北京市延慶區秤勾灣溝泥石流特征及預警雨量研究

梁永順，孫永彬，王瑞軍

（核工業航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

我國目前達到一定規模的泥石流溝數目超過5萬條，分布在48%的國土面積上（陳曉清等，2006）。泥石流作為我國最常見的山地災害之一，每年導致數百人死亡，造成超過10億元的直接經濟損失，給社會經濟可持續發展帶來嚴重威脅（崔鵬等，2005；李媛等，2013）。北京地區歷史上曾發生過20余次泥石流地質災害，造成500余人傷亡和重大財產損失（韋京蓮等，1994a）。

泥石流災害調查與防治研究逐步向科學化、精細化、規范化發展。目前，韋京蓮等多位學者開展了泥石流溝域形成特征、發育規律、臨界雨量、預警模型研究（韋京蓮等，1994b；涂劍等，2017；張熠昕等，2018）；多名學者利用神經網路、虛擬現實等技術在泥石流監測、預警系統、防災避險等方面開展了應用研究，為泥石流防治開創了新的思路和方法（唐邦興和吳積善，1990；白利平等，2008；涂劍等，2017；黎厚富，2018；王猛等，2018）；許多學者采用統計分析手段研究降水和泥石流事件之間的經驗關系（薛建軍等，2005；劉傳正和劉艷輝，2007；劉艷輝等，2015）；賀拿等（2013）針對泥石流啟動機制開展了野外觀測、實驗及理論研究；康志成等（2004）開展了中國泥石流啟動形成機理研究；戚國慶和黃潤秋等（2003）基于非飽和土力學理論，對降雨型泥石流的啟動機理進行了研究。

本文是在諸多學者研究成果基礎上，開展北京市延慶區秤勾灣溝域的泥石流特征及預警雨量研究，通過分析流域范圍內地質環境特征、流域特征、物源特征、降水特征，全面深入掌握泥石流災害地質背景條件、分布及發育特征、發生發展規律，科學評價研究其預警雨量閾值，進一步提出防治措施建議，科學精準防治泥石流災害。

1 流域概況

延慶區位于北京市西北部，東臨昌平，西臨河 北，東 經115°04.03′～116°34.01′，北 緯40°16.02′～40°47.03′，全區面積1995.86 km2。該區地勢北東高、南西低，山區、淺山區溝谷隨時間推移，切割不斷增強，受區域地質環境和地形地貌影響，長期受泥石流地質災害的威脅。

秤勾灣溝位于珍珠泉鄉，距延慶城區40 km，流域平面形態呈近似“扇葉形”、“V”形谷。流域自南東向北西展布，三面環山，溝谷較寬緩，面積6.12 km2。主溝起點位于北西側坡頂，高程1023 m，溝道縱長5.7 km，寬3～12 m，高差521 m，平均縱坡降110‰；出露地層為侏羅系后城組安山角礫巖、髫髻山組安山角礫巖；白堊系凝灰巖、石英粗面巖和第四系沖洪積層；松散巖類孔隙水分布于卵石土層中，導水性好，主要補給來源為降雨和季節性流水；流域內耕地廣布，分布在中下游；溝口處削坡建房，溝道改造嚴重；溝口堆積區物源為粉質粘土，松散，暴雨季節該類松散堆積物源隨水流排泄，易形成泥石流災害。

2 泥石流特征

2.1 降水特征

據延慶區降雨資料顯示：區內多年的平均降水量為446 mm（圖1），降水量在空間分布上不均勻，呈東側多西側少、山區多平原少總體特征。

圖1 延慶區多年降雨量柱狀圖

降水量存在時間分配上不平衡，每年6月至9月的汛期降水量約占全年總降水量的80%以上。暴雨集中在6月至7月，一次連續最大降雨量為258.7 mm。歷時短、強度高的典型集中性強降雨，極易引發泥石流地質災害的發生。

2.2 分區特征

（1）形成區特征：形成區位于秤勾灣溝南東側（圖2），沿主溝和北東向、南西向支溝形成扇形補給，面積為3.14 km2，形成區發育12條支溝，呈樹枝狀分布，“V”型谷，交匯于南東向-北西向主溝，支溝兩側山體切割強烈，溝道底部寬度5～15 m，支溝平均縱坡降210.26‰，溝道兩側斜坡面坡度30°～50°，植被覆蓋度75%。支溝溝道和斜坡面第四系殘坡積物源發育，強降雨過程中將迅速匯入主溝溝道中，該區內物源厚0.5～2.3 m，補給量占流域總補給量的85%。

圖2 秤勾灣村泥石流溝道分布及分區圖

（2）流通區特征：流通區位于秤勾灣溝中下游，面積2.42 km2，溝道平均坡降102.26‰，“V”型谷，溝道底部寬10～20 m，溝道兩側斜坡面坡度20°～45°，為各支溝的匯水區域，溝道匯水區域集中。各支溝和坡面的物源流通量占溝域總流通量的90%，流動過程中能量和流量不斷加大，沿程侵蝕物源，形成泥石流。

（3）堆積區特征：堆積區位于秤勾灣溝溝口，溝道形態呈拓寬型“U”型谷形態，平均坡降21.65‰。溝域各支溝上游坡降較大，流體流速快，物源較多，在此區域堆積，形成泥石流堆積區域，秤勾灣村民房、公路和壩階地集中分布。

2.3 流域特征

秤勾灣溝泥石流溝域三面環山，溝谷較寬緩，無嚴重堵塞情況，利于水流匯集，發育15條主支溝，V字型，下游匯合后，沿下方沖溝排泄。溝谷流通區多呈下切現象，表層松散碎屑物較多，碎石土和粉質粘土為主，斜坡面堆積物分布，斜坡較緩植被覆蓋強。溝道多被改為壩階地，堆積物為粉質粘土，結構松散，易啟動。

2.4 物源特征

秤勾灣溝總體植被發育，生態環境好，水土流失弱，溝域內發育的物源主要包括沖洪積堆積物、殘坡積堆積物和人工堆積3種松散堆積物補給來源（圖3）。

經統計分析：流域內松散堆積物源靜儲量為166.92×104m3，原始溝道極不平整，多條支溝、主溝的溝道凹凸不平，以致泥石流流通運移過程中存在“鋪床效應”，經分析，流域內松散堆積物動儲量為69.18×104m3。

（1）沖洪積堆積物：成分為碎石土和粉質粘土，溝道沖洪積成因類型，集中分布在堆積區和流通區（圖3a），物源寬6～12 m，厚1.5～2.5 m，平均厚0.8 m，塊石直徑0.1～0.2 m，平均粒徑0.1 m，物源總量51.34×104m3，可參與泥石流活動的物源量為17.08×104m3。

圖3 秤勾灣村泥石流隱患松散堆積物分布圖

（2）殘坡積松散物：成分為碎石、塊石、碎石土等第四系的殘坡積物，集中分布在各支溝和主溝兩側斜坡面（圖3b），分布廣泛，厚0.1～0.5 m，平均0.2 m，塊石直徑0.1～0.5 m，平均粒徑0.2 m，物源總量28.62×104m3，可參與泥石流活動的物源量為10.8×104m3。殘坡積松散物發育在坡體土體厚度較厚且缺乏足夠的前期降雨，坡腳臨空條件較好，坡面呈上陡下緩（唐紅梅等，2014）。

（3）人工堆積物：人類活動壩階地堆積物，集中分布在堆積區中下游及溝口（圖3c），地形坡度緩，厚1.0～3.0 m，平均1.5 m，物源總量8.69×104m3，可參與泥石流活動的物源量為4.13×104m3。

3 泥石流溝危險性評價分析

3.1 評價指標的選取

泥石流具有高重度、高級配、高黏性等性質，是一種破壞力極強的非均質流體（茍印祥，2012），結合形成泥石流3個不可或缺的條件：①惡劣的地形地貌條件；②豐富的固體松散物質條件；③強降雨。本次綜合考慮評價因子的全面性和代表性，選取地質因素、地形因素、激發因素和植被因素4個因素作為一級指標。并選取松散堆積物儲量、山坡平均坡度、流域面積、流域相對高差、主溝長度、年平均降雨量和植被覆蓋率共7個因素作為二級評價指標（圖4）。

由于地質條件組合最終效果是為泥石流的松散堆積物貢獻，所以本次評價直接選用松散堆積物儲量這一評價指標，提高了評價指標的準確性，為泥石流溝單溝危險性評價提供了更加準確的數據基礎。

3.2 評價權重確定與等級劃分

本次研究選擇采用灰色系統關聯度方法來計算因子的權重。灰色系統理論中由關聯度大小排列而成的關聯序不因分辨系數、無量綱化和參考點的位置變化而變化，根據這一特性確定次要因子的關聯序，并從關聯度最小的因素開始給定起始權數作為公差依次以等級數向關聯度變大的方向遞增權重。

采用對稱不等分間隔的三級分割法劃分各因子的等級，結合該因子權重賦予各等級得分。最后將各因子得分相加得到綜合得分根據危險程度等級評定單溝的危險度，從而建立危險因素取值與危險程度評定模型（表1）。最后將各因子得分相加得到綜合得分根據危險程度等級評定單溝的危險度。

表1 北京延慶地區泥石流危險因素取值與危險程度評定表

3.3 危險性評價結果

綜合分析得出秤勾灣泥石流溝危險性評價因子數據。其中，v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7分別代表松散物儲量（×104m3）、年平均降雨量（mm）、主溝長度（km）、流域面積（km2）、植被覆蓋率（%）相對高差（m）和山坡平均坡度（°）的量化值。本次研究針對該溝域進行了單溝危險性評價，評價結果為高危險。

4 預警雨量閾值研究

4.1 模型建立

韋方強等（2004）將泥石流預報按不同的依據進行了分類，本次預警模型研究是在不同危險性泥石流災害隱患預警雨量閾值的基礎上，利用3S技術為平臺，進行規則格網量化處理，依據溝道的具體實際情況對整個溝域主溝與支溝交匯處進行劃分，模擬不同等級的降雨過程，計算各分區匯水處的累計流量，確定各區域的雨量狀態，實現在溝域內的分區預警。

以規則格網表示的數字地面高程模型每點處的單位水量，由于自然水流從高處流往低處的自然規律，根據區域地形的水流方向數據計算每個規則格網處所流過水量的數值，進而得到該區域的匯流累積量。通過設置每個規則格網的面積，確定流域的匯流累積量區間規則格網個數，選取溝道內關鍵位置，確定位置上游處的匯流累計量和泥石流發生時的激發雨量，得到確定溝域內的泥石流爆發值。

本次研究將秤勾灣溝分成1 m×1 m的網格，每個網格最大吸水量為降雨減去雨水的損失量，即在一定的降雨時段，溝道與坡面沒有雨水的流動，隨著持續的強降雨不斷匯入流域內，當坡面達到飽和時，雨水沿溝道和坡面流出，在不同的坡度、土質類型、植被覆蓋、溝道與坡面長度及徑流產生前的植被殘留等因素影響，水體的流速和匯流時間出現較大的差異，所以不同溝域地形特征、降雨條件、植被類型、巖土體類型等因素更加準確的評估預警流量。

本次研究在對泥石流溝獲取危險性評價結果的基礎上，根據評價結果及近些年該區域發生泥石流過程雨量及小時最大雨量的臨界值，統計計算不同危險性泥石流預警雨量閾值（表3）。

表2 北京延慶地區秤勾灣泥石流溝危險等級評價結果表

表3 不同危險性泥石流溝預警雨量閾值

該研究選取美國農業部水土保持局（USDA）開發的URCS-CN模型（Wilner，2019）：

公式（1）中，Q—實際徑流量（mm）；P—一次降雨過程的總量（mm）；S—為徑流產生前植物截留、初滲和填洼構成集水區的初損（mm），而潛在最大入滲量的計算涉及泥石流流域CN值的確定。

公式（2）中，S—為徑流產生前植物截留、初滲和填洼構成集水區的初損（mm），CN值是流域中各子單元前期土壤濕潤程度、坡度、土壤類型及土地利用的函數；從理論上講，CN的取值介于0～100之間，但在實際環境條件下，CN值小于30的情況不可能發生，同樣CN值大于100是不可能出現，因此，CN值通常只在30～100之間變化（王紅雷等，2012）。CN值越大，徑流深也越大，意味著降雨量轉化為徑流量越多，間接反映了流域各子單元的產流能力。

CN值主要是由流域下墊面土地利用類型、土壤類型、植被覆蓋類型、前期土壤濕度（AMC）以及管理狀況和水文條件等所決定的，利用GIS等技術手段可以根據土壤水分的最小滲透率或土壤質地將土壤數據劃分為A、B、C、D等4組水文土壤類型（表4）。

表4 四種不同土壤水文組合類型特征統計（李文耀等，2020）

4.2 預警雨量閾值研究

經評價分析，秤勾灣溝屬高危險泥石流溝，紅色預警過程雨量122 mm、橙色預警過程雨量109 mm、黃色預警過程雨量95 mm、藍色預警過程雨量82 mm。

秤勾灣泥石流溝分為6190個網格，在溝域典型區選取3個位置進行分區，分別劃分為一區、二區、三區，進行預警雨量閾值的計算，一區的網格數為390個，二區的網格數為1100個，三區的網格數為4700個。

本次計算根據延慶地區對泥石流溝危險性預警分級設定的過程雨量作為計算時的過程雨量，假設降雨持續時間為5小時，依據URCS-CN模型對溝域內溝道與坡面的流速、匯入時間及凈流量進行計算。

秤勾灣溝在10 min、20 min、30 min、60 min時，雨水流入下墊層和殘留在植被中，溝域內無凈流流出，當在120 min、200 min、240 min、300 min時凈雨量分別為1.87 mm、15.85 mm、26.52 mm、45.82 mm，依據URCS-CN模型對溝域內溝道與坡面的流速、匯入時間及凈流量進行計算（圖5、表5～8）。

圖5 秤溝灣溝不同過程雨量下各分區閾值流量散點圖

表5 120 min各分區的凈雨量統計

經計算，秤勾灣溝相同分區內流速及匯流時間隨著過程雨量的增加而增加，但閾值流量變化較小，說明過程雨量對于個分區的閾值雨量影響較小，故各區預警閾值量以三組過程雨量的平均值進行確定。

表6 200 min各分區的凈雨量統計

表7 240 min各分區的凈雨量統計

表8 300 min各分區的凈雨量統計

分區雨量研究結果：形成區紅色預警過程雨量1532.34 mm、橙色預警過程雨量1379.11 mm、黃色預警過程雨量1225.87 mm、藍色預警過程雨量1072.64 mm；流通區紅色預警過程雨量1015.25 mm、橙色預警過程雨量913.73 mm、黃色預警過程雨量812.20 mm、藍色預警過程雨量710.68 mm；堆積區紅色預警過程雨量820.26 mm、橙色預警過程雨量738.24 mm、黃色預警過程雨量656.21 mm、藍色預警過程雨量574.18 mm（圖6）。

圖6 各分區累計降雨量與預警等級關系（圖6a,c,e）及不同預警等級短時強降雨與長時弱降雨散點圖（圖6b,d,f）

秤勾灣溝累計流量與預警流量呈線性關系，前期有效降雨與短時強降雨呈彼增我減的態勢，紅色預警范圍左側為泥石流災害的低頻區，紅色預警范圍為泥石流災害的高頻區。

5 防治措施建議

秤勾灣溝物源集中在各主支溝溝道的形成區。建議采用溝道物源穩固和清理相結合的綜合治理措施。

主要防治措施包括：①對各支溝溝道中上游發育的溝道沖洪積物、坡面殘坡積物和主溝道內的沖洪積物和人工堆積物源進行清理和穩固，減少溝道堵塞程度，達到及時清淤及縮減泥石流危害范圍的目的；②加強溝域植被保護和和水土保持，減少泥石流活動物源，對村民進行避險培訓及撤離演練，設立專人定時對溝域進行巡查，并記錄溝道內切淤情況，安裝和定期檢查相應的泥石流監測設備。

6 結論

（1）秤勾灣溝內可參與泥石流活動的物源動儲量為32.01×104m3，其中，沖洪積堆積物17.08×104m3，殘坡積堆積物10.8×104m3，人工堆積物4.13×104m3，采用灰色系統關聯度方法開展危險性評價得出：危險性綜合評分0.84，危險性評價等級為高危險。

（2）利用URCS-CN預警雨量模型開展閾值研究，結果表明：形成區紅色預警過程雨量1532.34 mm、橙色預警過程雨量1379.11 mm、黃色預警過程雨量1225.87 mm、藍色預警過程雨量1072.64 mm；流通區紅色預警過程雨量1015.25 mm、橙色預警過程雨量913.73 mm、黃色預警過程雨量812.20 mm、藍色預警過程雨量710.68 mm；堆積區紅色預警過程雨量820.26 mm、橙色預警過程雨量738.24 mm、黃色預警過程雨量656.21 mm、藍色預警過程雨量574.18 mm。累計流量與預警流量呈線性關系，前期的有效降雨與短時強降雨呈彼增我減的態勢。

（3）防治建議：秤勾灣溝物源集中在各主支溝溝道的形成區，建議采用溝道物源穩固和清理相結合的綜合治理措施。