汶川震區(qū)暴雨泥石流激發(fā)雨型特征

常 鳴，竇向陽，范宣梅，姚 成

(成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059)

0 引 言

汶川地震區(qū)內(nèi)最常見的次生地質(zhì)災(zāi)害為暴雨泥石流，暴雨泥石流的出現(xiàn)頻率及致災(zāi)規(guī)模與一次降雨強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間有很大關(guān)聯(lián)[1-2]。地震后泥石流暴發(fā)與降雨之間的關(guān)系成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，其中如何利用降雨激發(fā)雨強(qiáng)及累計(jì)降雨量預(yù)測預(yù)報(bào)泥石流的暴發(fā)則是廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。各地學(xué)者根據(jù)震后降雨誘發(fā)泥石流的情況研究降雨強(qiáng)度與泥石流暴發(fā)的關(guān)系，例如臺灣集集地震后，一些學(xué)者探討了降雨誘發(fā)滑坡導(dǎo)致泥石流的啟動機(jī)理及危險(xiǎn)性評價(jià)[3-5]。汶川地震后很多學(xué)者也展開了相應(yīng)的研究，例如唐川等通過研究2008年9月北川唐家山地區(qū)降雨數(shù)據(jù)得到震后誘發(fā)泥石流的降雨閾值[6]；常鳴等通過降雨等評價(jià)因子對都江堰龍池場鎮(zhèn)48條泥石流溝進(jìn)行了敏感性評價(jià)[7]；崔鵬等結(jié)合水文要素進(jìn)行數(shù)值模擬推導(dǎo)泥石流危險(xiǎn)范圍[8]；溫銘生等根據(jù)都江堰市五里坡持續(xù)暴雨雨量特征分析了災(zāi)害特征與致災(zāi)成因[9]；倪化勇等根據(jù)降雨雨量條件進(jìn)行泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)的研究[10]；周偉等通過研究震后激發(fā)雨量特征及降雨閾值得到泥石流的預(yù)警預(yù)測模型[11]；王濤等通過分析泥石流物源、地形和降雨因素歸納了泥石流活動受滑坡誘發(fā)的因素控制[12];郭曉軍等通過統(tǒng)計(jì)泥石流事件研究了雨型、降雨強(qiáng)度及前期降雨因子對泥石流活動的影響[13]。

“5·12”汶川地震前多數(shù)泥石流的監(jiān)測預(yù)警都是按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)開展治理，沒有考慮到地震誘發(fā)泥石流產(chǎn)生的大松散固體的影響，只采用常規(guī)激發(fā)雨量統(tǒng)計(jì)，忽視了前期有效累計(jì)降雨量及其持續(xù)時(shí)間的影響。汶川地震后伴隨著陡峻的地形條件、極端的降雨條件及大量松散堆積的物源條件，越來越多的次生地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)在強(qiáng)震區(qū)。特別是崩塌、滑坡、泥石流災(zāi)害在震后表現(xiàn)出十分明顯的滯后持續(xù)效應(yīng), 它們將持續(xù)活動 5～10 年[6]，甚至可以持續(xù)到震后的30年[14]。汶川地震后,四川西南的山區(qū)多次暴發(fā)大規(guī)模泥石流災(zāi)害，例如都江堰龍池鎮(zhèn)龍溪河流域群發(fā)泥石流，汶川縣映秀鎮(zhèn)岷江流域群發(fā)泥石流，北川縣擂鼓鎮(zhèn)蘇寶河流域群發(fā)泥石流，綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域群發(fā)泥石流及彭州市龍門山鎮(zhèn)白水河流域群發(fā)泥石流等。這些群發(fā)性泥石流充分體現(xiàn)了震后次生地質(zhì)災(zāi)害的頻繁性、持續(xù)性、嚴(yán)重性。本文詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了引發(fā)泥石流的降雨資料，分析降雨誘因，研究震區(qū)降雨激發(fā)泥石流的雨型特征。通過對雨型特征的分析，深入了解暴雨誘發(fā)泥石流的雨型特征，以期為后期的預(yù)警預(yù)報(bào)提供實(shí)際參考依據(jù)。

1 誘發(fā)典型群發(fā)泥石流降雨特征

為了研究汶川震區(qū)暴雨泥石流的激發(fā)雨型特征，本文通過詳細(xì)調(diào)研，對成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在各個(gè)震后受災(zāi)區(qū)域安裝的雨量站反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整理，結(jié)合現(xiàn)有降雨數(shù)據(jù)資料，將汶川地震后蘇寶河、龍溪河、綿遠(yuǎn)河、白水河及岷江5個(gè)典型群發(fā)泥石流區(qū)域的降雨過程資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對它們的激發(fā)雨強(qiáng)及前期有效累計(jì)降雨量開展分析，并選取四川省茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村山體高位垮塌形成的碎屑流進(jìn)行驗(yàn)證。

映秀—北川斷裂帶從研究區(qū)域中部穿過，屬于四川西北部的龍門山推覆構(gòu)造帶，構(gòu)造斷裂發(fā)育十分明顯，具有非常強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造作用。區(qū)域內(nèi)巖層大部分陡傾直立，裂隙極為發(fā)育，巖體破碎情況嚴(yán)重，為崩塌和滑坡提供了有利的條件。由于研究區(qū)內(nèi)水流便于匯集，易于為松散物質(zhì)的運(yùn)輸提供動能。研究區(qū)自汶川地震以來發(fā)生了多起崩塌滑坡事件，為泥石流的發(fā)育創(chuàng)造了良好的物源條件[15]。

圖1 汶川震區(qū)典型暴雨泥石流分布圖Fig.1 Map showing the distribution of rainfall-induced debris flows in the Wenchuan earthquake area

1.1 汶川縣映秀鎮(zhèn)群發(fā)泥石流降雨特征

(1)“8·14”泥石流：2010年8月13日14∶30左右，映秀新鎮(zhèn)岷江流域地區(qū)開始降雨，降雨持續(xù)一天后減??；但是在8月14日凌晨降雨強(qiáng)度突然加大，3∶00左右紅椿溝、燒房溝、牛圈溝泥石流暴發(fā)，激發(fā)雨強(qiáng)為16.4 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)150.2 mm[16]。

(2)“8·21”泥石流：2011年8月20日20∶00左右，映秀新鎮(zhèn)岷江流域下游開始降雨，至21日凌晨2∶00左右紅椿溝及其支溝、燒房溝泥石流暴發(fā)，激發(fā)雨強(qiáng)為56.5 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)125.8 mm[17]。

(3)“7·11”泥石流：2013年7月8日5∶00左右，汶川威州鎮(zhèn)至映秀新鎮(zhèn)岷江段開始降雨，一直持續(xù)到7月11日凌晨4∶00，兩岸陽嶺溝、七盤溝、華溪溝及磨子溝暴發(fā)泥石流，激發(fā)雨強(qiáng)為6.4 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)111.4 mm。

1.2 綿竹市清平鄉(xiāng)群發(fā)泥石流降雨特征

(1)“7·31”泥石流：2010年7月31日凌晨4∶00，綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域地區(qū)開始降雨，2小時(shí)后文家溝上游泥石流暴發(fā)，前期降雨有效持續(xù)時(shí)間僅1小時(shí)，激發(fā)雨強(qiáng)為50.4 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)89.5 mm[18]。

(2)“8·13”泥石流：2010年8月12日19∶00左右，綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河兩岸流域開始降雨，23∶00前累計(jì)降雨量達(dá)45.2 mm，隨后1小時(shí)降雨量達(dá)到30 mm，此時(shí)文家溝等數(shù)條泥石流溝上游及溝道兩側(cè)崩滑體開始啟動，13日0∶30左右文家溝、走馬嶺溝、雍家溝等二十余條泥石流暴發(fā)。這些泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為37.4 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)82.6 mm[15]。

(3)“8·19”泥石流：2010年8月18日22∶00左右，綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域開始降雨，一直到 19日5∶00降雨緩慢增加，此時(shí)洪水沖刷能力較低，物源運(yùn)移能力較弱，沒有足夠動能轉(zhuǎn)化為泥石流；5∶00～9∶00降雨量突然加大，小時(shí)降雨量達(dá)到31.9 mm，導(dǎo)致洪水流量增大轉(zhuǎn)化為泥石流，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)121.6 mm。

(4)“7·10”泥石流：2010年7月8日19∶00左右，綿遠(yuǎn)河流域內(nèi)文家溝開始降雨，小時(shí)降雨量很小，但是到10日4∶30泥石流暴發(fā)。此次泥石流由于總體降雨量較小，僅在文家溝主溝暴發(fā)小規(guī)模泥石流，小時(shí)降雨量達(dá)到19.2 mm，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)123.5 mm。

1.3 北川縣擂鼓鎮(zhèn)群發(fā)泥石流降雨特征

(1)“9·23”泥石流：2008年9月23日凌晨1∶00左右，北川縣擂鼓鎮(zhèn)蘇寶河流域開始降雨，持續(xù)3個(gè)小時(shí)后郭牛溝、大安村溝、關(guān)門子溝等十余條泥石流暴發(fā)；7∶00左右，伴隨著本輪降雨結(jié)束，泥石流也隨即停止，大量松散固體進(jìn)入河道，造成蘇寶河不同程度地被堵塞。此次群發(fā)泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為33.5 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)82.7 mm[19]。

(2)“9·24”泥石流：“9·23”泥石流剛結(jié)束不久，新一輪降雨在23日21∶30開始，持續(xù)到24日6∶00左右，蘇寶河流域內(nèi)的茶坊村溝、五星村多條泥石流暴發(fā)。此次群發(fā)泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為41.8 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)163.1 mm[19]。

1.4 都江堰市龍池鎮(zhèn)群發(fā)泥石流降雨特征

(1)“8·13”泥石流：2010年8月13日15∶00左右，都江堰龍池鎮(zhèn)龍溪河流域開始降雨，僅持續(xù)2個(gè)小時(shí)后區(qū)內(nèi)的八一溝、水打溝、麻柳溝等四十多條泥石流暴發(fā)，直到18∶00左右結(jié)束。此次群發(fā)泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為75.0 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)97.0 mm[20]。

(2)“8·18”泥石流：2010年8月18日13∶00左右,都江堰龍池鎮(zhèn)龍溪河流域開始降雨，山洪于19∶00開始暴發(fā)，一直到24∶00才結(jié)束；八一溝等泥石流在21∶00左右開始暴發(fā)，23∶00左右才結(jié)束。此次群發(fā)泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為69.0 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)183.8 mm[20]。

1.5 彭州市龍門山鎮(zhèn)群發(fā)泥石流降雨特征

“8·18”泥石流：2012年8月18日21∶00左右，彭州市龍門山鎮(zhèn)白水河流域開始降雨，持續(xù)約2小時(shí)后銀廠溝、謝家店子溝及高架子溝等泥石流暴發(fā)，伴隨著降雨在19日3∶00結(jié)束，泥石流也終止。此次群發(fā)泥石流激發(fā)雨強(qiáng)為72 mm/h，累計(jì)有效前期降雨量達(dá)112 mm[21]。

2 汶川強(qiáng)震區(qū)暴雨泥石流激發(fā)雨型特征

本文選取上述具有代表性的12場群發(fā)泥石流事件的降雨過程，繪制出小時(shí)降雨量、累計(jì)降雨量與降雨歷時(shí)的關(guān)系曲線圖。通過對比分析12場泥石流不同雨量關(guān)系，結(jié)合暴雨泥石流形成時(shí)經(jīng)歷的松散固體飽和、地表徑流、松散固體運(yùn)移、泥石流啟動的過程，本文將汶川震區(qū)暴雨泥石流激發(fā)雨型分為3種類型：短期突然降雨型、中期持續(xù)降雨型和長期間斷降雨型，如表1所示。

2.1 短期突然降雨型

短期突然降雨型主要表現(xiàn)為在較短的時(shí)間內(nèi)降雨量急速增加，導(dǎo)致泥石流快速暴發(fā)。一般而言，該雨型降雨時(shí)間持續(xù)較短，不會超過10小時(shí)，伴隨降雨迅速減小，泥石流也逐漸終止。前期降雨有效持續(xù)時(shí)間較短，一般小于5小時(shí)，當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到最大值前后時(shí)，泥石流就會快速暴發(fā)。根據(jù)表1，該雨型由于前期降雨有效持續(xù)時(shí)間較短，導(dǎo)致前期有效累計(jì)降雨量相對偏小，當(dāng)降雨開始時(shí)，由于土體滲透率高于降雨強(qiáng)度，降雨全部滲入土體，但是在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)降雨致使松散固體飽和過程時(shí)間縮短，斜坡土體表面徑流量突然增加，使其攜帶的松散固體進(jìn)入溝道，伴隨著短時(shí)間急速洪水的到來，泥石流開始啟動。該類型泥石流以都江堰市龍池鎮(zhèn)龍溪河流域“8·13”泥石流、綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域“7·31”泥石流、北川縣擂鼓鎮(zhèn)蘇寶河流域“9·23”泥石流及彭州市龍門山鎮(zhèn)白水河流域“8·18”泥石流為代表，如圖2所示。

表1 汶川震區(qū)典型流域群發(fā)泥石流降雨資料統(tǒng)計(jì)

2.2 中期持續(xù)降雨型

中期持續(xù)降雨型主要表現(xiàn)為在泥石流暴發(fā)前會持續(xù)一段時(shí)間的前期有效降雨，但該降雨不會急速增加，而是緩慢增加到導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的激發(fā)雨量，隨后逐漸減小為零。該類雨型的前期有效降雨持續(xù)時(shí)間相對較長(表1)，總降雨時(shí)間也持續(xù)較長，超過10小時(shí)但少于一天，泥石流在降雨量逐步達(dá)到激發(fā)值時(shí)暴發(fā)，滯后于降雨開始時(shí)間。當(dāng)降雨開始時(shí)，降雨強(qiáng)度低于土體滲透率，雨水全部滲入土體，但隨著降雨時(shí)間的增加，斜坡表層松散堆積體含水量不斷增加。松散堆積體含水量越大，非穩(wěn)定滲流階段入滲率降低越快，達(dá)到飽和狀態(tài)的時(shí)間越短。當(dāng)降雨強(qiáng)度逐步達(dá)到激發(fā)雨量時(shí)，斜坡表層松散堆積體的含水量逐步達(dá)到飽和，入滲率也隨之達(dá)到穩(wěn)定值。與短期突然降雨型相比，中期持續(xù)降雨型下的松散堆積體飽和過程所經(jīng)歷的時(shí)間要長，泥石流暴發(fā)時(shí)間滯后，持續(xù)時(shí)間也較長。該類型泥石流以都江堰龍池鎮(zhèn)龍溪河流域“8·18”泥石流、綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域“8·13”、“8·19”泥石流及汶川縣映秀鎮(zhèn)岷江流域“8·21”泥石流為代表，如圖3所示。

2.3 長期間斷降雨型

長期間斷降雨型主要表現(xiàn)為泥石流暴發(fā)前會持續(xù)相當(dāng)長時(shí)間的前期有效降雨，該降雨可能持續(xù)兩三天，但中間會有間斷，一般會在一段時(shí)間內(nèi)從較小的降雨緩慢增加到一個(gè)極值后再逐步降低為零；隨后間斷一段時(shí)間，開始第二次降雨，但間斷時(shí)間不會超過10小時(shí)。如此反復(fù)直到松散堆積體飽和導(dǎo)致泥石流暴發(fā)。該類雨型的前期有效降雨持續(xù)時(shí)間最長(表1)，一般超過12個(gè)小時(shí)，總的降雨時(shí)間持續(xù)較長，可超過一天。該雨型降雨強(qiáng)度存在多個(gè)由零增加到極大值再降低到零的重復(fù)過程。由于降雨過程長，松散堆積體能夠逐步飽和，激發(fā)雨強(qiáng)很小時(shí)，泥石流就會暴發(fā)，初始松散堆積體含水量入滲率的影響減弱，最終可忽略。隨著降雨反復(fù)進(jìn)行，松散堆積體的入滲率逐步降低，含水量的增加減慢。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到某個(gè)值時(shí)，松散堆積體含水量達(dá)飽和，入滲率降到穩(wěn)定值，泥石流暴發(fā)。與短期突然降雨型、中期持續(xù)降雨型相比，長期間斷降雨型的松散堆積體飽和過程所經(jīng)歷的時(shí)間最長，泥石流暴發(fā)的時(shí)間嚴(yán)重滯后于第一次降雨強(qiáng)度峰值時(shí)間，持續(xù)時(shí)間相對較長。該類型泥石流以汶川縣映秀鎮(zhèn)岷江流域“8·14”和“7·11”泥石流、北川縣擂鼓鎮(zhèn)蘇寶河流域“9·24”泥石流及綿竹市清平鄉(xiāng)綿遠(yuǎn)河流域“7·10”泥石流為代表，如圖4所示。

圖2 汶川震區(qū)短期突然降雨型泥石流事件Fig.2 Short-term rainfall-induced debris flow events in the Wenchuan earthquake area

圖3 汶川震區(qū)中期持續(xù)降雨型泥石流事件Fig.3 Persistent rainfall-induced debris flow events for the Wenchuan earthquake area

根據(jù)表1統(tǒng)計(jì)的汶川強(qiáng)震區(qū)暴雨泥石流災(zāi)害的降雨過程數(shù)據(jù)資料，本文分析了泥石流暴發(fā)時(shí)的激發(fā)雨強(qiáng)。5個(gè)典型流域內(nèi)群發(fā)泥石流的最小激發(fā)雨強(qiáng)為6.4 mm/h，最大激發(fā)雨強(qiáng)為75 mm/h。Zhou等分析汶川震區(qū)震前泥石流的激發(fā)雨強(qiáng)一般為50～60 mm/h[22]，與之相比，震后誘發(fā)泥石流的激發(fā)雨強(qiáng)部分降低，約占泥石流總數(shù)的60%。

圖4 汶川震區(qū)長期間斷降雨型泥石流事件Fig.4 Long-term intermittent rainfall-induced debris flow events in the Wenchuan earthquake area

圖5 “6·24”疊溪鎮(zhèn)新磨村垮塌碎屑流及誘發(fā)雨量特征Fig.5 Characteristics of the “6·24” landslide and its causative rainfall data in Xinmo Village in the Wenchuan earthquake area

3 茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村山體垮塌碎屑流激發(fā)雨型特征

2017年6月24日上午5∶38，受1933年疊溪地震和2008年汶川地震影響的茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村，該區(qū)域內(nèi)的大白楊溝在1935年和1991年曾暴發(fā)大規(guī)模泥石流[23]，在長期持續(xù)間斷性降雨影響下發(fā)生高位山體垮塌。此次垮塌方量約為800×104m3，造成64處房屋及1 600 m公路被毀，局部出現(xiàn)堵江現(xiàn)象，如圖5所示。經(jīng)分析，該處山體受汶川地震影響其穩(wěn)定性下降，又遭受降雨的持續(xù)作用巖體含水量逐漸達(dá)到飽和，最終引起山體垮塌形成碎屑流。

4 討論與結(jié)論

(1)汶川震區(qū)暴雨誘發(fā)泥石流的激發(fā)雨型劃分為3種類型：短期突然降雨型、中期持續(xù)降雨型和長期間斷降雨型。短期突然降雨型的前期有效降雨時(shí)間很短，有效累積降雨量較小，但能迅速達(dá)到激發(fā)雨強(qiáng)，持續(xù)時(shí)間較短，一般伴隨著降雨的停止泥石流也逐漸停止，暴發(fā)程度強(qiáng)烈，堆積體含水量來不及達(dá)到飽和，泥石流的沖刷能力有限。中期持續(xù)降雨型的前期有效降雨時(shí)間較長，有效累積降雨量較大，泥石流在激發(fā)雨強(qiáng)達(dá)到最大時(shí)暴發(fā)，略滯后于降雨開始時(shí)間，泥石流持續(xù)時(shí)間較短期突然降雨型要長，但短于長期間斷降雨型。長期間斷降雨型的前期有效降雨時(shí)間很長，具有多個(gè)降雨周期，泥石流在激發(fā)雨強(qiáng)很小的時(shí)候就可以暴發(fā)，且持續(xù)時(shí)間較長，堆積體含水量充分飽和，暴發(fā)后能攜帶較多的堆積體沖刷物。

(2)不同雨型暴雨泥石流的差異主要體現(xiàn)在松散固體物質(zhì)的飽和過程中，比如前期有效降雨時(shí)間、激發(fā)雨強(qiáng)和累計(jì)降雨量等降雨因素，使得松散固體物質(zhì)的含水量飽和程度不同，發(fā)生物質(zhì)運(yùn)移的時(shí)刻也不同，從而導(dǎo)致不同雨型的泥石流暴發(fā)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、物質(zhì)搬運(yùn)能力及溝道沖刷程度均存在顯著差異。

(3)激發(fā)雨強(qiáng)和前期降雨有效持續(xù)時(shí)間跟激發(fā)雨型密切相關(guān)，長期間斷降雨型的激發(fā)雨強(qiáng)最小，前期降雨有效持續(xù)時(shí)間最長并呈周期性；中期持續(xù)降雨型的激發(fā)雨強(qiáng)和前期降雨有效持續(xù)時(shí)間均介于長期間斷降雨型與短期突然降雨型之間；短期突然降雨型的激發(fā)雨強(qiáng)最大，前期降雨有效持續(xù)時(shí)間最短。初步驗(yàn)證了誘發(fā)茂縣疊溪鎮(zhèn)新磨村山體垮塌碎屑流事件的雨型屬于長期間斷降雨型，通過前期降雨量的累計(jì)致使在較小的雨強(qiáng)作用下誘發(fā)山體垮塌。

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