水利工程论文-多沙粗沙区皇甫川流域泥石流发育特征研究.doc

水利工程论文-多沙粗沙区皇甫川流域泥石流发育特征研究摘要：皇甫川流域地处黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带，属于水蚀风蚀过渡区，生态环境十分脆弱。通过分析该流域的气候、地貌地形、地面物质组成等条件，结合皇甫川流域泥石流发育现状分析后认为，一般情况下皇甫川流域典型泥石流过程几乎不发生，但是高含沙水流、泥流过程的高发区和多发区明显高于其他地区。皇甫川流域泥石流的危害是潜在的，对于增加入黄泥沙，特别是对黄河沿岸的府谷、保德以及天桥电站的安全构成潜在威胁。关键词：皇甫川流域泥石流发育地面物质组成皇甫川流域地处黄土高原与鄂尔多斯高原的交接地带，属于水蚀风蚀过渡区。它是黄河中游上段，晋陕峡谷北部的一级支流，发源于内蒙古准格尔旗北部点畔沟，经准旗的纳林、沙填至陕西府谷道堍坪汇入黄河。全长1251km，流域面积3246平方公里，全流域人口约80000人，人口密度2530人/平方公里。该流域目前还未受到资源开发的影响，土壤侵蚀包括滑坡泥石流发育主要还受控于自然因素，具有典型代表性。1皇甫川流域概况流域属于干旱与半干旱气候，年均降水量309.54140.3mm，是鄂尔多斯高原暴雨中心区，一般发生于69月，占全年降水量的80%以上，年均暴雨5次，其中1030分钟的短历时暴雨2.85次、占总次数的63%；小于10分钟暴雨1.85次占37%，60分钟的暴雨0.55次占11%。最大一日暴雨量为52.8mm，30天降雨总量为175.6mm。流域温差较大，土层冻融作用强烈，一般年份冻结厚度为90110cm，极端冻结最厚在150cm以上。皇甫川平均风速1.93.4m/s，春季平均风速3.2m/s，强大的风力是风蚀的动力，风蚀是冬春两季表现最为明显的一种侵蚀方式，地面个别年份风蚀深度达4cm。皇甫川流域地质构造属于鄂尔多斯地台拗陷的边缘部分。燕山运动和喜山运动使地台隆起成拱状高原，流域正处于高原的东南斜坡上，中上游地区处于白于山至东胜的第四纪抬升中心，近期抬升约20mm/a，从而导致流域中上游一带沟谷下切，溯源侵蚀特别强烈。皇甫川流域地形特点是深沟梁大，地形起伏较缓，呈东南倾向，上游分水岭高地与下游河流出口处落差520m。沟间地形似倒扣着的船状，坡面侵蚀比较强烈，沟深一般4050m，有的超过100m，沟坡多由基岩组成。流水除具有冲蚀外，还具有一定的淘蚀作用，从而引起崩塌，沟蚀和重力侵蚀竞相发展。由表1坡度组成情况可以看出3655的坡度占48.19%，比例最大分布于谷坡；沟间地比较平缓，15以下占26.87%，另有11.88%的陡崖是基岩崩塌的直接产物，中上游这种特征更为明显。皇甫川流域地面物质组成十分复杂。中生代的基岩地层分布面积占流域总面积的51.3%，是流域出露面积最大的地层。基岩按机械组成可分（粒径大于0.05mm的粒级占70以上）为砒砂岩，实质上是粗砂岩，分布于中上游地带；细粒者为羊矸石（大于0.05mm粒级小于35以下），包括青羊矸石和红羊矸石两种，属于细砂岩或泥岩、页岩等，主要分布于流域中上游地带。砒砂岩或者粗砂岩主要是流域基岩崩塌发育的母岩，又是高含沙水流的物质来源，而细砂岩又为形成高含沙水流或泥流提供了足够的细粒物质。三趾马红土系基岩地层之上覆盖的新生代第三纪上新世红色黏土，水后表面光滑，当上部有土层覆盖时，极易产生滑坡，在皇甫川流域主要分布于东西分水岭地带，面积仅占4.5%，集中在西部的虎石沟右岸及沟头，十里长川右岸等地。红土由于因干湿冷热交替影响而发生膨胀收缩现象，在土体表面形成厚1015cm的松散碎屑层，从而发生自然移动的泻溜现象，在坡面下部或堆积物被水流冲走或形成堆积裙。黄土在皇甫川流域面积上并不占明显优势，仅占总面积的31.6%。目前黄土分布占优势的地方主要集中在十里长川支流域，特别是其左岸，还能看到整片而厚层的黄土分布。从侵蚀产沙角度而言，黄土仍是目前遭受侵蚀特别是坡面流水侵蚀最强烈的物质。风成沙是水蚀风蚀交错带的产物，风成沙主要分布于中上游地带，面积占8.7%，重力作用下以泻沙的形式在坡角形成坡积裙，促使高含沙水流或泥流的形成。2皇甫川流域的泥石流发育受流域地形特征的影响，发育于皇甫川流域的泥石流过程主要表现为主BFQ河道的泥石流或高含沙水流过程。而典型的泥石流过程则很少发育，究其原因在于缺乏块石状的粗粒物质，初看起来，这似乎与流域崩塌、浅层滑坡发育能够提供大量物质相矛盾。然而仔细研究流域的地形特征之后发现，皇甫川流域（或者说整个蒙陕接壤区）沟谷地形的最大特点表现在：沟头狭窄而深切，沟口宽浅而开阔，上游为深“V”字沟谷，而下游为宽“U”形沟谷。以上面介绍的崩塌类型分布来看，在沟谷上游多以粒状崩解居多，特别是在沟谷缘线附近，往往因粒状物崩解剥落而形成一些特殊的类似半个“葫芦”或倒“瓢”状的沟坡形态，很难有块状物质堆落沟底。而大多数类型的崩塌现象均出现于下游宽“U”形谷的谷坡之上，在这里也多由于沟谷侧蚀的结果，形成了许多临空面，在沟底谷坡多形成倒石堆和坡积裙，然而沟谷临时性洪流在携带了大量上游松散物质之后到达下游时，由于沟谷变浅变宽，流水扩开，冲击力减弱，因此充其量只能从谷底、谷坡倒石堆中携带一些相对粗粒成分，而难以携带块状物质。此外，这些倒石堆BF由于谷底相对平坦，没有足够的临河坡度，使这些物质倾入河道，因此从泥石流形成角度而言，没有完善的（甚至缺乏）形成区，以石块、沙、细粒物质和水的混合物难以形成，促使典形的泥石流难以发育。但是，皇甫川流域一直是黄河中游的粗沙多沙中心，高含沙水流、泥流过程连年不断，只要有大的洪水，每次洪峰过程均是泥流或高含沙水流过程，如果以日均含沙量超过200公斤/立方米作为高含沙水流过程或泥流过程，每年平均有14.4次，200400公斤/立方米有8次、400600公斤/立方米有3次、600800公斤/立方米有2次、8001000公斤/立方米有1.1次、超过1000公斤/立方米的有0.3次（表2）。高含沙水流或者说泥流之所以形成频繁，主要是由于流域侵蚀剧烈能够给河流提供足够的物质。挟泥沙水流与一般水流明显不同，日均洪水含沙量最高可达到800公斤/立方米以上，有许多超过1000公斤/立方米，且含沙量越高，所携带泥沙越粗。而在黄土区，则多在800公斤/立方米以下。在乌兰木伦河流域，开矿前地面主要由风成沙覆盖，缺乏细粒成分作骨架，加之侵蚀量有限，从而难以形成高含沙水流或泥流，即使主流窟野河出现高含沙水流，其次数也小于皇甫川流域。然而，开矿后，剥离了表面沙层，同时大量破坏了下伏基岩地层，而基岩地层中含有大量的细粒成分如泥岩、页岩、细砂岩等，易形成粗细泥沙的搭配，且侵蚀量、人工提供的待运物质量骤然增高，促使了河流高含沙水流或泥流，甚至泥石流的形成。例如，在19871989年3年之中，大于800公斤/立方米含沙量的高含沙水流出现3次与皇甫川一致，但最大洪峰含沙量达1630公斤/立方米的记录超过了皇甫川1370公斤/立方米的记录（3年之中最大）。在神木水文站实测一堆积体，体积约2万立方米；选择5m5m的样区，发现有直径大于0.5m的石块6块，0.30.5m的石块1