河流功率梯度在泥石流空间易...中的应用：以金沙江流域为例_顾畛逵.pdf

引用格式：顾畛逵，姚鑫，李凌婧，等，2023.河流功率梯度在泥石流空间易发程度调查中的应用：以金沙江流域为例 J.地质力学学报，29（1）：8798.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.2022022Citation:GUZK，YAOX，LILJ，etal.，2023.Applyingstreampowergradientintheinvestigationonspatialsusceptibilityofdebrisflow:AcaseoftheJinshaRiverBasin,ChinaJ.JournalofGeomechanics，29（1）：8798.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.2022022河流功率梯度在泥石流空间易发程度调查中的应用：以金沙江流域为例顾畛逵1,2,3，姚鑫1,2,3，李凌婧1,2,3，陶涛1,2,3,4GUZhenkui1,2,3，YAOXin1,2,3，LILingjing1,2,3，TAOTao1,2,3,41.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2.自然资源部活动构造与地质安全重点实验室，北京100081；3.中国地质调查局新构造与地壳稳定性研究中心，北京100083；4.中国地质大学（武汉），工程学院，湖北武汉4300741.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China;2.Key Laboratory of Active Tectonics and Geological Safety,Ministry of Natural Resources,Beijing 100081,China;3.Research Center of Neotectonism and Crustal Stability,China Geological Survey,Beijing 100083,China;4.Faculty of Engineering,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074,Hubei,ChinaApplying stream power gradient in the investigation on spatial susceptibility of debris flow:A case ofthe Jinsha River Basin,ChinaAbstract:Investigationofspatialsusceptibilityofdebrisflowisabasisforcarryingoutgeologicalhazardpreventionanddevelopingecologicalrestorationplans.Itisdifficulttoefficientlyandaccuratelyidentifypotentialdebrisflowgulliesonalargespatialscalesimplybyrelyingonfieldsurveyscombinedwithremotesensingobservationsordebrisflowsimulationswithsmallwatershedsasunits.TakingtheJinshaRiverBasinofChinaasanexample,weproposeaquantitativeschemetodescribetheintensityofextrinsicforcesbycalculatingthestreampowergradient().Weextractedgulliespronetodebrisflow,assuming that there is no spatial heterogeneity in the provenance supply conditions based on the fundamentalunderstandingthatdebrisflowisahigh-energygravityflow.Inthesituationwherethethreshold(=1104W/m2)isthemutationalsiteofthegradientchangetrendoftherelationcurvebetweenthenumberofdebrisflowgulliesandvalue,atotalofabout32thousanddebrisflowgullieswithlengthsofmorethan200mwerefound.Inthemiddleandlowerreachesofthebasin,thesegulliesarelocatedwithina30-kilometerbufferzonealongtheJinshaandYalongRivers,andthereisapowerfunctionrelationshipbetweenthenumberofdebrisflowgulliesandthewidthofabufferzone.However,extremeweathereventsarelikelytoincreaseinthefutureunderglobalwarming,andtheseareasshouldbethecriticalpreventionareasofdebrisflowdisasters,especiallythecascadereservoirarea.TheresultsofthisstudyprovidealatticedatasetofspatiallocationsofthegulliespronetodebrisflowandthestreampowergradientsintheJinshaRiverbasin,whichcanbeusedtoretrievetheexactlocationofthehigh-energygulliesandcanalsobeusedasthebasicdataforthestudyofrelatedgeologicalhazardsandsurfaceprocessesingeneral.基金项目：国家自然科学基金项目（42107218）；中国地质调查局地质调查项目（DD20221738-2）；中国长江三峡集团有限公司项目（YMJ(XLD)(19)110）ThisresearchisfinanciallysupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(Grant42107218),theGeologicalSurveyProgramofChinaGeologicalSurvey(GrantDD20221738-2),andtheProjectofThreeGorgesCorporation(GrantYMJ(XLD)(19)110).第一作者：顾畛逵（1987），男，博士，副研究员，从事地貌发育与地质灾害研究工作。E-mail:通讯作者：姚鑫（1978），男，博士，研究员，从事 InSAR 观测与地质灾害研究工作。E-mail:收稿日期：20220224；修回日期：20220812；责任编辑：吴芳第29卷第1期地质力学学报Vol.29No.12023年2月JOURNALOFGEOMECHANICSFeb.2023Keywords:debrisflow；streampower；externalforce；high-energyvalley；JinshaRiver；geohazards摘 要：泥石流空间易发程度调查是开展地质灾害防范和制定生态修复计划的基础之一。目前单纯依靠野外调查并结合遥感观测，或以小流域为单元的泥石流模拟，均难以在大空间范围内高效、准确地识别潜在泥石流沟。鉴于泥石流是一种高能重力流，此次研究以金沙江流域为例，在假定物源供给无差异条件下，提出通过求算河流功率梯度（）来实现地表外动力活动强度定量刻画和泥石流空间易发程度调查的新方案，并将泥石流沟验证点数与 值关系曲线的比降趋势突变位置作为阈值（1104W/m2），提取出大约 3.2 万条长度超过 200m 的高能河谷或泥石流易发沟谷。这些沟谷基本位于金沙江和雅砻江干流中下游，在大约 30km 距离的缓冲区范围内密集分布，其数量与缓冲区宽度存在乘幂函数关系。在全球变暖背景下，未来发生极端气象事件可能性趋于增加，这些地带，尤其是梯级库区河段应做为泥石流灾害的重点防范区。研究的最终结果提供了金沙江流域泥石流易发沟谷的空间位置及 值的点阵数据集，可供检索高能河谷的准确位置，也可作为相关地质灾害与地表过程研究的基础数据和资料。关键词：泥石流；河流功率；外动力；高能河谷；金沙江；地质灾害中图分类号：P694;P642.23文献标识码：A文章编号：10066616（2023）01008712DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20220220引言泥石流广泛发生在径流侵蚀活跃的山区及冰雪覆盖的高原边缘地带（Zhangetal.,2004;Qiuetal.,2022）。浅层的滑坡、松散堆积物的径流渗入、溃坝和冰雪消融都有可能诱发泥石流（Hrlimannetal.,2019;Wangetal.,2021），其消能过程的破坏性强，被视为一种不良地质现象，是地质灾害的重要表现形式之一（Qinetal.,2021）。目前在全球气候变化背景下，极端天气事件频繁出现，泥石流对生物生存的潜在危害日益突出（Gaoetal.,2017;鲁建莹等,2021;Zhaoetal.,2021），对区域安全和重大工程设施威胁度增加。长期以来，准确识别泥石流暴发的潜在时空区间，是许多研究机构持续关注的科学问题（Lietal.,2022）。典型的泥石流以非牛顿流体行为、较强的泥沙携带能力和高运动速度为特征，本质上是一种水流参与下的高能重力流。在强降雨来临时，不稳定边坡广泛分布的高山峡谷地带极易成为泥石流暴发区（Zhangetal.,2004;Longetal.,2020;Tsunetakaetal.,2021）。多年来，全球许多机构通过建立野外观测站的方式对降雨量、泥石流初始特征（滑坡、流量、表面流速、孔隙流体压力）以及泥石流发生过程中伴随的声波、次声波和地震等方面的特征开展过长期观测，一些重要的关于泥石流特征的经验关系式得以建立，包括降雨量与泥石流强度的幂函数关系（Coeetal.,2008;Badouxetal.,2009;Nikolopoulosetal.,2014;Hrlimannetal.,2019;Oorthuisetal.,2021），前缘流速与深度的线性关系（Mccoyetal.,2011）等。此外，对泥石流运动学不确定性（WuandLan,2020）以及泥石流暴发的降水量阈值（Lietal.,2022）等特征的研究进一步加深了对泥石流发育机制的认识。随着认识不断深入以及灾害形势变化，如何定量刻画外动力环境变化这一问题已成为区域地质安全风险管理和流域生态修复计划制定过程中更为紧迫和显要的研究方向，具体来讲，在大空间范围内简单而有效地识别出潜在泥石流沟并估算其能量属性是一种实际的防灾需求。由于泥石流触发因素多，地质与地貌条件空间异质性强，传统通过野外调查而绘制的泥石流分布图受工作比例尺限制，存在大量泥石流沟被遗漏或属 性 刻 画 不 准 确 的 问 题（中 国 地 质 环 境 监 测 院,2018）。在大空间尺度上快速判断泥石流易发程度方面，目前缺乏有效方法，广泛的研究报道均以单个泥石流沟或其集水流域为研究对象（Wangetal.,2016;Chengetal.,2022;Qiuetal.