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)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059； 2.國家氣象信息中心，北京 100081)

泥石流是指在溝谷或者山坡上，因為降雨(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，對山區(qū)人民生命財產(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突破口，開展泥石流的預(yù)測和預(yù)報，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長與泥石流的發(fā)生有著密切的關(guān)系[6]；陳樹群等[7]把降雨時數(shù)小于12 h，介于12～24 h及超過24 h分別定義為短歷時降雨、中歷時降雨及長歷時降雨；余斌等[8]研究證明10 min降雨強度是溝床起動型泥石流暴發(fā)的關(guān)鍵；王治兵[9]通過實驗證明了暴雨泥石流的預(yù)報與前期降雨和激發(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降雨共同作用的結(jié)果；戚國慶等[11]認(rèn)為強降雨泥石流的發(fā)生可以歸為兩個階段：第一個階段與前期實際累積降雨量有關(guān)，第二個階段與短歷時降雨強度有關(guān)；涂劍等[12]研究得出區(qū)域的泥石流激發(fā)雨量條件對山洪泥石流的預(yù)測具有指導(dǎo)意義；喬建平根據(jù)預(yù)警分類原理，建立了實現(xiàn)兩類災(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)泥石流的形成機理主要是在高強度降雨的作用下，大量雨水在地表形成徑流，匯集到主溝并形成強大的山洪，進而掀揭溝床物質(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度[2]。

涂劍等[12]采用平均降雨強度-降雨歷時(I-D)、累積雨量-降雨歷時(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，并對北京南窖主溝進行了預(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算了門頭溝不同時段的泥石流臨界雨量。余斌等[22]通過地形條件、地質(zhì)條件、降雨條件之間的關(guān)系，提出了溝床起動類型泥石流預(yù)報模型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)報方法，確定了泥石流預(yù)報參數(shù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫應(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)計泥石流的歷史降雨數(shù)據(jù)而來，缺乏結(jié)合泥石流發(fā)生機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(遍布全山區(qū))的雨量過程數(shù)據(jù)和其他時間段發(fā)生泥石流的降雨資料，并基于研究區(qū)泥石流暴發(fā)的機理，結(jié)合余斌[8]提出的綜合降雨臨界值方法，開展該區(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)測預(yù)報、監(jiān)測預(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、鎮(zhèn)邊城一線為界劃分為北山和西山兩個大區(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)計北京“7·21”山區(qū)氣象站點的降雨數(shù)據(jù)，并將氣象站點分為兩類，一類為有泥石流發(fā)生的氣象站點(即氣象站點附近發(fā)生泥石流災(zāi)害)，另一類為無泥石流發(fā)生的氣象站點(即氣象站點附近未發(fā)生泥石流災(zāi)害)(見圖1)，還收集了其他時間段的暴發(fā)泥石流事件(15起)[12，16]與對應(yīng)的氣象站點(見圖2)。

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

圖2 其他時間段泥石流分布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)進入溝道為主，這類泥石流的起動機理為溝床起動型。短歷時強降雨是誘發(fā)溝床起動類型的溝谷泥石流的主要原因[25-27]。余斌提出的溝床起動型泥石流的降雨模型是從泥石流形成機理出發(fā)的統(tǒng)計降雨模型，在臺灣、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證、完善。

這類泥石流的預(yù)報模型由地形因子、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，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)生時無法獲取詳細(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*)的最大值對應(yīng)的累積降雨量作為泥石流暴發(fā)的前期降雨量(B)，無泥石流發(fā)生的氣象站點對應(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個降雨站點的2012年7月20日08:00至7月22日07:00的小時降雨數(shù)據(jù)，另外還收集了其他時間段泥石流暴發(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(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)(見表1)

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

通過收集以上數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了北京山區(qū)“7·21”氣象站點的降雨特征(見圖3～5)。從圖3可以看出，研究區(qū)的“7·21”降雨歷時基本小于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%)，屬于高強度降雨[7]。綜上所述，北京山區(qū)泥石流主要是在短歷時高強度降雨的條件下誘發(fā)的。

圖3 降雨歷時特征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

將每個降雨站點的1 h激發(fā)雨量(I)和前期累積雨量(B)的數(shù)據(jù)點都繪于坐標(biāo)系中(見圖6)，畫出能合理區(qū)分兩類點的分界線，得到相應(yīng)的臨界范圍。

圖6 氣象站點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%。無泥石流發(fā)生的氣象站點數(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，兩類點被4條直線劃分出9個區(qū)域。其中，無泥石流發(fā)生氣象站點的坐標(biāo)點主要分布在I≤30 mm且B≤75 mm范圍內(nèi)(64.29%)，有泥石流發(fā)生氣象站點坐標(biāo)點主要分布在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的時候，發(fā)生泥石流的可能性較低；當(dāng)I≥42 mm，且B≥130 mm的時候，發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性很大。目前還無法詳細(xì)區(qū)分其他7個區(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，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)報提供一定的參考。

2.2 降雨綜合臨界值

將表1中兩類氣象站點(有泥石流暴發(fā)的氣象站點、無泥石流暴發(fā)的氣象站點)的降雨1 h激發(fā)雨量(I)和前期累積雨量(B)分別畫在直角坐標(biāo)系中(見圖7)，采用公式(3)中的R*=B+12.5I合理地分開無泥石流和有泥石流兩種類型點，進而確定B和I的關(guān)系。遵循以下原則進行劃分：① 保證精度，使預(yù)警范圍不要過大，上限與下限之比不超過2倍的關(guān)系；② 最大程度分開有泥石流與無泥石流；③ 不漏報，少錯報。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)，分析這兩類降雨站點(有泥石流發(fā)生的氣象站點、無泥石流發(fā)生的氣象站點)的1 h激發(fā)雨強和累積雨量的相互關(guān)系，得出泥石流紅色預(yù)警臨界線，見圖7中實線(R*=B+12.5I=600 mm)。為了提高降雨型泥石流預(yù)報準(zhǔn)確性，本文畫出黃色預(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個指標(biāo)值：Cr1=300 mm，Cr2=480 mm，Cr3=600 mm(分別對應(yīng)的是警戒線、警報線和避難線)。其中100%的暴發(fā)泥石流降雨站點都在Cr≥300 mm區(qū)域內(nèi)，85.29%的暴發(fā)泥石流降雨站點都在Cr≥480 mm區(qū)域內(nèi)，67.65%的暴發(fā)泥石流站點都在Cr≥600 mm區(qū)域內(nèi)。這3個指標(biāo)值將圖7中的直角坐標(biāo)系分為4個區(qū)域：當(dāng)Cr<300 mm時，泥石流發(fā)生的可能性很低；當(dāng)300≤Cr<480 mm時，泥石流發(fā)生的可能性較低；當(dāng)480≤Cr<600 mm時，泥石流發(fā)生的可能性中等；當(dāng)Cr≥600 mm時，泥石流發(fā)生的可能性高。

圖7中有4個無泥石流發(fā)生的氣象站點，顯示在Cr=600 mm線以上(異常點)，圖7中左上方的異常點和右上方(從上往下)第3個異常點都靠近密云暴雨集中區(qū)，右上方(從上往下)第一個異常點靠近門頭溝暴雨集中區(qū)，這些異常點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)生信息主要是通過查閱文獻記載信息[12，14]，有可能存在部分氣象站點附近有泥石流暴發(fā)卻沒文獻記錄，需要進一步去完善。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)流域的溝床起動型泥石流，下一步需要結(jié)合對單個泥石流溝進行研究分析，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)測預(yù)報是泥石流災(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，對應(yīng)的前期累積降雨量大部分都大于150 mm。短歷時高強度降雨是誘發(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個預(yù)警臨界值Cr1=300 mm、Cr2=480 mm和Cr3=600 mm，進行Ⅳ級預(yù)警，在預(yù)報程度上更具優(yōu)勢，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，還沒有對泥石流地形因素進行結(jié)合分析，這還需要進一步深入的研究。北京山區(qū)溝床起動泥石流大多數(shù)在暴雨條件下發(fā)生，普及這類泥石流降雨特征的識別方法和合理預(yù)防措施，也是今后的研究課題。