北京市門頭溝區(qū)泥石流災(zāi)害分布及臨界雨量研究

(北京市地質(zhì)研究所，北京 100011)

泥石流是北京山區(qū)主要的地質(zhì)災(zāi)害，本區(qū)泥石流多發(fā)生在七月下旬至八月上旬，歷史上泥石流災(zāi)害對人民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟建設(shè)造成了嚴(yán)重的危害，并成為目前制約山區(qū)經(jīng)濟和環(huán)境和諧發(fā)展的主要因素之一[1-4]?，F(xiàn)階段研究中一般認(rèn)為地形地貌、地質(zhì)、構(gòu)造、氣候、水文、植被、人為活動等條件是控制泥石流災(zāi)害活動的基本條件。

門頭溝區(qū)位于北京西部的西山地區(qū)，地處太行山余脈與軍都山的相接部位，地形以山地為主，坡陡谷深，平原僅占1.5%。本文分析了門頭溝區(qū)泥石流災(zāi)害分布特征，總結(jié)了北京市泥石流臨界雨量研究現(xiàn)狀，并計算得出門頭溝區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量，研究成果可為本市泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作提供支撐。

1 門頭溝區(qū)泥石流分布特征

1.1 自然地理與地質(zhì)環(huán)境

門頭溝區(qū)地處京西山地，屬太行山脈。區(qū)內(nèi)地貌類型包括中山區(qū)、低山區(qū)、河谷臺地和永定河洪沖積平原，山地面積占全區(qū)面積的98.5%，僅東南部邊緣永定河沿岸分布有沖積平原。本區(qū)地勢西高東低，由4條北東—南西走向的山嶺構(gòu)成，自西至東依次是靈山—筆架山、百花山—清水尖—妙峰山、九龍山—香峪梁、馬鞍山[4]。

門頭溝區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，區(qū)內(nèi)多年平均年降水量581.1 mm，汛期年均降雨量489.8 mm，占全年降雨量的84.3%。本區(qū)各地降水不均，總的趨勢是由東南向西北遞減；區(qū)內(nèi)年內(nèi)與年際降水量差別較大，每年7-8月的降水量可占到全年降水量的60%左右；受地理環(huán)境和大氣環(huán)流影響，本區(qū)局部地區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)大暴雨，如三家店、上葦?shù)橐粠Ъ扒喟卓?、清水等地區(qū)。區(qū)內(nèi)河流均屬海河水系，永定河自西北官廳水庫以下的幽州附近入境，穿山峽后在三家店以下流向平原，境內(nèi)河段長約100 km。

區(qū)內(nèi)地層出露較全，從中元古界薊縣系起，除個別地層缺失外，各時代地層均有出露，尤以中生界侏羅系最為發(fā)育。地層巖性組合為：底部玄武巖、安山巖及安山質(zhì)火山碎屑巖；下部(窯坡組)粉砂巖、細砂巖、粗砂巖互層夾煤層；中上部礫巖、砂巖、凝灰質(zhì)粉砂巖夾火山熔巖。區(qū)內(nèi)侵入巖不甚發(fā)育，僅以巖枝、巖株、巖床等形式零星分布。巖性主要為輝長巖、花崗巖、花崗閃長巖、二長斑巖、閃長巖、閃長玢巖、石英斑巖等。

本區(qū)位于燕山臺褶帶之西山迭坳褶，包括青白口中穹褶和門頭溝迭陷褶。燕山期經(jīng)歷了較強烈的構(gòu)造變形，形成了一系列大規(guī)模的褶皺構(gòu)造，斷裂構(gòu)造較為發(fā)育。斷裂構(gòu)造以北東向、北北東向為主，東西、北西向次之。區(qū)內(nèi)大斷裂為沿河城斷裂，其走向北東50°左右，傾向南東，傾角60°～70°。

1.2 泥石流分布情況

門頭溝區(qū)泥石流較發(fā)育，泥石流溝流域面積占山區(qū)總面積的16.18%，遠高于北京地區(qū)的9.9%，僅次于密云(19.4%)、懷柔(17.61%)，占第三位[4]。全區(qū)共發(fā)育有泥石流溝103條，潛在泥石流溝17條。本區(qū)泥石流溝主要分布清水、齋堂、軍響、雁翅四鎮(zhèn)境內(nèi)，共有泥石流溝97條，潛在泥石流溝13條，占全區(qū)泥石流溝總數(shù)的91.7%(圖1)。

圖1 門頭溝區(qū)泥石流溝分布情況

泥石流的形成受多種因素綜合作用，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、物源、降水、人為活動等。強烈的構(gòu)造運動與不同成因環(huán)境下形成的地層巖性構(gòu)成了本區(qū)的高山深谷地貌，本區(qū)溝谷相對高差多在300～1 200 m，山坡坡度多大于30°，溝床平均縱比降100‰～600‰。溝谷多呈扇形或勺形，溝源呈半圓形，此地形有利于水體匯集和固體碎屑物源的集中。本區(qū)發(fā)育有復(fù)雜的褶皺和斷裂構(gòu)造，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，地層在構(gòu)造活動的作用下產(chǎn)生大量的松散固體物質(zhì)，形成了泥石流的物質(zhì)基礎(chǔ)。地形高差、坡面坡度、溝谷形態(tài)及溝床縱坡等構(gòu)成了泥石流形成、運動的地形條件。本區(qū)的年平均雨量不大，但全年降雨量的80%集中在6-8月，而這三個月的降雨常集中在幾場暴雨中。這種降雨易造成坡面大量產(chǎn)流，同時擾動溝床物質(zhì)，為泥石流的形成提供水動力條件。

門頭溝區(qū)泥石流在各地區(qū)的空間分布具有以下特征：(1)泥石流溝集中分布于清水鎮(zhèn)；(2)集中于主干斷裂構(gòu)造帶附近或幾組斷裂構(gòu)造的交匯部位；(3)多分布于節(jié)理裂隙發(fā)育的堅硬巖石區(qū)或軟硬相間巖石區(qū)；(4)集中分布在中、小溝谷內(nèi)，溝床縱比降一般在100‰～500 ‰，流域面積多在0.5～2.5 km2之間；(5)集中分布于雨量高值區(qū)。

門頭溝區(qū)1950年-2016年間共發(fā)生6次泥石流災(zāi)害，為清水河流域(1950年)、清水鎮(zhèn)(1956年)、沿河城(1958年，1987年)、妙峰山鎮(zhèn)灰峪(1991年)、妙峰山鎮(zhèn)下葦?shù)?1998年)[1,4]。本區(qū)泥石流多發(fā)生在七月下旬至八月上旬時間段內(nèi)，泥石流活動的強弱與洪水活動周期相一致，大部分泥石流發(fā)生于下午～次日凌晨，常發(fā)生在連續(xù)中、高強度降雨過程中或稍滯后。

2 門頭溝區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量

泥石流的發(fā)生受自然因素(地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、降雨)和人為因素的影響，相對于地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等條件，降雨因素的動態(tài)變化較大，同時降雨也是誘發(fā)泥石流的關(guān)鍵因素。因此，深入探索泥石流發(fā)生與降水過程及其動態(tài)特征之間的關(guān)系，對于突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作具有重要的意義。

2.1 北京地區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量研究進展

目前北京地區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量的研究主要是基于統(tǒng)計資料的臨界雨量閾值判別，包括單因子、多因子臨界雨量判別研究。

吳正華[5]通過對1950年以來，北京山區(qū)發(fā)生的11次嚴(yán)重泥石流災(zāi)害的降水特征作了分析，歸納總結(jié)出觸發(fā)泥石流的降水強度，包括泥石流的前期降水、臨災(zāi)降水強度、日降水量等。

文科軍等[6]對北京山區(qū)多年泥石流發(fā)生的雨情進行統(tǒng)計分析，提出了泥石流判別模型：有雨量站危險區(qū)泥石流發(fā)生判別方程為Y=-0.116(X+K)+115，式中，Y為降雨強度；X為發(fā)生泥石流當(dāng)日激發(fā)雨量；K為前期實效雨量。無雨量站危險區(qū)泥石流發(fā)生判別方程為Y=-1.3899X+345，式中，Y為泥石流發(fā)生當(dāng)日激發(fā)雨量；X為泥石流發(fā)生前3d降雨量。

韋京蓮等[7]根據(jù)泥石流發(fā)生時的前三日累計雨量與當(dāng)日前期雨量資料，提出了泥石流發(fā)生的危險基準(zhǔn)線方程：Y=-0.785X+130.35，式中，Y-當(dāng)日前期雨量；X-前三日累積雨量。

白利平等[2-3,8]提出了基于松散物質(zhì)啟動機理的臨界雨量判別模型；并利用災(zāi)害與降雨頻率分析法計算了北京市各地區(qū)不同時段(最大10 min、最大30 min、最大60 min、最大360 min、最大24 h、最大三天及最大七天)的臨界雨量閾值。

2.2 基于泥石流災(zāi)害與降雨頻率分析計算臨界雨量

根據(jù)文獻[8]中計算泥石流臨界雨量的災(zāi)害與降雨頻率分析方法，以門頭溝區(qū)為研究區(qū)域計算臨界雨量。門頭溝區(qū)1950年-2016年共發(fā)生6次泥石流災(zāi)害，泥石流發(fā)生頻率為9%。

根據(jù)本研究中收集到的歷史上發(fā)生泥石流時附近雨量站的觀測資料數(shù)據(jù)，以門頭溝區(qū)作為研究區(qū)進行分析計算時，最大1 h與24 h雨量觀測數(shù)據(jù)均達到計算臨界雨量值。

目前北京地區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量研究主要是基于統(tǒng)計資料的判別方法，門頭溝區(qū)尚未開展過泥石流臨界雨量相關(guān)研究工作。針對以上問題，本研究利用泥石流災(zāi)害頻率與降雨頻率分析方法計算得出門頭溝區(qū)不同時間段的泥石流臨界雨量。

表1 門頭溝區(qū)泥石流臨界雨量值計算結(jié)果統(tǒng)計表

3 結(jié)語

(1)泥石流的發(fā)生受地形地貌、地質(zhì)、構(gòu)造、氣候、水文、植被、人為活動等條件的控制，門頭溝區(qū)特殊的地質(zhì)條件構(gòu)成了泥石流形成的物源與地形基礎(chǔ)，降雨是泥石流的激發(fā)因素，而不合理的人類活動是泥石流的促發(fā)因素。

(2)根據(jù)泥石流災(zāi)害與降雨頻率分析，計算得出門頭溝區(qū)泥石流臨界雨量為：最大10 min雨量16.3～22.8 mm，最大30 min雨量28.5～36.7 mm，最大60 min雨量33.4～53.8 mm，最大360 min雨量65.3～97.8 mm，最大24 h雨量89.7～175.4 mm，最大3 d雨量146.8～220.2 mm，最大7 d雨量179.4～291.1 mm。

(3)根據(jù)泥石流發(fā)生時的歷史雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)，本文計算得出的臨界雨量值均小于歷史雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)。本研究推薦的門頭溝區(qū)泥石流不同時間段臨界雨量閾值可用于北京市泥石流災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作，今后的工作中可根據(jù)相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)對臨界雨量閾值進行修正和完善。