土石流

泥石流（Debris flow），或称土石流，是指在山区或者其他沟谷深壑，地形险峻的地区，因为暴雨暴雪或其他自然灾害引发的携带有大量泥沙以及石块的特殊洪流。

泥石流具有突然性以及流速快、流量大、物质容量大和破坏力强等特点。发生泥石流常常会冲毁公路铁路等交通设施甚至村镇等，造成巨大损失。

系指泥,砂,砾及巨石等物质与水之混合物受重力作用后所产生之流动体,在重力的作用上,沿坡面或沟渠由高处往低处流动之自然现象,在台湾,土石流大多在豪雨期间发生在山坡地或山谷之中,其主要特征为流速快,泥砂浓度高,冲蚀力强,冲击力大.

土石流一词自1996年贺伯台风发生后,经媒体不断宣传灾害之严重性,并由电视画面将土石流之实态直接呈现给国人,大家才对土石流有一初步认识,也才开始知道土石流所指何物.虽然有关土石流之案例,调查研究或分类,早在1948年国外之文献即有记载,但在台湾却直到1983年才开始介绍及进行土石流之学术研究.而使土石流一词能让大多数国人耳熟能详,应是贺伯台风致灾而拜媒体宣传之成果.

台湾之土石流灾害最早可查到之记载,应始于1982年西仕台风在林口,泰山一带造成高速公路为土石流之大量土砂所阻碍,及泰山地区房舍及二条人命被土石流所掩埋.其后1985年之尼尔森台风,1986年之韦恩台风,1987年之杰鲁得台风,1988年之琳恩台风,1990年之欧菲莉台风,1991年之耐特台风,乃至于1994年之道格台风,几乎只要有台风侵袭台湾,即或多或少在各山区发生土石流之灾害,但由于多属个案,而未被重视,甚至被忽视.而1996年贺伯台风造成台湾地区200亿元之损失,及南投县陈有兰溪全面之土石流灾害,总算唤起国人对土石流之危机意识,并警觉到土石流随处均有发生之可能性,而急欲对土石流有更多之认识.因此,本文拟对土石流之流态与特性作一简介,以便对土石流之致灾原因与预防之道有较深入之暸解.

土石流之流态

在溪谷中突然之间大量之土,砂,石,砾,岩块夹杂于泥水中而以排山倒海之势,并发出震耳欲聋之声流下,而且在流动之中甚至可感觉到地面在震动;同时,此等土砂石流动通过时,可将溪床中许多大小石块或是大型障碍物一起冲下;而大量土砂石流出谷口时,可吞噬构造物,冲失车辆,掩埋道路,房舍,田园等;当这些土砂石之流动停止下来之后,会形成大范围之冲积扇堆积在谷口.类似此等大量土砂石之流动形态,即所谓之土石流.因此,若以搅拌后之混凝土流下所呈现之流态,用来比拟作土石流之流态可能最恰当不过.

土石流在流动时之实际流态,真正观察到之案例极少,主要是因土石流何时发生,何处发生,并不容易掌握,因此不易事先在可能发生场所等待土石流出现,即使能在现地等待,亦因土石流之威胁性极大,可能必需冒极大之风险才可能观测到土石流之流态.因此,许多土石流之案例,大多仅观测到土石流停止后所形成之堆积物而已.近年来藉摄影器材之进步,方得以捕捉到一些土石流之实际流态,并依当地居民之所见,而对土石流之流态有一比较明确之描述,兹将其流态归纳如下∶

1,为土,砂,石,砾等材料与水混合成一体流下.

2,经常会夹杂大岩块或流木等材料,而大岩块走在先端呈滚动或滑动之方式流下.

3,流下之土石流从横断面观之,其中央部分呈凸形,两侧则较低;从纵断面观之,则先端部分壅高凸起.

4,流动时会对溪床或溪岸之土体产生削剥之冲蚀现象,且将削剥之土砂一起带下,而使土石流之体积逐渐扩增.

5,土石流停止下来时,大致可保持原流下时之土砂体形态,但若后续有水流流出或较稀薄之土砂流出时,可越过原堆积土体往下游流下,而呈扩散状态堆积下来,逐渐形成扇状地,或扩大扇状地之规模.

土石流之定义

由前节对土石流流态之描述,所获具体之概念乃为土石流系土,砂,石等土体与水混合一体,而呈现流动之状态,因此土石流亦属土壤冲蚀之一特殊型态.但土石流系集合大量土砂体集体搬运之现象,有异于一般雨水或迳流对表土所作之个别搬运冲刷形态;亦不同于崩塌或地滑,虽为集体搬运现象,却是以崩落或滑动之运动方式而非流动之形态.因此土石流乃自成一种特殊之型态,而可定义为土石流系土,砂,砾,石等材料与水之混合体,受水之作用形成高浓度之流体且具相当速度之流动现象.

依此定义则土石流在材料特性上系包涵有土,砂,砾,石,岩屑等物体;而水则扮演着内,外力之施加作用;同时在运动过程中,其土体内部有产生连续变形速度之特点.但土石流常因所含土,砂,石等固体材料之比例不同,而使其流动之物理性有所差异,以致在分类上有许多不同名词.例如英语即有debris flow,debris silde,mudflow,rocky mudflow,mud slide,earth flow,mudspate,lahar等.而日语则为土石流.中国大陆以泥石流称之.

在美国将土,砂,石等混合流体之流动称之为debris flow,亦即通称之土石流.但若流体中含细粒土料较多时,即砂粒,坋粒与黏粒之含量不少于50%之情况下,特称之为泥流(mud flow).而前苏联则将含土砂流体之单位体积重量在1.1～1.3t/m3时,称为泥流;单位体积重量在1.9～2.3t/m3时称为构造性泥流.中国大陆将流体之单位体积在1.8～2.3t/m3时称为黏性泥石流;流体单位体积重量1.5～1.8t/m3时称为稀性泥石流;若流体中未含泥质而仅含石砾之状态,则称为水石流;此外,当流体未含石砾,且单位体积重量为1.3～1.6t/m3时,称为稀性泥流;若其单位体积重量为1.6～2.0t/m3则称为黏性泥流.另如在印尼之火山地带因火山灰与火山岩屑所产生之土石流现象则称为lahar.由此可见土石流因流体之复杂性而未有一致之名称.目前台湾沿用日语之土石流,主要在强调其具土壤,石块等材料之流动特征.但由于土砂石等材料之定量化不易,且其流动特性亦依材料之不同而可呈现不同之流体力等特性之差异,故欲给土石流一明确之定量化名词,并不容易,故将以土石流一词涵土砂石之流动现象.

土石流之发生原因

有关土石流之发生,虽未能实际观测得知,但从以往许多案例之特征及现况之实体可初步了解,其发生之条件须满足∶陡急坡度,足够水量,充分之土砂供给等三要素.而主要发生之原因分类如下∶

1,陡急溪床上所堆积之土砂砾等材料,因豪雨所提供大量水分之供给,而使该堆积土体突然溃散流下.

2,坡面崩塌之土砂落下时与地表水或坡面喷出水混合,使崩落土体变成流体化之现象而流下.

3,坡面崩落大量土砂在溪床上堆积,形成一类似临时性之天然埧体,在溪流水量增加且在天然埧体上产生越流之现象时,此一天然埧体突然溃散而流下.

4,地滑之土块因大量水分之渗入形成流体化而流下.

5,火山活动使火山口湖附近因水量之溢出形成土石流,或堆积之火山灰因渗透性较差,在地表水充分供给下,使厚层之火山灰形成土石流流下.

上述五种发生类型中,以第一类型发生之案例最多,如五股,铜门,火炎山之土石流均属之.而第二类与第四类型可能经常出现,但不易掌握其正确时机,故难以举出确切之实例.至于第三类型之土石流,则以草岭之大崩塌最后终于溃散流出,而使原来形成之临时性天然埧消失为一典型之案例.第五类型之土石流属火山地区较容易发生之类型,在台湾几乎不易见到.

土石流之发生条件中,足够水量之供给为主要之诱因,因此欲有相当之水量必需有对应之集水面积,以汇流充分之水量以促发土石流.而依日本调查土石流发生之集水区面积,有65%以上之土石流发生在集水区面积1Km2以下之范围,而有80%以上之土石流发生之集水区面积在2Km2以下,但以集水区面积 0.3Km2之溪谷最常发生土石流.此等地形特性显示集水区面积较小之溪谷,大多属发育中之一次谷,而一次谷乃具有较陡坡之特征,又在有足够集水面积来汇集雨水形成迳流供应,以致能使堆积在溪谷上之土砂因而形成土石流流下. 另溪谷坡度亦为土石流发生之一主要因素,依日本之调查显示,土石流发生之溪谷坡度通常在15～30°之间,而超过30°之坡度,一般土体即处于不稳定状态,反而容易以崩塌方式破坏,以致于在未形成土石流之前,即因崩塌溃散,失去原陡急之坡度,是以在坡度大于30°之溪谷,反而发生土石流之可能性较低.

至于降雨量之大小对土石流发生之影响,虽至目前尚无一定之关联性,但绝大多数土石流之发生主要与降雨强度,累积降雨量有关,一般在降雨强度超过35mm/hr或累积雨量达150mm以上时,均容易使土石流发生,但亦有10分钟下4mm之雨量即发生土石流之情形,因此降雨之因素应属土石流发生之必要条件,至于降雨多少才会发生土石流,则与当时溪谷土砂所处之状态有密切关系.

土石流之流动特性

土石流从原呈静止状态之堆积土体开始产生不稳定而流动之后,此时土砂石等材料已与水混合呈流体状态,因此在流动过程中,土石与水之间会因颗粒相互碰撞与水之作用,而使流动时具有下列之特性:

1,土石流之最先端涌高而形成一类似海啸之前头波,一般称之为段波(Bore),此时较大粒径之石砾逐渐涌向前端,而使段波先端处呈大粒径石砾聚集流动之现象.

2,先端部之段波受水量之影响,可呈间歇性之流动现象,亦即段波流动一段距离后暂时因脱水或受阻而停滞,但在后续水量补充或土砂继续供给下,又再度流动,惟其间歇性流动之周期不固定.

3,先端部之段波通过后,后续之流体通常为土砂浓度大减,且粒径较小,流量亦减少之土砂流.

4,土石流流动时由横断面观之,其先端部呈中央凸起之圆丘状,而后续部则成中央凹陷之形状.

5,土石流流动时因所携带土砂量极多,在惯性作用上使其在直线性溪谷流动时之直进性强,不易受河道之弯曲而转弯.但当受制而形成弯流时,则在凹岸处产生极大之涌高,致使凹岸与凸岸之流动面落差极大.

6,土石流流动时因运动能量极大,且底部土石之粗糙度亦大,可因能量之传递将溪床严重淘刷,尤以流心部之淘刷能力特大.

土石流流动时由于土砂量与水混合之比例不同,及溪床坡度大小之影响,将使其流动状态与流动特性有所差异,一般若粗砾含量较高时,可称之为砾石型土石流,其流速可达3～10m/sec以上;而细砂等含量较高时,在日本以0.1mm以下之细粒土砂含量在10%以上者,称之泥流型土石流,其流速在2～20m/sec左右.通常砾石型土石流一发生后,其流速较快,但泥流型土石流在含水量较多,亦即流动之土体浓度较小时反而愈快.至于流动时之流体密度大约在1.2～2.1t/ml左右.而在中国大陆所谓之泥石流,其流体之土砂砾含量可达70～80%.

土石流流动时因其动量大,且与溪床接触面因土石之粗糙度大,可对溪床造成侵蚀作用,而使土石流通过后之溪床面严重淘蚀刷深,同时亦可使溪谷两岸斜面遭土石流淘刷而崩塌,故在土石流流动后之溪谷,在土石流通过后变得更深更宽.但亦有土石流在溪谷中流动时,因受阻滞而脱水后停积在溪谷中,此等暂时堆积之土石可因雨水之再度供给而重新流动.

土石流之堆积特性

土石流在溪谷中流动而呈暂时堆积,乃系因脱水或受阻而停积下来,通常在溪谷中之坡度仍然相当陡峻时,此等堆积乃属暂时性之堆积,一般土石流必须流至溪谷出口较低平且开阔之场所,才会长期而稳定堆积下来,而其堆积具有下列之特性:

1,土石流流出谷口等溪幅扩宽且坡度平缓之地区,土石流即减速停止而堆积下来,且多呈扇状堆积.

2,土石流流出谷口之扇状堆积地形,在初期可依土石流发生规模大小之不同,而形成不同大小之舌状堆积,且仅在谷口呈小幅度之扩散.当后续土石流再度流出时,则可能受原地形之影响,而呈辐射状之流出而堆积,此一辐射状之流出即随原堆积形状之不同,在谷口处呈箪呇〕道路变迁,并逐渐扩大扇状地之规模.

3,土石流间歇性流动时,可在低平堆积处形成耳状之之重叠堆积.

4,土石流先端部之段波一旦停止下来,其堆积之最前缘均属大粒径之石砾,且在其扇缘形成一较陡之边坡.但当后续之土砂继续流出时,此等土砂流可越过扇缘而继续流下,然后在扇缘之下游面堆积出一较低平之斜面,且其土砂材料均属较细之土石,同时原扇状地之范围亦随之扩大.

5,土石流段波停止之后,后续之土砂流在长时间之流动下,可在原堆积之扇状地上侵蚀出一条流路.

6,土石流通过扇状地上之流路而形成溢流时,可在流路两侧形成自然堤防.但此自然堤防亦可能在下次土石流通过后,再被破坏或消失.

7,扇状地上堆积土砂之粒径分布,以扇缘隆起处之粒径较大,靠近谷口之扇基部较小,而最外缘之低平扇缘部之粒径最小.至于堆积之垂直剖面,其粒径之筛分不太明显,但若系土石流重复流出时,仍可由分层筛分之现象研判出土石流流出之次数.

在土石流发生之溪谷,其上游常有大面积之崩塌发生,以提供土石流之土砂材料来源,且土石流之发生并无所谓之免疫性,换言之,土石流可在同一溪谷一再发生,因此多次之土石流流出谷口堆积之扇状地,即可由扇状地发展之范围与规模,研判上游溪谷发生土石流之频率与规模.

一般适合土石流堆积之地形坡度约在3°以下,但土石流堆积后,其堆积扇之扇面坡度则可能超过5°以上,因此下次发生之土石流乃可越过原堆积之扇面往下游继续流出,尤其在扇缘之斜坡更可高达15°以上.

另外在扇面上可发现许多突起如耳状或舌状之小规模堆积单元,此乃土石流间歇流动而停止下来之证据,亦可说明土石流以集体搬运之特性.由于土石流之发生与流动极不容易在当时捕捉其动态之全般,因此对其发生与流动之相关特性,只能从当地目睹居民之传述获知概况.但当土石流堆积下来之后,其堆积状态已呈静止状态,故可由其堆积性状之调查与分析,对土石流之特性做较深入之了解.因此土石流堆积扇状地之认识乃为研究土石流所不可或缺之方法,而从土石流扇状地所呈现之各种特微,亦可用来说明土石流整体之本质.

土石流发生之征候

土砂灾害之发生,除了少数如落石或崩塌可能突如其来,而无法预先加以防备以外,大部份之土砂灾害种类,只要受降雨所诱发者,均有其发生征兆之蛛丝马迹可寻,土石流自不例外.土石流从发生原因可了解,系受降雨及溪床大量土砂堆积之双重条件所左右,故只要在土砂堆积量相当庞大之溪谷中,随时注意降雨时可能之环境改变,当可预知土石流之发生与否,而作事先之避难措施.兹将土石流可能发生之征候说明如下:

1,溪流之水量突然激增

溪流中之水量较之平时有激增之现象,乃表示溪谷上游有意外之供水来源,其水源不外来自降雨或原被堆积土石所拦蓄之蓄水洼地有大量越流或地下渗流发生之情形,致使溪谷之水量大增,尤其当溪谷下游并无降雨情形时,但其水量却突然增加,乃表示上游集水区可能有暴雨发生,亦或上游之临时贮水区已将拦阻之土石堆积区逐渐渗出一条地下水通路,此等状况下,所增加之水量或地下水渗流之通路可能破坏该土石堆积之安定,而造成类似溃坝之效应,进而导致土石流发生.

2,溪流水之颜色变浊

平常清澈之溪流突然变混浊,表示溪流上游可能降雨,而有大量土砂被冲刷流出,其冲刷之对象可能是溪床所堆积之土石,而一旦溪床堆积之土石大量冲刷出现,即可能导致该堆积土石变成不安定,并有土石流发生之可能.

3,持续降雨中,溪流之水量突然减少

降雨持续进行中,溪流却无水量流出,或水量突然减少,表示大部份之降雨量所形成之地表迳流被溪谷中堆积之土石拦阻,极可能在溪谷形成一水潭,以致于水量流出很少,而所形成之水潭如贮留水量逐渐增加,一旦发生越流或地下渗流之情形,即有发生土石流之可能.

4,溪谷中有异常之声响

由溪谷中传出异常且低沈之声响,如石头滚动之碰撞声音且有地面震动之感觉,乃表示溪谷中之土石在流动;或树木劈裂声乃表示溪谷中之树木可能受大量土石撞击而断裂.在此等状况下,土石流已距离不远,必须急速逃难,以策安全.

5,溪谷附近坡面有崩塌发生

在降雨中,溪谷两侧之坡面有崩塌发生时,此等崩塌所带下之大量土砂石,可能会与降雨所发生之地表迳流混合,而形成土石流之流态出现.

结语

在容易发生土石流之危险溪谷中,虽可采取各种工程方法,以抑制土石流发生或减少土石流之破坏力.但由于土石流之发生有许多不确定性,因此即使以各种方法予以控制,却无法保证其不再发生.而民众往往太信赖政府对土石流之治理工程,以为一旦经过整治,应不致于有再发生土石流之可能,而疏忽土石流之危险性.

事实上,土石流为再生性相当高之一种土砂灾害型态,任何治理工作,仅在降低其再生性之可能或降低其灾害之规模,因此居住在土石流危险溪流附近之民众乃至于接近土石流危险溪流之民众或游客,应随时有危机意识,而有避难之心理准备.

土石流之危险溪流除应避免在该集水区内进行各种开发行为之外,在该危险溪流之集水区从事各种活动时,如遇下雨情形,除须随时注意土石流可能发生之各种征候以外,最好尽速离开该危险溪流以策安全.

而土石流虽是自然现象之一种,却是人类加速开发土地之不当行为所遗留之后遗症,因此惟有使民众认识土石流之特质,并从保护土地之基本观念着手,方能使土石流不致于在你我周遭环境出现.