模的顺坡下滑，导致沟道内形成多个堵塞点。这些堵塞点不仅阻挡了水流的正常流动，还使水流在堵塞区域后方不断汇集，水位迅速抬升。一旦水流积聚到一定程度，便会突破这些临时坝体，形成破坏力极强的泥石流。此外，在泥石流发生之前，日地沟上游当地温度已经攀升至27 ℃，逼近年最高气温。这种高温条件加速了流域上游冰川的融化，大量的冰川融水迅速流入沟道，与暴雨所形成的径流汇合，使沟道内的水流量急剧增加。这种冰雪融水与暴雨汇流的叠加效应进一步导致了泥石流峰值流量的上升，增加了泥石流的爆发风险。总的来说，日地沟山洪泥石流的形成是多种因素共同作用的结果，短时强降雨引发的径流增加、不稳定斜坡的滑动与堵塞，以及高温引发的冰川加速融化共同促成了泥石流。耦合多种因素作用，导致沟道内水流的突然激增和破坏力的极大提升，使得泥石流的规模和威力远超以往。
3. 泥石流灾害特征
1）泥石流形成过程
此次日地沟特大型沟谷山洪泥石流的形成主要原因之一是前期的频繁强降雨。暴雨过后，雨水沿坡面漫流，并渗透至坡体内部，增加了坡体的重量，导致土体饱和并软化。大量雨水通过碎石土的孔隙下渗，在土体内部形成径流，渗透水流携带和搬运土中的颗粒，导致土石结构松散，力学性质和强度降低。同时，动水压力和地下水外营力活跃的薄弱带形成，大幅度降低了坡体的稳定性。此外，在泥石流暴发前，由于气温升高，上游冰雪融化，增加了日地沟沟道中河流水量，为泥石流的暴发提供了充足的水源条件。当“8·3”暴雨这一诱因发生后，形成了向下游流动的大型山洪（图4）。
图4 日地沟山洪泥石流灾害孕灾示意图
2）基本物理力学参数
通过现场调查泥石流发生过程（图5），基于经验判断本次泥石流属于稀性泥石流，固体物质含量较少，以碎块石和砂为主。因此，根据《2021年泥石流灾害防治工程勘察规范》（T/CAGHP006—2018），将本次泥石流的容重确定为1.3 g/cm³。根据对现场堆积扇的调查，大致估算冲出的固体物质总量约为58×104 m3，山洪泥石流携带的孤石直径最大达6 m，流速大于8 m/s、单个块体冲击力大于500 kN，流通区冲击力可达百吨以上，破坏力巨大。
图5 “8`3”日地沟山洪泥石流现场调查图
3）运动过程演化
① FLO-2D基本原理
本研究运用FLO-2D模型来重现日地沟泥石流的演进过程。该模型依据如下3个控制方程式，连续方程式：
式中，h为泥石流流体的流动深度；l为水力坡降；u代表流体在水平方向上的平均流速；v代表流体在垂直方向上的平均流速。运动方程式：
式中，Sfx及Sfy代表摩擦坡降；Sox及Soy代表床底坡降。适用于高含沙量环境与泥石流的流变方程：
式中，τc代表凝聚型屈服应力；τmc代表M.COULOMB剪应力；τv代表粘滞剪应力；τt代表紊流剪应力；τd代表扩散剪应力。
② 泥石流演进关键参数
此次四川康定姑咱“8·3”特大山洪泥石流演进重现参数主要通过野外现场调查与模拟计算手册查询确定。具体如下：曼宁系数nc=0.25；层流阻滞系数K=2 270；黏滞系数α1=0.811，β1=13.72；屈服应力α2=0.004 62，β2=11.24。
③ 泥石流演进过程分析
以2024-08-03在日地沟暴发的泥石流事件与本次泥石流动力演进过程（图6）进行精度验证，具体公式如下：对于观测到的堆积区域，预测的堆积区面积和体积分别为
对于未观测到的堆积区域，预测的堆积区面积和体积分别为：
最后进行精度验证的计算：
式中，为模拟区与实际区重合部分；为误判模拟区域；未模拟的实际堆积区；为实际堆积区面积；实际堆积体积；正判区堆积体积。各参数取值为：AX=1.781×103 m2，AY=0.335×103 m2，AZ=0.133×103 m2，Aobserved=1.914×103 m2，Apredicted=2.116×103 m2，Vobserved=0.612×104 m3，VAX =0.587×104 m3。
评估系数Ω取值范围为-2~2，当值越大，表明模拟精度越高，模拟结果与实际越吻合。经计算日地沟泥石流模拟精度Ω =1.65，表明模拟结果精度较好。
图6 “8·3”日地沟泥石流运动验证图
根据模拟结果显示（图7），日地沟泥石流在流通区的最大流速为8.2 m/s；流通区内修建有多个拦挡坝，坝后淤积导致泥深增加，最大泥深为8.6 m。本次泥石流携带了大量固体物质，其中部分已冲入堆积扇东侧的折多河，但未导致河道堵塞。日地沟流域内主要受威胁的对象包括堆积扇区域的姑咱镇日地村居民、工厂以及雅康高速公路，接近30栋建筑物和1条高速公路，威胁人数接近50人。流域内流通区修建了2个格栅坝、3个拦砂坝和1条排导槽，由于主沟的冰雪融水与支沟的泥石流汇合后，裹挟着直径接近6 m的孤石撞击桥墩、防治工程以及隧道，导致大部分拦砂坝与格栅坝损毁，这也是造成此次雅康高速公路隧道中断的主要原因。
图7 “8·3”日地沟泥石流运动重现演化图
结语
研究结果表明，结合光学遥感等空-天-地技术，对该类型山洪泥石流进行综合识别和动态监测，并配合生态保护措施，从源头上控制泥石流灾害的发生十分必要。此次雅康高速公路中断事件提醒在西南山区进行桥梁等重大交通工程建设时，必须重视山洪泥石流灾害所造成严重威胁。
1）本文利用FLO-2D数值仿真平台进行泥石流运动过程重现，从模拟效果以及精度验证来看，均有较好的结果。但由于缺少现场暴发时的精准数据，导致模拟时部分参数无法精准界定，模拟结果依旧存在不确定性，未来可以进一步改进数值计算模型。
2）日地沟上游流通区设有两道格栅坝及一段排导槽，下游接近堆积扇处设置有三道拦沙坝，但山洪泥石流暴发后出现了大块石撞击致损和部分溃决现象，增大了携沙输移和撞击破坏能力。建议在后续修建防治措施时，应考虑单体块石运移与堵溃效应。
3）通过此次山洪泥石流灾害事件的调查评价，发现在强震区一些服役拦砂坝及排导槽等防治工程出现不同程度的损伤，在今后的研究中阐明强震区服役状态下拦砂坝的损伤机制、科学评估及预测服役拦砂坝在多重现周期泥石流暴发条件时的减灾效果有着十分迫切的现实需求。
通过开展四川康定姑咱“8·3”特大山洪泥石流发育特征及孕灾成因的应急调查研究，得出了本次山洪泥石流的具体特征和成因机制的初步认识，具体结论如下：
1）日地沟沟域呈树叶状，易于汇水，高差大，流域面积26.12 km²，高差约3 782.121 m，主沟长约10.48 km，纵比降为376‰，支沟长度为4.50 km，平均纵坡为616%，相对高差为2 771 m。日地沟沟域临近鲜水河断裂带，强震多次叠加，山体震裂，沟源海拔高，冻融风化强烈，崩塌发育，沟内物源十分丰富。近期气温偏高，冰雪消融加快，加之近期持续降雨致沟道堵溃引发山洪泥石流。
2）根据物源解译结果，泸定地震后流域内的物源显著增加，至2024-08，物源面积已达到1.07 km²，物源总方量约为4.80×10⁶ m³，主要集中分布于流域的中上段区域，为泥石流的发生提供了重要基础条件。根据雅康高速成灾区的形变时间序列分析，冰雪融化可能诱发灾害链，同时，日地沟沟道两侧部分坡体出现变形，对下游村庄及高速公路构成了潜在威胁。
3）基于FLO-2D数值仿真模型，结合精细化地形数据与准确的物源信息，对日地沟本次山洪泥石流的运动全过程进行了模拟。结果显示，泥石流在流通区的最大流速为8.2 m/s，最大泥深为8.6 m。泥石流携带了大量固体物质，其中部分已经冲入堆积扇东侧的折多河，但未引发河道堵塞。本次泥石流的主要威胁对象包括堆积扇区域的姑咱镇日地村居民、工厂及雅康高速公路，影响范围涵盖接近30栋建筑物和1条高速公路，受威胁人数接近50人。
点击下方阅读原文进入下载网页
2020-2024年滑坡监测方法汇总
