北京市暴雨-突發地質災害量化關系分析

王 海 芝,許 冰,翟 淑 花,張 翊 超

(1.北京市地質災害防治研究所,北京 100120; 2.中國科學院大學,北京 100049; 3.中國科學院 地質與地球物理研究所,北京 100029)

0 引 言

北京作為中國首都,具有人口密度大與基礎設施發達的特點,因此,地質災害往往會造成巨大損失。據不完全統計,自2003年以來,北京市共發生各類突發地質災害568起,造成各類經濟損失數百萬元[1]。強降雨是突發地質災害的主要觸發因素,80%以上的突發地質災害是由暴雨激發的[2]。因此,暴雨與突發地質災害關系的研究是突發地質災害的重要研究內容。相關學者通過數值統計、實驗分析等方法研究了各個時段降雨量、雨強對突發地質災害發生的影響[2-5],提出了泥石流發生的臨界閾值[6-8]。

臨界雨量是觸發地質災害的最小降雨量或降雨強度,高于這一值時,就可能觸發地質災害,而低于這一值時,地質災害就不可能發生[2,5]。臨界雨量的確定方法概括起來可分為兩類:① 基于物理模式估計,② 基于經驗雨量模式估計。目前,國際通用的經驗模式是基于Caine[2]提出的降雨強度-持續時間模型建立和衍生而來的,即I=c+αDβ(I為降雨強度,D為降雨持續時間,c、α和β為常數)。該模型是目前應用最廣泛、研究最深入的臨界雨量厘定方法,應用范圍幾乎涵蓋了全球的各個大陸和地區[5,9-12]。此外,不同學者采用的臨界雨量降雨指標存在較大差異,常用的降雨指標可分為四大類型:① 結合具體降水事件獲得的降水測量值的臨界雨量;② 包含前期降水的臨界雨量[13-17];③ 其它臨界雨量,包括水文條件閾值[18-19];④ 降水事件-強度臨界閾值[5,20-23]。國際上多數研究和預警系統中應用的是基于降水事件獲得降水量的降雨強度-持續時間臨界雨量模型[9]。

上述研究從多個角度研究了觸發突發地質災害降雨閾值,但是對于降雨量與突發地質災害數量之間的關系研究較少。研究者在進行降雨量與突發地質災害數量統計時發現,降雨強度越大,災害次數就越多[24]。由于數據記錄缺乏完整性,對于降雨與突發地質災害之間的定量關系,目前尚未深入研究。地質災害數量是部署防災減災工作的重要依據,因此,關于降雨量與突發災害之間量的關系探討成為防災減災工作的重要突破口。

近年來,隨著突發地質災害管理工作專業化、規范化發展,降雨與突發地質災害數據完整保存了下來,為研究降雨與突發地質災害的數量關系提供了良好的基礎數據。本文以近10 a來北京市發生于2012年7月21日、2016年7月20日及2018年7月16日(以下分別簡稱“7·21”“7·20”“7·16”)3場特大暴雨及其激發的突發地質災害為研究對象,采用典型案例對比分析的方法,系統分析了3場暴雨及其激發的突發地質災害特點,初步探討了暴雨的致災能力、突發地質災害對暴雨的響應能力,建立了暴雨強度與突發地質災害數量的關系式,探索用暴雨強度指數-突發地質災害響應指數為分級依據,進行有效的防災減災部署工作。

1 研究區概況

北京市由西北部山地和東南部平原兩大地貌單元組成。山地面積10 317.5 km2,占北京市總面積的62.87%。以昌平關口為界,山區分為西部山區和北部山區。其中,西部山區屬太行山脈,是新構造運動強烈上升區,經外力長期侵蝕切割形成起伏山巒,主要由中生界、古生界和中新元古界地層組成,巖性以碳酸鹽巖、各類碎屑巖及火山巖為主,巖性堅硬,節理裂隙發育。北部山區大部分區域屬燕山山脈,以近東西向的山地為主體,主要由中上元古界沉積巖、中生界侵入巖組成,山體具有塊狀分散、地勢陡峻、起伏較大的特點。

中、低山區是突發地質災害高易發區,丘陵是中低易發區。其中,中山區主要分布于北京市北部與西部山區的邊緣地帶,面積1 041 km2,海拔高程大于1 000 m,地形高差一般在500 m以上,山勢險峻,地形坡度多大于35°。中山區山高坡陡,山體高大,阻礙氣流云團移動,迫使云團沿地形抬升,導致局部地區強暴雨的形成,是大型崩塌、滑坡及泥石流形成的重要地段。低山區廣布于北京市山區,面積4 648.1 km2,海拔500～1 000 m,地形起伏較大,平均坡度在25°左右。地形切割強烈,松散物質豐富,是突發地質災害發生的主要區域。

北京地區位于中緯度季風氣候區,多年平均降水量為420～660 mm[25](見圖1)。北京市年降水量自1951年以來整體呈減少的趨勢[26-27],但是在大氣候變暖的大背景下,極端降水事件明顯增多[28],局地或全市暴雨、特大暴雨事件時有發生。受地形影響,西部及北部山前迎風坡(密云區、懷柔區及房山區)降水明顯多于其他地區[29-30],復雜的地形地貌疊加強降雨,導致多起突發地質災害發生[31-32]。

圖1 北京市多年平均降雨量分布(單位:mm)

2 典型特大暴雨過程與激發地質災害特征

2.1 暴雨過程

2010年以來北京市發生了3場特大暴雨,分別出現在2012年7月21日,2016年7月20日與2018年7月16日。這3場暴雨均發生在“七下八上”的主汛期時段,為全市性降雨,均出現局部暴雨或特大暴雨(見圖2～5),降雨時長分別為19,55 h和58 h;場次平均降雨量分別為190.0,212.6 mm和102.9 mm(見表1)。“7·21”“7·16”對流性陣雨較“7·20”顯著,其中,“7·21”對流性最強,強降雨持續時間最長(見圖2)。“7·21”最高小時雨強為100.3 mm/h(平谷掛甲峪,2012年7月21日20:00～21:00),“7·20” 最高小時雨強56.8 mm/h(昌平花塔,2016年7月19日08:00～09:00),“7·16”最高小時雨強117 mm/h(西白蓮峪,2018年7月16日02:00～03:00)。3場降雨的降雨中心均位于山前,其中“7·21”“7·20”降雨中心位于房山區,“7·16”降雨中心位于密云區。

表1 3場特大暴雨基本特征對比

圖2 3場降雨過程雨量分布

圖5 “7·16”北京市降雨及激發突發地質災害分布示意

2012年7月21日,北京地區出現了歷史罕見的強降雨過程。主要降雨過程從7月21日10:00自西南向東北方向影響北京,結束于22日凌晨06:00,持續19 h。此次降雨過程具有雨量大、強度高、范圍廣等特點。全市平均降雨190.0 mm,城區平均降雨215.0 mm。最大累積降雨出現在房山區河北鎮,降雨量達541.0 mm,突破1951年以來氣象歷史記錄。全市累積降雨量超過100 mm的雨量站達211個,超過200 mm的雨量站96個,超過300 mm的雨量站12個。除延慶外,全市大部分地區都出現140～330 mm的大暴雨-特大暴雨,小時雨強普遍達到40～80 mm/h,峰值降雨持續時間達3～4 h。

2016年7月19日凌晨至20日夜間的強降雨過程中,主要降雨出現在19日白天和20日凌晨至夜間兩個時段,持續時間約55 h,是3場暴雨中平均降雨量最大的降雨,全市平均降雨量212.6 mm,城區平均降雨量291.0 mm,也是1963年以來場次降雨量最大的降雨過程,降雨總量超過“7·21”暴雨[33]。降雨總量的空間分布大致由西南向東北遞減。暴雨極值點均位于海拔200～400 m范圍內的山前地帶。暴雨中心出現在房山區、門頭溝區和昌平區,東偏北方向呈帶狀分布,長度近60 km。中心降雨總量350 mm以上,此次降雨過程有125個雨量站累積雨量超過250 mm,362個雨量站累積雨量超過100 mm,4個雨量站雨量超過400 mm。“7·20”暴雨呈“一小一大”雙峰雨型[34],第二個雨峰過程是主降雨過程,降雨總量達184.7 mm。

2018年7月16日的暴雨是3場降雨中持續時間最長的一次,開始于7月15日15:00,結束于18日06:00,持續時間達58 h。盡管此次降雨持續時間長,但其平均雨量是3場中最小的,全市平均降雨量為102.9 mm。最強降雨出現在15日夜間至16日上午,伴有明顯的短時強降水,暴雨區雨帶長約200 km,寬度20～70 km,最大單站累積降水量與“7·20”暴雨中心降雨量相當,為351.3 mm,出現在密云西白蓮峪。全市雨量站累積降水量超過200 mm的16個。降水主要集中在3個時段:16日凌晨至上午(00:00～05:00),16日午后至前半夜(14:00～20:00),17日早晨至上午(07:00～11:00);整體呈“三波峰”的特征,單次強降水的持續時間約4～5 h,過程兩兩間隔約13～15 h。

2.2 典型暴雨激發的突發地質災害

3場暴雨均出現了24 h降雨量超過200 mm大暴雨過程,但激發的突發地質災害類型、數量及空間分布卻存在極大的差別(見表2)。

3場暴雨激發的突發地質災害均發生于暴雨或以上落區范圍,其中,“7·21”共激發5類161處突發地質災害,數量從多到少依次為:崩塌(99處),泥石流(24處),不穩定斜坡(18處),滑坡(13處),地面塌陷(7處),其中,比較典型的有房山區河北鎮的西區溝泥石流和房山區霞云嶺鄉的魚骨寺黃臺滑坡(見圖6、7)。“7·20”激發了3類35處突發地質災害,數量從多到少依次為:崩塌(29處),泥石流(5處),滑坡(1處),其中比較典型的有房山區108國道復線崩塌和懷柔區河北鎮公路崩塌(見圖8、9)。“7·16”激發了3類23處突發地質災害,數量從多到少依次為:崩塌(18處)、不穩定斜坡(4處)、滑坡(1處)。

圖6 “7·21”房山區河北鎮西區溝泥石流

圖7 “7·21”房山區霞云嶺鄉黃臺滑坡

圖9 “7·20”懷柔區渤海鎮公路崩塌

3場暴雨激發的突發地質災害數量及類型有較大的差別,其中,“7·21”激發的突發地質災害的數量是“7·20”激發突發地質災害數量的4.6倍,是“7·16”地質災害數量的7倍。“7·21”激發了5類突發地質災害,囊括了北京市5類突發地質災害類型;“7·20”“7·16”各激發了3類突發地質災害,其中,“7·20”期間未發生地面塌陷和不穩定斜坡,“7·16”期間未發生泥石流和地面塌陷。

3場暴雨激發的突發地質災害的類型、數量與降雨量及降雨強度的空間分布高度一致(見圖3～5),均出現在降雨中心,而且隨降雨量的降低,災害類型和數量逐漸減少,表明降雨是觸發地質災害的主控因子。

各類突發地質災害發生的雨量范圍具有清晰的界線,泥石流均發生在特大暴雨落區內,滑坡、地面塌陷發生在大暴雨及以上級別的降雨落區內,崩塌、不穩定斜坡發生在暴雨及以上級別的降雨落區內,各類突發地質災害激發雨量的大小排序為:泥石流>滑坡、地面塌陷>崩塌、不穩定斜坡(見圖10～12)。

圖11 “7·20”特大暴雨激發突發地質災害分區數量柱狀統計圖

圖12 “7·16”特大暴雨激發突發地質災害分區數量柱狀統計圖

上述分析進一步表明,降雨量與突發地質災害數量高度相關,與前人的分析結果一致[26]。

3 暴雨強度與突發地質災害定量分析

3.1 暴雨強度與突發地質災害數量關系

盡管區域地質環境背景,如表層土壤類型、植被覆蓋程度以及地質地貌特征對地質災害的發生具有一定的影響,但研究表明,降水是北京地區地質災害發生的主要控制因素[35]。本次研究的數據也支持了這一結論,如房山區是“7·21”“7·20”的暴雨中心,區平均降雨量基本相同,分別為301.0 mm和301.3 mm,但2場降雨激發的突發地質災害的類型、數量卻有極大的差別(見表3),指示降水特征是地質災害發生的主要控制因子。

表3 房山區兩場降雨激發的突發地質災害統計

由表3可知,房山區2場降雨觸發的地質災害數量及類型均有較大的差別。 “7·21”激發的突發地質災害的數量是“7·20”激發突發地質災害數量的15倍,災害類型是“7·20”激發災害類型的2.5倍。對比“7·21”與“7·20”兩場降雨,整體歷時有較大差別,其中,“7·21”特大暴雨整體歷時19 h,“7·20”特大暴雨整體歷時55 h。“7·21”特大暴雨是單峰雨型,“7·20”特大暴雨是“一小一大雙峰雨型”。兩場降雨平均小時雨強分別為28.47 mm/h和7.67 mm/h,前者是后者的3.71倍(表4)。兩場降雨的主峰時段均持續7 h,主峰時段的累積降雨量分別是336 mm和242 mm(見圖13～14),分別占整場降雨量的63.98%和57.16%,平均小時雨強分別為48.0 mm/h和34.6 mm/h,前者是后者的1.39倍。兩場降雨在主峰時段均有一個3 h的強峰值時段,其中,“7·21”的強峰值時段累積降雨量為241 mm,“7·20”特大暴雨強峰值時段累積降雨量為127 mm(見圖13～14),平均小時雨強分別為80.3 mm/h和42.3 mm/h。前者是后者的1.90倍。2012～2016年的5 a間,房山區地質環境基本沒有發生變化,因此導致兩場突發地質災害巨大差別的主要原因是降雨特征。鑒于兩場降雨的總降雨量基本相同,平均雨強卻相差近4倍,進一步支持了降雨強度是觸發突發地質災害主要控制因素的判斷。

圖13 “7·21”特大暴雨強降雨時段及峰值降雨時段過程雨量分布

圖14 “7·20”特大暴雨強降雨時段及峰值降雨時段過程雨量分布

根據前人的研究,真正產生激發效應的是短歷時的雨強[20-21]。因此,“7·21”“7·20”兩場降雨激發效應最高的時段是強降雨峰值時段。 “7·21”激發的突發地質災害數量是“7·20”激發突發地質災害的15倍,佐證了場次降雨中強降雨時段的激發效應理論,而且,降雨強度與突發地質災害之間存在數量關系。

3.2 暴雨強度與突發地質災害量化方法

對于同等級暴雨,由于降雨歷時、雨型、雨強不同,激發突發地質災害的類型、數量有極大差別,應該用一個指標衡量暴雨致災能力。引入反映暴雨致災能力的概念——暴雨強度指數,由相當暴雨日數[29]與暴雨實際日數比值乘以場次降雨量:

暴雨強度指數的意義是:量化暴雨的致災能力,即暴雨強度指數越高,暴雨的致災能力就越強,激發的突發地質災害的類型以及數量就越多。根據上述概念,計算出3場暴雨的暴雨強度指數分別為:5.775,1.832,1.006。

突發地質災害對場次暴雨響應的最直觀體現是突發地質災害的數量,即突發地質災害的數量越多,表明暴雨的致災能力越強。為了量化體現突發地質災害對場次暴雨的響應能力,引入地質災害響應指數概念,將場次暴雨激發的突發地質災害的數量無量綱化處理之后的數值,定義為該場暴雨的地質災害響應指數。該指數越高,表明該場降雨激發的災害數量越多。根據上述定義,3場暴雨激發的突發地質災害的響應指數分別為:161,35,23。

3.3 暴雨強度與突發地質災害數量關系

由于暴雨強度與突發地質災害之間是正相關關系,即暴雨強度越大,突發地質災害數量就越高。為了明確二者之間具體的數量關系,將上述暴雨強度指數與突發地質災害指數在數值軟件中進行了回歸分析(見圖15)。

圖15 暴雨強度指數與突發地質災害響應指數關系曲線

綜上所述,暴雨強度指數能量化反映暴雨致災能力,突發地質災害響應指數能量化反映突發地質災害對場次暴雨響應能力。這兩個概念的引入,初步實現了暴雨強度-突發地質災害的量化表達,在暴雨-突發地質災害強度關系的研究上做出了新的探索。鑒于目前關于降雨與突發地質災害數量完整信息相對較少,上述關系式需在以后工作中繼續完善、修正。

3.4 暴雨-突發地質災害定量預警模式

目前,多利用臨界雨量閾值進行突發地質災害預警,該方法從降雨的多個角度對激發突發地質災害的閾值進行了界定[2-8],在實踐中得到了廣泛的應用。這種方法的優點是給出了突發地質災害發生的雨量激發條件,但是并未涉及到可能激發的突發地質災害數量。而突發地質災害數量通常是進行防災減災部署工作中需要參考的重要技術指標:某一地區發災數量多,則需部署的技術人員及相應的物資數量就多;反之,需要部署的人員及物資數量就少。采用暴雨強度指數作為防災減災部署依據能夠進一步提高防災減災的效率。

基于本次研究得到的暴雨強度指數以及對應的災害數量,提出了采用暴雨強度指數-突發地質災響應指數參照表(見表5)作為防災減災部署的技術參數。當預報暴雨強度指數為1,突發地質災害響應指數為20時,應急調度指數為10,此時應急部署可安排10個應急小組開展現場應急工作,每組負責2處。以此類推,有序開展現場應急工作,實現了應急部署的量化目標,大大地提高了應急工作的效率。

表5 暴雨強度指數、突發地質災害響應指數、應急調度指數對應表

4 結 論

(1) 在總雨量一致的前提下,高雨強及高雨強持續的時間是激發突發地質災害類型、數量的關鍵因素。

(2) 各類突發地質災害的激發閾值具有清晰的界線:泥石流發生在特大暴雨落區內(≥250 mm),滑坡、地面塌陷發生在大暴雨及以上級別的降雨落區內(≥100 mm),崩塌、不穩定斜坡發生在暴雨及以上級別的降雨落區內(≥50 mm),各類突發地質災害激發雨量的順序為:泥石流>滑坡、地面塌陷>崩塌、不穩定斜坡。

(3) 暴雨強度指數是量化暴雨致災能力的指標,突發地質災害指數是量化突發地質災害對暴雨響應能力的指標,暴雨強度與突發地質災害數量之間呈指數關系。

(4) 采用暴雨強度指數-突發地質災害強度指數表部署防災減災工作,能進一步提高防災減災效率。

提高防災減災效率是現代化城市安全發展的需求,本文在防災減災部署方面的量化探索,對于提高防災減災效率具有現實意義。但是由于突發地質災害規范化管理的時間較短,目前可用于量化研究的數據較少,量化的準確度和深度需要在今后的工作中進一步加強和深入。