北京山區基于臨界土壤含水率的泥石流預警思路

路 璐，賈三滿，冒 建，趙 佳，王強強

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北京山區基于臨界土壤含水率的泥石流預警思路

路 璐，賈三滿，冒 建，趙 佳，王強強

（北京市地質研究所，北京 100120）

北京山區地質構造條件復雜，新構造活動頻繁，人為活動劇烈，泥石流地質災害較為發育，對人民的生命財產造成較大的威脅，如何利用泥石流發生前的物理特征進行預警，是北京市突發地質災害防治的重要研究課題。本文首先介紹了以泥石流溝物源區土體的臨界土壤含水率為短臨預警的理論依據，然后以北京山區密云、門頭溝、房山3個區縣25條泥石流溝安裝的土壤含水率儀為實例，詳細闡述了土壤含水率預警系統建設的關鍵步驟，包括：監測溝谷的選擇、土壤含水率儀的選型、儀器的安裝及標定以及野外含水率數據的傳輸。預警研究成果，為首都地質災害預警工作提供新的技術方法和手段。

北京山區；泥石流；臨界土壤含水率；短臨預警

0　前言

北京市地質環境條件復雜、降水時空分布不均勻、人類活動強烈，是世界上突發地質災害較為頻繁的首都城市之一，其中泥石流是造成人員傷亡最多的地質災害類型。據統計（北京市國土資源局，2014），1949年以來泥石流災害共造成502人死亡、60多人受傷、7534間房屋和10萬余畝耕地被毀，其中一次致死人數超過100人的泥石流2次，一次致死人數超過10人的泥石流9次，直接經濟損失累計達數億元。鑒于北京市泥石流的巨大破壞性，對其預警預報勢在必行。

北京市地質研究所受北京市地質礦產勘查開發局委托，于2011年8月開始建設《北京市突發地質災害監測預警系統工程項目》，一期工程密云、門頭溝和房山3個區縣的119條泥石流溝已經布置了232個監測點，其中布置25個土壤含水率儀監測點，實現對每條溝谷的土壤含水率信息實時獲取。本次工作就是通過構建臨界土壤含水率預警模型進行25條溝泥石流的短臨預警研究，為北京市防災減災工作發揮技術支撐作用。

1　預警思路

目前北京市泥石流區域短期預警多基于統計模型確定的臨界雨量閾值（王海芝，2008；白利平等，2008），因未考慮下墊面地質環境的具體情況以及不同泥石流溝有效前期雨量衰減規律，故這種閾值在某種程度上帶有一定的片面性和局限性（王裕宜等，1997）。然而，土壤含水量是將降雨、地形和土體三大因素融為一體的、能直接影響泥石流啟動的關鍵物理參數，一般理論認為（戚國慶等，2003）在泥石流形成過程中前期降雨使源區土體飽和，短歷時雨強造成飽和后的土體產生高孔隙水壓力使土體失穩并轉化為泥石流。但是國內外已有泥石流形成過程監測表明，源區坡面土體降雨過程和泥石流形成過程中土體都未達到飽和，存在一個臨界土體含水量。因此，圍繞泥石流起動機理的臨界土體含水量成為研究熱點。北京的泥石流絕大多數屬于降雨型泥石流，國內外已有學者開展有關臨界土壤含水量的相關研究。例如，胡凱衡（胡凱衡等，2014）基于國內外泥石流啟動的觀測試驗數據，采用逐步回歸分析方法，建立了臨界土體含水量的經驗關系。在Broccal（Broccal et al.，2010）等建立的部分降雨-徑流模型中，臨界土體含水量與飽和度并不一致。

降雨型泥石流形成劃分為兩個階段：第一個階段是指積水前入滲階段，非飽和固體松散物質由于含水量持續增加，達到即將飽和狀態，基質吸力引起的抗剪強度逐漸喪失。當含水量達到某個臨界值時，源區坡面土體達到極限平衡狀態，或者坡面土體入滲和失水達到動態平衡，這一臨界含水量就稱為臨界土壤含水量。在這一階段，由于沒有足夠的水量，不會發生泥石流，但有可能發生固體松散物質構成的斜坡的位移變形，以及斜坡穩定性降低；第二個階段是指積水后入滲階段，隨著降雨的繼續，降雨強度如果能夠達到或者超過滲透率，地表產生積水，并出現地表徑流隨著時間的延續而衰減。固體松散物質由于含水量持續增加，水壓力增大，有效應力減小，發生泥石流。這一階段與短歷時強降雨密切有關，短時間的具有一定強度的降雨使得固體松散物質中滲入的水量來不及排出，加上周圍降雨匯流的作用，固體松散物質將啟動，形成泥石流。

這種預警方法擬從土體降雨入滲以及激發坡面土體失穩的物理過程并結合泥石流形成區監測進行深入研究，提出更具有物理意義的臨界土體含水量概念，建立以水文學、水力學、泥沙運動學、監測傳輸技術等為基礎的預警模型。這種模型將從精度和準確度兩個方面優于氣象地質災害預警，即同一地區、同一時段的不同泥石流溝甚至是相鄰的兩條溝的預警級別將會有差異，通過分析土壤含水率的變化較前期和實時降雨量等指標，來判斷泥石流啟動更為直接可靠。

2　實時監測系統建設

2.1監測溝谷選取

北京泥石流總體上屬于低頻低易發，以小型溝谷型泥石流為主，威脅對象主要是居民點和景區。本著“以人為本，合理布局”的原則，在考慮威脅人民生命財產安全程度的前提下，選取典型的易發性較高、危害大的泥石流溝為監測對象，并將歷史上發生過泥石流，并造成重大損失的泥石流溝谷全部納入監測范圍，如密云縣馮家峪鎮太陽溝、陸家嶺溝，門頭溝區上達摩鎮東北溝等。《北京市突發地質災害監測預警系統工程（一期）項目》共在三個區選擇25條泥石流溝谷進行土壤含水率監測（圖1），其中房山區分散在四個鄉鎮監測8條溝，門頭溝區主要集中在四個鄉鎮監測12條溝，清水鎮土壤含水率監測儀占所有總數的1/4，密云縣主要集中在兩個鄉鎮監測5條溝。

圖1　北京市安裝土壤含水率儀位置圖（截止2015年）Fig.1 The position of meters of soil moisture in Beijing （Till 2015）

2.2監測儀器選擇

國內外土壤水分的測量常用的方法分為以下兩類：一類是直接測量土壤的重量含水量和容積含水量，烘干稱重法是最普遍也是國際上標準的測定土壤含水量方法。它的優點是對設備要求不嚴，就樣品本身而言結果可靠，缺點是費時、費力，綜合費用并不低，取樣會破壞土壤，深層取樣困難，定點測量時不可避免由取樣換位而帶來誤差，在很多情況下不可能長期定點監測（張學禮等，2005）；第二類是通過測量土體介電常數、射線衰減能、核磁共振初始振幅值等理化常數反算土體含水量，具有易操作、速度快及不破壞樣本等優點。本文中使用的時域反射法（TDR）和頻域反射法（FDR）兩類土壤水分自動監測儀，兩類儀器均通過測定土壤的介電常數間接間接獲得土壤的水分含量。

TDR（Time Domain Reflectometry） 是 在20世紀60年代末由Topp最早發展的，認為當溫度在10℃～36℃，實際含水量在0～0.35cm3/cm3變化時，此法不受土壤質地、容重、溫度等物理因素的影響（Topp G C et al.，1980）。因其具有快速準確、連續測定等優點，在20世紀90年代后國際上將之作為研究土壤水分的基本儀器設備。值得注意的是，TDR給出的含水量是整個探針長度的平均含水量，在同一土體中采用不同的埋置方式得出的結果可能會不同（龔元石等，1997）。

FDR（Frequency Domain Reflectometry）是利用LC電路的振蕩，根據電磁波在不同介質中振蕩頻率的變化來測定介質的介電常數，進而通過一定的對應關系反演出土壤水分狀況。這種方法幾乎具有方便、快速、不擾動土壤，可在同一地點進行多次測量，而且具有更廣的工作頻率范圍，測量水分的范圍寬，不受滯后影響，準確性不受測量時間精度的影響。

值得一提的是野外監測儀器獲取的是體積含水率，而實際工作使用中常用的質量含水率，涉及到采用土壤的干容重將兩個數值進行轉化。

2.3監測儀器安裝及標定

根據土壤含水率主要是用于監測泥石流物源啟動，故該儀器安裝在泥石流的形成區以及流通區。由于泥石流啟動絕大多數伴隨大規模降水，只有對雨量掌握準確才能推測地表徑流繼而結合含水率來預測泥石流是否發生，因此在25條溝配套土壤含水率儀同時需要安裝自動雨量計。又因土壤含水率值急劇增大的情況下可造成輸入電磁波的能量耗散較大，從而導致不同深度處的土壤含水率反射訊息模糊，最終影響數據的真實性（楊紹輝等，2008）。為精確的控制土壤深度剖面上各層位的含水率值，本次工作在距地表面30cm、60cm和100cm三個層位分別安裝三個含水率傳感器。因受土性、溫度、密度等多種因素影響，本次工作選用的儀器測量準確度無法預先判斷，所以在開展監測工作前首先需以安裝溝谷當地土壤在室內不同土壤含水率為依據對儀器的電壓-含水率對應公式進行標定及修正（周凌云等，2003；郭衛華等，2003；李道西等，2008；冷艷秋等，2014）。

2.3數據傳輸處理

土壤含水率儀野外安裝和調試成功后，將數據采集程序輸入儀器，當數據采集存儲后通過無線設備（GPRS/CDMA）和北斗兩種方式進行傳輸，數據采集時間自行設定，通常在非汛期設定1次/2h，汛期設定為1次/5min。數據處理系統主要由硬件、軟件設施和數據庫組成，實現數據接收、分析處理的功能，對比臨界土壤含水率和實時土壤含水率的差別完成預警功能。

3　結論

（1）北京市在門頭溝、房山和密云縣三個區縣的25條泥石流溝的形成區和流通區布置了時域反射法（TDR）和頻域反射法（FDR）兩類土壤含水率儀，安裝儀器前需對儀器進行室內標定，野外傳感器采集到的數據通過GPRS和北斗雙通道，傳輸到數據處理系統中進行處理。

（2）鑒于臨界土體含水量與飽和度并不一致的研究成果，對25條泥石流溝安裝儀器的土體進行土體降雨入滲以及激發坡面土體失穩的物理過程實驗以確定每條溝物源啟動的臨界土體含水值，再結合野外實時土壤含水率測試值來判斷泥石流物源是否啟動。

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The Idea of Debris Flow Warning Scheme based on Critical Soil Moisture in Beijing Mountain Area

LU Lu， JIA Sanman， MAO Jian， ZHAO Jia， WANG Qiangqiang
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

Because of complex geological conditions， frequent neotectonism and intense human activities in Beijing mountain area， the lives and properties have been threatening heavily by debris flow. In the term of geological hazard protecting， it’s an important research subject for early-warning to use physical characteristics of debris flow. Firstly， theory basis of soil moisture is introduced in this paper. Then 25 debris flow bitches in Mentougou，Fangshan and Miyun districts have been taken for example to introduce the early warning system construction. So it needs to consider such problems as the monitoring bitch selection， moisture instrument selection， installation and calibration， real-time data transmission. The focus of this paper is using critical soil moisture to provide new technical method for further early warning work.

Beijing； Debris flow； Critical soil moisture； Early warning

P642.23

A

1007-1903（2016）02-0006-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.002

北京市突發地質災害監測預警系統（一期）工程 （京發改［2011］1527號）

路璐（1985- ），女，博士，從事環境地質相關工作。