王海芝，曾慶利，許 冰,3，胡福根，于 淼

（1.北京市地質研究所，北京 100120；2.中國科學院大學地球與行星科學學院，北京 100049；3.中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029）

0 引言

北京是世界上突發(fā)地質災害發(fā)育的首都城市之一。根據(jù)北京市規(guī)劃自然資源委公布的官方數(shù)據(jù)，截至2020年底，北京市山區(qū)共發(fā)現(xiàn)4 964 處突發(fā)地質災害隱患，許多村鎮(zhèn)和旅游景區(qū)都處在地質災害隱患高發(fā)區(qū)，人居環(huán)境及生命財產受地質災害的潛在威脅嚴重。據(jù)統(tǒng)計，自2003年以來，北京市共發(fā)生地質災害568起[1]，造成數(shù)百億經濟損失。研究大暴雨誘發(fā)不同類型突發(fā)地質災害及誘發(fā)因素的變化特征，實現(xiàn)突發(fā)地質災害的精確預警是防災減災研究的重點與關鍵。國內外眾多研究表明降雨是觸發(fā)突發(fā)地質災害的主導因素，滑坡、泥石流的發(fā)生與降雨量和降雨強度密切相關[2?8]。但是，過去對突發(fā)地質災害臨界雨量的研究，缺少降雨與地質災害的詳細記錄，多是基于對歷史上災害事件統(tǒng)計分析，缺乏真實觸發(fā)地質災害降雨特征信息，預測預報存在一定的誤差。因此，基于詳細降雨過程及其激發(fā)的突發(fā)地質災害的案例分析研究工作，對于提高預警預報的精度顯得尤為迫切和重要。

2012年7月21日10 時—22日4 時（以下簡稱“7·21”），北京市大部分地區(qū)出現(xiàn)大暴雨，局地特大暴雨天氣。強降雨造成北京約160.2 萬人受災，78 人死亡，20 000 hm2農作物受災，525 架次航班取消，道路橋梁多處受損，交通幾近癱瘓；經濟損失達116.4 億元[6]。全市6 個山區(qū)，3 個淺山區(qū)共發(fā)生突發(fā)地質災害161 處，造成3 人死亡、1 人重傷、90 余處房屋受損，超過5 km道路堵塞，此外還有大量農田、擋墻等工程設施被毀壞[9]，是有突發(fā)地質災害記錄以來規(guī)模最大的一次群發(fā)性地質災害事件。

文中采用典型案例分析的方法，通過對“7·21”降雨及其引發(fā)的大范圍突發(fā)地質災害數(shù)據(jù)的分析整理，研究突發(fā)地質災害數(shù)量、規(guī)模、災情與降雨量及降雨強度之間的響應關系，分析不同類型突發(fā)地質災害的激發(fā)雨量、激發(fā)雨強的條件，給出短時強降雨泥石流發(fā)生的雨量及雨強閾值，探索加強基于實時降雨的突發(fā)地質災害臨界雨量閾值研究的方法，在提高突發(fā)地質災害防災減災效率方面具有較好的應用前景。

1 區(qū)域地質環(huán)境條件

北京市是由西北部的山地和東南部的平原兩大地貌單元組成。北部山區(qū)屬于燕山山脈系統(tǒng)，以近東西向的山地為主體，主要由中上元古界沉積巖、中生界侵入巖組成。山體具有塊狀分散、地勢陡峻、起伏較大等特點。西部和西北部的山區(qū)屬太行山脈，是新構造運動強烈上升區(qū)，經外力長期侵蝕切割形成起伏山巒，主要由中生界、古生界和中新元古界地層組成，巖性以碳酸鹽巖、各類碎屑巖及火山巖為主。東南部平原由河流沖洪積物堆積而成，地勢平緩。

根據(jù)地形劃分標準[10]，北京山區(qū)多為中低山。中低山區(qū)是突發(fā)地質災害高易發(fā)區(qū)，丘陵是突發(fā)地質災害的中低易發(fā)區(qū)，山間盆地和平原是突發(fā)地質災害的不易發(fā)區(qū)[11?12]。其中，中山區(qū)主要分布于北京市北部與西部山區(qū)的邊緣地帶，面積1 041 km2，海拔大于1 000 m，地形高差一般在500 m 以上，山勢險峻，地形坡度多大于35°。中山區(qū)山高坡陡，山體高大，阻礙氣流云團移動，迫使云團沿地形抬升，導致局部地區(qū)強暴雨的形成，是大型崩塌、滑坡及泥石流形成的重要地段[13]。低山區(qū)廣布于北京市山區(qū)，面積4 648.1 km2，海拔500～1 000 m，地形起伏較大，平均坡度在25°左右。地形切割強烈，松散物質豐富，是突發(fā)地質災害發(fā)生的主要區(qū)域。丘陵主要分布于山區(qū)和平原交接地區(qū)，面積約4 383.4 km2，海拔低于500 m，相對高度不超過200 m。丘陵所在區(qū)域由于坡度較緩、地形高差較小，不良地質現(xiàn)象和地質災害不發(fā)育。平原區(qū)主要由永定河、潮白河、溫榆河、拒馬河等河流的洪積、沖積作用形成，面積約6 338 km2。

2 北京地質災害類型及特征

2002年北京市完成了以區(qū)（縣）為單元的潛在地質災害的調查與區(qū)劃工作，初步查明了潛在地質災害的種類、范圍、規(guī)模和危害程度等要素，劃定了地質災害高、中、低易發(fā)區(qū)和非易發(fā)區(qū)。2012年“7·21”特大自然災害后，原市國土局組織實施了“北京市突發(fā)地質災害詳細調查（1∶5 萬）”項目，對北京市山區(qū)及淺山區(qū)的崩塌、滑坡、泥石流及地面塌陷等突發(fā)地質災害進行詳細調查，查明了山區(qū)及淺山區(qū)突發(fā)地質災害及其隱患的發(fā)育特征、分布規(guī)律及形成的地質環(huán)境條件，并對其危害程度進行了評價。上述調查成果查明北京市大部分突發(fā)地質災害隱患，為北京市防災減災提供了可靠的數(shù)據(jù)支撐。但是由于調查手段的局限性和突發(fā)地質災害的高隱蔽性，仍有一定數(shù)量的突發(fā)地質災害尚未被發(fā)現(xiàn)。

經調查，北京市山區(qū)發(fā)育的地質災害類型包括崩塌、滑坡、泥石流、采空塌陷、不穩(wěn)定斜坡。根據(jù)北京市規(guī)劃自然資源委公布的官方數(shù)據(jù)，截至2020年底，北京市山區(qū)共發(fā)育4 964 處突發(fā)地質災害隱患。其中崩塌2 623 處，滑坡56 處，泥石流811 處，地面塌陷95 處，不穩(wěn)定斜坡1 379 處（表1）。

表1 北京市各區(qū)地質災害類型及數(shù)量統(tǒng)計一覽表Table 1 Statistical list of types and quantities of geological hazards in various districts of Beijing

北京市突發(fā)地質災害總體特征表現(xiàn)在三個方面，第一是數(shù)量多、規(guī)模?。喝泄舶l(fā)育4 964 處突發(fā)地質災害隱患，其中小型隱患4 522 處，是全部隱患數(shù)量的91.10%；第二是分布面積廣，分布不均勻：突發(fā)地質災害隱患分布于北京市10 個山區(qū)及淺山區(qū)，其中房山區(qū)、門頭溝區(qū)、密云區(qū)、懷柔區(qū)共發(fā)育3 409 處，占全部突發(fā)地質災害隱患的68.7%；第三是類型全，險情差異大：全市特大型險情的災害隱患僅5 處，大型險情的為7 處，中型險情的92 處，其余的全部為險情小型。

3 北京“7·21”特大暴雨情況介紹

2012年7月21日10 時—22日4 時，受東移南下的冷空氣和西南氣流的共同影響，北京市普降暴雨，局部地區(qū)特大暴雨，全市平均降雨195 mm，平均降雨為大暴雨級別[14]?！?·21”降雨是北京市自1951年有氣象記錄以來最強的一次降雨過程，具有范圍廣、強度大、持續(xù)時間長、山地加強等特點。暴雨、大暴雨及特大暴雨覆蓋面積1.42×104km2，占全市面積的86%[15]（圖1）。暴雨中心位于房山區(qū)河北鎮(zhèn)，該處16 h 降雨量541 mm，達到了500年一遇。全市累積降雨量>100 mm 的雨量站達到了211 個，占全部雨量站總數(shù)的92%；96 個站累積雨量>200 mm；12 個站累積雨量>300 mm[16]；強降雨持續(xù)時間長達7 h（15:00—21:00），其中河北鎮(zhèn)長達5 h 降雨強度達到80～100 mm；暴雨帶呈西南-東北方向移動，各級別暴雨空間分布界線清晰，展布方向一致（圖1）。

4 “7·21”特大暴雨致災地質災害特征分析

“7·21”暴雨引發(fā)的突發(fā)地質災害特點為：點多、面廣、類型齊全，分布規(guī)律性強、災情等級高。災害數(shù)量空間分布與各級暴雨空間分布高度一致，“7·21”暴雨激發(fā)的突發(fā)地質災害覆蓋了除延慶之外的山區(qū)與淺山區(qū)（圖1、圖2）。本場暴雨共引發(fā)各類突發(fā)地質災害161 處，其中房山區(qū)105 處，門頭溝區(qū)24 處，昌平區(qū)13 處，三個區(qū)災害數(shù)量為142 處，占本次突發(fā)地質災害總數(shù)量的88.20%（表2、圖2）。各區(qū)突發(fā)地質災害數(shù)量由多到少依次為：房山區(qū)>門頭溝區(qū)>昌平區(qū)>密云區(qū)>平谷區(qū)=海淀區(qū)>石景山區(qū)>懷柔區(qū)>豐臺區(qū)。

表2 “7·21”北京市各區(qū)地質災害類型及數(shù)量統(tǒng)計一覽表Table 2 Statistical list of types and quantities of geological disasters in Beijing on 21，July

圖1 “7·21”北京市降雨及突發(fā)地質災害空間分布簡圖Fig.1 Spatial distribution of rainfall and sudden geological disasters in Beijing on 21，July

圖2 “7·21”突發(fā)地質災害分區(qū)數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.2 Statistical chart of geological disasters triggered by “7·21” rainstorm

“7·21”降雨激發(fā)的突發(fā)地質災害類型包括了崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷及不穩(wěn)定斜坡5 種。其中崩塌99 處，泥石流24 處，不穩(wěn)定斜坡18 處，滑坡13 處，地面塌陷7 處（圖3）。崩塌數(shù)量占總數(shù)的61.49%，泥石流數(shù)量占總數(shù)的14.91%，不穩(wěn)定斜坡數(shù)量占總數(shù)的11.18%。

圖3 “7·21”暴雨激發(fā)的突發(fā)地質災害類型及數(shù)量統(tǒng)計圖Fig.3 Statistical chart of types and quantity of sudden geological disasters triggered by “7·21” rainstorm

“7·21”降雨激發(fā)的災害險情差異較大，根據(jù)地質災害分類分級標準[17]，特大級1 處、重大級1 處、較大級2 處、一般級157 處，占災害總數(shù)的97.52%（表3）。“7·21”地質災害造成了重大的損失，包括3 人死亡、1 人重傷、90 余處房屋受損，超過5 km 道路堵塞，此外還有大量農田、擋墻等工程設施被毀壞。其中1 處災情特大級的泥石流溝出現(xiàn)在暴雨中心房山區(qū)河北鎮(zhèn)的西區(qū)溝，見圖1（a）；1 處災情重大級的泥石流溝出現(xiàn)房山區(qū)南窖鄉(xiāng)南窖村泥石流溝；2 處災情較大級的地質災害出現(xiàn)在房山區(qū)霞云嶺鄉(xiāng)莊戶臺村，分別是莊戶臺村魚骨寺滑坡見圖1（b）和莊戶臺村港溝泥石流。

表3 “7·21”北京市各區(qū)地質災情統(tǒng)計一覽表Table 3 Statistics of geological disasters in Beijing on 21，July

5 基于時空維度的暴雨量致災地質災害分析

5.1 降雨與突發(fā)地質災害之間的關系分析

“7·21”短歷時、高強度的降雨特征引發(fā)了大規(guī)模群發(fā)性地質災害事件。在19 h 的降雨時間段內，全市平均降雨量達到了大暴雨級別，暴雨中心達到了特大暴雨級別，且強小時雨強持續(xù)時間長達7 h（15:00—21:00）。“7·21”降雨激發(fā)的突發(fā)地質災害在數(shù)量、規(guī)模及災情上都與降雨特征具有極其清晰的響應關系。

突發(fā)地質災害的數(shù)量、規(guī)模以及災情等級與降雨的時空分布具有高度的一致性。突發(fā)地質災害均分布于累積雨量≥100 mm 的降雨落區(qū)內，災害的數(shù)量隨著與暴雨中心距離的增加，明顯減少。處于暴雨中心的房山區(qū)共發(fā)生突發(fā)地質災害105 處，占總數(shù)的65.22%；其次是門頭溝區(qū)，發(fā)生突發(fā)地質災害24 處，占總數(shù)的14.91%；第三是昌平區(qū)，發(fā)生突發(fā)地質災害13 處，占突發(fā)地質災害總數(shù)的8.18%。所發(fā)生的突發(fā)地質災害災情的大小也隨著與暴雨中心距離的加大而逐漸變小，其中特大級災情出現(xiàn)在降雨中心——河北鎮(zhèn)；重大級災情發(fā)生在南窖鄉(xiāng)，距離暴雨中心河北鎮(zhèn)23 km；較大級發(fā)生在霞云嶺鄉(xiāng)，距離暴雨中心34 km。

地質災害類型的數(shù)量也與距暴雨中心的距離密切相關。暴雨中心區(qū)域較周邊地區(qū)災害類型多，如暴雨中心的房山區(qū)發(fā)生了5 種類型的突發(fā)地質災害，而與之毗鄰的門頭溝區(qū)發(fā)生了3 種，其他各區(qū)僅發(fā)生了2 種或1 種突發(fā)地質災害。

地質災害類型與降雨量和降雨強度密切相關。泥石流、滑坡僅出現(xiàn)在特大暴雨落區(qū)內，崩塌、地面塌陷及不穩(wěn)定斜坡出現(xiàn)在大暴雨的落區(qū)內。其中24 處泥石流災害均出現(xiàn)在累積降雨量≥250 mm 落區(qū)范圍，其他突發(fā)地質災害均出現(xiàn)在累積降雨量≥100 mm 落區(qū)范圍。

綜上所述，北京市突發(fā)地質災害的發(fā)生與降雨特征密切相關，表明降水是觸發(fā)地質災害的關鍵因素。雨量與雨強越大，激發(fā)突發(fā)地質災害的類型、數(shù)量就越多，險情就越高，反之，則越小和越弱。因此，研究突發(fā)地質災害發(fā)生時期的降雨特征對于北京地區(qū)地質災害的預報預警具有重要意義。

5.2 典型區(qū)域降雨與典型突發(fā)地質災害（泥石流）的關系分析

目前研究現(xiàn)狀和文中相關數(shù)據(jù)不具備詳細分析其它突發(fā)地質災害臨界雨量的條件，所以以分析典型突發(fā)地質災害泥石流臨界雨量閾值為主。

房山區(qū)作為“7·21”降雨的中心，降雨強度和累積雨量明顯高于與之毗鄰的門頭溝區(qū)。為了明確在前期無降雨的條件下，突發(fā)地質災害發(fā)生的激發(fā)雨強及累積雨量的閾值，選取了房山區(qū)具有代表性的霞云嶺雨量站的過程雨量與門頭溝區(qū)的過程雨量進行分析，以期獲取在前期無明顯降雨的條件下，突發(fā)地質災害發(fā)生的閾值。

從降雨過程來看，兩個區(qū)的主要降雨時段均集中在21日11:00—20:00（圖4），其中房山區(qū)的強降雨過程集中在16:00—19:00 四個小時的時段內。泥石流災害也發(fā)生在此時段內。指示這四個小時的累積雨量也是泥石流發(fā)生的主要觸發(fā)雨量。房山區(qū)泥石流均發(fā)生于18:00 之后較短的時間內，激發(fā)雨強為62 mm/h，累積雨量為257.2 mm。同時段門頭溝區(qū)小時雨強為51.2 mm/h，累積雨量為187.4 mm，但是門頭溝區(qū)卻沒有泥石流發(fā)生。由此，西部山區(qū)在無前期累積雨量的前提下，泥石流發(fā)生的閾值為：187.4 mm<累積雨量≤257.2 mm，51.2 mm/h<降雨強度≤62 mm/h。

圖4 典型區(qū)域“7·21”暴雨過程柱狀圖Fig.4 Histogram of “7·21”rainstorm process in typical area

在累積雨量處于同一數(shù)量級的前提下，高雨強及高雨強持續(xù)的時間是決定突發(fā)地質災害數(shù)量的關鍵性因素。此次暴雨過程，房山區(qū)共發(fā)生突發(fā)地質災害105 處，門頭溝區(qū)發(fā)生突發(fā)地質災害24 處（表2），房山區(qū)突發(fā)地質災害數(shù)量是門頭區(qū)突發(fā)地質災害數(shù)量的4.38 倍。以本場降雨的強降雨時段16:00—19:00 作為突發(fā)地質災害的主要發(fā)生時段進行分析，房山區(qū)在此時段內的累積雨量為206.2 mm，門頭溝區(qū)在此時段內的累積雨量為139.1 mm，房山區(qū)的平均小時雨強為51.55 mm/h，門頭溝區(qū)在此時段內的平均小時雨強為34.78 mm/h，此時段內房山區(qū)的累積雨量及平均小時雨強是門頭區(qū)的1.48 倍，但是房山區(qū)發(fā)生的突發(fā)地質災害數(shù)量卻是門頭溝區(qū)的4.38 倍，顯示雨強與突發(fā)地質災害數(shù)量之間是呈倍數(shù)級的關系。

5.3 基于實時降雨的泥石流臨界雨量閾值分析

對于北京市泥石流臨界雨量的研究，以前的研究主要是基于一次或幾次泥石流事件時期降水數(shù)據(jù)，進行定性或簡單的統(tǒng)計分析，閾值的確定多是根據(jù)短時間（如10 min、1 h、3 h、6 h 和24 h）最大降雨強度來推測[18]。但多數(shù)情況下，這些時段強降水與泥石流發(fā)生時間之間的相關關系并不清楚，而且兩者之間并未發(fā)現(xiàn)有明顯的線性關系[19]，表明利用上述數(shù)據(jù)進行臨界雨量的確定具有一定的不確定性。

吳正華[20]根據(jù)降雨量-持續(xù)時間的經驗模型（R=421.6×D0.475）對北京市泥石流發(fā)生的臨界降雨強度進行分析，表明日降雨量200 mm 以上的特大暴雨過程是高險情泥石流發(fā)生的雨量條件。涂劍等[21]利用歷史上18 次泥石流發(fā)生的峰值降水持續(xù)時間和3 h 降雨的平均降水強度擬合了泥石流的臨界雨量為I=35.4×D?0.18。Ma 等[22]對2000年前和2000年以后的數(shù)據(jù)進行了的單獨分析，建立了地區(qū)和區(qū)域臨界雨量模型。王海芝[23]通過對1949年以來北京地區(qū)發(fā)生的泥石流及其發(fā)生時期的降水數(shù)據(jù)分析，建立了基于平均降雨量和降雨強度的臨界值模型：Ι=56.9×D?0.746。

將“7·21”降雨過程中觸發(fā)泥石流的實時降雨數(shù)據(jù)與過去基于平均雨量和雨強的臨界值進行對比（圖5）。從圖5 中可以清楚的發(fā)現(xiàn)，2012年7月21日觸發(fā)泥石流的實時數(shù)據(jù)均位于基于平均雨強的臨界值上部。另外，1989年7月21—22日降雨過程中[20]觸發(fā)泥石流實時數(shù)據(jù)的降雨強度也遠高于過去的臨界雨量模型（圖5）。上述特征表明，過去基于平均降雨強度的臨界雨量模型在對北京地區(qū)的預報預警中具有一定的指示意義，但可能存在較大的誤報率。即基于這些臨界雨量模型的預警值低于實際觸發(fā)泥石流的臨界值，具有較高的保險系數(shù)，但可能存在較高的誤報率，在防災減災工作中造成不必要的人力和財力損失?；趯崟r數(shù)據(jù)的臨界雨量值，相對于平均雨量和雨強的臨界值，具有更高的準確率。

圖5 “7·21”觸發(fā)泥石流的降雨強度與過去基于平均雨強的臨界雨量比較Fig.5 Comparison of rainfall intensity of debris flow triggered by“7·21”with critical rainfall based on average rainfall intensity in the past

6 結論

（1）北京市突發(fā)地質災害的種類、數(shù)量、規(guī)模以及災情等級與降雨量及降雨強度密切相關。降雨中心是突發(fā)地質災害數(shù)量、規(guī)模及災情最嚴重的區(qū)域，隨著與降雨中心距離的加大，突發(fā)地質災害的數(shù)量、種類及規(guī)模逐漸變少或變小。降雨強度是控制突發(fā)地質災害強度的關鍵因素。

（2）不同類型突發(fā)地質災害的激發(fā)雨量和雨強不同。泥石流、滑坡發(fā)生的降雨條件高于崩塌發(fā)生的降雨條件。在無前期累積雨量的前提下，西部山區(qū)短歷時強降雨激發(fā)泥石流的閾值為：187.4 mm<累積雨量≤257.2 mm，51.2 mm/h<降雨強度≤62 mm/h。

（3）通過“7·21”事件中觸發(fā)泥石流降雨的詳細數(shù)據(jù)與過去基于平均降雨強度的臨界雨量的對比發(fā)現(xiàn)，過去基于平均雨強的臨界雨量，盡管有較大的保險系數(shù)，但可能有較大誤報率，基于實時數(shù)據(jù)的臨界雨量具有更高的精確性。因此，今后的工作應加強基于實時數(shù)據(jù)的臨界雨量研究。