長白山天池地區(qū)泥石流激發(fā)雨型與臨界雨量

羅小惠, 裴向軍, 郭 斌

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059)

長白山天池地區(qū)處高寒高海拔地區(qū)，屬地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)，每年均有不同規(guī)模的災(zāi)害發(fā)生，包含了崩塌、滑坡、泥石流等多種地質(zhì)災(zāi)害，其中暴雨泥石流作為突發(fā)災(zāi)害，且相距游客活動區(qū)域較近，嚴重威脅著游客與景區(qū)工作人員的生命安全。

泥石流為中國各地山區(qū)的危害嚴重的地質(zhì)災(zāi)害[1-2]，因其破壞性強、暴發(fā)突然、歷史短暫并且防治困難的特點，故此泥石流災(zāi)害所造成的人員傷亡都是數(shù)以千計[3-4]。點多、面廣是泥石流災(zāi)害的分布特點，且泥石流災(zāi)害發(fā)生后將造成阻斷交通與救援不便等相關(guān)問題，致使針對泥石流災(zāi)害治理的防治工程建設(shè)難度較大。故為降低泥石流災(zāi)害所造成的威脅與影響，及時與準確地發(fā)布泥石流預(yù)警信息是這項工作中最為關(guān)鍵的一步，而對于防災(zāi)減災(zāi)重要、有效的手段，是基于臨界雨量的區(qū)域泥石流預(yù)報[5]。

距今，針對泥石流災(zāi)害的臨界降雨量，中外學(xué)者已開展了大量的研究工作[6-8]。最初，對降雨誘發(fā)滑坡導(dǎo)致泥石流的啟動機理及危險性評價[9-11]進行了討論；Tang等[12]通過研究2008年9月北川唐家山地區(qū)降雨數(shù)據(jù)得到誘發(fā)泥石流降雨閾值；常鳴等[13]通過降雨等評價因子對都江堰龍池場鎮(zhèn)的48條泥石流溝進行敏感性評價；姚令侃[14]結(jié)合多元統(tǒng)計建立了以泥石流發(fā)生頻率及地區(qū)暴雨頻率而求得其臨界雨量的回歸方程；譚萬沛等[15]利用形成泥石流的主控因素與激發(fā)條件，從泥石流的誘發(fā)因素和防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報等角度下手，對四川片區(qū)的暴雨型泥石流進行分類分區(qū)；韋方強等[16]建立了泥石流預(yù)報模型，將臨界雨量劃分成不同的等級范圍；隨著研究工作的推進，韋方強等[17]還分析了不同降水監(jiān)測和預(yù)報時空分辨率與技術(shù)時空尺度，并以此為基礎(chǔ)建立了不同時空尺度的泥石流預(yù)報體系框架，將泥石流預(yù)報的普遍性與精度推向新高度。與此同時，對泥石流的激發(fā)雨量與臨界雨量也有較多研究[18-24]。目前，在泥石流臨界雨量研究方面雖然取得很多有價值的成果，但現(xiàn)階段泥石流啟動的臨界雨量大多是基于統(tǒng)計分析及歷史資料反演得到，故其準確性還有待提高。

為此，詳細統(tǒng)計了引發(fā)泥石流的降雨資料，通過研究和分析這些泥石流暴發(fā)前后的降雨過程，并對激發(fā)長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)害的激發(fā)雨型進行分類，采用統(tǒng)計方法開展長白山天池地區(qū)泥石流發(fā)生時的降雨臨界值研究，為研究區(qū)的泥石流預(yù)測預(yù)報和監(jiān)測預(yù)警提供理論基礎(chǔ)與參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

長白山位于吉林省東南部，其東部與朝鮮接壤，是中國境內(nèi)保存最為完整的新生代多成因復(fù)合火山錐體，是世界聞名的自然保護區(qū)。由于該區(qū)獨特的火山地質(zhì)背景，在內(nèi)、外動力的雙重影響下，由深切的溝壑與河谷構(gòu)成了峽谷地貌初期，同時也構(gòu)成了火山湖、瀑布以及兩岸的深溝陡壁等特殊的景觀。研究區(qū)域位于長白山北景區(qū)內(nèi)，其地理坐標：東經(jīng)128°02′54″～128°04′26″，北緯42°01′20″～42°02′53″。長白山地區(qū)屬中緯度大陸性季風氣候半濕潤區(qū)，氣候特點是冬季漫長寒冷，夏季溫暖而短促。受地形和大陸與太平洋兩種氣流影響，垂直分帶明顯，氣溫和降雨均受海拔高度的控制，據(jù)相關(guān)資料，地勢增高 100 m，氣溫降低 0.5～0.6 ℃，降水量增加±30 mm。

近年來，長白山天池地區(qū)(圖1)泥石流災(zāi)害有不斷加劇的趨勢。據(jù)調(diào)查，在長白瀑布以北、二道白河兩側(cè)的陡峻山體上每年都有泥石流發(fā)生。這一現(xiàn)狀不僅嚴重破壞了自然保護區(qū)的森林資源和生態(tài)環(huán)境，而且還嚴重威脅著游客與景區(qū)工作人員的生命安全。為對長白山天池景區(qū)的正常運行，對長白山北景區(qū)天池地區(qū)的泥石流進行勘察，最終確定4條具有一定規(guī)模的泥石流溝，且都位于長白山天池瀑布與小天池區(qū)段之間，二道白河的右岸，分別為瀑布東側(cè)1號泥石流、瀑布東側(cè)2號泥石流、停車場南4號泥石流和停車場南8號泥石流(圖2)。

泥石流災(zāi)害不僅造成巨大的財產(chǎn)損失，還對景區(qū)內(nèi)的人員造成一定的安全威脅，導(dǎo)致整個景區(qū)的運行停滯，給長白山北景區(qū)造成嚴重的不利影響。在泥石流災(zāi)害發(fā)生之后，通過對災(zāi)害現(xiàn)場的實地勘察發(fā)現(xiàn)，長白山天池地區(qū)由于獨特的火山侵蝕區(qū)地形地貌，地形陡峭，高差懸殊，大部分山體呈現(xiàn)明顯的多級臺階狀，研究區(qū)內(nèi)二道白河河谷地貌為嶂谷，其基本特征為河谷形狀似箱形，為冰蝕“U”形谷，谷坡陡峭，近乎直立，而區(qū)域內(nèi)泥石流均在二道白河河谷兩側(cè)陡峭山的沖溝中發(fā)育(圖3)。

圖3 長白山北景區(qū)河谷地貌概況Fig.3 Overview of the river valley geomorphology in Changbai Mountain north scenic area

近年來，由于風化作用的加強及氣候愈加極端的影響，各泥石流溝的物源增加，均有再次爆發(fā)大規(guī)模泥石流的可能。影響該區(qū)泥石流發(fā)育的自然條件很多，如地形地貌、地層巖性、氣象水文等，這些因素的有機結(jié)合，即形成了本區(qū)泥石流發(fā)育的三個基本條件：豐富的固體物質(zhì)、高陡的地形及充沛的降水。這三個條件相互影響，缺一不可。而豐富的降雨，特別是急驟的暴雨是該區(qū)域內(nèi)泥石流形成的必要條件。長白山自然保護區(qū)降雨豐富，雨量集中，降雨持續(xù)時間長，且多暴雨。為降低泥石流會造成的損失，建立基于泥石流臨界雨量的泥石流預(yù)警系統(tǒng)是當務(wù)之急，而臨界雨量參數(shù)是泥石流預(yù)警系統(tǒng)準確發(fā)布預(yù)報信息的前提。因此，通過災(zāi)害實例調(diào)查法和統(tǒng)計法，研究長白山天池區(qū)泥石流災(zāi)害的激發(fā)雨型與臨界雨量，為預(yù)警系統(tǒng)提供參數(shù)，為準確的泥石流預(yù)測預(yù)報提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

2 泥石流降雨過程的統(tǒng)計與分析

2.1 泥石流災(zāi)害災(zāi)情與歷史

通過查問文獻以及相關(guān)資料收集到近十年內(nèi)長白山天池區(qū)泥石流共發(fā)生的10次泥石流的發(fā)生時間以及受災(zāi)情況，具體泥石流詳情如表1所示。2017年7月2日04：11，長白山景區(qū)瀑布東側(cè)1號泥石流溝發(fā)生泥石流，規(guī)模大約1 200 m3，石籠擋墻被沖毀80 m，觀景平臺損壞，造成經(jīng)濟損失50萬元；2017年7月21日04:56，長白山景區(qū)瀑布東側(cè)2號泥石流溝發(fā)生泥石流，規(guī)模大約1 300 m3，泥石流碎石沖入二道白河改變水道，堆積鐵橋處，對鐵橋構(gòu)成威脅，造成經(jīng)濟損失20萬元，所幸兩次發(fā)生災(zāi)害的時間都為凌晨，景區(qū)還未開始運營，未造成人員傷亡。停車場南4號與8號泥石流溝也在往年的雨季暴發(fā)了不同規(guī)模的泥石流。泥石流災(zāi)害不僅造成巨大的財產(chǎn)損失，還對景區(qū)內(nèi)的人員造成一定的安全威脅，導(dǎo)致整個景區(qū)的運行停滯，給長白山北景區(qū)造成嚴重的不利影響。

表1 長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)情歷史統(tǒng)計表Table 1 Historical statistics of debris flow disasters in Tianchi Area, Changbai Mountain

2.2 降雨參數(shù)指標

由之前的分析描述可知，降雨與長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)害的發(fā)生密不可分。長白山地區(qū)降雨豐富，持續(xù)時間長，且多暴雨。豐富的且急驟的暴雨是泥石流形成的必要條件。降雨不僅為泥石流提供了豐富的水源，更為松散固體物質(zhì)的啟動與泥石流的運動提供了強大的動力。觀測與統(tǒng)計資料表明，當某時段內(nèi)的降雨量達到或者超過臨界降雨量時，泥石流就會發(fā)生。

基于不同的降雨參數(shù)，建立不同的泥石流的降雨預(yù)警模型。目前降雨預(yù)警指標大致分為以下5類：①以降雨強度和累計雨量作為預(yù)警指標；②以降雨強度和降雨歷時作為預(yù)警指標；③以累計雨量和降雨歷時作為預(yù)警指標；④以降雨強度和前期有效降雨量作為預(yù)警指標；⑤以其他降雨參數(shù)作為預(yù)警指標。較為常用的降雨參數(shù)包括降雨強度、降雨歷時、歷史累積降雨和前期有效降雨量。

選取4種降雨參數(shù)指標(降雨強度、日降雨量、歷史累積降雨、前期有效降雨)用于構(gòu)建泥石流發(fā)生的降雨臨界值，并對研究區(qū)內(nèi)激發(fā)泥石流的降雨類型做出了分類。對有記載可查的災(zāi)害歷史記錄所對應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，由長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)情記錄統(tǒng)計表(表1)可見，對研究區(qū)內(nèi)2013—2018年所有汛期的降雨數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到完整強降雨事件共8次，并對各個單次強降雨事件的前期有效降雨進行統(tǒng)計，計算前期有效降雨，累積降雨量和降雨強度，結(jié)果如表2所示。根據(jù)Graff[23]的有效降雨量計算公式：

表2 長白山天池地區(qū)強降雨事件Table 2 Heavy rainfall event in Tianchi area,Changbai Mountain

Rant=kR1+k2R2+…+knRn

(1)

式(1)中：Rant為災(zāi)害發(fā)生前n日有效降雨量；k為有效降雨系數(shù)(k≤1)，k根據(jù)經(jīng)驗值取0.84；Rn為第n天的降雨量。

3 結(jié)果與分析

3.1 長白山天池地區(qū)暴雨泥石流的激發(fā)雨型特征

在長白山天池地區(qū)，暴雨發(fā)生之前一般都有持續(xù)數(shù)十天之久的前期降雨，這種特點的降雨形式對于泥石流的暴發(fā)有兩方面的作用：一方面，泥石流形成區(qū)周圍的松散固體物質(zhì)在長期降雨的作用下，被不斷搬運向形成區(qū)匯集，使物源動儲量不斷地增加；另一方面，形成區(qū)的物源需要在暴雨形成的強大地表徑流的激發(fā)下，轉(zhuǎn)化成具有一定破壞力的泥石流。選取具有代表性的8場泥石流暴發(fā)事件的降雨過程，繪制出日降雨量、前期有效降雨與降雨歷時的關(guān)系曲線圖。通過對比與分析8場泥石流不同的降雨過程，結(jié)合暴雨泥石流形成過程中所經(jīng)歷的松散固體飽和、地表徑流、松散固體運移、泥石流啟動的過程。長白山暴雨泥石流激發(fā)的雨型為長期持續(xù)降雨型和長期間斷降雨型。

長期持續(xù)降雨型主要表現(xiàn)為泥石流流暴發(fā)前會持續(xù)相當長時間不間斷的前期降雨，約持續(xù)10 d。這種降雨類型是由零緩慢增加，最終達到導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的臨界雨量。長期持續(xù)降雨型的前期有效降雨持續(xù)時間長，泥石流在降雨量逐步達到臨界值時暴發(fā)。當前期降雨開始時，此時的降雨強度小于雨巖土體滲透率，故此時降雨被全部滲入松散堆積體內(nèi)部。隨著降雨進程的發(fā)展，坡體表面松散堆積層的含水量不斷增加。當松散堆積層的入滲率降低的越來越快，其達到飽和狀態(tài)的時間就會越來越短。最終，當雨強達到臨界雨量時，松散堆積體的含水量漸漸達到飽和狀態(tài)，松散堆積物開始在雨水的作用下進行運移，進入泥石流溝內(nèi)并參與泥石流的啟動過程。長期持續(xù)降雨型以研究區(qū)域內(nèi)2013年7月2日泥石流、2015年7月8日泥石流、2016年8月31日泥石流及2017年7月2日泥石流為代表，如圖4～圖7所示。

圖4 2013年7月2日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.4 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2013

圖5 2015年7月8日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.5 Debris flow disaster,rainfall process on July 8,2015

圖6 2016年8月31日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.6 Rainfall process of debris flow disaster on August 31,2016

圖7 2017年7月2日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.7 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2017

長期間斷降雨型主要表現(xiàn)為泥石流暴發(fā)前也會持續(xù)相當長時間但中途會間斷的前期有效降雨，該降雨總體持續(xù)十幾天左右，但當在接近泥石流暴發(fā)當天，降雨過程將會有間斷，一般會在一段時間內(nèi)從較小的降雨緩慢增加到一個極值再逐步降低為零，隨后降雨開始間斷，再過一段時間后，開始二次降雨，其中降雨中途的間斷時間不會超過8 h，按此規(guī)律反復(fù)兩到三次直到松散堆積體飽和，堆積體開始在雨水的作用下向溝內(nèi)運移，在持續(xù)的降雨過程中，不斷增加的雨量與不斷增大的物源動儲量最終導(dǎo)致泥石流暴發(fā)。長期間斷降雨較長期持續(xù)降雨來說，總的降雨時長更為漫長。該降雨類型的降雨強度存在由多個由零到極大值再由極大值降低到零的重復(fù)循環(huán)過程。隨著該過程的反復(fù)進行，松散堆積體含水率逐漸增大，當降雨強度達到某個值時，松散堆積體含水量達到飽和，在此之后，只要持續(xù)降雨，無論雨強大小，松散堆積體都會在雨水的作用下被搬運與沖刷至溝內(nèi)，參與泥石流的啟動過程。故在哪怕是在反復(fù)過程中逐漸減小的雨強作用下，泥石流也會暴發(fā)。該類型的松散堆積體飽和過程所經(jīng)歷的時間更長，并且由于其降雨過程的間斷性與反復(fù)性，該降雨類型的泥石流暴發(fā)的時間會滯后第一次降雨強度的峰值時間，總體降雨持續(xù)時間相較于長期持續(xù)降雨更長。該類型泥石流以2013年8月15日泥石流災(zāi)害、2013年8月17日泥石流災(zāi)害、2015年8月4日泥石流災(zāi)害及2017年7月21泥石流災(zāi)害為代表，如圖8～圖11所示。

圖8 2013年8月15日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.8 Debris flow disaster rainfall process on August 15,2013

圖9 2013年8月17日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.9 Debris flow disaster rainfall process on August 17,2013

圖10 2015年8月4日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.10 Debris flow disaster rainfall process on August 4,2015

圖11 2017年7月21日泥石流災(zāi)害降雨過程Fig.11 Debris flow disaster rainfall process on July 21,2017

3.2 長白山天池地區(qū)臨界雨量特征

根據(jù)前面收集的研究地區(qū)泥石流災(zāi)害的降雨過程歷史資料及泥石流暴發(fā)過程分析，統(tǒng)計長白山天池地區(qū)暴雨泥石流的激發(fā)雨型(表3)，暴發(fā)時的歷史累計雨量、前期有效降雨量、日降雨量峰值及雨強峰值。據(jù)此繪制出歷史累計降雨與降雨強度及前期有效降雨與降雨強度的關(guān)系圖(圖12、圖13)。由圖12、圖13可以看出，在長白山天池地區(qū)當小時降雨量超過19.7 mm，前期有效降雨量超過32.7 mm，歷史累計降雨量超過43.5 mm，泥石流災(zāi)害就將發(fā)生。從表3、圖12、圖13可見，具有歷史記錄的研究區(qū)域內(nèi)泥石流災(zāi)害事件的歷史累計降雨跨度極大，43.5～223.5 mm。該區(qū)域內(nèi)泥石流發(fā)生的前期有效降雨為32.7～112.1 mm，若以歷史累計降雨量43.5 mm或是前期有效降雨32.7 mm即發(fā)布預(yù)警信息，可能會造成不必要的人力、財力的浪費，若長期預(yù)警報錯，更會導(dǎo)致景區(qū)工作人員與游客的不信任，但歷史累計降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm可以作為防范值，一旦降雨量達到此范圍應(yīng)加強巡查，密切注意各溝內(nèi)穩(wěn)定情況。從歷史累計降雨與降雨強度及前期有效降雨與降雨強度的關(guān)系圖可得，以降雨強度下限值19.7 mm/h作為泥石流臨界雨量值較為合適，從泥石流災(zāi)害的歷史資料可以看出，與泥石流事件相關(guān)的8場完整降雨事件，峰值降雨強度的最小值為19.7 mm/h，2013年的3次泥石流事件峰值降雨強度分別為24.7、20.7、22.9 mm/h，2015年與2016年2次泥石流事件峰值降雨強度分別為20.5、20.8 mm/h，17年2次泥石流事件的峰值降雨強度為22.4、20.7 mm/h。因此以峰值降雨強度下限值19.7 mm/h為泥石流災(zāi)害發(fā)生的臨界雨量較為合理。

表3 長白山天池地區(qū)泥石流災(zāi)害激發(fā)雨型分類Table 3 Rainfall classification for debris flow disasters in Tianchi area, Changbai Mountain

圖12 泥石流降雨強度-歷史累計降雨關(guān)系圖Fig.12 Debris flow rainfall intensity-historical cumulative rainfall relationship

圖13 泥石流降雨強度-前期有效降雨量關(guān)系圖Fig.13 Debris flow rainfall intensity-pre-effective rainfall relationship diagram

4 結(jié)論

(1)長白山天池地區(qū)泥石流激發(fā)雨型分為兩種：長期持續(xù)降雨型與長期間斷降雨型。長期持續(xù)降雨型主要表現(xiàn)為泥石流流暴發(fā)前會持續(xù)相當長時間不間斷的前期降雨，持續(xù)10 d左右。雨量由零緩慢增加，最終達到導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的臨界雨量。長期持續(xù)降雨型的前期有效降雨持續(xù)時間長，泥石流在降雨量逐步達到臨界值時暴發(fā)。當前期降雨強度小于雨巖土體滲透率，降雨被全部滲入松散堆積體內(nèi)部。隨著降雨進程的發(fā)展，坡體表面松散堆積層的含水量不斷增加。當松散堆積層的入滲率降低的越來越快，其達到飽和狀態(tài)的時間就會越來越短。最終，當雨強達到臨界雨量時，松散堆積體的含水量漸漸達到飽和狀態(tài)，松散堆積物開始在雨水的作用下進行運移，進入泥石流溝內(nèi)并參與泥石流的暴發(fā)；長期間斷降雨型會持續(xù)相當長時間但中途會間斷的前期有效降雨，該降雨總體會斷斷續(xù)續(xù)持續(xù)十幾天左右，但當在接近泥石流暴發(fā)當天，降雨過程將會有間斷。長期間斷降雨較長期持續(xù)降雨來說，總的降雨時長更為漫長。該降雨類型的降雨強度存在由多個由零到極大值再由極大值降低到零的重復(fù)循環(huán)過程。隨著該過程的反復(fù)進行，松散堆積體含水率逐漸增大，當降雨強度達到某個值時，松散堆積體含水量達到飽和，在此之后，只要持續(xù)降雨，無論雨強大小，松散堆積體都會在雨水的作用下被搬運與沖刷至溝內(nèi)，參與泥石流的暴發(fā)過程。

(2)長白山天池地區(qū)泥石流歷史累計降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm作為泥石流災(zāi)害暴發(fā)的防范值，一旦降雨量達到此范圍應(yīng)加強巡查，密切注意各溝內(nèi)穩(wěn)定情況。降雨強度19.7 mm/h作為泥石流臨界雨量。