長白山天池地區泥石流激發雨型與臨界雨量

羅小惠, 裴向軍, 郭 斌

(成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

長白山天池地區處高寒高海拔地區，屬地質災害高易發區，每年均有不同規模的災害發生，包含了崩塌、滑坡、泥石流等多種地質災害，其中暴雨泥石流作為突發災害，且相距游客活動區域較近，嚴重威脅著游客與景區工作人員的生命安全。

泥石流為中國各地山區的危害嚴重的地質災害[1-2]，因其破壞性強、暴發突然、歷史短暫并且防治困難的特點，故此泥石流災害所造成的人員傷亡都是數以千計[3-4]。點多、面廣是泥石流災害的分布特點，且泥石流災害發生后將造成阻斷交通與救援不便等相關問題，致使針對泥石流災害治理的防治工程建設難度較大。故為降低泥石流災害所造成的威脅與影響，及時與準確地發布泥石流預警信息是這項工作中最為關鍵的一步，而對于防災減災重要、有效的手段，是基于臨界雨量的區域泥石流預報[5]。

距今，針對泥石流災害的臨界降雨量，中外學者已開展了大量的研究工作[6-8]。最初，對降雨誘發滑坡導致泥石流的啟動機理及危險性評價[9-11]進行了討論；Tang等[12]通過研究2008年9月北川唐家山地區降雨數據得到誘發泥石流降雨閾值；常鳴等[13]通過降雨等評價因子對都江堰龍池場鎮的48條泥石流溝進行敏感性評價；姚令侃[14]結合多元統計建立了以泥石流發生頻率及地區暴雨頻率而求得其臨界雨量的回歸方程；譚萬沛等[15]利用形成泥石流的主控因素與激發條件，從泥石流的誘發因素和防災減災預報等角度下手，對四川片區的暴雨型泥石流進行分類分區；韋方強等[16]建立了泥石流預報模型，將臨界雨量劃分成不同的等級范圍；隨著研究工作的推進，韋方強等[17]還分析了不同降水監測和預報時空分辨率與技術時空尺度，并以此為基礎建立了不同時空尺度的泥石流預報體系框架，將泥石流預報的普遍性與精度推向新高度。與此同時，對泥石流的激發雨量與臨界雨量也有較多研究[18-24]。目前，在泥石流臨界雨量研究方面雖然取得很多有價值的成果，但現階段泥石流啟動的臨界雨量大多是基于統計分析及歷史資料反演得到，故其準確性還有待提高。

為此，詳細統計了引發泥石流的降雨資料，通過研究和分析這些泥石流暴發前后的降雨過程，并對激發長白山天池地區泥石流災害的激發雨型進行分類，采用統計方法開展長白山天池地區泥石流發生時的降雨臨界值研究，為研究區的泥石流預測預報和監測預警提供理論基礎與參考依據。

1 研究區概況

長白山位于吉林省東南部，其東部與朝鮮接壤，是中國境內保存最為完整的新生代多成因復合火山錐體，是世界聞名的自然保護區。由于該區獨特的火山地質背景，在內、外動力的雙重影響下，由深切的溝壑與河谷構成了峽谷地貌初期，同時也構成了火山湖、瀑布以及兩岸的深溝陡壁等特殊的景觀。研究區域位于長白山北景區內，其地理坐標：東經128°02′54″～128°04′26″，北緯42°01′20″～42°02′53″。長白山地區屬中緯度大陸性季風氣候半濕潤區，氣候特點是冬季漫長寒冷，夏季溫暖而短促。受地形和大陸與太平洋兩種氣流影響，垂直分帶明顯，氣溫和降雨均受海拔高度的控制，據相關資料，地勢增高 100 m，氣溫降低 0.5～0.6 ℃，降水量增加±30 mm。

近年來，長白山天池地區(圖1)泥石流災害有不斷加劇的趨勢。據調查，在長白瀑布以北、二道白河兩側的陡峻山體上每年都有泥石流發生。這一現狀不僅嚴重破壞了自然保護區的森林資源和生態環境，而且還嚴重威脅著游客與景區工作人員的生命安全。為對長白山天池景區的正常運行，對長白山北景區天池地區的泥石流進行勘察，最終確定4條具有一定規模的泥石流溝，且都位于長白山天池瀑布與小天池區段之間，二道白河的右岸，分別為瀑布東側1號泥石流、瀑布東側2號泥石流、停車場南4號泥石流和停車場南8號泥石流(圖2)。

泥石流災害不僅造成巨大的財產損失，還對景區內的人員造成一定的安全威脅，導致整個景區的運行停滯，給長白山北景區造成嚴重的不利影響。在泥石流災害發生之后，通過對災害現場的實地勘察發現，長白山天池地區由于獨特的火山侵蝕區地形地貌，地形陡峭，高差懸殊，大部分山體呈現明顯的多級臺階狀，研究區內二道白河河谷地貌為嶂谷，其基本特征為河谷形狀似箱形，為冰蝕“U”形谷，谷坡陡峭，近乎直立，而區域內泥石流均在二道白河河谷兩側陡峭山的沖溝中發育(圖3)。

圖3 長白山北景區河谷地貌概況Fig.3 Overview of the river valley geomorphology in Changbai Mountain north scenic area

近年來，由于風化作用的加強及氣候愈加極端的影響，各泥石流溝的物源增加，均有再次爆發大規模泥石流的可能。影響該區泥石流發育的自然條件很多，如地形地貌、地層巖性、氣象水文等，這些因素的有機結合，即形成了本區泥石流發育的三個基本條件：豐富的固體物質、高陡的地形及充沛的降水。這三個條件相互影響，缺一不可。而豐富的降雨，特別是急驟的暴雨是該區域內泥石流形成的必要條件。長白山自然保護區降雨豐富，雨量集中，降雨持續時間長，且多暴雨。為降低泥石流會造成的損失，建立基于泥石流臨界雨量的泥石流預警系統是當務之急，而臨界雨量參數是泥石流預警系統準確發布預報信息的前提。因此，通過災害實例調查法和統計法，研究長白山天池區泥石流災害的激發雨型與臨界雨量，為預警系統提供參數，為準確的泥石流預測預報提供基礎數據。

2 泥石流降雨過程的統計與分析

2.1 泥石流災害災情與歷史

通過查問文獻以及相關資料收集到近十年內長白山天池區泥石流共發生的10次泥石流的發生時間以及受災情況，具體泥石流詳情如表1所示。2017年7月2日04：11，長白山景區瀑布東側1號泥石流溝發生泥石流，規模大約1 200 m3，石籠擋墻被沖毀80 m，觀景平臺損壞，造成經濟損失50萬元；2017年7月21日04:56，長白山景區瀑布東側2號泥石流溝發生泥石流，規模大約1 300 m3，泥石流碎石沖入二道白河改變水道，堆積鐵橋處，對鐵橋構成威脅，造成經濟損失20萬元，所幸兩次發生災害的時間都為凌晨，景區還未開始運營，未造成人員傷亡。停車場南4號與8號泥石流溝也在往年的雨季暴發了不同規模的泥石流。泥石流災害不僅造成巨大的財產損失，還對景區內的人員造成一定的安全威脅，導致整個景區的運行停滯，給長白山北景區造成嚴重的不利影響。

表1 長白山天池地區泥石流災情歷史統計表Table 1 Historical statistics of debris flow disasters in Tianchi Area, Changbai Mountain

2.2 降雨參數指標

由之前的分析描述可知，降雨與長白山天池地區泥石流災害的發生密不可分。長白山地區降雨豐富，持續時間長，且多暴雨。豐富的且急驟的暴雨是泥石流形成的必要條件。降雨不僅為泥石流提供了豐富的水源，更為松散固體物質的啟動與泥石流的運動提供了強大的動力。觀測與統計資料表明，當某時段內的降雨量達到或者超過臨界降雨量時，泥石流就會發生。

基于不同的降雨參數，建立不同的泥石流的降雨預警模型。目前降雨預警指標大致分為以下5類：①以降雨強度和累計雨量作為預警指標；②以降雨強度和降雨歷時作為預警指標；③以累計雨量和降雨歷時作為預警指標；④以降雨強度和前期有效降雨量作為預警指標；⑤以其他降雨參數作為預警指標。較為常用的降雨參數包括降雨強度、降雨歷時、歷史累積降雨和前期有效降雨量。

選取4種降雨參數指標(降雨強度、日降雨量、歷史累積降雨、前期有效降雨)用于構建泥石流發生的降雨臨界值，并對研究區內激發泥石流的降雨類型做出了分類。對有記載可查的災害歷史記錄所對應的降雨數據進行統計分析，由長白山天池地區泥石流災情記錄統計表(表1)可見，對研究區內2013—2018年所有汛期的降雨數據進行統計分析，得到完整強降雨事件共8次，并對各個單次強降雨事件的前期有效降雨進行統計，計算前期有效降雨，累積降雨量和降雨強度，結果如表2所示。根據Graff[23]的有效降雨量計算公式：

表2 長白山天池地區強降雨事件Table 2 Heavy rainfall event in Tianchi area,Changbai Mountain

Rant=kR1+k2R2+…+knRn

(1)

式(1)中：Rant為災害發生前n日有效降雨量；k為有效降雨系數(k≤1)，k根據經驗值取0.84；Rn為第n天的降雨量。

3 結果與分析

3.1 長白山天池地區暴雨泥石流的激發雨型特征

在長白山天池地區，暴雨發生之前一般都有持續數十天之久的前期降雨，這種特點的降雨形式對于泥石流的暴發有兩方面的作用：一方面，泥石流形成區周圍的松散固體物質在長期降雨的作用下，被不斷搬運向形成區匯集，使物源動儲量不斷地增加；另一方面，形成區的物源需要在暴雨形成的強大地表徑流的激發下，轉化成具有一定破壞力的泥石流。選取具有代表性的8場泥石流暴發事件的降雨過程，繪制出日降雨量、前期有效降雨與降雨歷時的關系曲線圖。通過對比與分析8場泥石流不同的降雨過程，結合暴雨泥石流形成過程中所經歷的松散固體飽和、地表徑流、松散固體運移、泥石流啟動的過程。長白山暴雨泥石流激發的雨型為長期持續降雨型和長期間斷降雨型。

長期持續降雨型主要表現為泥石流流暴發前會持續相當長時間不間斷的前期降雨，約持續10 d。這種降雨類型是由零緩慢增加，最終達到導致泥石流暴發的臨界雨量。長期持續降雨型的前期有效降雨持續時間長，泥石流在降雨量逐步達到臨界值時暴發。當前期降雨開始時，此時的降雨強度小于雨巖土體滲透率，故此時降雨被全部滲入松散堆積體內部。隨著降雨進程的發展，坡體表面松散堆積層的含水量不斷增加。當松散堆積層的入滲率降低的越來越快，其達到飽和狀態的時間就會越來越短。最終，當雨強達到臨界雨量時，松散堆積體的含水量漸漸達到飽和狀態，松散堆積物開始在雨水的作用下進行運移，進入泥石流溝內并參與泥石流的啟動過程。長期持續降雨型以研究區域內2013年7月2日泥石流、2015年7月8日泥石流、2016年8月31日泥石流及2017年7月2日泥石流為代表，如圖4～圖7所示。

圖4 2013年7月2日泥石流災害降雨過程Fig.4 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2013

圖5 2015年7月8日泥石流災害降雨過程Fig.5 Debris flow disaster,rainfall process on July 8,2015

圖6 2016年8月31日泥石流災害降雨過程Fig.6 Rainfall process of debris flow disaster on August 31,2016

圖7 2017年7月2日泥石流災害降雨過程Fig.7 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2017

長期間斷降雨型主要表現為泥石流暴發前也會持續相當長時間但中途會間斷的前期有效降雨，該降雨總體持續十幾天左右，但當在接近泥石流暴發當天，降雨過程將會有間斷，一般會在一段時間內從較小的降雨緩慢增加到一個極值再逐步降低為零，隨后降雨開始間斷，再過一段時間后，開始二次降雨，其中降雨中途的間斷時間不會超過8 h，按此規律反復兩到三次直到松散堆積體飽和，堆積體開始在雨水的作用下向溝內運移，在持續的降雨過程中，不斷增加的雨量與不斷增大的物源動儲量最終導致泥石流暴發。長期間斷降雨較長期持續降雨來說，總的降雨時長更為漫長。該降雨類型的降雨強度存在由多個由零到極大值再由極大值降低到零的重復循環過程。隨著該過程的反復進行，松散堆積體含水率逐漸增大，當降雨強度達到某個值時，松散堆積體含水量達到飽和，在此之后，只要持續降雨，無論雨強大小，松散堆積體都會在雨水的作用下被搬運與沖刷至溝內，參與泥石流的啟動過程。故在哪怕是在反復過程中逐漸減小的雨強作用下，泥石流也會暴發。該類型的松散堆積體飽和過程所經歷的時間更長，并且由于其降雨過程的間斷性與反復性，該降雨類型的泥石流暴發的時間會滯后第一次降雨強度的峰值時間，總體降雨持續時間相較于長期持續降雨更長。該類型泥石流以2013年8月15日泥石流災害、2013年8月17日泥石流災害、2015年8月4日泥石流災害及2017年7月21泥石流災害為代表，如圖8～圖11所示。

圖8 2013年8月15日泥石流災害降雨過程Fig.8 Debris flow disaster rainfall process on August 15,2013

圖9 2013年8月17日泥石流災害降雨過程Fig.9 Debris flow disaster rainfall process on August 17,2013

圖10 2015年8月4日泥石流災害降雨過程Fig.10 Debris flow disaster rainfall process on August 4,2015

圖11 2017年7月21日泥石流災害降雨過程Fig.11 Debris flow disaster rainfall process on July 21,2017

3.2 長白山天池地區臨界雨量特征

根據前面收集的研究地區泥石流災害的降雨過程歷史資料及泥石流暴發過程分析，統計長白山天池地區暴雨泥石流的激發雨型(表3)，暴發時的歷史累計雨量、前期有效降雨量、日降雨量峰值及雨強峰值。據此繪制出歷史累計降雨與降雨強度及前期有效降雨與降雨強度的關系圖(圖12、圖13)。由圖12、圖13可以看出，在長白山天池地區當小時降雨量超過19.7 mm，前期有效降雨量超過32.7 mm，歷史累計降雨量超過43.5 mm，泥石流災害就將發生。從表3、圖12、圖13可見，具有歷史記錄的研究區域內泥石流災害事件的歷史累計降雨跨度極大，43.5～223.5 mm。該區域內泥石流發生的前期有效降雨為32.7～112.1 mm，若以歷史累計降雨量43.5 mm或是前期有效降雨32.7 mm即發布預警信息，可能會造成不必要的人力、財力的浪費，若長期預警報錯，更會導致景區工作人員與游客的不信任，但歷史累計降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm可以作為防范值，一旦降雨量達到此范圍應加強巡查，密切注意各溝內穩定情況。從歷史累計降雨與降雨強度及前期有效降雨與降雨強度的關系圖可得，以降雨強度下限值19.7 mm/h作為泥石流臨界雨量值較為合適，從泥石流災害的歷史資料可以看出，與泥石流事件相關的8場完整降雨事件，峰值降雨強度的最小值為19.7 mm/h，2013年的3次泥石流事件峰值降雨強度分別為24.7、20.7、22.9 mm/h，2015年與2016年2次泥石流事件峰值降雨強度分別為20.5、20.8 mm/h，17年2次泥石流事件的峰值降雨強度為22.4、20.7 mm/h。因此以峰值降雨強度下限值19.7 mm/h為泥石流災害發生的臨界雨量較為合理。

表3 長白山天池地區泥石流災害激發雨型分類Table 3 Rainfall classification for debris flow disasters in Tianchi area, Changbai Mountain

圖12 泥石流降雨強度-歷史累計降雨關系圖Fig.12 Debris flow rainfall intensity-historical cumulative rainfall relationship

圖13 泥石流降雨強度-前期有效降雨量關系圖Fig.13 Debris flow rainfall intensity-pre-effective rainfall relationship diagram

4 結論

(1)長白山天池地區泥石流激發雨型分為兩種：長期持續降雨型與長期間斷降雨型。長期持續降雨型主要表現為泥石流流暴發前會持續相當長時間不間斷的前期降雨，持續10 d左右。雨量由零緩慢增加，最終達到導致泥石流暴發的臨界雨量。長期持續降雨型的前期有效降雨持續時間長，泥石流在降雨量逐步達到臨界值時暴發。當前期降雨強度小于雨巖土體滲透率，降雨被全部滲入松散堆積體內部。隨著降雨進程的發展，坡體表面松散堆積層的含水量不斷增加。當松散堆積層的入滲率降低的越來越快，其達到飽和狀態的時間就會越來越短。最終，當雨強達到臨界雨量時，松散堆積體的含水量漸漸達到飽和狀態，松散堆積物開始在雨水的作用下進行運移，進入泥石流溝內并參與泥石流的暴發；長期間斷降雨型會持續相當長時間但中途會間斷的前期有效降雨，該降雨總體會斷斷續續持續十幾天左右，但當在接近泥石流暴發當天，降雨過程將會有間斷。長期間斷降雨較長期持續降雨來說，總的降雨時長更為漫長。該降雨類型的降雨強度存在由多個由零到極大值再由極大值降低到零的重復循環過程。隨著該過程的反復進行，松散堆積體含水率逐漸增大，當降雨強度達到某個值時，松散堆積體含水量達到飽和，在此之后，只要持續降雨，無論雨強大小，松散堆積體都會在雨水的作用下被搬運與沖刷至溝內，參與泥石流的暴發過程。

(2)長白山天池地區泥石流歷史累計降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm作為泥石流災害暴發的防范值，一旦降雨量達到此范圍應加強巡查，密切注意各溝內穩定情況。降雨強度19.7 mm/h作為泥石流臨界雨量。