北京山区泥石流激发降雨特征及其临界值

2024年2月21日发(作者：歌咏比赛作文)

第52卷第4期　2021年4月　人　民　长　江　Yangtze　River　Vol.52,No.4Apr.,2021　　文章编号:1001-4179(2021)04-0027-07北京山区泥石流激发降雨特征及其临界值陈文鸿1,余　斌1,柳清文1,孙　帅2,师春香2(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川成都610059;　2.国家气象信息中心,北京100081)摘要:北京地区现有的泥石流降雨临界值多从泥石流的历史降雨数据统计而来,缺乏结合泥石流发生机理与降雨特征的分析。通过收集相关文献资料,对北京山区泥石流进行了分析,并根据其起动机理,采用相应的泥石流预报模型计算出了泥石流发生的降雨临界值。结果表明:①高强度降雨与研究区泥石流暴发有着密切关系,且绝大多数为短历时降雨。②当1h激发雨量I≥42mm,且前期累积降雨量B≥130mm的时候,发生泥石流灾害的可能性很大;当1h激发雨量30≤I<42mm,且前期累积降雨量75≤B<130mm的时候,发生泥石流的可能性中等;当1h激发降雨量I<30mm,且前期累积降雨量B<75mm的时候,发生泥石流的可能性较低。③在综合降雨临界值的基础上,北京山区红色降雨预警值为R∗≥600mm、橙色降雨预警值为600山区泥石流防灾减灾提供依据。>R∗≥480mm、黄色降雨预警值为480>R∗≥300mm、蓝色降雨预警值为R∗<300mm。研究结果可为北京关　键　词:泥石流;激发雨量;临界值;累积降雨量;北京山区中图法分类号:P642.23　　　文献标志码:ADOI:10.16232/.1001-4179.2021.04.005　　泥石流是指在沟谷或者山坡上,因为降雨(暴雨、冰川、积雪融化水)或其他自然灾害引发的山体滑坡并挟带大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流[1],破坏力强,对山区人民生命财产构成严重威胁。分析区域泥石流的降雨特征并以此作为一个突破口,开展泥石流的预测和预报,可有效地预防和减轻灾害的发生[2-5]。丛威青时长与泥石流的发生有着密切的关系[6];陈树群等[7]把降雨时数小于12h,介于12~24h及超过24h分别定义为短历时降雨、中历时降雨及长历时降雨;余斌等[8]研究证明10min降雨强度是沟床起动型泥石流暴发的关键;王治兵[9]通过实验证明了暴雨泥石流的预报与前期降雨和激发降雨有着密切的关系;倪化勇等[10]研究表明了泥石流发生是前期降雨与短历时降雨共同作用的结果;戚国庆等[11]认为强降雨泥石流的发生可以归收稿日期:2020-02-03基金项目:四川省重点研发项目(18ZDYF3431)为两个阶段:第一个阶段与前期实际累积降雨量有关,第二个阶段与短历时降雨强度有关;涂剑等[12]研究得出区域的泥石流激发雨量条件对山洪泥石流的预测具有指导意义;乔建平根据预警分类原理,建立了实现两类灾害预警的技术方法体系[13]。北京山区经常暴发泥石流,2011年“7·24”和等研究发现,当日降雨、前期降雨、前期累积降雨和降雨2012年“7·21”强降雨引发山洪泥石流导致密云区龙潭沟、房山区十渡镇受损严重,严重危害了当地人民的生命安全[12,14-16]。北京山区大多数泥石流的形成机理主要是在高强度降雨的作用下,大量雨水在地表形成径流,汇集到主沟并形成强大的山洪,进而掀揭沟床物质形成泥石流[17-18]。北京山区泥石流易发区的地质地貌是泥石流暴发因素中相对稳定的因素,当沟谷地形和松散碎屑物质条件确定后,泥石流的暴发决定于降雨量与降雨强度[2]。作者简介:陈文鸿,男,博士研究生,主要从事地质灾害防治与预警方面的研究。E-mail:625006176@通讯作者:余　斌,男,教授,博士,主要从事泥石流灾害与防治方面的研究。E-mail:yubin08@

28　　人　民　长　江2021年　涂剑等[12]采用平均降雨强度-降雨历时(I-D)、累积雨量-降雨历时(C-D)组合指标,拟合出泥石流发生的雨量激发条件:I=35.4D-0.18和C=35.4D0.82。史明远[19]采用前期有效降雨总量和短期降雨总量的关系,提出降雨总量临界模型Y=670000-1.284X,并对北京南窖主沟进行了预警。王礼先等[20]建立了北京暴雨泥石流发生的前3,5d或15d雨量与当日激发泥石流雨量的回归模型。孙佳丽[21]利用泥石流的灾害频率与降雨频率分析方法计算了门头沟不同时段的泥石流临界雨量。余斌等[22]通过地形条件、地质条件、降雨条件之间的关系,提出了沟床起动类型泥石流预报模型P=RT0.2/G0.5。姚令侃等[23]利用泥石流发生频率和暴雨频率推求了泥石流发生的临界雨量。钟郭伦[24]等以成昆铁路为基础建立了线路泥石流预报方法,确定了泥石流预报参数,并建立了相应的数据库应用系统。目前,北京地区现有的泥石流降雨临界值多数从统计泥石流的历史降雨数据而来,缺乏结合泥石流发生机理与降雨特征的分析。本文在前人研究基础上,收集2012年北京山区“7·21”暴雨泥石流灾害与本次气象站点(遍布全山区)的雨量过程数据和其他时间段发生泥石流的降雨资料,并基于研究区泥石流暴发的机理,结合余斌[8]提出的综合降雨临界值方法,开展该区泥石流降雨特征条件研究,以便为该区山洪泥石流预测预报、监测预警提供参考。1　研究区泥石流概况及降雨特征分析1.1　研究区概况及气象站点分布62%。北京山区面积为经溜石港、10417.5km2,占全市总面积的和西山两个大区,了思台界线的东面与南面为平原区、镇边城一线为界划分为北山。山区沟道狭窄,河谷坡度较大,其断面多呈“V”形[2,19]塌时有发生,沟床。、坡面碎屑物丰富[2]粗颗粒为主[12],物源体主要以。崩统计北京“7·21”山区气象站点的降雨数据,并将气象站点分为两类,一类为有泥石流发生的气象站点(即气象站点附近发生泥石流灾害),另一类为无泥石流发生的气象站点(即气象站点附近未发生泥石流灾害)(见图1),还收集了其他时间段的暴发泥石流事件(15起)[12,16]与对应的气象站点(见图2)。1.2　降雨特征分析北京山区滑坡很少,泥石流物源主要以零星崩塌后固体物质进入沟道为主,这类泥石流的起动机理为沟床起动型。短历时强降雨是诱发沟床起动类型的沟谷泥石流的主要原因[25-27]。余斌提出的沟床起动型图1　“7·21”泥石流分布Fig.1　“7·21”debrisflowdistribution图2　其他时间段泥石流分布Fig.2　Debrisflowdistributionatothertimeperiods泥石流的降雨模型是从泥石流形成机理出发的统计降雨模型,在台湾、西南地区、西北地区(舟曲以及陇南等地)[22,28]都有很好的适用性,但首次在北京地区适用,还需要更多的资料验证、完善。这类泥石流的预报模型由地形因子、地质因子和降雨因子组成,其表达式如下[22]T=FJ(AA0.2LA:A(1)G0)=J(0.22)(A=FC0)0C12C3C4(2)R=RR∗B+12C.5I0Cv=R0v(3)P=RT0.2/G0.5式中:T为泥石流形成区地形因子;J为泥石流形成区(4)沟床纵比降;A为泥石流形成区面积,km2沟道长,km;A;L为形成区泥石流形成区0为单位面积,1km2平均坚固系数;C;G为地质因子、物理风化和,化C;F0为1,C23学,C风4分别为构造(断裂带)、地震烈度化修正因子;R为降雨因子;R∗为综合降雨临界值;B为泥石流暴发前前期降雨量,mm,I为泥石流激发1h降雨量,mm;R0为当地年平均降雨量,mm,北京山区的年平均降雨为640mm;Cv为当地10min降雨变差系数,北京山区10min降雨变差系数的Cv=0.45;P为预警值。

　第4期　　　陈文鸿,等:北京山区泥石流激发降雨特征及其临界值29有些泥石流发生时无法获取详细的降雨数据及激发1h降雨量,因此,可采用公式(3)中综合降雨临界值(R∗)的最大值对应1h降雨雨量(I)作为泥石流暴发的激发1h降雨量,综合降雨临界值(R∗)的最大值对应的累积降雨量作为泥石流暴发的前期降雨量(B),无泥石流发生的气象站点对应的参数值(激发1h降雨量(I)、前期累积降雨量(B)也按以上1h雨量I/mm62.042.926.334.038.318.420.880.074.047.178.490.068.449.167.536.855.034.733.543.379.085.345.818.518.330.432.018.823.824.626.26.316.121.429.237.344.145.19.510.911.315.731.734.3步骤获取。本文降雨数据主要为79个降雨站点的2012年7月20日08:00至7月22日07:00的小时降雨数据,另外还收集了其他时间段泥石流暴发的降雨资料。其中,前期累积降雨量(B,mm)、1h激发雨量(I,mm)和降雨历时(D,h)作为本次区域泥石流雨量阈值预警研究的主要降雨参数(见表1)(年-月-日)2012-07-21降雨日期/泥石流有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有有无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无累积雨量B/mm200.742.926.383.0108.978.255.6144.5130.9127.2178.0220.0212.1206.9226.8140.7159.2167.8115.452.2160.1195.6141.759.757.960.832.047.255.463.768.820.761.248.733.746.650.187.715.919.629.832.136.537.0Tab.1　BeijingdebrisflowparametervalueD/h4666578846654435223322泥石流灾害(个数)(1)王家台村(1)北京笛子亭(1)郑家台(1)大横岭(1)银水村(1)黄塔村东(1)宝地洼村村道(3)宝地洼村村道(3)宝地洼村村道(3)宝地洼村村道(3)灵水村西(1)塔河村西(3)南窖沟(2)葫芦棚村(1)黄山店村(1)中窖村(1)南观村(1)黄塔村东(1)灵水村西(1)塔河村西(3)河东村村道(1)三福村村道(1)桑峪村东(2)灵水村西(1)灵水村西(1)灵水村西(1)密云国家站附近(3)密云国家站附近(3)蔡峪南沟(2)庄户峪水库河沟(3)前厂村(1)蔡峪南沟(2)庄户峪水库河沟(3)前厂村(1)蔡峪南沟(2)庄户峪水库河沟(3)前厂村(1)蔡峪南沟(2)庄户峪水库河沟(3)前厂村(1)密云国家站附近(3)无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无数据来源栗树港沟(2)西太平村(1)仙栖洞(1)北台(1)台港沟(1)上石堡村(1)任家台文献[12,14]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[15]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12,14]文献[12,14]文献[12,14]文献[12,14]文献[12]实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测表1　北京泥石流降雨参数值

30降雨日期/1h雨量I/mm14.311.810.411.852.910.418.825.532.314.910.820.110.914.523.227.737.018.09.620.613.515.713.730.321.237.819.432.259.154.043.717.117.845.149.556.5103.840.236.952.628.481.575.030.060.030.050.040.079.538.6累积雨量B/mm53.411.831.824.7123.427.239.249.643.440.230.520.125.934.684.937.446.249.876.367.657.545.450.873.921.237.857.686.966.2131.2112.758.541.887.7109.8229.0449.0193.8347.6186.1280.1163.3173.595.050.060.074.0125.0136.085.0　　人　民　长　江2021年　续表(年-月-日)泥石流无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无有有有有有有有有有有有有有有有D/h5446335533835448无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无无门头沟(清水河)半子城番字牌石城龙潭沟流域查子沟门头沟门头沟门头沟密云县冯家峪镇密云张家坟村密云县北庄镇曹庄子沟泥石流灾害(个数)数据来源实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测实测文献[29]文献[29]文献[15]文献[15]文献[15]文献[15]文献[15]文献[15]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[12]文献[16]1950-08-041956-08-031976-07-231989-07-211991-06-102002-08-012011-07-242016-08-121989-07-211991-06-102011-06-232004-07-222002-06-242006-07-092016-08-1211.6门头沟(清水河)3.2番字牌　　通过收集以上数据,统计了北京山区“7·21”气象站点的降雨特征(见图3~5)。从图3可以看出,研究区的“7·21”降雨历时基本小于6h(86.96%);其中,图3显示诱发泥石流的降雨历时大多数为3~6h(69.57%),都是在9h以内(100%);从图5可以看出,“7·21”和其他时间段泥石流1h激发雨量多数大于30mm(88.96%、78.57%),属于高强度降雨[7]。综上所述,北京山区泥石流主要是在短历时高强度降雨的条件下诱发的。

　第4期　　　陈文鸿,等:北京山区泥石流激发降雨特征及其临界值31图3　降雨历时特征Fig.3　Rainfalldurationcharacteristics图4　累积雨量特征Fig.4　Cumulativerainfallcharacteristics2　泥石流灾害降雨量临界值2.1　激发雨量值和累积雨量的关系将每个降雨站点的1h激发雨量(I)和前期累积雨量(B)的数据点都绘于坐标系中(见图6),画出能合理区分两类点的分界线,得到相应的临界范围。图5　1h激发雨量特征Fig.5　1hexcitationrainfallcharacteristics图6　气象站点I-B关系Fig.6　I-Brelationshipdiagramofweatherstation从图6得出有泥石流发生的气象站点数据中,I<30为95%占的比例为,I≥42mm10.占的比例为53%,30≤I60.<4253%mm;B占的比例<75mm占的比例为18.42%,75≤B<130mm占的比例为21.发生的气象站点数据05%,B≥130mm占的比例为I<30mm占的比例为60.53%。无泥石流30≤I<42mm占的比例为17.86%,I≥42mm67.占的比86%,例为<29%占的比例为;B<75mm14.占29%的比,B例≥130为93%占的比例,75≤B为1.79%。从图6可以看出,两类点被4条直线划分出9个区域。其中,无泥石流发生气象站点的坐标点主要

32　　人　民　长　江2021年　分布在I≤30mm且B≤75mm范围内(64.29%),有泥石流发生气象站点坐标点主要分布在I≥42mm,且B≥130mm范围内(44.74%)。综上所述,可以得出,当I≤30mm,且B≤75mm的时候,发生的时候,发生泥石流灾害的可能性很大。目前还无法详细区分其他7个区域之间泥石流暴发的可能性关系,但可以确定这7个区域暴发泥石流的可能性介于I≤30mm且B≤75mm范围内暴发泥石流的可能性与I≥42mm,且B≥130mm范围内暴发泥石流泥石流的可能性较低;当I≥42mm,且B≥130mm其中100%的暴发泥石流降雨站点都在Cr≥300mm区区域内,67.65%的暴发泥石流站点都在Cr≥600mm区域内。这3个指标值将图7中的直角坐标系分为4个300≤Cr<480mm时,泥石流发生的可能性较低;当480600mm时,泥石流发生的可能性高。区域:当Cr<300mm时,泥石流发生的可能性很低;当≤Cr<600mm时,泥石流发生的可能性中等;当Cr≥图7中有4个无泥石流发生的气象站点,显示在Cr域内,85.29%的暴发泥石流降雨站点都在Cr≥480mm=600mm线以上(异常点),图7中左上方的异常点和的可能性之间。因此,当I≥42mm,且B≥130mm时,暴发泥石流可能性高,可为北京山区泥石流的预警预报提供一定的参考。2.2　降雨综合临界值将表1中两类气象站点(有泥石流暴发的气象站点、无泥石流暴发的气象站点)的降雨1h激发雨量(I)和前期累积雨量(B)分别画在直角坐标系中(见图7),采用公式(3)中的R∗流两种类型点,=进而确定B+12.5IB合理地分开无泥石流和有泥石和I的关系。遵循以下原则进行划分:①保证精度,使预警范围不要过大,上限与下限之比不超过2倍的关系;②最大程度分开有泥石流与无泥石流;③不漏报,少错报。从图7可以得出采用B和I的诱发沟谷型泥石流泥石流的降雨阈值。图7　诱发泥石流的B和IFig.7　BandIinducingdebrisflow根据提取出来的诱发前期累积雨量(B)和1h激发雨量(I),分析这两类降雨站点(有泥石流发生的气象站点、无泥石流发生的气象站点)的1h激发雨强和累积雨量的相互关系,得出泥石流红色预警临界线,见图7中实线(R∗雨(R型泥=石流预报=准B确+12性.mm),5本I=和蓝色预警临界线文600画出mm)黄色。预为了提高降警临(R界线∗∗B+12.B5I+=12300.5Imm)=480。=图7中有3个指标值:CCr1=300mm,Cr2=480mm,r3=600mm(分别对应的是警戒线、警报线和避难线)。右上方(从上往下)第3个异常点都靠近密云暴雨集中区,右上方(从上往下)第一个异常点靠近门头沟暴雨集中区,这些异常点附近有很大的泥石流发生概率。由于收集2012年北京“7·21”泥石流灾害发生信息主要是通过查阅文献记载信息[12,14]附近有泥石流暴发却没文献记录,有可能存在部分气象站点,需要进一步去完善。由于降雨因素具有区域特性,特别是区域的地形与地质特征,因此,该临界值只适合北京山区流域的沟床起动型泥石流,下一步需要结合对单个泥石流沟进行研究分析,以便更好地预警泥石流的发生。3　结论区域泥石流的预测预报是泥石流灾害防治的重中之重。2012年7月21日北京市山区普遍暴发了特大山洪泥石流,其中暴雨中心所在的房山区暴发多处泥石流。并且,导致研究区泥石流暴发的降雨历时都是在9h以内,泥石流暴发的1h激发雨量大多数都大于30mm。mm,素。本文在分析北京泥石流事件的降雨特征基础上短历时高强度降雨是诱发这些泥石流的关键对应的前期累积降雨量大部分都大于150因,采用综合降雨临界模型R∗临界值C行Ⅳ级预警,300在预报程度上更具优势mm、C=12mm.5I和+B得出3个预警r1=r2=480,可以在一定程度Cr3=600mm,进上提高泥石流灾害预警的准确性。本文的模型预警值还可以为定量地预测北京山区山洪暴发的降雨临界值提供依据。本文收集的泥石流灾害样本数据有限,还没有对泥石流地形因素进行结合分析,这还需要进一步深入的研究。北京山区沟床起动泥石流大多数在暴雨条件下发生,普及这类泥石流降雨特征的识别方法和合理预防措施,也是今后的研究课题。参考文献:[1]　孙祥杰.泥石流的形成机理与其安全防护措施[J].黑龙江科技信息,2012(13):5.[2]　韦京,莲赵波,董桂芝.北京山区泥石流降雨特征分析及降雨预报

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