三明市后山沖溝泥石流易發性評價及預報

趙賓杰，葉龍珍，余 斌，柳 侃,吳鐘騰，鄧 杰

(1.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；2．桂林航天工業學院能源與建筑環境學院，桂林 541004;3.自然資源部丘陵山地地質災害防治重點實驗室，福州 350002；4.三明市自然資源局，三明 365000)

福建省位于中國東南沿海，地貌屬于低山丘陵地帶，地質災害發育，災害類型主要為滑坡、崩塌、泥石流，其中滑坡-泥石流災害鏈，占全省重大災難性地質災害的2/3[1]，因此開展泥石流易發性評價及預報研究顯得十分必要。目前泥石流易發程度的評價方法主要兩種：直接指標評價法(《泥石流災害防治工程勘測規范》)和間接指標評價法，直接指標評價法需要大量泥石流資料支持，適用于泥石流資料豐富完整的地區，評價結果準確可靠[2]。間接指標評價法有層次分析法、神經網絡及邏輯回歸等，層次分析法評價結果過于依靠人的主觀判斷；神經網絡需要大量的數據才能保證結果的準確性；邏輯回歸法評價指標中的多重共線性問題對其評價結果影響較大，以上缺點使得在對泥石流進行易發性評價時存在結果與事實不符、檢驗準確性難的問題，適用于泥石流資料相對缺乏的地區[3-7]。

泥石流預報作為一項重要防災減災措施，受到眾多學者的廣泛關注。Nam等[8]通過計算反映累積降雨和降雨強度的降雨觸發指數(RTI)，將其轉換為臨界累積降雨量(Rc)以利用降雨信息，提供實時預報。Qiao等[9]將泥沙密度作為泥石流發生敏感性的評價指標，利用Scoops3D模型，提出了一種基于降雨-土壤不穩定耦合機制(R-USCM)的泥石流預測方法。Banihabib等[10]提出以平均流域高程、平均流域坡度、流域面積、當前降雨量、前3 d的前期降雨量和前1 d的流量作為預測變量，建立貝葉斯網絡(BNs)模型，對泥石流發生概率進行預報。徐根祺等[11]基于寬度學習算法，以泥石流影響因子(降雨量、山坡坡度、溝床比降、相對高差、土壤含水率和孔隙水壓力)為輸入，泥石流發生概率為輸出，并結合矩陣隨機近似奇異值分解，構建了泥石流預報模型。范江琳等[12]結合中國氣象部門的雨量劃分標準和誘發泥石流的降雨歷時時及平均降雨強度，建立基于降雨分級的泥石流降雨I-D預報模型，進行泥石流預報工作。余斌等[13-16]提出建立在泥石流形成條件基礎上的預報模型，通過分析淺層滑坡誘發溝谷泥石流的形成機理，以貴州省望謨縣打易鎮附近的淺層滑坡誘發的溝谷泥石流為研究對象，通過研究泥石流形成的地形和降雨條件，提出淺層滑坡誘發溝谷泥石流的預報模型；通過分析溝谷泥石流的形成機理，綜合分析地形、地質和降雨這三類因素，建立了10 min和1 h的溝床起動型泥石流精細化預報模型，在貴州望謨打易和四川德昌群發泥石流、汶川地震強烈影響區的文家溝多次泥石流事件中獲得了很好的驗證結果。

通過web of science、知網等文獻搜索引擎，發現現階段仍缺乏針對福建省泥石流的易發性及預報研究。為此，在實地調查基礎上，根據地質災害詳細調查泥石流易發程度量化評分標準，將泥石流地質調查和影響因素量化，采用直接指標評價法對泥石流的易發程度進行評價；通過泥石流易發性評價為輕度易發的沖溝對淺層滑坡誘發溝谷泥石流降雨預報模型進行驗證，并利用該預報模型給出三明后山沖溝泥石流預報臨界降雨值，為該地區泥石流的防災減災、監測預報提供科學依據。

1 研究區概況

三明市位處福建中部偏西，調查區位于三明市城區東側后山，主要為三明市區后山一重山流域溝谷，北至梅列區碧桂園后山，南至三元區富崗新村后山，坐標北緯26°13′24.36″～26°17′38.60″，東經117°36′32.52″～117°38′49.97″之間，長約9 km，寬0.5～1.5 km，總面積約12 km2。三明市區后山位于閩中玳瑁山北麓，屬中低山-丘陵地貌，境內以低山及高丘陵為主，山體整體與沙溪走向平行，沿北東-南西向展布，綿延連續，總體地勢呈東南高，西北低，西南側分水嶺高程多1 100～1 200 m，區域山坡受多條沖溝切割，形成嶺谷相間地貌。

2019年進入汛期以來，三明市降雨頻繁，降雨量大，其中數次過程強降雨量罕見，5月15—17日和6月7—10日三明市區累積降雨量分別達到322.7 mm和277.4 mm，其中5月16日當地24 h降雨量達256.3 mm，打破1961年以來當地日降雨量記錄，達到特大暴雨級別，為50年一遇降雨(圖1和圖2)。

兩次強降雨導致三明市區東側后山產生大量山體滑坡，后山沖溝山洪暴發，嚴重威脅三明市城區辦公、住宅、學校、道路等安全，極大影響人民群眾的日常生活。現以2019年5—6月的兩次強降雨過程新誘發地質災害點為調查對象，實地調查了碧桂園后山、翡翠城后山、軍分區等共20處沖溝及178處淺表層滑坡(圖3)。

圖1 研究區列西氣象站2019年5月15—17日降雨量Fig.1 Rainfall of liexi weather station on May 15-17,2019

圖2 研究區林校氣象站2019年6月7—10日降雨量Fig.2 Rainfall of linxiao weather station on June 7-10,2019

由北至南，三明市后山沖溝依次排列為，碧桂園后山溪溝(溝1)、翡翠城后山溪溝(溝2)、紫蓮橋后山溪溝(溝3)、高巖路棄土廠沖溝(溝4)、醫科學院泳池后山沖溝(溝5)、醫科學院操場后山溪溝(溝6)、黨校仙人谷溪溝(溝7)、洗碗池廠后山沖溝(溝8)、仙靈山陵園后山沖溝(溝9)、九中后山溪溝(溝10)、東泉新村1#沖溝(溝11)、東泉新村2#沖溝(溝12)、東泉新村3#沖溝(溝13)、東泉新村4#沖溝(溝14)、山水御園后山溪溝(溝15)、圓通禪寺后山沖溝(溝16)、林校沖溝(溝17)、省安小區沖溝(溝18)、富崗新村沖溝(溝19)、城南村汽修廠后山溪溝(溝20)圖3 后山流域沖溝分布及滑坡位置示意圖Fig.3 Sketch of gullies and landslides distribution in Houshan basin

2 沖溝發生泥石流的易發性評價

三明市后山流域人類工程活動較為活躍，住宅、市政、休閑道路挖填等工程建設頻繁，人工削坡現象較為普遍，多形成高差8～20 m、坡度50°～70°，局部逾80°的高陡邊坡，因工程建設削坡破壞了坡體的平衡，加之斜坡支擋防護不足、排水系統不完善，2019年5—6月兩次強降雨過程誘發了三明市城區后山流域多處滑坡。研究調查了全流域內共178處滑坡中，最大滑坡厚度3 m，均為淺表層小型滑坡，其中有113處滑坡位于20條沖溝內，占總數的63.5%，大部分滑體已滑移至坡腳，沖溝內有一定的松散物源，未發生滑坡崩塌的自然斜坡與已發生的滑坡所在斜坡具有相近的地形地貌、地層巖性及巖土體條件，在持續強降雨或特大暴雨作用下斜坡可能發生失穩，流域內松散物質增加，可見這些流域基本具備發生泥石流的物源基礎，一旦發生暴雨，如100年一遇強降雨時，后山沖溝內將會產生更多的淺層滑坡，能夠參與泥石流活動的松散固體物質更多，很可能暴發泥石流。

在實地調查基礎上，根據直接指標評價法，即地質災害詳細調查泥石流易發程度量化評分標準(《泥石流災害防治工程勘查規范》(T/CAGHP006—2018))，將泥石流地質調查和影響因素量化，通過崩滑嚴重程度、泥沙沿途補給程度、河溝縱坡坡降、松散物源儲量等共15個要素對各沖溝進行綜合打分，最后對各分項分值進行累計(表1)，其中綜合評分為116～130，易發程度屬于“極易發”；綜合評分為87～115，易發程度屬于“中等易發”；綜合評分為44～86，易發程度屬于“輕度易發”；綜合評分為15～43，易發程度屬于“不易發生”。

2019年5月15—18日50年一遇降雨情況下大部分沖溝流域內發育多處淺層滑坡，溝道內存在一定的泥石流物源，經易發性評價研究區內20條沖溝除了碧桂園后山沖溝為不易發外，其余沖溝的泥石流易發程度均為輕度易發。

研究區內輕度易發的19條沖溝泥石流屬于淺層滑坡誘發溝谷泥石流，具有發生淺層滑坡誘發溝谷泥石流的基本條件：沖溝流域內相對高差大，溝谷縱坡較大，山體坡度大、溝谷兩側山坡90%坡度在25°～45°范圍內，這個范圍內的山坡坡度不僅有利于滑坡的產生，也能使部分或者全部滑坡松散物質運動到溝道中，為泥石流提供直接物源。研究區內各流域的匯流主要來自于溝道兩側的坡面徑流，即在降雨條件下，雨水由坡面匯集到溝道后形成集中的徑流，相對于50年一遇降雨誘發的滑坡數量以及提供的泥石流物源量，100年一遇甚至200年一遇暴雨誘發的滑坡數量以及提供的泥石流物源量都會大幅度提高，沖溝內將會發生更多的淺層滑坡，更多的滑坡為可能發生的泥石流提供更多固體物源，徑流將進一步沖刷溝道內的松散固體物質，很可能暴發由淺層滑坡誘發的溝谷泥石流，對當地居民造成危害。

表1 泥石流溝易發程度數量化評分表Table 1 Debris flow susceptible degree appraisal

3 淺層滑坡誘發溝谷泥石流預報模型及驗證

淺層滑坡誘發溝谷泥石流的形成特征可分為兩個階段，首先較長時間和較大強度降雨導致流域內多處發生淺層滑坡，部分或全部滑坡松散物質堆積在溝道中，成為泥石流的物源；其次強降雨在流域內迅速形成較大洪峰起動固體物質形成泥石流。余斌等[15]根據貴州省望謨縣2011年6月6日特大暴雨作用下的淺層滑坡誘發溝谷泥石流提出預報模型，本文通過泥石流易發性評價為輕度易發的三明市后山19條沖溝(沖溝編號2-20)及2019年5、6月兩次降雨數據對該模型進行驗證。

3.1 淺層滑坡誘發溝谷泥石流預報模型

淺層滑坡誘發溝谷泥石流預報模型由地形條件和降水條件組成，其表達式如式(1)所示[15]:

P=RT0.45≥Cr

(1)

式(1)中:P為預警值；R為泥石流形成區降水因子；T為無量綱的地形因子；Cr為模型判據臨界值，研究區內大范圍分布燕山早期第三次侵入(ηγ52(3)c)中細粒花崗巖類(1-14號沖溝)；文筆山區域和翡翠城至紫蓮橋區域多為侏羅系長林組(J3c)石英砂巖、砂巖類以及局部分布粉砂巖類(15-20號沖溝)(圖4)，1 h預報模型花崗巖地區臨界值Cr有3個：Cr1=0.40，Cr2=0.48，Cr3=0.55；砂巖地區臨界值Cr也有3個Cr4=0.50，Cr5=0.59，Cr6=0.68，對應藍、黃、橙、紅Ⅳ級預警。當P≤0.40 時(當P≤0.50 時)，泥石流的發生可能性很低(藍色預警區域)；當0.40 ＜P≤0.48 時(當0.50 ＜P≤0.59 時)，泥石流發生的可能性低(黃色預警區域)；當0.48 ＜P≤0.55時(當0.59 ＜P≤0.68時)，泥石流發生的可能性中等(橙色預警區域)；P≥ 0.55 時(P≥ 0.0.68 時)，泥石流發生的可能性很高(紅預警區域)。

圖4 后山流域巖性及氣象站點分布Fig.4 Houshan basin lithology and weather stations distribution

3.2 地形條件

地形條件是泥石流發生的根本條件[17]，與淺層滑坡誘發溝谷泥石流有關的地形條件主要有：流域面積、山坡坡度、溝床縱比降等，并用一個無量綱的地形條件來描述，表達式如式(2)所示[15]：

T=SJ0.3(A/A0)0.2

(2)

式(2)中：S為25°～45°山坡坡度所占面積與流域面積之比；J為溝床縱比降；A為流域面積，km2；A0為單位面積，1 km2；A/A0為無量綱化的泥石流流域面積，代表流域的水流流量特征及物源來源特征(表2)。

表2 地形參數Table 2 Topography parameters

3.3 降水條件

泥石流暴發是前期累積雨量和當時激發雨強共同作用的結果[18]，標準化無量綱降雨因子可以表示為[16]

R=R*/(ROCV)=(B+5.5I)/(ROCV)

(3)

式(3)中：R為降水因子；R*為降雨綜合值；B為泥石流暴發前前期累積降雨量，mm；I為泥石流暴發前1 h降雨量，mm；R0為當地年平均降雨量，mm，根據三明市區1990—2016年降雨資料統計，三明市區R0=1 700 mm；CV為當地1 h降雨變差系數，查《中國暴雨統計參數圖集》(水利部水利局2006)所附中國年最大60 min點雨量變差系數等值線圖，三明后山沖溝流域內CV取0.4。三明后山沖溝流域附近分布有兩個降雨站點，分別是列西站和林校后山站，其中1～14號沖溝附近有列西降雨站點，流域內主要分布巖性為花崗巖；15～20號沖溝距離林校后山站點較近，流域內主要分布巖性為砂巖；因此綜合考慮沖溝距降雨站點距離和流域內巖性兩個因素，1～14號沖溝降雨數據選擇列西降雨站點數據，15～20號沖溝降雨數據選擇林校后山降雨站點數據(表3)。

3.4 淺層滑坡誘發溝谷泥石流預報模型驗證

將表2和表3數據代入式(1)得出預報模型預警值(圖5和圖6)，2019年5月15—17日和6月7—10日三明市暴發強降雨，其中5月16日24 h降雨量為50年一遇，兩次強降雨導致后山沖溝山洪暴發，無泥石流發生。從圖5和圖6可看出所有未發生泥石流的點都在P=0.40、0.50安全線以下，模型預報結果與實際相符，模型無誤報。未發生泥石流的點都在安全線附近且接近安全線，表明模型判據臨界值Cr取值合理，若判據臨界值Cr過小，易出現誤報，若判據臨界值Cr過大，易出現漏報。當三明后山流域遭遇100年一遇甚至200年一遇暴雨時，后山沖溝內將會產生更多的淺層滑坡，能夠參與泥石流活動的松散固體物質更多，很可能暴發由淺層滑坡誘發的溝谷泥石流；從預報模型上看，相對于50年一遇降雨情況，當遭遇100年一遇甚至200年一遇暴雨時，模型地形因子T不變，降雨因子R增大，模型預警值P隨之增大，將超過預警線，可對泥石流發生情況進行準確預報，因此該預報模型能夠適用于三明后山沖溝泥石流預報。

表3 降雨參數及預警值Table 3 Rainfall parameters and the prediction-value of debris flow

圖5 1～14號沖溝預報模型驗證(花崗巖區域)Fig.5 Validation in 1-14 gullies for prediction model(granite region)

圖6 15～20號沖溝預報模型驗證(砂巖區域)Fig.6 Validation in 15-20 gullies for prediction model(sandstone region)

4 泥石流預報

(4)

表4 淺層滑坡誘發溝谷泥石流預報判據臨界值Table 4 Warning thresholds of prediction model of debris flow caused by shallow landslides

5 結論

2019年5月15—17日和6月7—10日三明市暴發強降雨，其中5月16日24 h降雨量為50年一遇，強降雨導致三明市后山沖溝山洪暴發，流域內發育多處淺層滑坡，為泥石流形成創造了條件。本文通過對三明市后山沖溝現場調查研究，根據直接指標評價法對沖溝泥石流易發程度進行評價，并對淺層滑坡誘發溝谷泥石流降雨預報模型進行驗證，并提出臨界降雨指標。

(1)研究區20條沖溝除了碧桂園后山沖溝為不易發外，其余19條沖溝的泥石流易發程度均為輕度易發。在100年一遇甚至200年一遇暴雨發生時，19條沖溝將會發生更多的淺層滑坡，很可能會暴發由淺層滑坡誘發的溝谷泥石流。

(2)通過19條沖溝地形數據和2019年5—6月兩次降雨數據，對淺層滑坡誘發溝谷泥石流降雨預報模型進行驗證，結果表明模型預報結果與實際相符，模型判據臨界值Cr取值合理，該預報模型能夠適用于三明后山沖溝泥石流預報。