北京山區泥石流預警閾值初步研究

賈三滿，路 璐，翟淑花，王海芝，王珊珊，齊 干

（北京市地質研究所，北京 100120）

北京山區泥石流預警閾值初步研究

賈三滿，路 璐，翟淑花，王海芝，王珊珊，齊 干

（北京市地質研究所，北京 100120）

泥石流預警閾值，是突發地質災害防災減災的重要參考指標。本文結合北京山區泥石流災害特點和已有降雨閾值研究成果，一方面在泥石流溝易發性、物源和危害人數進行分級的基礎上，提出不同級別溝谷在不同前期降雨條件下，不同發災概率的激發雨量，極大地方便了中短期預警實際工作；另一方面將泥石流流域降雨量、土壤含水率、次聲、泥位4個參數，作為泥石流短臨災害預警關鍵物理參數，開展了泥石流專業監測設備預警閾值研究。最終，從技術層面上構建不同時間維度的泥石流監測預警閾值體系，為北京山區泥石流監測預警提供技術支持。

泥石流預警；臨界雨量；土壤含水率；次聲；泥位

0 前言

我國是世界上泥石流災害威脅最為嚴重的國家之一，泥石流災害種類多、分布地域廣、發生頻率高、造成損失大，嚴重威脅國民經濟和社會的可持續發展（劉傳正等，2015）。近年來，相關學者針對泥石流災害開展了大量預警工作，在局部地區取得了豐碩的成果，具有代表性的是劉傳正等人通過綜合分析國內外地質災害預警的研究和應用狀況，將地質災害氣象預警分為3種（劉傳正等，2007）：隱式統計預警方法（第一代預警方法）、顯式統計預警方法（第二代預警方法）和動力預警方法（第三代預警方法）。這些預警方法主要基于前期降雨和發生地質災害的概率統計形成的概率模型，對于云南、四川等泥石流高發區比較適宜。然而，北京地區自1950—2004年間北山地區共發生泥石流25次，災害發生頻率為45%；西山地區共發生泥石流14次，災害發生頻率為25%，統計樣本明顯不足，預報精度難以保證，故這種方法對具有低頻、易群發、隨暴雨中心移動特點的北京地區泥石流溝谷的預報工作普適性不高。

多年來，眾多學者圍繞北京地區泥石流預警開展了大量的研究工作，極大的推動了北京地區泥石流預警工作。如韋京蓮、文科軍、吳正華等，通過對1950年以來北京山區發生的11次嚴重泥石流災害的降水特征作了分析，歸納總結出觸發泥石流的降水強度，包括泥石流的前期降水、臨災降水強度、日降水量等，提出了各自的泥石流判別模型（韋京蓮等，1994；文科軍等，1998；吳正華，2001）。這些模型少有涉及對泥石流環境背景的討論，造成泥石流預警預報模糊區間較大，誤報和漏報的可能性較大。因此，亟需加強泥石流溝背景與降雨閾值之間關系分析，引進泥石流預警的關鍵物理參數，提高預警準確率。本文在系統總結北京市最新泥石流調查及預警研究成果的基礎上，修正原有降雨預警模型，增加泥石流形成時土壤含水率及運動過程中泥位和次聲等物理要素，建立一套適用于北京地區泥石流預警閾值體系。

1 臨界雨量閾值

目前，泥石流預警的研究方法大多是對大量歷史泥石流和降雨數據的統計分析，其結果僅能反映在某種經驗水平上某個特定泥石流流域在多大特征降雨條件下可能暴發泥石流，至于該泥石流的規模、運動形態、類型、危害范圍等無法預測。實際上，針對不同類型、成因泥石流，其激發泥石流的降雨量是不同的，本文從泥石流溝地質背景分級作為切入點，結合歷史數據確定不同發災概率的降雨臨界值，極大地方便了地質災害預警工作。

1.1 區域臨界雨量閾值

白利平等根據1950—2004年北京市北山、西山以及北京市各區縣泥石流災害發生頻率及長系列的年降雨頻率分析，計算了相應的災害臨界雨量，提出了不同區域不同時段的臨界雨量閾值，見表1（白利平，2006；白利平等，2008）。

圖1 有效前期雨量與當日雨量關系模型引用文獻（王海芝，2008）Fig.1 Relational model of effective antecedent and timely rainfall

表1 北山、西山臨界雨量值統計表（單位：mm）Tab.1 Thecritical rainfalltablefor North & West Mountain （Unit：mm）

王海芝等以收集到的歷史上發生和未發生泥石流的56個雨量數據為樣本（王海芝，2008），采用基于統計學的Logistic回歸臨界雨量模型（圖1），并結合泥石流危險性區劃研究結果，將泥石流危險性區劃結果與降雨預警等級結果分別給定權重系數后進行疊加，得到北京地區泥石流災害預警預報模型。

本文以表1不同時段降雨閾值24h激發雨量作為范圍約束值，對回歸臨界雨量模型進行反演計算，得出北京山區不同概率、不同前期降雨量前提下，當日激發雨量閾值范圍（表2）。

表2 北京山區不同概率、不同前期雨量下泥石流24h激發雨量閾值表（單位：mm）Tab.2 Rainfall thresholdofdebris fow for 24 hours under different previous rainfall and probability in Beijing Mountainous Area（Unit：mm）

1.2 泥石流溝危險性分級

泥石流的危險性是在地質災害易發性基礎上引入其社會屬性，反映地質災害易發性和破壞程度及潛在的破壞程度的綜合指標，從泥石流易發性、松散物質來源類型和威脅對象3方面對泥石流溝的危險性進行分級。

泥石流易發性是按照《縣（市）地質災害調查與區劃基本要求實施細則》分級標準，結合北京山區實際情況分為中易發和低易發兩級。

泥石流威脅對象是參照《北京市突發地質災害詳細調查報告》實際調查成果，分為大于100人和小于100人兩級。

泥石流松散物質來源分為兩大類，自然堆積物和人工棄體。自然堆積物指溝床、河岸堆積的沖積、沖洪積、洪積和坡洪積等第四系松散沉積物，另外巖石表層長期風化剝蝕、垮落、沖刷堆積在溝坡的大量松散固體物質，這些自然堆積物結構疏松，抗水蝕力差，易遭水流的沖刷與侵蝕，為泥石流的發育提供大量物源。人工棄體是指隨著經濟建設的迅速發展，山區開通和擴展了多條公路，并開發了眾多礦產資源，選礦棄渣、煤矸石和棄石多沿溝順坡堆砌在谷坡，穩定性極差，一旦坡腳被沖蝕或上方受到強大的水體或重力沖擊，則會潰散加入洪流，成為泥石流物源，見照片1。相對于溝道內的自然堆積物，人工棄體由于堆積時間較短，穩定性較差，遇到強降雨更容易失穩。2012年“7·21”特大暴雨在房山區引發了多處泥石流災害，通過現場調查，泥石流災害以水石流為主，而且松散物多為中上游的煤矸石和礦渣，見照片2。本文將物源的堆積程度分為嚴重、中等、一般和輕微4級。

綜合以上3項指標，本文確定泥石流單溝的危險性分級按以下原則進行劃分：威脅人數大于100人的泥石流溝危險性為一級；威脅人數小于100人且為中易發的泥石流溝危險性為二級；威脅人數小于100人且為低易發的泥石流溝，以物源類型和堆積程度確定危險性等級（表3）。

照片1 房山秋林鋪西溝煤矸石堆Pic.1 Coal gangue dumpin West ditch in Qiulinpucounty，Fangshan district

1.3 泥石流溝雨量預警閾值

1.1 節中區域臨界雨量閾值主要依據分析已發生的泥石流樣本統計，近年來，北京山區泥石流溝道人為改造明顯，生態環境好轉，植被覆蓋率較高，造成原有閾值偏小，出現多次誤報。因此，本文參考近年特別是2012年北京地區降雨量數據，以前期降雨量為基礎條件，對泥石流發生概率分別為20%、40%、60%和80%的24小時預報降雨量，對1.2節中劃分的二級和三級泥石流溝谷賦予不同安全系數進行修正，修正后的雨量閾值見表4、表5。

照片2 房山河北鎮杏園溝煤矸石淤塞溝道Pic.2 The channel blocked by coal gangueinXingyuan inHebeicounty，Fangshan district

表3 危險性分級判定表Tab.3 The decision table for risk classification

表4 北京市二級泥石流溝雨量預警閾值表（單位：mm）Tab.4 Rainfall threshold of thesecondleveldebris fows in Beijing Mountainous Area （Unit：mm）

40　73.05　89.77　103.42　120.04 50　102.88　119.58　133.24　149.86 60　95.43　112.13　125.78　142.41 70　87.97　104.68　118.33　134.96

表5 北京市三級泥石流溝雨量預警閾值表（單位：mm）Tab.5 Rainfall threshold of the thirdleveldebris fows in Beijing Mountainous Area （Unit：mm）

2 監測儀器預警閾值

基于災害產生、運動、危害的各個階段的特點，北京市采用雨量、次聲、泥位以及土壤含水率監測儀和綜控中心組成地質災害自動化監測系統被廣泛使用。它既可以全自動監測預報災害的爆發，還能夠實時、全程地監測和收集有關形成、運動規律、災害程度等多方面的信息數據，極大的提升了地質災害專業監測的精度，可以快速、準確地監測泥石流等災害，及時防護和避險，保障人們的生命和財產安全。但是，在實際工作中由于地質災害的復雜性和多樣性，各種監測儀器預警預報閾值研究明顯不足，即使蔣家溝等研究程度很高的溝道，其閾值也不能在其他地區得到使用，使監測系統作用大打折扣。因此，需要針對北京市泥石流溝發育特征確定適宜的閾值，提升泥石流短臨預警預報能力。

2.1 土壤含水率閾值

土體含水率是直接影響泥石流啟動的關鍵物理參數，源地土體失穩主要與土體含水率變化有關，源地土體在降雨過程中的含水率變化可表征泥石流源地土體的穩定狀態，是源地土體起動的標志性參數。針對土體含水率與泥石流啟動的相關關系，眾多學者開展了大量的實驗和理論研究。曹琰波認為泥石流是飽和條件下的地表徑流剪切破壞誘發的（曹琰波等，2008）；李如忠則認為由于強降雨突變導致泥石流物源的啟動（李如忠等，2000），王裕宜等通過實驗研究表明（王裕宜等，1997），巖土體含水量超過某一臨界含水量8%時，天然休止角隨含水量增加而減小。其抗剪強度隨著含水量的變化的過程也存在一個臨界值（11.5%）；楊為民研究發現當泥石流物源的體積含水量為20%～30%，其抗剪強度最大（楊為民等，1997）；胡凱衡等通過對國內外大量降雨激發淺表層滑坡、泥石流過程中土體含水量變化與土體物理參數的分析，發現泥石流爆發時的土體含水量與土體滲透系數、孔隙度以及顆粒級配存在正相關關系（胡凱衡等，2014）。

實際上北京市山區土壤多為粉土、粘性土和含粘碎石土，一般呈可塑、中密—密實狀態。參照《工程地質手冊》，粉土一般含水率15%～22%，粉質粘土（wp12.5～15.4）一般含水率15%～25%，粘土（wp22.5～26.4）一般含水率26%～29%，當含水率增大時，粘聚力c和內摩擦角都有所降低，土的抗剪強度也相應降低形成泥石流。本文根據北京市實際情況大致推斷非汛期土壤含水率平均值粉土為20%，粘性土為25%，并以此作為預警基準值。汛期時當含水率升高5%和10%時，分別作為藍色和黃色預警閾值。

2.2 泥水位閾值

泥石流在溝道中運動過程中，對于指定的穩定斷面，其相應溝道深度位置，其水力半徑、過流面積、溝道縱坡是一個明確的數值，其相應泥位代表一個確定的泥石流規模、運動速度、流量等，因而可采用監測指定溝床斷面泥位來確定泥石流規模及該斷面的泥石流運動速度，進而對泥石流災害進行預警。

在查清溝道內可形成泥石流的松散固體物質的儲備及分布、流域降雨條件、溝道特征等的情況下，可估算泥石流在相應暴雨頻率下的爆發規模大小，計算泥石流峰值的流量，預測其流量通過指定斷面的泥位高度，當監測到的泥水位達到計算高度時，稱為臨界泥水位即可判定為發生泥石流，確定泥石流規模及危險性，發布相應級別的泥石流災害預警信號。

暴雨洪峰流量推理公式的主要假定：①暴雨的頻率和其形成的流量頻率相同；②流域的降雨過程和降雨損失過程的差值為產流過程，匯流時間內所產生的徑流概化為強度不變的過程。③由于暴雨的不均勻性，大流域受水面積不等于流域面積，根據資料統計，大于10km2的流域，分少雨區和多雨區進行修正。④迎風面山坡上最大雨量發生在2/3相對高度上。則暴雨洪峰流量計算如下：

式中： Q為設計洪峰流量（m3/s），ψ為洪峰徑流系數，τ為集流時間（h），n為暴雨衰減指數，S為雨力（mm），F為流域面積（km2）。

式中：J為水力坡度，c為謝才系數。假定溝床寬度與松散堆積物寬度相同，將過流斷面簡化為高為h1，寬為B的矩形。則

根據公式（3）可估算出泥水位，高于計算泥水位則發警報。

2.3 次聲閾值

泥石流在溝道中運動，發出的次聲信號的頻率、主頻振幅及持續時間等有其獨特的特征。因此次聲監測設備作為泥石流預警的新型技術，成為國內外研究的熱點，并得到了廣泛的應用。根據中科院東川泥石流觀測研究站對蔣家溝泥石流的多年次聲信號監測研究表明，泥石流的次聲信號波形為簡諧正弦波，具有確定的卓越頻率，其聲壓值與泥石流的黏性、石塊數量、流速、流量呈正相關關系，黏性越大、流速越大、流量越大、石塊越多，聲壓值相應也越大（李朝安等，2012）。許文杰通過開展了次聲特性的泥石流現場模擬實驗（許文杰等，2013），通過設定微細顆粒含量的不同將泥石流分為礫石型、一般型、泥流型3種類型，在陡坡上做大型人工泥石流模擬實驗，并由次聲傳感器監測泥石流運動過程中顆粒之間碰撞和摩擦所產生的次聲信號，結果表明，礫石型泥石流和一般型泥石流其次聲頻率在3～11Hz，泥流型則處于1～4Hz，同時，巨石增加時，頻率越低。礫石型泥石流聲壓為0.49～0.60 Pa，一般型泥石流聲壓為0.64～0.75Pa，泥流型聲壓為0.28～0.48Pa。

泥石流次聲與泥石流溝谷形態、泥石流類型和規模大小等多因素有關，預警閾值需根據實際發生的數據或實驗數據確定。而北京地區缺少這方面的工作，所以本文結合已有研究成果確定次聲儀監測到的次聲聲壓大于0.3Pa，并持續穩定地超過30s時作為北京山區次聲預警閾值。

3 泥石流預警閾值體系

泥石流監測預警指標體系選取24小時降雨量、源地土體土壤含水率、溝道泥位、次聲聲壓值4個參數作為預警指標，土壤含水率、降雨量閾值參數用于中短期預報，溝道泥位、次聲聲壓值2個參數用于短臨預警。運用系統工程方法和現代信息技術手段，圍繞泥石流災害實時降雨信息、源地土體含水率信息、泥石流次聲信息、泥位信息的監測，研發適應北京地區泥石流災害4參數指標的監測及傳輸技術，構建基于多要素泥石流監測預警網絡系統，將泥石流的預警建立在穩定的信息源基礎上，使各泥石流監測信息之間相互驗證，提高泥石流預警準確率，減少錯報、漏報幾率，系統結構如圖2所示。預警由低到高劃分4個預警級別，并依次采用藍色、黃色、橙色和紅色加以表示（表6）。

藍色預警：不同級別的泥石流溝預報24小時降雨量超過泥石流發生概率20%的預警閾值，或土壤含水率較基準值上升5%以上，預計發生地質災害的可能性一般。

黃色預警：不同級別的泥石流溝預報24小時降雨量超過泥石流發生概率40%的預警閾值，或土壤含水率較基準值上升10%以上，預計發生地質災害的可能性較大。

橙色預警：不同級別的泥石流溝預報24小時降雨量超過泥石流發生概率60%的預警閾值，或泥水位達到臨界泥水位值，預計發生地質災害的可能性很大。

圖2 泥石流監測預警閾值體系架構Fig.2 Threshold architecture of debris fow monitoring and early-warning

表6 預警級別劃分依據Tab.6 The dividing basis ofearly-warning grade

紅色預警：不同級別的泥石流溝預報24小時降雨量超過泥石流發生概率80%的預警閾值，或泥水位達到臨界泥水位值，聲壓達到0.3Pa，且連續30s以上，預計發生地質災害的可能性極大。

4 結語

北京市于2014年建設完成了《北京市突發地質災害監測預警系統（一期）工程》和即將啟動的二期工程，將在密云、房山、延慶縣、懷柔區、平谷區等10個山區縣建立基本覆蓋北京山區的泥石流、采空塌陷、崩塌、滑坡四類突發地質災害專業監測網絡，為泥石流預警預報研究創造了條件。本文緊密結合已有研究和工程現狀，從雨量閾值和監測儀器閾值兩方面構建了北京地區泥石流預警閾值體系，在泥石流短期和臨災預警做出積極地探索。由于北京市地質環境條件復雜，城鎮化、工業化和農業現代化進程中人類工程活動強烈，導致地質災害具有很強的隱蔽性、突發性和破壞性，預警預報難度依然較大。本文僅限于泥石流預警閾值方法的探討階段，在今后的工作中還需大量的模擬實驗和實測數據不斷完善修正。

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Preliminary Study on Early Warning Threshold of Debris Flow in Beijing Mountainous Area

JIA Sanman， LU Lu， ZHAI Shuhua， WANG Haizhi， WANG Shanshan， QI Gan
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

The warning threshold is the critical reference index to monitor debris flow. According to the characters of debris fow in Beijing area and theoretic research in the feld， two aspects contents are introduced in the article： 1） based on hazard tendency， provenance and the number of victims， debris flow ditches are divided into three levels. The authors propose rain thresholds for different ditch level， antecedent rainfall and hazard probability. This method provides the convenience for medium and short-term warning； 2）The rainfall value， water-content of soil ， infrasonic wave information as well as the mud level are chosen as the four indexes of early warning of debris fow. And the threshold values are studied in the paper. Finally， the system of warning threshold of debris fow is established ，which can offer technical support for early warning of debris fow.

Warning of debris fow； Critical rainfall； Water-content of soil； Infrasonic device； Mud level

P642.23

A

1007-1903（2016）03-0001-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.001

《北京市突發地質災害監測預警系統（一期）工程》

賈三滿（1961- ），男，教高，主要從事地質災害研究。E-mail：jiasanman_2005@126.com