北京山區(qū)泥石流激發(fā)降雨特征及其臨界值

陳 文 鴻，余 斌，柳 清 文，孫 帥，師 春 香

(1.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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081)

泥石流是指在溝谷或者山坡上，因?yàn)榻涤?暴雨、冰川、積雪融化水)或其他自然災(zāi)害引發(fā)的山體滑坡并挾帶大量泥砂、石塊等固體物質(zhì)的特殊洪流[1]，破壞力強(qiáng)，對(duì)山區(qū)人民生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。分析區(qū)域泥石流的降雨特征并以此作為一個(gè)突破口，開(kāi)展泥石流的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)，可有效地預(yù)防和減輕災(zāi)害的發(fā)生[2-5]。叢威青等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)日降雨、前期降雨、前期累積降雨和降雨時(shí)長(zhǎng)與泥石流的發(fā)生有著密切的關(guān)系[6]；陳樹(shù)群等[7]把降雨時(shí)數(shù)小于12 h，介于12～24 h及超過(guò)24 h分別定義為短歷時(shí)降雨、中歷時(shí)降雨及長(zhǎng)歷時(shí)降雨；余斌等[8]研究證明10 min降雨強(qiáng)度是溝床起動(dòng)型泥石流暴發(fā)的關(guān)鍵；王治兵[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了暴雨泥石流的預(yù)報(bào)與前期降雨和激發(fā)降雨有著密切的關(guān)系；倪化勇等[10]研究表明了泥石流發(fā)生是前期降雨與短歷時(shí)降雨共同作用的結(jié)果；戚國(guó)慶等[11]認(rèn)為強(qiáng)降雨泥石流的發(fā)生可以歸為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段與前期實(shí)際累積降雨量有關(guān)，第二個(gè)階段與短歷時(shí)降雨強(qiáng)度有關(guān)；涂劍等[12]研究得出區(qū)域的泥石流激發(fā)雨量條件對(duì)山洪泥石流的預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義；喬建平根據(jù)預(yù)警分類(lèi)原理，建立了實(shí)現(xiàn)兩類(lèi)災(zāi)害預(yù)警的技術(shù)方法體系[13]。

北京山區(qū)經(jīng)常暴發(fā)泥石流，2011年“7·24”和2012年“7·21”強(qiáng)降雨引發(fā)山洪泥石流導(dǎo)致密云區(qū)龍?zhí)稖稀⒎可絽^(qū)十渡鎮(zhèn)受損嚴(yán)重，嚴(yán)重危害了當(dāng)?shù)厝嗣竦纳踩玔12，14-16]。北京山區(qū)大多數(shù)泥石流的形成機(jī)理主要是在高強(qiáng)度降雨的作用下，大量雨水在地表形成徑流，匯集到主溝并形成強(qiáng)大的山洪，進(jìn)而掀揭溝床物質(zhì)形成泥石流[17-18]。北京山區(qū)泥石流易發(fā)區(qū)的地質(zhì)地貌是泥石流暴發(fā)因素中相對(duì)穩(wěn)定的因素，當(dāng)溝谷地形和松散碎屑物質(zhì)條件確定后，泥石流的暴發(fā)決定于降雨量與降雨強(qiáng)度[2]。

涂劍等[12]采用平均降雨強(qiáng)度-降雨歷時(shí)(I-D)、累積雨量-降雨歷時(shí)(C-D)組合指標(biāo)，擬合出泥石流發(fā)生的雨量激發(fā)條件：I=35.4D-0.18和C=35.4D0.82。史明遠(yuǎn)[19]采用前期有效降雨總量和短期降雨總量的關(guān)系，提出降雨總量臨界模型Y=670000-1.284X，并對(duì)北京南窖主溝進(jìn)行了預(yù)警。王禮先等[20]建立了北京暴雨泥石流發(fā)生的前3，5 d或15 d雨量與當(dāng)日激發(fā)泥石流雨量的回歸模型。孫佳麗[21]利用泥石流的災(zāi)害頻率與降雨頻率分析方法計(jì)算了門(mén)頭溝不同時(shí)段的泥石流臨界雨量。余斌等[22]通過(guò)地形條件、地質(zhì)條件、降雨條件之間的關(guān)系，提出了溝床起動(dòng)類(lèi)型泥石流預(yù)報(bào)模型P=RT0.2/G0.5。姚令侃等[23]利用泥石流發(fā)生頻率和暴雨頻率推求了泥石流發(fā)生的臨界雨量。鐘郭倫[24]等以成昆鐵路為基礎(chǔ)建立了線路泥石流預(yù)報(bào)方法，確定了泥石流預(yù)報(bào)參數(shù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用系統(tǒng)。目前，北京地區(qū)現(xiàn)有的泥石流降雨臨界值多數(shù)從統(tǒng)計(jì)泥石流的歷史降雨數(shù)據(jù)而來(lái)，缺乏結(jié)合泥石流發(fā)生機(jī)理與降雨特征的分析。本文在前人研究基礎(chǔ)上，收集2012年北京山區(qū)“7·21”暴雨泥石流災(zāi)害與本次氣象站點(diǎn)(遍布全山區(qū))的雨量過(guò)程數(shù)據(jù)和其他時(shí)間段發(fā)生泥石流的降雨資料，并基于研究區(qū)泥石流暴發(fā)的機(jī)理，結(jié)合余斌[8]提出的綜合降雨臨界值方法，開(kāi)展該區(qū)泥石流降雨特征條件研究，以便為該區(qū)山洪泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 研究區(qū)泥石流概況及降雨特征分析

1.1 研究區(qū)概況及氣象站點(diǎn)分布

北京山區(qū)面積為10 417.5 km2，占全市總面積的62%。經(jīng)溜石港、了思臺(tái)、鎮(zhèn)邊城一線為界劃分為北山和西山兩個(gè)大區(qū)，界線的東面與南面為平原區(qū)。山區(qū)溝道狹窄，河谷坡度較大，其斷面多呈“V”形[2，19]。崩塌時(shí)有發(fā)生，溝床、坡面碎屑物豐富[2]，物源體主要以粗顆粒為主[12]。

統(tǒng)計(jì)北京“7·21”山區(qū)氣象站點(diǎn)的降雨數(shù)據(jù)，并將氣象站點(diǎn)分為兩類(lèi)，一類(lèi)為有泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)(即氣象站點(diǎn)附近發(fā)生泥石流災(zāi)害)，另一類(lèi)為無(wú)泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)(即氣象站點(diǎn)附近未發(fā)生泥石流災(zāi)害)(見(jiàn)圖1)，還收集了其他時(shí)間段的暴發(fā)泥石流事件(15起)[12，16]與對(duì)應(yīng)的氣象站點(diǎn)(見(jiàn)圖2)。

圖1 “7·21”泥石流分布Fig.1 “7·21” debris flow distribution

圖2 其他時(shí)間段泥石流分布Fig.2 Debris flow distribution at other time periods

1.2 降雨特征分析

北京山區(qū)滑坡很少，泥石流物源主要以零星崩塌后固體物質(zhì)進(jìn)入溝道為主，這類(lèi)泥石流的起動(dòng)機(jī)理為溝床起動(dòng)型。短歷時(shí)強(qiáng)降雨是誘發(fā)溝床起動(dòng)類(lèi)型的溝谷泥石流的主要原因[25-27]。余斌提出的溝床起動(dòng)型泥石流的降雨模型是從泥石流形成機(jī)理出發(fā)的統(tǒng)計(jì)降雨模型，在臺(tái)灣、西南地區(qū)、西北地區(qū)(舟曲以及隴南等地)[22，28]都有很好的適用性，但首次在北京地區(qū)適用，還需要更多的資料驗(yàn)證、完善。

這類(lèi)泥石流的預(yù)報(bào)模型由地形因子、地質(zhì)因子和降雨因子組成，其表達(dá)式如下[22]：

(1)

G=F0C1C2C3C4

(2)

(3)

P=RT0.2/G0.5

(4)

式中：T為泥石流形成區(qū)地形因子；J為泥石流形成區(qū)溝床縱比降；A為泥石流形成區(qū)面積，km2；L為形成區(qū)溝道長(zhǎng)，km；A0為單位面積，1 km2；G為地質(zhì)因子；F0為泥石流形成區(qū)平均堅(jiān)固系數(shù)；C1，C2，C3，C4分別為構(gòu)造(斷裂帶)、地震烈度、物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化修正因子；R為降雨因子；R*為綜合降雨臨界值；B為泥石流暴發(fā)前前期降雨量，mm，I為泥石流激發(fā)1 h降雨量，mm；R0為當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅?，mm，北京山區(qū)的年平均降雨為640 mm；Cv為當(dāng)?shù)?0 min降雨變差系數(shù)，北京山區(qū)10 min降雨變差系數(shù)的Cv=0.45；P為預(yù)警值。

有些泥石流發(fā)生時(shí)無(wú)法獲取詳細(xì)的降雨數(shù)據(jù)及激發(fā)1 h降雨量，因此，可采用公式(3)中綜合降雨臨界值(R*)的最大值對(duì)應(yīng)1 h降雨雨量(I)作為泥石流暴發(fā)的激發(fā)1 h降雨量，綜合降雨臨界值(R*)的最大值對(duì)應(yīng)的累積降雨量作為泥石流暴發(fā)的前期降雨量(B)，無(wú)泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的參數(shù)值(激發(fā)1 h降雨量(I)、前期累積降雨量(B)也按以上步驟獲取。

本文降雨數(shù)據(jù)主要為79個(gè)降雨站點(diǎn)的2012年7月20日08:00至7月22日07:00的小時(shí)降雨數(shù)據(jù)，另外還收集了其他時(shí)間段泥石流暴發(fā)的降雨資料。其中，前期累積降雨量(B，mm)、1 h激發(fā)雨量(I，mm)和降雨歷時(shí)(D，h)作為本次區(qū)域泥石流雨量閾值預(yù)警研究的主要降雨參數(shù)(見(jiàn)表1)

表1 北京泥石流降雨參數(shù)值Tab.1 Beijing debris flow parameter value

通過(guò)收集以上數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了北京山區(qū)“7·21”氣象站點(diǎn)的降雨特征(見(jiàn)圖3～5)。從圖3可以看出，研究區(qū)的“7·21”降雨歷時(shí)基本小于6 h(86.96%)；其中，圖3顯示誘發(fā)泥石流的降雨歷時(shí)大多數(shù)為3～6 h(69.57%)，都是在9h以內(nèi)(100%)；從圖5可以看出，“7·21”和其他時(shí)間段泥石流1 h激發(fā)雨量多數(shù)大于30 mm(88.96%、78.57%)，屬于高強(qiáng)度降雨[7]。綜上所述，北京山區(qū)泥石流主要是在短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨的條件下誘發(fā)的。

圖3 降雨歷時(shí)特征Fig.3 Rainfall duration characteristics

圖4 累積雨量特征Fig.4 Cumulative rainfall characteristics

圖5 1 h激發(fā)雨量特征Fig.5 1 h excitation rainfall characteristics

2 泥石流災(zāi)害降雨量臨界值

2.1 激發(fā)雨量值和累積雨量的關(guān)系

將每個(gè)降雨站點(diǎn)的1 h激發(fā)雨量(I)和前期累積雨量(B)的數(shù)據(jù)點(diǎn)都繪于坐標(biāo)系中(見(jiàn)圖6)，畫(huà)出能合理區(qū)分兩類(lèi)點(diǎn)的分界線，得到相應(yīng)的臨界范圍。

圖6 氣象站點(diǎn)I-B關(guān)系Fig.6 I-B relationship diagram of weather station

從圖6得出有泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)中，I<30 mm占的比例為10.53%，30≤I<42 mm占的比例為28.95%，I≥42 mm占的比例為60.53%；B<75 mm占的比例為18.42%，75≤B<130 mm占的比例為21.05%，B≥130 mm占的比例為60.53%。無(wú)泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)I<30 mm占的比例為67.86%，30≤I<42 mm占的比例為17.86%，I≥42 mm占的比例為14.29%；B<75 mm占的比例為83.93%，75≤B<130 mm占的比例為14.29%，B≥130 mm占的比例為1.79%。

從圖6可以看出，兩類(lèi)點(diǎn)被4條直線劃分出9個(gè)區(qū)域。其中，無(wú)泥石流發(fā)生氣象站點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)主要分布在I≤30 mm且B≤75 mm范圍內(nèi)(64.29%)，有泥石流發(fā)生氣象站點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)主要分布在I≥42 mm，且B≥130 mm范圍內(nèi)(44.74%)。綜上所述，可以得出，當(dāng)I≤30 mm，且B≤75 mm的時(shí)候，發(fā)生泥石流的可能性較低；當(dāng)I≥42 mm，且B≥130 mm的時(shí)候，發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性很大。目前還無(wú)法詳細(xì)區(qū)分其他7個(gè)區(qū)域之間泥石流暴發(fā)的可能性關(guān)系，但可以確定這7個(gè)區(qū)域暴發(fā)泥石流的可能性介于I≤30 mm且B≤75 mm范圍內(nèi)暴發(fā)泥石流的可能性與I≥42 mm，且B≥130 mm范圍內(nèi)暴發(fā)泥石流的可能性之間。因此，當(dāng)I≥42 mm，且B≥130 mm時(shí)，暴發(fā)泥石流可能性高，可為北京山區(qū)泥石流的預(yù)警預(yù)報(bào)提供一定的參考。

2.2 降雨綜合臨界值

將表1中兩類(lèi)氣象站點(diǎn)(有泥石流暴發(fā)的氣象站點(diǎn)、無(wú)泥石流暴發(fā)的氣象站點(diǎn))的降雨1 h激發(fā)雨量(I)和前期累積雨量(B)分別畫(huà)在直角坐標(biāo)系中(見(jiàn)圖7)，采用公式(3)中的R*=B+12.5I合理地分開(kāi)無(wú)泥石流和有泥石流兩種類(lèi)型點(diǎn)，進(jìn)而確定B和I的關(guān)系。遵循以下原則進(jìn)行劃分：① 保證精度，使預(yù)警范圍不要過(guò)大，上限與下限之比不超過(guò)2倍的關(guān)系；② 最大程度分開(kāi)有泥石流與無(wú)泥石流；③ 不漏報(bào)，少錯(cuò)報(bào)。從圖7可以得出采用B和I的誘發(fā)溝谷型泥石流泥石流的降雨閾值。

圖7 誘發(fā)泥石流的B和IFig.7 B and I inducing debris flow

根據(jù)提取出來(lái)的誘發(fā)前期累積雨量(B)和1 h激發(fā)雨量(I)，分析這兩類(lèi)降雨站點(diǎn)(有泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)、無(wú)泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn))的1 h激發(fā)雨強(qiáng)和累積雨量的相互關(guān)系，得出泥石流紅色預(yù)警臨界線，見(jiàn)圖7中實(shí)線(R*=B+12.5I=600 mm)。為了提高降雨型泥石流預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，本文畫(huà)出黃色預(yù)警臨界線(R*=B+12.5I=480 mm)和藍(lán)色預(yù)警臨界線(R*=B+12.5I=300 mm)。

圖7中有3個(gè)指標(biāo)值：Cr1=300 mm，Cr2=480 mm，Cr3=600 mm(分別對(duì)應(yīng)的是警戒線、警報(bào)線和避難線)。其中100%的暴發(fā)泥石流降雨站點(diǎn)都在Cr≥300 mm區(qū)域內(nèi)，85.29%的暴發(fā)泥石流降雨站點(diǎn)都在Cr≥480 mm區(qū)域內(nèi)，67.65%的暴發(fā)泥石流站點(diǎn)都在Cr≥600 mm區(qū)域內(nèi)。這3個(gè)指標(biāo)值將圖7中的直角坐標(biāo)系分為4個(gè)區(qū)域：當(dāng)Cr<300 mm時(shí)，泥石流發(fā)生的可能性很低；當(dāng)300≤Cr<480 mm時(shí)，泥石流發(fā)生的可能性較低；當(dāng)480≤Cr<600 mm時(shí)，泥石流發(fā)生的可能性中等；當(dāng)Cr≥600 mm時(shí)，泥石流發(fā)生的可能性高。

圖7中有4個(gè)無(wú)泥石流發(fā)生的氣象站點(diǎn)，顯示在Cr=600 mm線以上(異常點(diǎn))，圖7中左上方的異常點(diǎn)和右上方(從上往下)第3個(gè)異常點(diǎn)都靠近密云暴雨集中區(qū)，右上方(從上往下)第一個(gè)異常點(diǎn)靠近門(mén)頭溝暴雨集中區(qū)，這些異常點(diǎn)附近有很大的泥石流發(fā)生概率。由于收集2012年北京“7·21”泥石流災(zāi)害發(fā)生信息主要是通過(guò)查閱文獻(xiàn)記載信息[12，14]，有可能存在部分氣象站點(diǎn)附近有泥石流暴發(fā)卻沒(méi)文獻(xiàn)記錄，需要進(jìn)一步去完善。由于降雨因素具有區(qū)域特性，特別是區(qū)域的地形與地質(zhì)特征，因此，該臨界值只適合北京山區(qū)流域的溝床起動(dòng)型泥石流，下一步需要結(jié)合對(duì)單個(gè)泥石流溝進(jìn)行研究分析，以便更好地預(yù)警泥石流的發(fā)生。

3 結(jié) 論

區(qū)域泥石流的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)是泥石流災(zāi)害防治的重中之重。2012年7月21日北京市山區(qū)普遍暴發(fā)了特大山洪泥石流，其中暴雨中心所在的房山區(qū)暴發(fā)多處泥石流。并且，導(dǎo)致研究區(qū)泥石流暴發(fā)的降雨歷時(shí)都是在9 h以內(nèi)，泥石流暴發(fā)的1 h激發(fā)雨量大多數(shù)都大于30 mm，對(duì)應(yīng)的前期累積降雨量大部分都大于150 mm。短歷時(shí)高強(qiáng)度降雨是誘發(fā)這些泥石流的關(guān)鍵因素。本文在分析北京泥石流事件的降雨特征基礎(chǔ)上，采用綜合降雨臨界模型R*=12.5I+B得出3個(gè)預(yù)警臨界值Cr1=300 mm、Cr2=480 mm和Cr3=600 mm，進(jìn)行Ⅳ級(jí)預(yù)警，在預(yù)報(bào)程度上更具優(yōu)勢(shì)，可以在一定程度上提高泥石流災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性。本文的模型預(yù)警值還可以為定量地預(yù)測(cè)北京山區(qū)山洪暴發(fā)的降雨臨界值提供依據(jù)。

本文收集的泥石流災(zāi)害樣本數(shù)據(jù)有限，還沒(méi)有對(duì)泥石流地形因素進(jìn)行結(jié)合分析，這還需要進(jìn)一步深入的研究。北京山區(qū)溝床起動(dòng)泥石流大多數(shù)在暴雨條件下發(fā)生，普及這類(lèi)泥石流降雨特征的識(shí)別方法和合理預(yù)防措施，也是今后的研究課題。