泥石流的臨界降雨量研究

常　剛，龐偉軍，楊昊天，茍海瑞，王瑜鑫

泥石流的臨界降雨量研究

常剛，龐偉軍，楊昊天，茍海瑞，王瑜鑫

（中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000）

降雨是泥石流最直接、最重要的觸發因素，基于降雨條件的泥石流預測預報已成為目前國內外泥石流預報的主線之一。以甘肅省泥石流為例，搜集已有的臨界雨量研究資料，綜合分析得出其降雨泥石流臨界值整體呈東南向西北遞增的趨勢，但局部隴南地區又出現由南向北，自西而東之增大的現象。從定性的角度探討了降雨和下墊面條件對對本區泥石流臨界值的不同影響，對省內基于降雨條件的泥石流預報提出相關建議，以期建立臨界降雨量判據與地質環境空間分析耦合的判別模式，為本區泥石流預測預報與防治提供理論依據。

降雨型泥石流；降雨臨界量；影響因素；預測預報

豐富的固體物質來源和充足的水源和激發因素以及適宜的地形地貌條件泥石流形成的三大要素。對于降雨型泥石流來說，在其余兩個條件滿足條件的情況下，只有當降雨量達到一定值，即達到臨界降雨值，才會暴發泥石流［1］。從20世紀60年代人們首次提出基于泥石流形成的水動力條件預報設想發展到如今利用降雨進行暴雨泥石流的預測預報，已使得降雨泥石流臨界值的準確定量以及基于降雨條件的預測預報成為泥石流預測預報研究工作的重點。

甘肅是我國四大泥石流區之一，泥石流與崩塌、滑坡、地面塌陷等地質災害頻頻發生，造成嚴重的生命財產損失。特別是5.12汶川地震以來各種突發性地質災害大幅增加，2010年8月7日震驚世界的舟曲特大泥石流引起國家政府、科研機構及高等院校各方的強烈關注并以此為契機展開了一系列的災害防治與研究工作。

本區泥石流主要屬于降雨型（暴雨）泥石流，降雨泥石流臨界值及基于降水條件的泥石流判別模式研究已相對較多，臨界降雨量（強）確定方法多樣，但由于泥石流本身成因復雜，因此要做到其臨界值的準確定量和精確預報還存在很多亟需解決的問題。及時的總結綜合分析已有的研究成果不僅可以促進泥石流臨界降雨量的理論研究，更重要的是有助于甘肅省泥石流預測預報精度的提高，具有重要的理論與實踐意義。

1　降雨型泥石流臨界值

1.1泥石流臨界值概念

某一時段內單個泥石流溝或區域泥石流，其發生有一個最低的激發雨量（強），這個雨量（強）稱為泥石流臨界雨量（強）也就是一般所說的降雨泥石流臨界值［2，3］，它與該地區巖土體，氣候，前期降雨量等因素有關。

對某一確定泥石流溝來說，在物源和地形地貌條件滿足的前提下，當降雨量達到或超過某一災變閾值即降雨臨界值時就會形成泥石流災害［2，6］。一般來說，降雨誘發泥石流一方面需要一定量的前期雨量來浸潤飽和溝谷流域的巖土體，另一方面又需要短歷時雨強激發使巖土體失穩。泥石流臨界值與前期降雨息息相關，通常并不是某單個閾值就可以確定，而是促發本次泥石流的短歷時雨強與前期雨量的某種組合，即兩者達到某一特定組合關系時，才會激發泥石流。

1.2泥石流臨界值確定方法

目前泥石流臨界雨量的確定方法各異，唐小明等已經做了較為詳細的總結，主要的方法包括：圖解法、數學統計方法和實驗方法及在此基礎發展起來的其他方法［6］。總的來說，泥石流臨界值的確定都是通過對已有降雨與泥石流災害資料的整理、統計分析得到的。

2　甘肅泥石流的臨界降雨量

2.1甘肅省泥石流概況

甘肅省位于黃土高原、內蒙古高原與青藏高原的交匯處，由于地理跨度大，植被覆蓋率低，氣候條件復雜多變，受季風影響明顯，局部短歷時暴雨集中。區內地質構造復雜，山原盆地、高山峽谷相間、溝壑縱橫、地勢起伏落差大、巖性軟硬多變，滑坡崩塌地質災害多發，為泥石流發育提供了豐富的固體物質來源和有利的地形地貌條件，成為我國泥石流最發育的地區之一。

受降水分布和暴雨頻次及地質地形條件的影響，全省泥石流分布范圍和頻率自東南向西北遞減，可分為隴南粘性泥石流分布區，黃土高原泥石流分布區和河西內陸河流域泥石流三大區。其中以隴南泥石流分布區最為典型，主要集中分布在白龍江、西漢水中上游和白水江上游流域，尤其是白龍江大斷裂兩側其分布密度不僅居全省之首，而且也是全國密度最大的地區。

2.2全省泥石流發生的臨界雨量值

甘肅省泥石流臨界值以隴南粘性泥石流區的研究較多，省內泥石流臨界值變化較大，呈現出一定規律性，據中科院蘭州冰川凍土研究所和甘肅省交通科學研究的結果統計見表1［7］。

表1　甘肅省各區泥石流臨界值

由表1不難看出甘肅省降雨型泥石流臨界值自東南向西北逐漸增大。隴南地區泥石流臨界值最低，為15～20mm/h，與蘭州、天水、慶陽、平涼的臨界降雨量相差不大。河西地區降雨臨界值最高，高達30～40mm/h，為隴南地區臨界值的兩倍之大。臨界雨量值的大小反映了各個地區泥石流發生所需的最小雨強（量）。

另外，成災雨強也表現出與臨界雨量類似的規律，隴南最低，河西最高，蘭州、天水與慶陽、平涼地區居中。一次性降雨（2～3h）過程中，河西地區降雨臨界值超過50mm/h，達到隴南地區降雨強度25mm/ h的兩倍往往才可能發生災害。

2.3隴南地區泥石流發生的臨界雨量值

暴雨是隴南地區泥石流的主要水源，本區泥石流可稱之為暴雨型泥石流［8］。觸發泥石流的臨界雨強，不僅與概念上的暴雨有關，而且往往與短歷時如1h、30min甚至10min強降雨關系更為敏感。研究發現：當本區降雨強度達到1mm/min時，8～10mm的降雨即可暴發泥石流，當雨強在0.6mm/min時，降雨20min才有可能暴發泥石流。當降雨強度小于0.3mm/min時，一般不發生泥石流災害。一般小流域泥石流多受短歷時雨強控制，如武燒溝，當10min降雨達8～10mm或30min降雨達20mm時必然暴發泥石流。這更說明了泥石流的形成是前期雨量與雨強綜合作用的結果，只有當短歷時雨強達到一定量值才可能暴發泥石流災害。

搜集隴南地區已有的研究資料將本區降雨泥石流臨界值列入表2，由此可知隴南全區降雨泥石流臨界值：日降雨量25～35mm，10min降雨量8～10mm，小時雨量呈現出不同量級。據較早的研究資料，臨界值為15～20mm/h，而2000年以后王錫穩［9］、馮軍等［10］的研究結果分別為：8～15mm/h和20mm/h。顯然全區小時降雨泥石流臨界值介于8～20mm之間，最大與最小值相差12mm。

由于區內山高谷深，地形變化大，受強對流天氣影響，集中短歷時降雨導致泥石流臨界值呈現出局部變化特征。由表2可知1h、3h、日臨界雨量均以宕昌、武都、文縣等地最小，分別為8mm、15mm和20mm，東部的康縣及徽成盆地最大，其中3h臨界雨量40mm，1h臨界雨量15mm。總的來看，隴南地區泥石流臨界值總體上表現出：由南向北，自西而東之增大的規律，即由白龍江流域～西漢水流域～徽成盆地臨界值逐漸增大。其中白龍江流域的舟曲、武都為一低值區，而徽成盆地為一相對高值區，泥石流災害較少。

表2　隴南地區降雨泥石流臨界值統計

3　泥石流臨界雨量值差異的原因

泥石流的形成是多種因素綜合作用的結果，降雨只是其形成的誘發因素。不同下墊面條件下所需的臨界激發雨量各不相同。因而降雨泥石流臨界值不但與該區降雨因素相關，還受地形坡度、高差比降，滑坡崩塌物源等下墊面條件的影響。

3.1降雨的影響

大暴雨分配格局在一定程度上影響著泥石流的分布，同時也影響著泥石流的臨界值的大小。受東南季風的影響甘肅省區域、季節雨量分配極其不均，降雨量總體由東南向西北遞減。6～9月雨量占全年降雨量的70%～80%，7、8月占45%，其間大暴雨發生次數多、量級大，并以24h之內的短歷時大暴雨為主，強度較大。

統計甘肅省30年間大暴雨發生頻次見表3、表4［11］：

表3　1971～2000甘肅省大雨發生頻次

表4　1971～2000甘肅省暴雨發生頻次

由表3、表4可看出，省內暴雨與大雨分布的中心基本重合，大暴雨頻次與降雨總量一樣，總體表現出東南多，西北少的格局，主要集中在河東地區的隴南山地及慶陽南部。隴南山區的康縣無論是大雨還是暴雨頻率均居全省之首，而河西內陸地區相對最低，幾乎無暴雨出現。中部隴中黃土高原地區大暴雨頻率居中，其中隴東略高于隴西地區。由此可見隴南山地在全省降雨總量與大暴雨頻率方面均占有絕對優勢。另外，據盧秀麗等研究還發現省內3d，24h，10min，60min的暴雨極值分布格局也表現出由東南到西北遞減的規律［12］，短歷時10min暴雨極值在11～25mm之間，高值區出現在康縣、武都及舟曲一線。

降雨泥石流臨界值，準確來講是在假定地形條件不變和固體松散物質儲量保持一定的情況下，導致某條泥石流溝或某流域內任意一條泥石流溝暴發泥石流的最小降雨量。因而對同一下墊面來說，當降雨量越充足、強度越大，泥石流形成所需降雨臨界值相對就越小，所以降水分配格局也就在一定程度上直接造成本省泥石流臨界值自東南向西北增大的趨勢。

事實上地形條件不變和固體松散物質儲量保持一定只是為了研究方便而進行的人為假設，因而臨界值并非只與降雨相關，往往隨其他因素而出現局部變化特征。以隴南山地為例，其大暴雨時空分布特征［13］：西漢水流域發生大暴雨的頻率及強度均高于白龍江流域，只有6h以內的降雨強度略低于白龍江流域。在這種大暴雨格局下理應西漢水流域泥石流較白龍江流域嚴重，但是事實卻并非如此。主要原因在于受白龍江流域深大斷裂的影響，溝深坡陡，滑坡崩塌物源等下墊面條件更充分，因而其泥石流臨界值比西漢水流域相對較小，導致泥石流災害嚴重程度穩居省內之首。

3.2下墊面的影響

1）地質基礎條件。區域地質構造的強弱、地勢起伏大小以及巖石軟硬等地質基礎條件的不同也是降雨泥石流臨界值大小不同的重要因素。甘肅省大致以祁連山和六盤山為界分為南北兩大地質構造單元，總的來說，南部構造活躍，巖石軟弱，地勢高峻；北部地塊穩定，巖石堅硬。所以南部泥石流臨界值相對較北部為低。

2）土壤含水狀況。在同等降雨條件下固體物質本身的含水量、儲水量的差異同樣會影響泥石流臨界值的大小。當其本身含水量較高，但土壤水分容納量又不是很大的情況下遇到降雨時，松散固體物質就很容易達到飽和，在較小雨強下就可以啟動形成泥石流。相反，本身含水量低，土壤水分容納量又相對較大，同等降雨時，雨水能迅速下滲，這樣要暴發泥石流就必須需要較大強度的短歷時暴雨沖刷才能激發啟動物源形成泥石流。

甘肅省各地100cm土壤水分最大持有量［11］：平均以隴西黃土高原最大，其次為隴東黃土高原，而隴南地區白水江流域的文縣最少。在大暴雨頻發的夏季（6～8月），各地的土壤水分容納量以長江流域的隴南地區最少，隴西黃土高原相對最大，隴東黃土高原次之。一般情況下，100cm土層隴西黃土高原、隴東黃土高原比隴南地區多容納30%～45%降水量。這樣在遭遇同樣量級的大暴雨，隴南長江流域的土壤承受能力最弱，最易達到飽和而暴發泥石流災害，故其降雨泥石流臨界值最小。就白龍江與西漢水流域局地而言，后者土壤可容納水量大于前者，加上斷裂等的影響都導致西漢水流域的成縣、禮縣等地的降雨泥石流臨界值比白龍江流域的武都等地臨界值偏大。

3）植被及人類工程活動。省內泥石流多發生在中低山區，與植被關系密切。人為的破壞植被，墾荒造田、修建房屋、道路等破壞了原有的地表形態，導致水土流失加重，斜坡失穩引發滑坡繼而形成泥石流災害的例子比比皆是。有些地方在地形、地質和降水條件等方面具備泥石流發育的條件，但是泥石流災害卻并不發育，主要原因就是植被條件好，能有效蓄積水分，阻止侵蝕，保護山地，從而有效地抑制了泥石流的發生。如果這些地帶要發生泥石流必須有更大的降雨量和更大雨強的沖擊作用，所以其他條件相同時植被覆蓋率大的地帶降雨泥石流臨界值相對偏大。

4）地震。地震活動中能量的釋放，一方面直接導致滑坡、崩塌等地質災害，為泥石流提供了豐富的固體物質來源，同時，滑坡-碎屑流堆積體等改變溝谷條件，使原來并不是泥石流溝的溝谷變成泥石流溝；如5.12汶川地震以后四川綿竹市清平鄉文家溝轉變為一條高頻泥石流溝，震后3個雨季內，文家溝先后暴發了5次大規模和特大規模的泥石流災害。另一方面地震直接導致泥石流臨界值降低。2008年5.12汶川地震之后，隴南地區的文縣、武都區、舟曲、康縣、成縣、徽縣及兩當等地處于地震Ⅷ、Ⅸ烈度之區的重災區，地震的影響勢必使山體松動造成“內傷”，國土資源部中國地質調查局水文地質環境地質部主任、研究員、地質災害防治專家殷躍平指出汶川地震導致局地泥石流臨雨量至少可下降20mm。甘肅重災區文縣震后在5～9月份先后發生泥石流災害5起，2010年8.7舟曲特大泥石流雖然研究認為是由于極端暴雨天氣所致（過程降雨量96.77mm，30min雨量高達77.63mm），但是不能排除該地震區內對泥石流形成條件及臨界值的影響。所以，今后泥石流降雨臨界值的研究中如何定量的評價地震作用還需要進一步深入研究。

綜上所述，甘肅省泥石流臨界值大小不僅受降雨，而且還受地質基礎條件，土壤含水狀況及植被覆蓋情況以及地震等多種因素的影響。

4　泥石流的預測預報

降雨型泥石流的預報主要是結合氣象信息進行，其預報是將地學系統因素假定為已知并滿足其形成發生過程，只依賴于降雨變化因素進行的判別預報。其準確與否直接受泥石流臨界條件的影響，還受其他（地貌、地層巖性、構造、地震人類活動等）因素的制約。

甘肅省泥石流目前采用全國通用的地質氣象等級預報法，基于降雨條件的泥石流預報也取得了一些成果。池谷浩（1973）陳景武（1981）最先提出臨界雨量線預報模型。后來蘭州冰川凍土探究所提出以固體物質儲備量、溝道堵塞程度和坡度為預測因素，以暴發泥石流的雨量為指標進行預測。考慮影響泥石流發生的主要因子，黎志恒等以文家溝為例應用多元逐步回歸分析法建立數學模型，從而得到泥石流發生的概率，此模型在蘭州地區得到了較好的應用［14～15］。丁偉翠等（2010）本著內外因結合的思想，利用GIS技術對靈臺縣進行了地質災害氣象預警區劃，隨后在Ⅰ、Ⅱ級與預警內采用臨界日綜合有效過程降雨量模型判據法開展了地質災害氣象預警預報研究［16］。

總的來說，省內基于降雨條件的泥石流預報研究相對較少，預報精度較低，尤其是甘肅作為全國泥石流重要分布區，泥石流災害嚴重制約著甘肅省經濟社會的發展，因此開展泥石流臨界值研究及其預測預報工作任重道遠，因此對以后的泥石流預測預報研究工作提出以下建議：

1）結合地質環境基礎信息對現有的泥石流預警區劃進一步細化；

2）在各細化的預警區內研究泥石流發生的降雨臨界條件建立不同的預報模式；其中降雨指標的選取應依據雨型、泥石流類型的不同而不同。10min雨強、1h、3h、24h雨量以及前期降雨天數等指標的選擇應統計歷史泥石流和降雨資料并采用相關性分析的方法選取最能反應泥石流發生的降雨指標，建立數學模型。其中前期降雨經驗計算公式中衰減系數可以依據不同分區內巖土體的性質、土壤容納水分容納量及植被等不同而賦予不同的值，這樣將下墊面條件的影響部分加入預報模型中來。

3）充分利用種類齊全的現代化氣象業務系統，獲取不同尺度的降雨資料，建立健全泥石流監測系統。

5　結論

1）甘肅省泥石流臨界值以隴南山區研究較多，單溝、小流域研究較為欠缺。總體呈現出由東南向西北逐漸增大的趨勢，小時降雨量隴南地區最小15～20mm，河西內陸最大高達30～40mm/h，隴東、隴西地區居中，分別為20～30mm、25mm。其中隴南地區由于下墊面條件及大暴雨的局地性影響，臨界值表現出由南至北，自西而東增大的局地變化特征。

2）通過定性分析，泥石流臨界值受地形地貌、地層巖性、土壤含水量及前期降雨等多種因素的影響。特別是5.12汶川地震對使部分山體出現“內傷”，如何量化地震對臨界值的影響還待進一步研究。

3）通過對泥石流臨界值特征及大小差異的探討對本區降雨泥石流預測預報提出相關建議。

4）泥石流是地質災害鏈中是一個動態鏈條，降雨臨界值并不是一成不變的，泥石流預報與防治工作也不是一勞永逸的。應該以活動論的思想，應用發展的眼光去分析問題、解決問題，避免陷入對降雨泥石流臨界值的單獨研究誤區，盡可能全面的考慮多種因素，注重從定性到定量的轉變，量化各種因素的實際作用力與強度，利用多種現代化手段，建立臨界雨量判據與地質環境空間分析耦合的判別模式，為泥石流預測預報提供可靠依據。

［1］崔鵬，高克昌，韋方強.泥石流預測預報研究進展［J］.2005，20（5）：363～369.

［2］ 譚萬沛.中國暴雨泥石流預報研究基本理論與現狀［J］.土壤侵蝕與水土保持學報，1996，2（1）：88～95.

［3］ 譚萬沛，韓慶玉.四川省泥石流預報的區域臨界雨量指標研究［J］.災害學，1992，7（2）：37～42.

［4］ 倪化勇，王德偉.基于雨量（強）條件的泥石流預測預報研究現狀、問題與建議［J］.災害學，2010，25（10）：124～128.

［5］ 叢威青，潘懋，李鐵峰，等.降雨型泥石流臨界雨量定量分析［J］.巖石力學與工程學報，2006，25（1）：2808～2812.

［6］ 唐小明，陳琦慧.降雨誘發泥石流的臨界降雨量的研究方法［J］.469～472.

［7］ 中國科學院蘭州冰川凍土研究所，甘肅省交通科學研究所著.甘肅泥石流［M］.蘭州：人民交通出版社，1982.

［8］ 黃忠恕，余應中.長江上游隴南地區泥石流分布發育特征［M］.人民長江，1998，29（7）：42～44.

［9］ 王錫穩，張鐵軍，馮軍，等.甘肅地質災害氣象等級預報研究［J］.干旱氣象，2004，22（2）：8～12.

［10］馮軍，尚學軍，樊明，等.隴南地質災害降雨區劃及臨界雨量研究［J］.干旱氣象，2006，24（4）：20～24.

［11］蒲金涌，等.甘肅省暴雨洪水災害分布特征研究［J］.災害學，2006，21（1）：27～31.

［12］盧秀麗.甘肅河東地區暴雨極值空間格局及地形影響分析［D］.蘭州.蘭州大學.2008.

［13］馬鵬里，蒲金涌，辛吉武.甘肅省長江流域大（暴）雨引發泥石流危險程度評價［J］.水土保持通報，2007，27（5）：67～70.

［14］黎志恒，董抗甲.甘肅文縣關家溝流域泥石流災害與地質環境影響因素分析［J］.中國地質災害與防治學報，2000，11（2）：63～66.

［15］周自強，方世躍，姚正學.溝谷泥石流發生的臨界值研究［J］.甘肅科技，2005，21（10）：89～90.

［16］丁偉翠，楊強，王愛軍.應用GIS技術對甘肅省靈臺縣地質災害氣象預警的研究［J］.中國地質，2010，37（4）：1119～1207.

P642.23