0 引言

随着国内泥石流灾害调查与防治工作的开展，许多学者开展了泥石流沟的相关研究，但研究方向多偏向于大流域（李淑松等，2018；任玉鹏等， 2018）、灾害链（王高峰等，2020）、预测预警（崔鹏等，2005；刘传正和刘艳辉，2007；刘艳辉等，2015） 和防治措施（李媛等，2013；王吉和颜冬娜，2021） 等。韦方强等（2004）对泥石流预报分类开展了研究；梁永顺等（2021）对泥石流的预警雨量开展探究；菜食河流域的泥石流地质灾害研究多聚焦于雨量激发条件（韦京莲等，1994）与危险性区划（白利平等，2008；张嫱等，2015）等方面。就单沟而论，前人研究多偏向于泥石流灾害动力学特征（赵岩等， 2018；张熠昕等，2018；章新益，2021），而系统分析形成条件和发展趋势预测方面的研究较少。为探究单沟泥石流发展趋势，本文针对千家店镇水头村泥石流的形成条件和发展趋势进行了研究。以千家店镇水头村泥石流沟为研究区，通过精细调查获取的单沟成果，开展泥石流分区特征研究，结合遥感影像和降雨数据，分析地形地貌、物源和降水等泥石流形成条件，基于GIS技术，选取发展阶段的14 个识别因子，对泥石流沟和发展趋势进行预测研究，以期为研究区泥石流防灾减灾工作部署提供基础数据支撑。

1 研究区概况

水头村泥石流沟位于延庆区北部（图1），燕山山脉西缘，总体地势西北高、东南低。地貌分区处于华北平原与张北高原过渡带上，地貌以中低山为主，海拔740~1450 m。大地构造位置位于中朝准地台北部边界。基底由太古宙地层组成，岩性主要为雾迷山组含燧石条带白云岩，次为杨庄组纹层白云岩、含粒屑白云岩、泥晶白云岩和洪水庄组黑、黑绿色页岩夹薄层白云岩等。

地层岩性是产生松散堆积物的根本原因（李婧玥等，2021；孙永彬等，2021），是泥石流发展的物质基础。区内第四系残坡积物集中分布于沟床、人工坝阶地和斜坡表面，以冲洪积砂砾石混杂堆积为主，粒径0.1~0.7 m，棱状、次棱状，分选性和磨圆度差。白云岩“X”状节理裂隙发育，易形成不稳定岩块，导致崩塌和滑坡等地质灾害的发生，产生松散堆积物逐渐向沟道内汇聚。

研究区属大陆性季风气候，冬季干燥，夏季多雨，降雨多集中在汛期。地下水主要为松散岩类孔隙水，地表水为季节性流水（冲沟），补给来源主要为降水。

该泥石流沟域威胁对象为千家店镇水头村和红水公路，共威胁居民21户59人，结构类型为1F的砖混，潜在经济损失约900万元，并影响沟口红水公路350 m。

2 泥石流流域特征

2.1 形成区特征

形成区位于研究区北部（图2），地势陡峻，东、西、北三面环山，面积 14.68 km²，占流域面积的 96.39%。流域内沟谷密布、狭窄细长，多为“V”型谷。树枝状支沟发育，沟谷狭窄且山壁陡峭，沟槽底宽 3~25 m，形态均为“V”型。沟谷两侧发育崩滑塌堆积物；支沟平均纵坡降263.42‰，边坡坡度26°~56°；植被较发育，覆盖率 80%；沟谷表层松散碎屑物较多，成分以碎石土为主。

2.2 流通区特征

流通区主沟长 5.64 km，地势高差 414 m，平均纵坡降61.52‰，沟谷两侧坡面坡度20°~55°，呈“V” 字型，沟底宽5~30 m。由于流通区几乎贯穿整个流域，因而汇水长度大，形成泥石流的地形条件和水动力条件优渥。沟道内松散堆积物充裕，碎石土大量堆积，造成水流流动过程中易被侵蚀启动，为泥石流活动提供了物质条件。

2.3 堆积区特征

堆积区位于沟口水头村南，呈“U”型沟谷，泥石流出山后坡度变缓，沟道变宽，携带的块石、泥沙因水动力不足而形成沉淀。沟口冲积扇扇长 780 m，扇宽 220 m，冲积扇破坏严重，完整度仅余 30%。沟口巨石直径最大 1.1 m，最小为 0.6 m，该区是水头村居民修建房舍、切坡修路等人类工程活动主要集中分布区。

3 泥石流形成条件

3.1 地形条件

水头村泥石流沟流域面积 15.23 km²，三面环山，形态近似“枫叶”，整体呈西北高东南低的走势 （图3）。区内最高点位于流域北西侧坡顶分水岭，最低点在沟口处，相对高差721 m；主沟长7.10 km，弯曲系数为 1.36，纵坡降 101.55‰；沟槽底宽 3~30 m，两侧山坡平均坡度25°（表1）。

水头沟流域位于红旗甸河右岸沟谷，该流域形态特征表现为主沟平缓、支沟陡峻，利于雨水和物源汇聚。主沟起源于流域北侧坡顶的分水岭，高程 1152 m，自北西延展至南东，流向 150°，沟道中上游弯曲且狭窄，沟槽底部宽3~25 m，沟道两侧弯而陡，至下游处逐渐宽缓，沟槽底部宽 5~30 m，主沟整体坡度较缓，纵坡降 101.55‰，相对高差 710 m；流域内共有 6 条支沟，主沟左岸发育一条支沟，流向 223°，高程 722~945 m，延伸长度 936 m，宽度 3~10 m，高差223 m，纵坡降306.44‰；右岸发育5条支沟，整体流向 61°~140°，延伸长度 1.50~2.61 m，宽度3~20 m，平均纵坡降254.81‰（表2）。

3.2 物源条件

水头沟松散堆积物储量丰富，主要物源类型为冲洪积、残坡积、人工堆积和崩滑塌 4种（图4）。基于精细调查成果及GIS统计（表3），流域内物源总储量 102.51×10⁴ m³，物源静储量 74.54×10⁴ m³，可启动物源储量为27.96×10⁴ m³。

（1）冲洪积物

流域内冲洪积物源总储量为 35.59×10⁴ m³，其中，物源静储量 26.21×10⁴ m³，可启动物源储量为 9.38×10⁴ m³。沟道堆积物是最主要的物质来源，主要成分为碎石土、块石土及少量巨石堆积。上部发育碎石土，厚 0.3~3. 0 m；下部发育块石土和巨石，厚0.5~15. 0 m，磨圆度差，棱角状或次棱角状，分选一般，其来源主要为两侧坡面上的岩石风化层、残坡积物及崩滑塌物质，受地表径流冲刷搬运堆积而成（图5a、图5b）。

（2）残坡积物

流域内残坡积物源总储量为 37.16×10⁴ m³，其中，物源静储量 26.91×10⁴ m³，可启动物源储量为 10.26×10⁴ m³，调查结果表明，该类物源多为岩石的风化层和第四系砂土层，主要分布于中上游支沟两侧坡面。其表面为粉质和砂质土，粉质土含量 35%；下部为碎石土，碎石直径 1~8 cm，多呈棱角状或次棱角状，分选差，磨圆度差，密实程度为中等— 稍密（图5c）。

（3）人工堆积物

流域内人工堆积物源总储量为 29.65×10⁴ m³，静态物源储量 21.37×10⁴ m³，可启动物源储量为 8.27×10⁴ m³。人工堆积物源分布于沟口附近，类型主要为坝阶地和公路施工弃渣堆积。坝阶地堆积物分布于主沟下游两侧缓坡，粉土、砂土和碎石土发育，表层经人工改造为粉砂泥土，堆积松散，厚 0.2~1. 0 m；公路施工弃渣堆积物成分为碎石、块石和巨石等，分布于主沟下游宽缓的沟道底部，经过人工开挖或切坡修路的废石堆积在沟道底部或缓坡，形成松散堆积体，碎石直径在 5~15 cm，多呈棱角状。在雨量充沛情况下，主沟沟道内迅速汇水并对沿途沟道进行侵蚀，人工松散堆积物极易被带出 （图5d）。

（4）崩滑塌物源

a—冲洪积；b—残坡积；c—坡脚碎石土；d—人工坝阶地；e—崩塌巨石；f—沟道堆积物

流域内崩滑塌产生物源总储量 0.10×10⁴ m³，可启动储量为 0. 05×10⁴ m³。受蓟县系杨庄组、雾迷山组、高于庄组岩性影响，岩石风化程度虽弱但脆性较大，岩石节理裂隙极为发育，高陡的临空岩块易沿节理裂隙掉落，在降雨条件下，易发生崩塌滑坡等不良地质现象（图5e、f），块石、碎石堆积在沟槽底部形成松散堆积物源，合适条件下会参与泥石流活动。

3.3 降雨条件

水头村泥石流流域属暖温带大陆性半湿润季风气候，冬季干燥少雨、夏季湿热多雨。本研究采用延庆区气象局提供的1982—2018年间的降雨数据，据统计，1982—2018年，延庆区年均降雨量452 mm，最大降雨量出现在 2016年，达 637.2 mm，最小降雨量出现在1993年，仅为284.1 mm（图6）。空间地域上降雨分布不均，主要特点东部多，西部少；山区多，平原少。年内降雨量极不均衡：全年降雨多集中于 6—9月的汛期，期间降雨量占年总雨量的80%以上，降雨具有历时短、强度高、降雨区域集中的特点，是引发泥石流灾害的主要因素之一（涂剑等，2017）。

4 泥石流发展趋势预测

4.1 泥石流发展阶段

依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/ T0 220-2006）关于泥石流发展阶段识别方法，结合精细调查成果对主支沟侵蚀、沟口扇形、沟口河型、挤压主流、新老扇叠压、扇面变幅、沟域松散物模量、松散物边坡、崩滑塌岸泥沙补给、沟槽侵蚀变形、沟坡坡形、沟道沟形、植被覆盖率、触发雨强共 14个识别因子进行了分析和研究（表4）。

通过研究分析，水头沟支沟侵蚀速率远大于主沟，陆续为泥石流的活动提供物源；沟口扇形地处于发展中，人为破坏较严重，扇形地残留 30%；新老扇形地叠置现象不明显，冲淤变幅为+0.2 m；沟道中冲洪积物淤高，物源厚度0.8~3. 0 m，降雨条件下松散堆积物持续增厚，主沟沟道阻塞程度逐渐加大，常见巨石堆集，巨石块径 30~90 cm；沟域松散堆积物模量目前为 6.73×10⁴ m³ /km²；沟道两侧陡坡上白云岩纵向节理发育，易造成崩塌滑坡等地质灾害，不良地质现象处于加速发展状态；沟道形态多狭窄陡峭，支沟沟槽和主沟中上游沟槽以纵向切蚀为主，沟槽状态不稳定；流域内整体植被覆盖率可达80%，但局部低于30%。

经上述对泥石流发展阶段的 14 个识别因子的研究与判别，其中12个识别因子与泥石流发展阶段识别表中的形成期特征相吻合，因此判断水头村泥石流沟的发展阶段处于形成期。随着泥石流触发雨强逐渐变小，沟道内松散堆积物源持续累积，可参与泥石流活动的松散物源逐步增多，从而加速泥石流灾害的发生，威胁沟口居民的生命财产安全和公路通行。

4.2 最大危险区预测

水头沟流域内树枝状支沟发育，松散物源丰富，具备集中强降雨情况下暴发泥石流灾害的地形条件和物源条件。该泥石流沟危险区为泥石流沟域范围和沟口堆积区，其中，沟口是泥石流危害的主要位置，引用《泥石流灾害防治工程勘查规范》 （DT/T0 220-2006）中单沟泥石流堆积区公式进行最大危险区预测，其公式为：

式（1）中：L为泥石流堆积物最长堆积长度（m）； L=0.8061+0. 0015A+0. 000033W；B 为泥石流堆积物最大堆积宽度 （m），B=0.5452+0. 0034D+ 0. 000031W；R 为泥石流堆积幅角（°）；R=47.8296-1.30 85D+8.8876H；A 代表流域面积（km²）；W 代表松散堆积物动储量（10⁴ m³）；D代表主沟长度（km）；H 表示流域内最大高差（km）。

通过精细调查，水头沟泥石流主沟长 7.10 km，流域面积 15.23 km²，松散堆积物动储量 27.96× 10⁴ m³，最大高差 0.721 km。代进公式获得水头村泥石流沟堆积最大长度 0.8299 km，最大堆积宽度 0.5702 km，堆积幅角 44.9445°，最大危险区面积 0.737 km²（图7），对堆积区水头村居民的生命财产安全以及红水公路形成威胁。

4.3 泥石流发展趋势

水头村泥石流流域特征证明：水头沟属于暴雨型-沟谷型-支沟群发型泥石流沟，发展阶段为形成期，现状处于较稳定的状态。

泥石流沟域内地形条件、物源条件等是泥石流形成的必需要素，短时集中强降雨是泥石流的重要激发条件。泥石流形成规模与流域内松散固体堆积物累积、动态变化情况及强降雨情况有关。

综合预测：前期雨量充足，再遇集中强降雨，泥石流沟主支沟沟槽内的松散堆积物极可能被启动，从而暴发泥石流灾害。

4.4 防治措施建议

水头村泥石流沟松散堆积物主要分布在流通区的主沟中上游和形成区，分布范围广，松散物源易启动；泥石流沟口建有排导槽和监测设备等防治措施。排导槽内局部砾石、污泥淤积堵塞严重，泥石流再次暴发易漫过堵塞的排导槽而冲毁房屋、道路。

针对上述现状，建议利用定期巡视+局部稳固物源+清理排导槽相结合的防治手段。具体措施为：对已有监测设备开展定期检查和维护；对沟道中冲洪积物、人工堆积物较发育的地段开展平整、搬运，减少松散堆积物聚集；定期对下游沟谷及沟口排导槽进行清淤，保持水流畅通，减小泥石流威胁范围。

5 结论

（1）水头村泥石流沟是典型的沟谷型泥石流，具有环状补给、汇水面积大等特点；流域内树枝状支沟发育，松散堆积物储量丰富，动储量达 27.96× 10⁴ m³，物质来源主要为残坡积物、冲洪积物。

（2）通过 14 个因子对泥石流发展阶段进行分析，确定了水头村泥石流沟发展阶段处于形成期，属暴雨-沟谷型-支沟群发泥石流沟。利用公式法预测最大危险区面积 0.737 km²，集中强降雨情况下，该泥石流沟主支沟内的松散堆积物极可能被启动，从而引发泥石流灾害。

（3）水头村沟目前防治措施效果较差，建议采用定期巡视+局部物源稳固+清理排导槽相结合的防治措施，从而减少松散堆积物堆积、稳固物源，减小泥石流威胁范围。

参考文献