泥沙灾害类型及成因机制分析(景可 李凤新)

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泥沙灾害类型及成因机制分析*水利论文f`9Yz%cj;nq

景 可  李凤新水利论文'jMz b/T u)R(m

(中国科学院地理研究所)水利论文AH}D;J8J

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摘 要   由水力或重力侵蚀形成的泥沙有二重性作用,即泥沙既能致灾,又能成为宝贵资源。根据泥沙致灾过程和特性,泥沙灾害可以分为直接灾害和间接灾害;滑坡和泥石流为前者;由泥沙引发的洪水灾害为后者。以黄河下游为例,论述了间接泥沙灾害形成的必备条件是:中上游的强烈侵蚀产沙,强烈的沟道与河道泥沙输移,河道泥沙堆积空间制约,水沙关系不协调。

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*v!yN(jjW/aF0E0关键词泥沙  灾害类型  成因机制水利论文#uk$za*NH;H9e7@H

*国家自然科学基金(49571012)资助项目的研究成果之一。
**本文暂不讨论风沙灾害。

  80年代响应联合国减灾十年委员会提出的开展“国际减轻自然灾害十年”(1990~2000年)的号召,在中国减灾委员会的领导下,有关部门投入大量的人力和物力开展减灾防灾的全面的、系统的研究。他们所研究的灾害类型涉及七大类,24种。奇怪的是在这七大类24种灾害中并没有包括泥沙灾害,是何原因导致泥沙灾害的“疏漏”。笔者揣测并非真正的疏漏,主要原因之一是,由于某些泥沙灾害已反映在其他自然灾害类型中,主要反映在地质灾害和洪水灾害中;二是由于泥沙本身的二重性,即既能成为致灾因子,也能成为丰富的资源。由于这两方面的原因,故未能把部分泥沙引发的灾害特别地强调出来。客观上迄今为止,甚至什么是泥沙,什么是泥沙灾害并没有明确的,共识的概念,这也是未能成为独立的一类灾害的原因之一。随着人口的增加,经济的发展,环境的变异,温室效应等影响,由泥沙为致灾因子直接,或间接引发的灾害环境越来越为人们重视。正确地认识泥沙与泥沙灾害的类型及其成因机制,对维持区域经济持续发展是有十分重要的意义。下面就泥沙与泥沙灾害的有关问题提出自己的见解,不妥之处请同仁不吝赐教**

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1 泥沙的二重性

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  要研究泥沙灾害,首先要认识泥沙。什么是泥沙,在很长的时段内并没有明确的概念;河流泥沙专家钱宁先生在“泥沙运动力学”一书中是这样定义泥沙的“凡是在流体中运动或受水流、风力、波浪、冰川及重力作用移动后沉积下来的固体颗粒碎屑”。定义不仅阐明什么是泥沙,而且还高度地概括泥沙的成因类型和动力机制。同时从定义中还可以看出泥沙粒级大小相差十分悬殊,其粒径可相差百倍、千倍,甚至万倍,其体积可相差亿倍。可见泥沙是不同等级颗粒碎屑物的总称。泥沙作为一种物质,同其他任何物质一样都有其二重性,既有有利的一面,也有有害的一面,有害的一面为泥沙灾害,有利的一面称之为泥沙资源。水利论文5c"lhJ A7?k Q

1.1 泥沙的灾害性水利论文0Y;vD;C6q2nJ0lB

  什么是泥沙灾害,至今未见有明确报道;笔者是这样理解泥沙灾害的,凡是致灾因子是泥沙,或由泥沙诱发其他载体给人类的生存,生存环境和物质文明建设带来危害,给经济带来损失,这样的泥沙事件就构成泥沙灾害。由泥沙为致灾因子形成的灾害命其为泥沙的直接灾害;由泥沙诱发其他载体引发的灾害命其为泥沙的间接灾害。前者如因滑坡、泥石流及崩塌形成的泥沙物质给人类、社会和环境造成的危害(至今仍被世人称之为地质灾害)。我国是一个多山的国家,2/3为山地,加之人类活动的影响,因滑坡、泥石流和崩塌形成的泥沙灾害相当严重;据不完全统计,每年发生的滑坡数以万计,有泥石流沟一万多条,受到威胁的70多座城市和460多个县城。1949~1990年因崩塌、滑坡、泥石流使我国至少造成100多亿元的直接经济损失。因崩塌、滑坡、泥石流造成近万人死亡,年均200多人。这些还使我国的铁路、水库和电站受到严重威胁。

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  泥沙间接灾害是指因土壤侵蚀形成的泥沙在河道或水库年复一年又一年的淤积使河床抬高,泄洪能力降低,由不太大的洪水引发的漫堤、溃决的灾害(这一类灾害至今仍然归咎于洪涝灾害)。在干旱半干旱地区地面堆积的风砂在强风暴作用下也能引起风沙灾害;如1993年5月西北地区的黑风暴形成严重的风砂灾害。由泥沙堆积于河床导致的洪水灾害,在半干旱地区比较普遍,在我国主要出现在北方几条高含沙河流,其中最为典型的是黄河,其次是辽河和永定河。黄河下游在建国前的2000多年的时间内,两岸大堤决溢1500多次,大小改道26次(又一说7次)。建国后由于三次加固加高防洪大堤才50年安然无恙。但由于近年黄河水沙形势发生历史性变化,中上游来水大幅度减少,与此同时,径流量也大幅度的减少,断流连续不断,泥沙大量淤积在河槽中,使河床不断地抬高,滩槽高差缩小,河道严重萎缩。1990年1月至1995年12月,小浪底至高村河段抬升34cm,平均每年抬升7cm。现在黄河下游的过洪能力已降低到历史最低水平,1996年8月5日与8日13日花园口洪峰流量分别为7600m3/s和5520m3/s,8月5日洪峰水位达到94.73m,高出1958年22300m3/s水位0.91m。使夹河滩以上1855年黄河改道以来从未上过水的高滩居然也漫滩,使河南、山东两省共有40个县,173个乡镇,1345个村庄,107万人受灾,淹没耕地23万hm2,这就是由于泥沙导致的洪水灾害。因泥沙引起的洪水灾害在三门峡水库、洞庭湖和太湖等都有不同程度的表现。如太湖流域1991年的降水量并没有1954年的降水量大,但洪水淹没的范围远远大于1954年,其主要原因就是由于湖区及其周围河道泥沙的长年累月的淤积,由此形成与洪量并不相称的严重洪水灾害。由此可见,泥沙引发的洪涝灾害是不可忽视的泥沙间接灾害,但也不能因此把所有的洪水灾害都归咎于泥沙间接灾害。我国虽然是世界上洪水最多的国家之一,但真正由泥沙超常规的堆积,而诱发的泥沙洪水灾害也是不多的。水利论文W yS,g5n"{'H5u px

1.2 泥沙的资源性

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  泥沙不统统都是灾害,而且在许多方面也是人们离不开的宝贵资源;我国劳动人们很早就利用泥沙作为建筑材料,著名的秦砖汉瓦就是一例。农业上,我国西北地区很早就有引洪漫地的习惯,就是把洪水有计划地引入农地,让洪水中的泥沙沉积在农地,既灌地,又改良了土壤,是一举两得。当前有很多地方大力推广应用高含沙洪水引洪漫地,化害为利。在黄河下游引黄灌溉的同时,还起到洗碱压碱,改造中低产田。水利论文%p e?+[A#X;E,}

  在人类历史以前,由于不存在什么是泥沙灾害,由高处侵蚀产生的泥沙大量地堆积在流域的低洼处,为后人塑造了赖以生存的土地资源;例如黄河中上游的侵蚀产沙不仅塑造出河套平原,汾渭平原,而且还塑造出约20万km2的华北平原。同样,长江也由于中上游的侵蚀产沙塑造了肥沃的长江中下游平原和两湖湖滨平原;在西南地区位于河谷中的乡镇,村庄乃至县城都建于由滑坡、崩塌或泥石流堆积的冲洪积扇上,或河流阶地上。这些泥沙堆积地貌区也还是当前的主要基本农地。即使进入人类社会,泥沙也不全都是害,例如黄河的泥沙每年仍以23km2的速度在河口三角洲建造陆地。1855年黄河改道以来,使近代三角洲的面积达到2200km2。长江流域的泥沙在河口堆积,使在唐朝还不显眼的,出水不久的沙洲,经过一千多年的泥沙堆积,如今已成为面积约1083km2的崇明岛。此外泥沙灾害与泥沙资源也是可以相互转换的,开始是灾害,事后又转化为资源,或原来是资源后来转化为灾害;如黄土高原上的一些大型黄土、或红土滑坡堵塞沟道,形成聚湫;开始可能造成一些经济损失,但不久形成天然淤地坝,成为旱涝保收的基本农地。又如黄河高含沙水流泥沙本身含有相当数量的粘土矿物和有机、无机胶体,可吸附种类繁多的污染物,因而具有净化水环境的效应。但泥沙又作为污染物和污染物载体对水环境和泥沙沉积区造成污染。

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2 泥沙灾害类型及其特征

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2.1 类型划分水利论文b$r(n S G5b7_^*c{

  同其他类型划分一样,泥沙类型划分也应该有类型划分的原则与指标;根据泥沙灾害,无论是直接灾害,还是间接灾害,其泥沙都是来自土壤侵蚀(广义的土壤侵蚀)。为此有理由借助于土壤侵蚀发生发展的营力作为分类指标。土壤侵蚀分类的基本原则,国内外多半采用发生学原则,以促使土壤侵蚀发生发展的营力作为分类指标。本文泥沙灾害分类也采用发生学原则,用产生侵蚀的营力,即流水、重力、风力、冰融和人类作用为指标。本文只研究前二者,流水和重力作用产生的泥沙灾害。泥沙灾害分类过程及系统见表1。这里必须特别强调一点,尽管泥沙灾害分类的原则是借助于侵蚀分类,产生泥沙灾害的泥沙又是来自土壤侵蚀,但绝不能把侵蚀危害与泥沙灾害混同。严格地说泥沙灾害是侵蚀的后果之一,而不是全部。例如黄河中游多沙粗沙区是强烈侵蚀区,但不是泥沙灾害区。多沙粗沙区的强烈侵蚀的后果表现是多方面的,一方面是中游的地形支离破碎,生态环境日益恶化;另一方面是侵蚀泥沙在三门峡水库和下游河道堆积,为日后的间接的泥沙灾害奠定物质基础。所以黄河下游才是真正的泥沙灾害区,关于它们之间的关系下文详细分析。

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表1 泥沙灾害类型水利论文|&y|vq

Types of sediment disasters

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灾害营力

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灾害性质水利论文4Nty,lU*\.^}

泥沙来源

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灾害类型

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灾害的表现形式

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典型事例水利论文 dX|x@8e1w*|jx(eV.F


流水侵蚀水利论文gl,],P[*xzU%C

(沟蚀、面蚀)

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泥沙多年淤积,河床抬高或库容缩小引发本不该发生的洪涝灾害

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黄河下游,三门峡水库、辽河流域、永定河流域、洞庭湖等

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大块土体,或岩体滑坡堵塞河道淹没道路、村庄

甘肃洒勒山滑坡、秭归盐关滑坡、长江三峡鸡扒子滑坡

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重力
(包括内力)
重力
侵蚀

泥石流

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突发性的泥沙、砾石冲坏村庄、道路,堵塞河道水利论文-}um w^*a

东川泥石流、波密古乡冰川泥石流、滇北协的蒋家沟泥石流

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崩塌
(崩岗)

岩体或土体在陡坡上崩塌或南方花岗岩区的崩岗水利论文vzV2] t-a1|8O

宜昌盐池河崩塌、新滩崩塌滑坡、华南五华花岗岩崩岗

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2.2 泥沙灾害类型特征水利论文"HcI9^_$l-e$V

2.2.1 灾害类型的地带性水利论文v+[O9QI4U!r

  泥沙灾害的致灾因子主要是自然因素,由于自然因素有地带性和非地带性的特点,所以泥沙灾害区域分布表现出地带性和非地带性格局,如间接泥沙灾害主要发生在秦岭以北的半干旱地带的高含沙河流;此外是长江中下游湖滨区。直接的泥沙灾害滑坡、泥石流和崩塌主要分布在我国自然地势第二级阶梯上;中间又可以秦岭为界,此线以南的泥沙灾害无论是强度,还是发生频度和密度都远远大于此线以北地区。水利论文4J+pr#lV B R

2.2.2 灾害类型的群发性

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  泥沙灾害在空间的出现,有时以单个类型出现,但多数是两种或两种以上的类型出现;如泥石流常常伴随滑坡和崩塌。这在西南地区的汛期是经常发生的,有时滑坡与崩塌也同时出现,如著名长江三峡新滩滑坡就是一个崩塌加载重失稳,多期复活继承性的推挤型堆积滑坡。历史上新滩两岸岩崩、滑坡多次发生,公元1030年和1542年最为严重,曾分别堵江21a和82a。又如暴雨引起滑坡、泥石流,而滑坡和泥石流可能堵塞河道再次引发洪水灾害。越来越多的资料说明,各种自然灾害都不是孤立存在的,它们常常在某一时间或某一地区相对集中出现,形成灾害群。

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2.2.3 灾害类型的时段性

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  泥沙灾害是受到地质与天体因素的影响,由于这两者是有活动期和稳定期,因而泥沙灾害的发生也有高发期和稳定期。如解放以来1954~1960年,1963~1975年,1980~1985年均为滑坡、崩塌和泥石流的高发期(图1)。水利论文&d)g&Z-YYj{

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图1 中国40年来滑坡,泥石流频次图(据文献2)

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Frequency of landslide and debris flow in China over the last 40 years (after Ref.[2])水利论文BK)Q6dic$a^+\? t

2.2.4 灾害类型的转化性水利论文Q v Ft1] DC#C

  泥沙灾害可以引发许多环境和经济问题,同时灾害的后果可能产生新的类型灾害,如黄河的洪水灾害可引发新的泥沙灾害,泥沙盖压农地,土地沙化,引起新的风沙灾害;又如泥沙入库,不仅库容迅速淤废,而且在水库末端泥沙淤积“翘尾巴”,使上游淹没,影响到当地环境和工农业生产;又如滑坡、崩塌和泥石流可使良田被毁,溪流堵塞,形成天然拦河坝,河流回水成为新的水毁。

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3 泥沙灾害的成因机制水利论文lfkY8|+x7Y1c4L

  由表1可见,泥沙灾害的性质可分为直接和间接两种灾害类型;关于直接泥沙灾害类型,如滑坡、崩塌和泥石流等泥沙灾害类型的成因机制,实质上就是滑坡、崩塌和泥石流的成因机制。这方面前人有过大量的论述,而且有了比较成熟的看法,为此不再赘述。下面将主要以黄河下游为例,论述间接泥沙灾害的成因机制。黄河泥沙产生于中游,但泥沙灾害表现在黄河下游引发洪水灾害。可见间接泥沙灾害的形成不仅仅是泥沙,还取决其他众多条件,不仅牵涉到中游,而且还牵涉到下游。不仅与侵蚀产沙有关,而且还与输沙渠道和堆积环境有关。但概括起来,间接泥沙灾害的形成必须具备三方面的条件:水利论文0u m5W'cf1O/K5zj

  第一,中游的强烈侵蚀产沙。下游泥沙灾害形成的必要条件是要有丰富的泥沙来源,而中游的强烈侵蚀产沙为此奠定基础。来自中游的泥沙又主要是集中约10万km2的多沙粗沙区。这个区域的侵蚀产沙不但数量大,而且粒径粗,>0.05mm粗泥沙占总沙量的45%左右,最大达到77%(王道恒塔)。根据研究,沉积在下游河道的泥沙中约50%是来自d>0.05mm的泥沙。由此可见,中游的强烈侵蚀产沙成为下游河道强烈淤积抬高的重要原因之一,奠定泥沙灾害发生的物质基础。

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  第二,中游的强烈泥沙输移。黄河中游是新构造长期间歇抬升区,而汾渭地堑又是一个长期的下沉区,成为中游的侵蚀基准面;正负地壳运动增加了侵蚀基准高度,由此中游的河谷的河床纵比降越来越大。黄河中游纵比降分析得到,凡是纵比降大于1‰的河谷都是侵蚀性河谷,而纵比降小于1‰的多半是堆积性河道。黄河中游的一级支流的纵比降都>2‰,二级支流大于5‰,沟谷纵比降之大是不言而喻了。可见黄河中游有输送足以多泥沙的能力。

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  第三,河道泥沙沉积空间制约。黄河下游河道位于在地质构造下沉单元,河床纵比降1‰。左右。近三十年来的精密水准测量资料显示,华北平原以平均1.5~3.0mm/a的速度下沉。如果这样的地壳沉降速度,平均泥沙沉积不超过1.1亿吨,下游河道纵比降可以维持不变。但现实是沉积泥沙远远超过这个量,而且比较集中地沉积在河槽中。下游目前是一条悬河,在冲积扇区还形成二级悬河,泥沙堆积空间被两岸大堤死死地限制在平面面积4152km2,高约10m的有限范围内。随着时间的推移,泥沙堆积的空间越来越小。若要维持空间大小不变,势必要继续加高大堤,显然这不是上策,何况还会带来更大的泥沙灾害。水利论文.Xbo~m Cv{Ka0p+D

  除上述三个条件外,还有水沙关系匹配上不协调,表现出水少沙多,即来沙系数大。黄河下游来沙系数多大,就可达到冲淤平衡,至今还没有定论的结论。在现有地理环境条件下,黄河泥沙灾害的形成必须同时具备上述条件。其中缺任何一个条件都不可能形成下游的泥沙灾害。当然其中首要条件是中游的强烈侵蚀产沙,而不是一般的侵蚀产沙。如果没有中游的强烈侵蚀产沙,单处理流域洪水,无论是60年一遇的22000m3/s流量,或者百年一遇的36000m3/s流量,对付这样的洪水还是有足以应付的能力。如果仅存在中游的强烈侵蚀产沙,而中游没有良好的泥沙输移条件,泥沙输移比大大地小於1,大量的泥沙在中游沟道或河道沉积,这时的泥沙不但不能成为灾害,还可能成为塑造良田的资源。再假设即使有中游的强烈侵蚀产沙和良好的泥沙输移条件,如果下游不是构造拗陷区和大堤的约束,或者水沙关系协调,或者是有一个深海河口,那么中游的大量来沙,就很容易顺利地输入大海,不在下游河道淤积,也就形不成地上河,此时的泥沙可能回淤河口两侧,或者远离河口处成为造陆的物质基础,为人类增添更多美好的乐土。由此可见,黄河下游泥沙灾害的形成,必须具备上述条件,而且形成一个有机的泥沙链,方可因泥沙而形成下游洪水灾害。上述间接泥沙灾害的形成过程可概括为图2。水利论文`l9cd)mU

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图2 黄河泥沙灾害形成因素框图(据文献5)水利论文:P$kwIC5n U6HR

Factors causing sediment disasters in the Yellow River basin (after Ref.[5])

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4 结语

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  泥沙既能致灾,又能成为宝贵资源。根据泥沙到灾和特性,泥沙灾害可以人为直接灾害和间接灾害和间接灾害。滑坡、崩塌和泥石流为前者,由泥沙引发的洪水灾害为后者。以黄河下游为例,间接泥沙灾害的形成必须具备以下条件:第一,中上游的强烈的侵蚀产沙;第二,强烈的沟道与河道的泥沙输移;第三,河道泥沙堆积空间受到制约;此外是水沙关系不协调。在以上条件的前提下,形成泥沙灾害链。正确地认识泥沙与泥沙灾害,有的放矢的综合利用泥沙,方可化害为利。水利论文5V}?\\3k-rG8er]

参考文献水利论文6Y:zQa~-S(G4@oA

1 钱宁等。泥沙运动力学。科学出版社,1982年。

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2 国家科委全国重大自然灾害综合研究组。中国重大自然灾害及减灾对策(总论).科学出版社,1994.

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3 赵文林主编。黄河泥沙。黄河水利出版社,1996年。水利论文&Cs3Ey4A T5iZ(~

4 中国地质学会工程地质专业委员会编。中国典型滑坡。科学出版社,1988年。

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5 景可等。黄河泥沙与环境。科学出版社,1993年。水利论文&a b+^:uT,M+q7~

 

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