书城科普读物云南小江流域第四纪--环境变迁与泥石流发育史
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第3章 泥石流研究简况

中国历史文献中早就有关于泥石流的记载,如文献中出现的“出龙”、“走蛟”、“流泥”、“石洪”等称谓就是对泥石流的生动形象记述。但是,从对泥石流较为系统的观测和研究的角度来看,还是以欧美的一些国家起步较早。我国泥石流研究始于20世纪50年代,随着社会主义建设的持续发展,泥石流研究在中国获得了迅速的发展,并且取得了一系列的进展。

一、国际泥石流研究

19世纪初期,法国、意大利、奥地利等资本主义国家因大工业的发展需要获取大量的燃料而砍光了阿尔卑斯山区的大片森林,使得山坡地面裸露,水土流失逐渐加剧。至19世纪中叶,便有大量的泥石流出现,并成为了生活在阿尔卑斯山区河谷地带的居民的严重祸害。凶猛的泥石流毁坏道路、牧场,埋没村庄,冲坏企业,迫使大批的山区居民迁移。为此,分布于阿尔卑斯山区的各国科学工作者和工程技术人员纷纷展开了对泥石流较为详细的观测和研究工作。与此同时,法国于1860年、奥地利于1872年分别颁布了森林保护法,建立了泥石流防治管理机构,在此基础上,法国的肖勒尔在1841年发表了关于上阿尔卑斯山地泥石流的研究著作,奥地利的Γ·科赫于1875年和1885年发表文章论述了蒂罗尔地区和南阿尔卑斯山地的泥石流问题,到20世纪初期,科学家汪格在总结前人研究和防治泥石流的经验与成就的工作基础上,于1902年出版了《泥石流防止工程》一书,随后,格特尔与温特尔又合著了《山坡洪流整治原理》一书,并于1934年出版发行。对阿尔卑斯山区泥石流的观测研究以及一系列治理工程的实施,不仅减轻了泥石流灾害,而且还揭开了人类同泥石流作斗争的序幕。阿尔卑斯山区经过一个多世纪的治理,自然环境得到很大的改善,生态平衡得以很大程度的恢复,泥石流对人类的危害大为减轻。

俄国在19世纪中期开发高加索山区中也因泥石流的危害而展开了对泥石流的观测研究工作。1859~1895年В·И·斯塔特科夫斯基提出了一系列的泥石流工程防治措施,П·杰蒙兹在他的山坡造林著作中提出了泥石流防治的生物工程措施。1930年,苏联外高加索水利科学研究所开展了对某些泥石流形成过程的综合研究,第比利斯建筑及水能科学研究所对泥石流体的机械成分和物理性质进行了室内研究。在防止阿拉木图城镇泥石流灾害的研究中,苏联国立水文研究所考察队和公用事业科学院考察队的科学工作者对泥石流运动特征作了较为深入的研究,提出了第一批计算方法和公式用以确定泥石流的动力学特征值、泥石流流速和流量等泥石流的主要参数。1947年,苏联科学院成立全苏泥石流委员会,1973年,苏联国家科学技术委员会决定由水利及土壤改良部协调与实施泥石流防治措施。

美国在上世纪末(1897年)便有了泥石流研究工作的报道,W。H。Davis已注意到干旱区的片状洪流实即为泥石流的一种,至20世纪60年代以来,有关泥石流的研究才逐渐进入蓬勃发展的时期(姚德基、商向朝,1981年),目前,美国泥石流研究的领域较为广泛,主要内容有:泥石流的形成与运动过程;泥石流侵蚀力与输砂率;泥石流的流态特征;古泥石流;泥石流的预报和防治以及水底泥石流(浊流)等。

日本是一个多山的国家,山地约占全国土地面积的76%,且火山众多,地震频繁,雨量充沛,泥石流活动较为剧烈,泥石流灾害相当严重。尽管日本对泥石流研究起步较晚,但进展却较快。目前,日本已经查清全国泥石流沟道总数(62272条)和受灾总户数(102万户),解释了某些泥石流的运动模式,研制成了泥石流遥测装置,设计和建造了泥石流防治工作的新型结构(如网格坝、缝隙坝等)。在泥石流形成机理的研究方面,认为泥石流的成因有两种:

(1)崩落的泥砂还处于连续运动的状态时,因大量水分的参与而形成泥石流;

(2)崩塌及其它成因堆积的泥砂因大量供水而运动形成泥石流。根据均一堆积层土力学稳定条件,坡度与相对水深的关系,明确划分了各种泥砂运动形式的形成范围,提出了泥石流形成的定量条件,并且得出的研究结果与水力学实验所得资料比较一致(商向朝、郝勇,1983年)。这些泥石流研究成果的取得,使日本在国际泥石流研究领域占有显要的位置。

此外,分布于世界屋脊青藏高原西南坡地上的国家(如尼泊尔、巴基斯坦等国)对泥石流也较为重视,泥石流的研究工作也颇为活跃。

二、中国泥石流研究

中国幅员辽阔,山脉纵横,山地、高原和丘陵约为国土总面积的2/3,而且海拔高度较高,相对高差较大,加之地质构造复杂,第四纪松散堆积物丰富,又属季风气候,因此,泥石流类型多样,分布广泛,活动频繁,严重危害着我国山区的工农业生产和人民生活。但是,在20世纪50年代以前,我国的泥石流研究还处于空白状态,泥石流的观测与防治工作还没有起步。20世纪50年代以后,在社会主义建设的推动下,我国泥石流科研工作从无到有,不断发展,泥石流研究的科研队伍迅速壮大,取得的科研成果令世界同行瞩目。

20世纪50年代为我国泥石流科研和防治工作起步的伊始阶段。在公路、铁路建设中遇到的泥石流灾害引起了人们对泥石流的重视,交通部门、中国科学院和大专院校的科技工作者率先展开了对泥石流的研究,《铁路施工经验》集刊(1953年)发表了“天宝铁路泥石流”的文章,铁路基本建设局出版了(1959年)《泥石流的勘测与处理》一书。与此同时,为了配合我国泥石流研究的开展,在这期间还翻译出版了苏联的多种泥石流研究著作。

20世纪60~70年代为我国泥石流科研和防治工作蓬勃发展的阶段。在山区工交、矿山、城镇建设和农业生产的高潮中,我国的冶金、地质、水利、航运、矿山、机械、城建、农林和高等院校都相继开展了泥石流的调查研究,中国科学院系统和其它专业科研部门开辟了泥石流专题研究,成立了相应的研究机构,促进了我国泥石流科研蓬勃展开,有关泥石流的研究成果不论在定性或定量方面都达到了较高的水平(杜榕桓等,1995年)。与此同时,在区域泥石流研究工作中提出了有益的见解,认为泥石流是一定自然条件组合下的产物,应与第四纪以来的地质发展、地貌演变、气候变迁、冰川进退以及人类经济活动等有机地联系起来,就泥石流的发生、发展、分类、分区等问题作出科学的阐述。泥石流堆积物特征、特别是古泥石流的详细研究,在第四纪地质方面具有重要的理论价值和实际意义。过去人们常把山麓地带停积的巨砾称为漂砾,认为自然界只有冰川作用才具有如此巨大的搬运力量,因而把巨砾视为古冰川作用的佐证,把与巨砾相关的泥砾层视为古冰川沉积。但是,通过对泥石流活动过程的直接观察发现,能够搬运漂砾者的,除冰川作用外,还有泥石流作用。据此,我国的一些地学工作者对中国东部山区的一些古冰川遗迹提出了质疑(施雅风,1981年;黄培华,1982年;崔之久,1984年;李吉均、张林源等,1985年),认为中国东部山区一些山麓地带的漂砾、泥砾堆积大多是古泥石流作用的产物,并在由此展开的进一步深入研究工作中,对中国东部地区第四纪环境的演变历程提出了新的看法,作出了科学的阐述(施雅风、崔之久、李吉均等,1989年)。在泥石流运动的基本特征值研究方面,根据我国粘性泥石流体的组成悬殊,颗粒粗大,沟床极不平整的实际情况,编制出了我国粘性泥石流的糙率表,同时发现,当泥石流浆体组成比较均匀,沟床较为平顺光滑时,其糙率值与同等条件下的水流相似,甚至还要小些。泥石流体这个重要特性的发现,揭示了泥石流体高浓度、层流输送大量固体物质的性质。另一方面,在泥石流流体性质的研究中,发现粘粒在决定泥石流体的静力学特性中扮演着十分重要的角色。泥石流体内的粘土矿物组成中常以蒙脱石为主,具有晶格结构,在吸附一定的钠离子后便具有高分散度,易膨胀,抗剪度差的力学性质。这种性质对泥石流体的基本特性起着重要的作用,从而加深了对高容重泥石流体的力学特性和内在机理的理解。

20世纪80年代以来,随着云南东川蒋家沟于60年代设立的人工观测站改建成半自动化观测站,并于1988年正式批准为中国科学院院级开放野外台站以来,在科学基金资助研究项目的形式下,联系各方面的人才协同对泥石流的疑难问题进行了新的攻关,这些泥石流研究基础建设的完成和新的研究形式的展开,标志着我国泥石流研究进入了一个新的发展阶段,可以这样说,自80年代以来,我国泥石流研究是处于一个联系国内外的各路精英,猛攻泥石流研究的难点,勇攀泥石流科学高峰的发展时期,在这一时期中,泥石流研究工作的重点主要集中在以下两个方面:

(1)泥石流运动过程的流体力学性质及其运动规律的研究。泥石流形成、起动、流动直至停积这一发生发展和成灾的全过程中,泥石流起动是这一全过程中的关键环节,研究清楚泥石流起动的条件和机理,为控制泥石流的起动条件和预测泥石流的发生提供理论依据。同时,引入多相流体力学的基础理论,进一步研究清楚泥石流体内部的静力学和动力学规律以及泥石流运动过程中泥石流体同沟床界面上特殊的相互关系和特殊的阻力规律,为泥石流的防治提供必须的依据和指标。

(2)泥石流环境演变史与泥石流发展趋势及其环境保护与优化模式的研究。泥石流是一定区域内各种环境因素综合作用下的产物,然而,对小江流域内泥石流的发生与发展历史却仍然没有取得一致的意见,归纳起来有如下几种:一是认为小江流域内自中更新世起就有了泥石流活动(杜榕桓、康志成,1987年;崔之久、谢又予,1991年);二是认为在第三纪时小江流域内的局部湖盆边缘就发育有小规模的泥石流(史正涛、张林源,1992年)。而另外一种说法却认为小江流域内的现代泥石流是最近二三百年以来人类活动所带来的产物。究竟小江流域内的泥石流活动发生于何时?如何演化?以及该流域内的泥石流发育环境是如何形成,以及今后又将如何发展?这些问题都是应当及时地给予科学的论证和说明。今天,当一个地区的人们正力图探索清楚自己所生活的地球表层的动态机制,希望对包括自己在内的人地系统进行调控,并由此优化自己的生存环境的时候,我们必须了解清楚这个地区过去的变化历史,而且只有这样,才能深化我们对眼前事物的理解,预测日益逼近的各种变化,为迎接明天的挑战作好准备,为改善和优化自己的生存环境作出明智的选择。因此,泥石流区域内的地表动态机制及其主导因素,以及该区域内人-地关系的调控原理和环境优化模式研究就成为泥石流区域内继泥石流环境演化史研究基础上的一个十分重要的课题。