陳文鴻，余 斌，柳清文，路 璐，馬 超，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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059； 2.福建省地質(zhì)工程勘察院 自然資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350002； 3.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 北京市地質(zhì)災(zāi)害防治研究所，北京 100120； 4.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083； 5.中國氣象局 國家氣象信息中心，北京 100081)

1 研究背景

北京山區(qū)泥石流以暴雨類、低頻率、高重度、低黏度、溝谷型泥石流為主，而以支溝泥石流集群暴發(fā)為其特點(diǎn)。其形成方式主要為溝床起動(dòng)型泥石流[1-5]，其形成機(jī)理是在短歷時(shí)強(qiáng)降雨的作用下，大量雨水在地表形成徑流，匯集到主溝道并形成強(qiáng)大的山洪，繼而侵蝕溝床并起動(dòng)以前滑坡和崩塌堆積在溝床內(nèi)的固體物質(zhì)形成泥石流[6-10]。北京山區(qū)經(jīng)常暴發(fā)泥石流，如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11]。目前，北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警工作已經(jīng)全面展開，監(jiān)測預(yù)警的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)每條泥石流溝的單溝預(yù)警預(yù)報(bào)工作，因此，單溝泥石流預(yù)警模型是其關(guān)鍵技術(shù)與核心內(nèi)容[12]。

目前針對北京山區(qū)泥石流災(zāi)害研究，謝洪等[13]認(rèn)為應(yīng)該根據(jù)泥石流單溝特征，通過制定減災(zāi)工程減輕和控制泥石流的危害。鐘敦倫等[14]通過結(jié)合泥石流的影響因素，構(gòu)建物源模型，在可拓學(xué)原理下，通過關(guān)聯(lián)度計(jì)算得出區(qū)域泥石流預(yù)報(bào)和溝谷泥石流預(yù)報(bào)。周金星等[15]建立了北京暴雨泥石流發(fā)生當(dāng)天的前3 d、5 d或15 d雨量與當(dāng)日激發(fā)泥石流雨量的回歸模型。倪化勇等[16]利用前期降雨量研究了降雨型泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)模式，并給出相應(yīng)的預(yù)警框架和建議。史明遠(yuǎn)[17]通過分析研究區(qū)泥石流類型、致災(zāi)能力、發(fā)展階段和易發(fā)度特性，結(jié)合泥石流單溝前期有效降雨量和短期降雨量，提出未來6 h、24 h的氣象預(yù)警雨量閾值。白利平等[18-19]基于GIS技術(shù)，提出北京地區(qū)泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃，并根據(jù)力學(xué)平衡條件，假設(shè)飽水狀態(tài)下的溝床物質(zhì)會(huì)受到重力、摩擦力、內(nèi)聚力、浮力等的作用，推出松散固體物質(zhì)起動(dòng)判別式和雨強(qiáng)表達(dá)式。黃曉虎[20]對北京地區(qū)達(dá)摩小流域泥石流的啟動(dòng)機(jī)制進(jìn)行了研究，他指出泥石流物源體啟動(dòng)的標(biāo)志是出現(xiàn)切溝侵蝕，并計(jì)算了各種降雨情況下泥石流啟動(dòng)臨界激發(fā)雨量。丁桂伶等[21]選取巖性、坡度、植被等評價(jià)指標(biāo)，通過前期有效降雨量計(jì)算，提出北京地區(qū)的泥石流預(yù)警雨量閾值。涂劍等[22]用修正后的李氏法進(jìn)行雨場分割，總結(jié)研究區(qū)泥石流雨量激發(fā)的條件。

馬超等[23]通過野外觀測的10 min降雨記錄和溝道形態(tài)變化，分析了泥石流的觸發(fā)條件和侵蝕過程，提出了10 min的降雨間隔強(qiáng)度災(zāi)害預(yù)測以及水泥沙量是控制侵蝕程度的首要因素。翟淑花等[24]通過繪制降雨安全等概率線，對北京山區(qū)泥石流進(jìn)行預(yù)警。朱昳橙等[25]通過研究降雨量與降雨過程、地質(zhì)災(zāi)害空間分布的對應(yīng)關(guān)系，得出地質(zhì)-降雨綜合模型比地質(zhì)-氣象模型更適合怒江州滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警。李永超等[26]通過對79條沖溝的野外調(diào)查，采用信息值法、確定因子法和邏輯回歸法對研究區(qū)泥石流易發(fā)性進(jìn)行評價(jià)。蔣家溝泥石流預(yù)報(bào)模型是根據(jù)很多流域大量、長系列的觀測數(shù)據(jù)提出的，雖然蔣家溝模型與北京山區(qū)目前預(yù)警模型具有一定的相似性，都使用降雨因子作為判斷指標(biāo)，但忽略了溝道內(nèi)松散堆積物和利于泥石流發(fā)生的溝谷地勢，這肯定會(huì)導(dǎo)致預(yù)報(bào)結(jié)果不精確[27]。譚炳炎等[28]提出了泥石流組合預(yù)報(bào)模型：Y=RM，其中Y表示泥石流發(fā)生的判別函數(shù)；R表示降雨條件函數(shù)；M表示地面環(huán)境動(dòng)態(tài)函數(shù)。當(dāng)Y<25時(shí)，不發(fā)生泥石流的機(jī)率為83%；Y>35時(shí)，發(fā)生泥石流的機(jī)率為85 %；Y=25～35時(shí)，介于發(fā)生與不發(fā)生之間，該模型主要運(yùn)用于山區(qū)鐵路沿線的暴雨泥石流預(yù)報(bào)。王毅等[29]用GIS技術(shù)與層次-信息量模型相結(jié)合的方法，確定在不同降雨下需要重點(diǎn)監(jiān)測與防治的泥石流溝道。李大鳴等[30]通過分析泥石流形成條件，選取了泥石流7個(gè)危險(xiǎn)因子，并應(yīng)用模糊賦權(quán)法計(jì)算各個(gè)危險(xiǎn)因子權(quán)重，從而建立了泥石流區(qū)域預(yù)報(bào)模型。

綜上所述，泥石流預(yù)警模型成果很多，在區(qū)域預(yù)警預(yù)報(bào)中考慮了地形、降雨因子，在雨量指標(biāo)上都用了前期累計(jì)雨量和泥石流激發(fā)雨量。但預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性鮮有報(bào)道，原因在于大多數(shù)泥石流預(yù)警模型具有局地性，不能適用于北京山區(qū)泥石流預(yù)警。

目前，北京泥石流災(zāi)害研究多為區(qū)域性泥石流預(yù)報(bào)，以及泥石流危險(xiǎn)區(qū)劃和泥石流溝道侵蝕過程等方向的研究。關(guān)于單溝泥石流短期(10 min和1 h)預(yù)警的研究還很少。本文在前人研究基礎(chǔ)上，收集近十幾年北京山區(qū)單溝泥石流文獻(xiàn)資料，通過研究影響北京山區(qū)單溝泥石流形成的地形條件、地質(zhì)條件和水文條件等，得出適用于北京山區(qū)單溝泥石流的Ⅳ級預(yù)警模型，可有效預(yù)防和減輕災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

2 泥石流的形成條件

北京山區(qū)面積為10 417.5 km2，占北京市總面積的62%。北京山區(qū)地處燕山山系與西山太行山系交界處，在地質(zhì)構(gòu)造單元上屬燕山沉降帶。境內(nèi)地形骨架形成于中生代燕山運(yùn)動(dòng)，西部山區(qū)與北部山區(qū)均為高山陡坡地形，嶺谷相對高差均在300～600 m之間，河谷斷面多呈“V”形。由于山區(qū)切割較深，相對高度較大，溝谷的縱坡大，溝道狹窄，崩塌時(shí)有發(fā)生，溝道和坡面碎屑物豐富，物源體主要為粗顆粒，為泥石流的發(fā)生提供了有利的地形條件[2]。泥石流的物源主要有兩類，一是溝谷底部的松散堆積物，二是谷坡上的堆積物。北京山區(qū)發(fā)生泥石流的主要物源是溝谷底部的松散堆積物，溝道兩側(cè)斜坡物源少，雖然降雨會(huì)導(dǎo)致谷坡上堆積物匯入溝道，但對泥石流的形成影響不大[31-32]。

“消防水管效應(yīng)”現(xiàn)象對溝床松散固體物質(zhì)沖刷強(qiáng)烈，導(dǎo)致其失穩(wěn)并參與泥石流活動(dòng)[33]。根據(jù)Yu等[33]的研究，溝床起動(dòng)類型的溝谷泥石流預(yù)報(bào)模型的基本概念和方法是基于泥石流形成的3個(gè)基本條件，即地形條件、地質(zhì)條件和降水條件。通過收集泥石流的溝谷地形、地質(zhì)和水文條件方面的特征，對它們之間的關(guān)系進(jìn)行對比研究，從泥石流的形成機(jī)理上出發(fā)，對泥石流的發(fā)生作出預(yù)測。本文通過北京市氣象局、區(qū)(縣)防汛辦，以及國家氣象局在北京山區(qū)部分氣象站點(diǎn)，共搜集了1989—2016年間26起泥石流事件(如圖1)，研究區(qū)泥石流情況統(tǒng)計(jì)如表1。

表1 研究區(qū)泥石流情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of debris flows in the mountainous area of Beijing

圖1 研究區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)分布Fig.1 Locations of debris flow sites in the mountainous area of Beijing

根據(jù)余斌等[6，37]建立的貴州省望謨縣2011年6月6日特大暴雨作用下的溝床起動(dòng)類型泥石流預(yù)報(bào)模型，泥石流起動(dòng)條件由地形條件、地質(zhì)條件和降水條件組成，其表達(dá)式為

(1)

式中：P為預(yù)警值；R為泥石流形成區(qū)降水因子；T為泥石流形成區(qū)地形因子；G為泥石流形成區(qū)地質(zhì)因子；Cr為模型判據(jù)臨界值。1 h預(yù)報(bào)模型臨界值(Cr)有2個(gè)，即Cr1=0.35，Cr2=0.47(分別對應(yīng)模型中警報(bào)線和避難線)。10 min預(yù)報(bào)模型臨界值(Cr)也有2個(gè)，即Cr3=0.078，Cr4=0.103(分別對應(yīng)模型中警報(bào)線和避難線)。

2.1 地形條件

地形條件指有利于溝床物源起動(dòng)的地形條件：形成區(qū)流域面積、溝道長度、溝床縱比降、形狀系數(shù)等，主要注重泥石流形成區(qū)流域地形條件的作用，并用一個(gè)無量綱的地形條件來描述，溝床起動(dòng)型泥石流無量綱的地形條件表達(dá)式為[37]

(2)

式中：J為泥石流形成區(qū)溝床縱比降；A是泥石流形成區(qū)流域面積(km2)；A0是單位面積，1 km2；L是形成區(qū)溝道長度(km)；A/L2為泥石流形成區(qū)形狀系數(shù)；A/A0為無量綱化的泥石流形成區(qū)面積。

2.2 地質(zhì)條件

在泥石流發(fā)育的過程中，泥石流流域巖性的平均堅(jiān)固系數(shù)是重要的參數(shù)。它與泥石流的暴發(fā)頻率和泥石流發(fā)生難易程度關(guān)系為：泥石流流域的巖石越堅(jiān)固，其固體物源主要為崩塌產(chǎn)生，固體物質(zhì)顆粒相對較大，積累時(shí)間較長，泥石流的暴發(fā)頻率越低，泥石流發(fā)生越困難；反之，泥石流流域的巖石越軟弱，其固體物源則主要是滑坡產(chǎn)生，固體物質(zhì)顆粒相對較小，泥石流發(fā)生越容易[38]。

泥石流形成的地質(zhì)條件可以表示為泥石流形成區(qū)流域巖性的堅(jiān)固系數(shù)、斷裂帶(構(gòu)造)、地震烈度、物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化等修正條件(通過地質(zhì)構(gòu)造、地震烈度、物理風(fēng)化對巖石堅(jiān)固系數(shù)進(jìn)行修正，結(jié)合化學(xué)風(fēng)化修正系數(shù)，得到綜合地質(zhì)因素G，G越大，越不利于泥石流的形成)。并用一個(gè)無量綱的地質(zhì)條件來描述，溝床起動(dòng)型泥石流無量綱的地質(zhì)條件表達(dá)式為[37]

G=F0C1C2C3C4。

(3)

式中：F0為泥石流形成區(qū)平均堅(jiān)固系數(shù)；C1、C2、C3、C4分別為形成區(qū)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(具體取值見文獻(xiàn)[37]—文獻(xiàn)[39])。研究區(qū)泥石流地形、地質(zhì)條件情況統(tǒng)計(jì)見表2(發(fā)生泥石流的溝道位置是查閱文獻(xiàn)所得，未發(fā)生泥石流的溝道是選取發(fā)生泥石流的溝道附近的溝道)。

表2 泥石流地形、地質(zhì)條件情況統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of topography and geological conditions of debris flows

2.3 降雨條件

雖然極端降雨事件是一個(gè)低概率的事件，可是極端降雨事件在中國北部發(fā)生的次數(shù)最近這幾年在逐漸增加，北京“7·21”就是一個(gè)低概率的暴雨事件。短歷時(shí)(1 h或10 min時(shí)間段)強(qiáng)降雨是誘發(fā)溝床起動(dòng)類型的溝谷泥石流的主要原因[9]。美國學(xué)者Kean等[40]認(rèn)為激發(fā)這類泥石流，短時(shí)間的強(qiáng)降雨比總降雨量的作用更重要。這類泥石流的標(biāo)準(zhǔn)化無量綱臨界降雨量可以表示為[38]

(4)

式中：R*為綜合降雨臨界值；R0為當(dāng)?shù)啬昶骄涤炅?mm)；CV為當(dāng)?shù)?0 min降雨變差系數(shù)(盡管本文采用的降水強(qiáng)度是1 h降水強(qiáng)度，但溝床起動(dòng)類型泥石流與10 min降水強(qiáng)度相關(guān)性更好[41])；B為泥石流暴發(fā)前期累積降雨量(mm)；K為系數(shù)，在1 h模型中，k=12.5，在10 min模型中，k=8；I為泥石流激發(fā)1 h(1 h模型)或10 min(10 min模型)降雨量[38](mm)。

3 北京山區(qū)泥石流預(yù)報(bào)模型

3.1 模型分析

由于北京山區(qū)泥石流也是溝床起動(dòng)型，因此適合該預(yù)報(bào)模型，為了與國內(nèi)藍(lán)、黃、橙、紅Ⅳ級預(yù)警接軌，本文按照比例增加一個(gè)臨界值范圍，即：

Cr11=Cr1×0.8=0.28 ；

(5)

Cr101=Cr3×0.8=0.062 。

(6)

改進(jìn)后的北京山區(qū)泥石流1 h預(yù)報(bào)模型判據(jù)臨界值分別為Cr11=0.28、Cr12=0.35和Cr13=0.47，Cr13分別對應(yīng)藍(lán)、黃、橙、紅Ⅳ級預(yù)警；10 min預(yù)報(bào)模型判據(jù)臨界值分別為Cr101=0.062、Cr102=0.078和Cr103=0.103，Cr103分別對應(yīng)藍(lán)、黃、橙、紅Ⅳ級預(yù)警。其中：Cr11、Cr101分別表示1 h、10 min的第1個(gè)臨界線在1 h模型(或10 min模型)中，當(dāng)P≤0.28 時(shí)(或P≤0.062 時(shí))，泥石流的發(fā)生可能性很低(藍(lán)色預(yù)警區(qū)域)；當(dāng)0.28

表3 1 h預(yù)警降雨條件情況統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of rainfall conditions for 1 h early-warning

圖2 1 h預(yù)報(bào)模型臨界線Fig.2 Critical lines of 1 h forecasting

將26 條泥石流溝和9條未發(fā)生泥石流的溝道代入式(1)得到1 h預(yù)報(bào)模型臨界線(圖 2)，其中有27條泥石流溝在黃色預(yù)警區(qū)以上(P≥0.28)；有27條泥石流溝在橙色預(yù)警區(qū)以上(P≥0.35)；有25條泥石流溝在紅色預(yù)警區(qū)以上(P≥0.47)。9條未發(fā)生泥石流的溝道都在紅色預(yù)警范圍內(nèi)，野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)槲窗l(fā)生泥石流的溝道物源比較少，因此無法發(fā)生泥石流災(zāi)害?？梢娫擃A(yù)警模型只能適用于北京山區(qū)有物源的泥石流溝1 h預(yù)警。

3.2 龍?zhí)稖狭饔蝾A(yù)報(bào)案例

2016年8月12日，密云縣龍?zhí)稖巷L(fēng)景區(qū)以及毗鄰查子溝村遭受暴雨襲擊，當(dāng)日位于景區(qū)內(nèi)的16號曹莊子泥石流溝[34]、17號大木峪泥石流溝和18號艾洼峪泥石流溝[26]均發(fā)生泥石流。本文發(fā)生泥石流的降雨數(shù)據(jù)中，僅僅收集到龍?zhí)稖狭饔蛑苓叺陌執(zhí)稓庀笳竞筒樽訙蠚庀笳?0 min降雨數(shù)據(jù)，艾洼峪溝溝內(nèi)的氣象站只有1 h降雨數(shù)據(jù)。由于白龍?zhí)稓庀笳揪嚯x龍?zhí)稖狭饔蜉^近(圖1)，能更好地反映降雨情況，故選用白龍?zhí)稓庀笳緮?shù)據(jù)作為龍?zhí)稖狭饔?條泥石流10 min降雨數(shù)據(jù)，艾洼峪溝氣象站數(shù)據(jù)作為龍?zhí)稖狭饔?條泥石流1 h降雨數(shù)據(jù)。2016年8月12日6點(diǎn)50分之前，只有8月7日有累積雨量，為12 mm。曹莊子泥石流溝對面的栗村峪當(dāng)?shù)鼐用褚姷讲芮f子泥石流的時(shí)刻大約在上午9時(shí)，而大木峪和艾洼峪泥石流的發(fā)生時(shí)刻沒有報(bào)道[34]。2016年8月12日6：50—9：00時(shí)段的白龍?zhí)稓庀笳?0 min降雨過程如圖3(a)，艾洼峪氣象站1 h降雨過程如圖3(b)。

圖3 降雨過程Fig.3 Rainfall process

圖4(a)和圖4(b)分別為曹莊子溝、大木峪溝和艾洼峪溝在2016年8月12日1 h和10 min模型預(yù)警指標(biāo)P值與臨界值關(guān)系。

圖4 預(yù)報(bào)模型Fig.4 Forecast model

由龍?zhí)稖狭饔? h預(yù)警模型的預(yù)警指標(biāo)P的變化過程(圖4(a))可得：6：00的預(yù)警指標(biāo)P值可判斷為藍(lán)色預(yù)警；7：00—11：00的預(yù)警指標(biāo)P值可判斷為紅色預(yù)警。結(jié)合泥石流暴發(fā)的實(shí)際時(shí)間，1 h預(yù)警模式可以很好判斷這次的3條溝泥石流預(yù)警，很可能可以很好地判斷北京山區(qū)泥石流的發(fā)生。

由龍?zhí)稖狭饔?0 min預(yù)警模型的預(yù)警指標(biāo)P的變化過程(圖4(b))可得：7：20—9：00的預(yù)警指標(biāo)P值可判斷為黃色預(yù)警；8：30—8：40的預(yù)警指標(biāo)P值可判斷為橙色預(yù)警；7：50—8：00和8：20的預(yù)警指標(biāo)P值可判斷為紅色預(yù)警。

結(jié)合泥石流暴發(fā)的實(shí)際時(shí)間，10 min預(yù)判斷模式可以很好地判斷這次的3條溝泥石流預(yù)警，很可能可以很好地判斷北京山區(qū)泥石流的發(fā)生。其中當(dāng)1 h 和10 min預(yù)警指標(biāo)P值在不同的預(yù)警區(qū)域內(nèi)時(shí)，按Ⅳ級預(yù)警模型中危險(xiǎn)性區(qū)域最高的發(fā)布預(yù)警。

4 結(jié) 論

北京市2012年7月21日暴發(fā)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。北京山區(qū)大多數(shù)泥石流為溝床起動(dòng)型泥石流，其形成機(jī)理是在短歷時(shí)強(qiáng)降雨的作用下，大量雨水在地表形成徑流，匯集到主溝道形成強(qiáng)大的山洪，繼而侵蝕溝床并起動(dòng)以前滑坡和崩塌堆積在溝床內(nèi)的固體物質(zhì)形成泥石流。短歷時(shí)的強(qiáng)降雨是北京山區(qū)泥石流發(fā)生的最主要誘發(fā)因素。本文從北京近十幾年的觀測資料入手，在泥石流形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合泥石流形成的3大條件：地形、地質(zhì)和降雨以及相互之間的關(guān)系，采用適用于北京山區(qū)泥石流預(yù)報(bào)模型P=RT0.2/G0.5得出預(yù)警臨界值，進(jìn)行Ⅳ級預(yù)警，得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)泥石流溝道的1 h預(yù)警指標(biāo)P≥ 0.47時(shí)和10 min預(yù)警指標(biāo)P≥0.103時(shí)，極可能發(fā)生泥石流，需進(jìn)行紅色預(yù)警。

(2)北京山區(qū)單溝泥石流短期預(yù)報(bào)模型可以較好地根據(jù)降雨的變化情況得出泥石流溝道不同時(shí)間段的泥石流的易發(fā)程度。

判斷溝道泥石流的易發(fā)性是基于假設(shè)溝道內(nèi)是有物源的前提下進(jìn)行預(yù)警的，因?yàn)楸疚拇蠖鄶?shù)泥石流溝數(shù)據(jù)來源于查閱大量的文獻(xiàn)。溝道沒有物源，即使預(yù)警值達(dá)到了危險(xiǎn)紅色預(yù)警范圍，也不會(huì)發(fā)生泥石流。并且采礦區(qū)、道路建設(shè)等隨意堆放的廢礦石渣等特殊泥石流物源，以及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖地區(qū)的特別物源，都有可能影響預(yù)報(bào)模型的準(zhǔn)確性。溝床起動(dòng)型泥石流主要與溝床物質(zhì)和溝床坡降有關(guān)，因此野外對溝床內(nèi)物源顆粒粒徑的大小、溝床物源堆積等特征的調(diào)查十分必要。雖然采用修正后的平均堅(jiān)固系數(shù)表示地質(zhì)條件有些不足，但這能較好且快速定量地給出溝道物源情況的指標(biāo)。

因此，野外現(xiàn)場調(diào)查能提高預(yù)警的準(zhǔn)確性。由于目前收集到的北京山區(qū)10 min降雨數(shù)據(jù)較少，北京山區(qū)單溝泥石流10 min預(yù)警模型還需進(jìn)一步驗(yàn)證。