浙東南山丘區(qū)泥石流爆發(fā)的臨界雨量分析

王一鳴，袁民豪，殷坤龍，龔新法

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074；2.浙江省第十一地質(zhì)大隊(duì)，浙江 溫州 325006）

0 引言

浙東南山區(qū)山地多、平地少（圖1），素有“八山一水一分田”之稱(chēng)，山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展很大程度上受到地質(zhì)災(zāi)害的控制。泥石流作為一種主要的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型，同時(shí)也是一種特殊洪流，具有爆發(fā)突然、運(yùn)動(dòng)快速，歷時(shí)短暫等特點(diǎn)，往往在臺(tái)汛期受臺(tái)風(fēng)暴雨誘發(fā)，對(duì)山區(qū)（尤其是溝谷地帶的）的村鎮(zhèn)構(gòu)成直接威脅。例如2004年8月，第14號(hào)臺(tái)風(fēng)“云娜”在溫嶺市石塘鎮(zhèn)登陸后橫掃樂(lè)清市北部山區(qū)，其帶來(lái)的強(qiáng)降雨引發(fā)了包括龍西鄉(xiāng)上山村泥石流、仙溪鎮(zhèn)石壁巖村泥石流等在內(nèi)的群發(fā)性泥石流地質(zhì)災(zāi)害，造成42人死亡或失蹤的重大災(zāi)難［1－2］。

浙東南山區(qū)泥石流類(lèi)型較為單一，主要以自然形成，中、小規(guī)模，低頻率，雨源型的稀性崩滑型水石流為主，目前已發(fā)生泥石流多達(dá)175處，分布密度為1.5條/（100km2）。

1 泥石流形成條件

1.1 物源條件

對(duì)浙東南山區(qū)而言，泥石流物源主要包括溝源地帶的啟動(dòng)物源（包括崩塌、滑坡和泥石流等）和沿溝松散物質(zhì)（殘坡積、坡洪積物和歷史泥石流堆積物）作為補(bǔ)充物源。

（1）啟動(dòng)物源

浙東南山區(qū)的泥石流以崩滑型為主。據(jù)調(diào)查，浙東南山區(qū)絕大多數(shù)泥石流溝的中上游都存在滑坡、崩塌或坡面泥石流?；潞推旅婺嗍饕话闶巧襟w淺表松散層（殘坡積層和坡洪積層）沿一定的地質(zhì)界面（如風(fēng)化界面、土巖分界面）發(fā)生的失穩(wěn)，其中尤以高位滑坡或坡面泥石流更具破壞性，因?yàn)槠渚哂懈邉?shì)能釋放條件，向下游的鏟刮動(dòng)能更大、更迅猛。

（2）補(bǔ)充物源

主要指沿溝松散物質(zhì)（包括殘坡積、坡洪積物和歷史泥石流堆積物等），一般堆積于陡緩斜坡交界點(diǎn)以下的緩斜坡處，成因一般為洪水或泥石流物質(zhì)運(yùn)動(dòng)到緩斜坡后由于坡度變緩，阻力增大而停積于溝道或谷底。這類(lèi)物質(zhì)由于堆積歷史較短（一般為 Q4），且經(jīng)常遭受水流沖刷而膠結(jié)較弱，堆積較松散，一旦遇到上游泥石流的鏟刮，容易被掀起并加入泥石流體，壯大泥石流規(guī)模，成為泥石流的補(bǔ)充物源。

1.2 地形條件

浙東南山區(qū)的地貌單元屬浙南中山區(qū)和浙東南沿海丘陵和島嶼區(qū)，以斷塊中、低山和侵蝕剝蝕丘陵為主。區(qū)內(nèi)的泥石流溝谷多以大比降小型沖溝居多。

浙東南山區(qū)泥石流溝主要為兩類(lèi)流域形狀，漏斗形和長(zhǎng)條形，這兩類(lèi)地形溝谷較順直且利于匯水。漏斗形溝谷中上游往往發(fā)育多條小支溝，各支溝的洪峰容易在中下游主溝交匯，因而其固體物質(zhì)搬運(yùn)能力遠(yuǎn)大于一般的溝谷，而長(zhǎng)條形溝谷往往溝道狹窄，縱向比降大，容易形成湍急的水流，侵蝕能力強(qiáng)。

總之，區(qū)內(nèi)溝谷泥石流一般分布于小流域主溝兩側(cè)的大比降支溝，坡面泥石流一般分布于陡斜坡的負(fù)地形上。

圖1 浙東南山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布圖Fig.1 Geologytectonicdistributionin mountainsofsoutheastZheJiangProvince

1.3 降水條件

區(qū)內(nèi)泥石流均為暴雨型泥石流，降水條件與泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)關(guān)系極為密切。

區(qū)內(nèi)的降水條件對(duì)泥石流的形成作用主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：（1）空間分布的不均勻性控制著泥石流的發(fā)生區(qū)域。降水空間分布具有山區(qū)大于平原，迎風(fēng)山坡大于背風(fēng)面，且隨著海拔高度增加而遞增的特點(diǎn)；（2）降水時(shí)間分布的不均勻性控制著泥石流的發(fā)生時(shí)間。降水時(shí)段集中，區(qū)內(nèi)降水多集中在5、6月梅雨和8、9月份的臺(tái)風(fēng)暴雨期，為兩個(gè)降水高峰期（研究區(qū)泥石流爆發(fā)周期與臺(tái)風(fēng)影響周期相對(duì)應(yīng)，8、9月份爆發(fā)的泥石流占總數(shù)的91.6％），而且短歷時(shí)強(qiáng)降雨量較大。這兩個(gè)特點(diǎn)導(dǎo)致土體在多雨季節(jié)經(jīng)常處于飽和狀態(tài)。在暴雨，尤其是強(qiáng)度大的局地暴雨到來(lái)時(shí)，土體因早已飽和而滲透性很差，絕大部分降水形成地表徑流，既為泥石流形成提供豐富的水體成份，又為泥石流形成提供強(qiáng)大的水動(dòng)力條件，激起泥石流的爆發(fā)。

2 泥石流基本特征

2.1 形成方式

本區(qū)泥石流形成方式屬土動(dòng)力啟動(dòng)模式，其特征為由高位山坡的各種地貌形態(tài)上的松散土石體，隨著含水量的增加，強(qiáng)度降低，開(kāi)始起動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)，土石體擾動(dòng)，直至形成泥石流。根據(jù)啟動(dòng)物源位置的不同可將其分為以下兩類(lèi)：

2.1.1 谷坡物質(zhì)滑塌或谷坡受侵蝕轉(zhuǎn)化為溝谷泥石流

這類(lèi)泥石流主要發(fā)生在溝床比較陡峻、山坡或谷坡坡度大、山坡上多數(shù)地段有殘坡積物存在，殘坡積物在前期降雨的滋潤(rùn)下，已處于飽和狀態(tài)，在稀遇特大暴雨的作用下，坡面負(fù)地形處形成強(qiáng)大的地表徑流沖擊這些松散土石體，形成坡面泥石流，失穩(wěn)物質(zhì)在向溝底運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不斷鏟刮和卷入沿程殘坡積物，使坡面泥石流規(guī)模不斷擴(kuò)大。有的坡面泥石流在溝底形成堆積錐或微型堆積扇，有的進(jìn)入溝谷成為溝谷泥石流的一部分。由于溝岸多處坡面泥石流匯入主溝，為溝谷泥石流的形成提供了較充足的啟動(dòng)物源，并在隨洪水沖刷運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷鏟刮沿途溝道，補(bǔ)充物源，形成溝谷泥石流。

2.1.2 溝源地帶滑坡或泥石流啟動(dòng)形成溝谷泥石流

另一類(lèi)土動(dòng)力啟動(dòng)模式為溝源地帶的重力侵蝕成為泥石流啟動(dòng)物源，這一類(lèi)在區(qū)內(nèi)比較普遍。由地形地貌的特點(diǎn)決定，區(qū)內(nèi)沖溝上游溝源地帶的斜坡往往坡度較陡，并覆蓋有一定厚度的殘坡積等松散碎屑物。在特大暴雨的激發(fā)下，容易形成小型滑坡或坡面泥石流，一旦此類(lèi)重力侵蝕發(fā)生于一定高程以上，成為高位滑坡或坡面泥石流，則向中下游溝谷的鏟刮會(huì)使得下方緩坡區(qū)的溝槽物質(zhì)（此類(lèi)堆積物為此前各次小規(guī)模失穩(wěn)的物質(zhì)堆積于緩坡區(qū)形成，在含水量不大的狀態(tài)下一般比較穩(wěn)定，即使山洪也較難沖刷啟動(dòng)）被大量掀揭、沖刷、搬運(yùn)，并隨土石和水流的混合物質(zhì)一齊運(yùn)動(dòng)，這一連鎖反應(yīng)一旦形成或者形成循環(huán)，則固相的土石體在和洪水混合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)逐漸向液相的黏彈性體變化，形成泥石流體。

值得一提的是，沿某個(gè)薄弱點(diǎn)的破壞必須要在一定的高程上，只有這樣才有充足的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，才可能有足夠的能量掀揭溝床物質(zhì)。因此，只有溝源、溝岸的高位地帶形成滑坡、坡面泥石流、崩塌等，才能啟動(dòng)整個(gè)溝谷泥石流的形成，這也是同樣降水、地形、地質(zhì)條件下，僅有一部分溝谷會(huì)爆發(fā)泥石流災(zāi)害的原因，同時(shí)也是本區(qū)泥石流低頻的重要原因。例如2004年8月13日特大暴雨引發(fā)永嘉鶴盛爐山等幾條溝谷發(fā)生泥石流，而其他相似地形、地質(zhì)條件的溝谷未發(fā)生泥石流。

2.2 侵蝕特征

泥石流具有較強(qiáng)的侵蝕能力，主要表現(xiàn)為兩種侵蝕方式。

2.2.1 坡面侵蝕作用

主要指在綿雨或暴雨洪水的共同參與下，山坡上的殘坡積等松散碎屑物質(zhì)，以重力為先導(dǎo)，以淺層滑坡或坡面泥石流為失穩(wěn)方式，形成的一種侵蝕類(lèi)型。由于坡面泥石流活動(dòng)的結(jié)果，使山坡遭受大面積強(qiáng)烈侵蝕，使流域變得千瘡百孔，形成大量松散碎屑物質(zhì)。這是區(qū)內(nèi)最普遍的一種侵蝕方式，已經(jīng)發(fā)生的泥石流溝基本上都存在坡面侵蝕。

2.2.2 溝谷侵蝕作用

指溝源谷坡坡面泥石流、滑坡向下沖擊過(guò)程中和暴雨洪水混合形成泥石流后，大量溝床堆積物被泥石流鏟刮、攪拌、翻卷、裹挾而下，使溝谷強(qiáng)烈下切的侵蝕作用。

如2004年8月13日，龍西鄉(xiāng)上山村暴發(fā)泥石流時(shí)，其西部支溝的溝床堆積物被泥石流洗劫一空，溝底多處暴露出基巖（圖2）。從動(dòng)力機(jī)制而言，溝蝕是以水動(dòng)力和溝源坡面泥石流的沖擊力為先導(dǎo)，松散碎屑物質(zhì)的重力為主力而共同作用形成的侵蝕類(lèi)型。區(qū)內(nèi)溝谷泥石流都存在這種侵蝕方式。

這兩類(lèi)侵蝕方式均具有較強(qiáng)的侵蝕能力，對(duì)泥石流流域范圍的表層坡體破壞較大。

圖2 龍西鄉(xiāng)仙人坦泥石流下游溝道侵蝕演變示意圖Fig.2 SchemesofthechangeasthechannelwaserodedbytheXianRenTandebrisflowinLongXitownship

2.3 堆積特征

泥石流堆積物是泥石流活動(dòng)的記錄，它是判斷泥石流性質(zhì)、規(guī)模和破壞強(qiáng)度的明顯標(biāo)志，是泥石流活動(dòng)的“啞證”。

2.3.1 宏觀堆積特征

平面上，堆積物形狀往往呈扇形、掃帚形，整體呈扇狀散開(kāi)，頂部較平坦，前緣和兩側(cè)呈陡坎。由于受物源影響，堆積物顆粒粗大的泥石流，其扇形堆積特征明顯；堆積物顆粒較小的泥石流，其堆積特征和洪積物類(lèi)似，縱、橫坡都較平緩。值得注意的是，由于后期人工改造，目前這類(lèi)堆積扇微地貌大多被人工修整為梯田，局部甚至作為居民地。例如永嘉縣西源鄉(xiāng)梅坦村南、西溪中游，樂(lè)清市龍西鄉(xiāng)仙人坦、上山村等沖溝，其泥石流堆積扇均較為完整。由于區(qū)內(nèi)大部分泥石流溝谷流域面積小，總體物源較少，規(guī)模小，間歇期長(zhǎng)，泥石流大部分堆積于中下游溝道，出溝口即停，其堆積扇很不發(fā)育，航片和地形圖中均無(wú)法看出。

2.3.2 內(nèi)部堆積特征

（1）物質(zhì)結(jié)構(gòu)上，泥石流堆積剖面上堆積物呈現(xiàn)大、小塊石混雜，細(xì)顆粒物質(zhì)較少，膠結(jié)弱，無(wú)分選性，結(jié)構(gòu)雜亂，個(gè)別表現(xiàn)出上粗下細(xì)的反韻律特征，一般認(rèn)為是由于下部細(xì)粒物質(zhì)浮托著上部巨石運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。值得一提的是在有的堆積體上既有泥石流堆積又有洪水堆積的特征。

（2）堆積期次上，具有一定厚度的泥石流堆積物，其堆積剖面上從上至下，按照其所處的位置和堆積塊石的風(fēng)化程度的不同，一般大致可以分出現(xiàn)代泥石流、老泥石流和古泥石流。按地質(zhì)時(shí)代又可分為全新世、晚更新世、中更新世三個(gè)期次（圖2）。

3 泥石流臨界雨量分析

3.1 泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)思路

泥石流災(zāi)害預(yù)報(bào)不外乎三種思路［3］：一類(lèi)是以?xún)?nèi)因分析為主的思路；一類(lèi)是以外因分析為主的思路；還有一類(lèi)是以監(jiān)測(cè)為主的思路。以?xún)?nèi)因分析為主的方法工作量較大，而且效果不很明顯；以監(jiān)測(cè)為主的方法不適宜爆發(fā)突然、成災(zāi)過(guò)程短的泥石流災(zāi)害，且不易實(shí)現(xiàn)。第二種方法，即以外因（主要是降雨）分析為主的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，是一種具有可操作性的方法，本區(qū)適合采用基于區(qū)域臨界雨量組合的泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)方法。

3.2 臨界雨量組合的確定

誘發(fā)泥石流的降雨既需要一定的前期降雨量來(lái)充分浸潤(rùn)溝谷流域的巖土體，又需要有一定的短歷時(shí)強(qiáng)降雨來(lái)激發(fā)溝谷流域巖土體失穩(wěn)，因此泥石流臨界雨量值不是單個(gè)界限閥值可以確定的。臨界雨量基準(zhǔn)值應(yīng)該是短歷時(shí)雨強(qiáng)或前期累積雨量的某種組合，即二者達(dá)到某種數(shù)量關(guān)系的情況下，才會(huì)激發(fā)泥石流。下面在分析研究區(qū)四次集中爆發(fā)泥石流的強(qiáng)降雨數(shù)值的基礎(chǔ)上，得出本區(qū)臨界雨量的基準(zhǔn)值。

3.2.1 降雨資料收集

本次主要收集了研究區(qū)四次爆發(fā)群發(fā)性泥石流時(shí)的降雨資料，分別為1990年9月4日17號(hào)臺(tái)風(fēng)、1999年9月4日暴雨，2004年8月14日“云娜”臺(tái)風(fēng)暴雨和2005年9月1日“泰利”臺(tái)風(fēng)暴雨，這四天總共發(fā)生泥石流99處，占本區(qū)已發(fā)生泥石流總數(shù)的76.7％。選取這四次強(qiáng)降雨時(shí)段有代表性的雨量站進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1）。

表1 浙東南山區(qū)泥石流爆發(fā)區(qū)域降雨特征值表Table1 Rainfallcharacteristicvaluesintheareas thatdebrisflowoccurinmountainsof southeastZheJiangProvince

3.2.2 確定臨界雨量值

代表雨量站分為兩類(lèi)：一類(lèi)雨量站周邊在強(qiáng)降雨期發(fā)生了泥石流，這說(shuō)明其周邊山區(qū)存在易發(fā)生泥石流的溝谷，而且其降雨量組合已超過(guò)了泥石流基準(zhǔn)雨量組合值（表1）；另一類(lèi)雨量站周邊在強(qiáng)降雨期無(wú)泥石流發(fā)生，可能有兩種情況，一是降雨組合未超過(guò)泥石流基準(zhǔn)雨量值，二是降雨組合已超過(guò)基準(zhǔn)雨量值，但周邊不存在易發(fā)生泥石流的溝谷。

分別將這兩類(lèi)代表雨量站的降雨組合（以1h雨量雨強(qiáng)（H1）作為縱坐標(biāo)、以24h雨強(qiáng)（H24）作為前期降雨實(shí)效雨量作為橫坐標(biāo)）投射到坐標(biāo)軸上，可得到泥石流臨界雨量基準(zhǔn)值確定圖［4］。由圖3可以定出激發(fā)泥石流和不激發(fā)泥石流的降雨分界線(xiàn)（臨界雨量基準(zhǔn)線(xiàn)），此線(xiàn)為一折線(xiàn)，當(dāng) H24＜375mm時(shí)，該線(xiàn)的表達(dá)式為 H1=－0.28H24+155；當(dāng) H24≥375mm時(shí)，該線(xiàn)的表達(dá)式為H1=60mm。該線(xiàn)即為泥石流發(fā)生的危險(xiǎn)基準(zhǔn)線(xiàn)，分界線(xiàn)右上側(cè)為發(fā)生泥石流的危險(xiǎn)區(qū)域，左下側(cè)為安全區(qū)。

3.3 泥石流臨界雨量組合的應(yīng)用

利用泥石流臨界雨量基準(zhǔn)值圖（圖3），就可在實(shí)際中利用臨界雨量組合實(shí)現(xiàn)研究區(qū)泥石流的臨災(zāi)預(yù)報(bào)（短期預(yù)報(bào)）。主要分為以下幾步：

3.3.1 收集實(shí)時(shí)降雨資料

在臺(tái)風(fēng)暴雨或強(qiáng)降雨過(guò)程中，收集各重點(diǎn)雨量站的實(shí)時(shí)降雨信息（尤其是泥石流隱患溝分布較集中的地帶，如樂(lè)清北部山區(qū)等），隨時(shí)監(jiān)測(cè)更新。

圖3 泥石流臨界雨量基準(zhǔn)值Fig.3 Benchmarkcriticalrainfallofdebrisflow

3.3.2 繪制實(shí)時(shí)雨量組合曲線(xiàn)

以24h雨強(qiáng)為橫坐標(biāo)，1h雨強(qiáng)為縱坐標(biāo)，在圖3上作各個(gè)雨量站的實(shí)時(shí)雨量組合曲線(xiàn)（圖4）。

3.3.3 泥石流災(zāi)害預(yù)警

降雨量組合實(shí)時(shí)曲線(xiàn)隨著降雨量變化有不同的形態(tài)，大部分降雨組合曲線(xiàn)不會(huì)達(dá)到圖3中的危險(xiǎn)區(qū)（大部分情況，如圖4中的 b線(xiàn)），這表示該雨量站所屬山區(qū)一般不會(huì)爆發(fā)泥石流，不必要發(fā)出泥石流災(zāi)害警報(bào)。但在遭遇罕見(jiàn)大暴雨時(shí)，降雨曲線(xiàn)是很有可能達(dá)到甚至穿越臨界雨量基準(zhǔn)線(xiàn)的。當(dāng)出現(xiàn)此類(lèi)情形（如圖4中的 a線(xiàn)）時(shí)，則表示該雨量站所屬山區(qū)的泥石流隱患溝很可能會(huì)爆發(fā)泥石流，必須發(fā)出泥石流災(zāi)害警報(bào)。

3.3.4 泥石流臨界雨量基準(zhǔn)線(xiàn)的修正

雨量組合曲線(xiàn)達(dá)到圖4中的危險(xiǎn)區(qū)并不意味著泥石流必然爆發(fā)，這與該區(qū)域溝谷的泥石流易發(fā)程度也有關(guān)。由于圖3主要基于本區(qū)的四次強(qiáng)降雨引發(fā)泥石流資料，樣本較少，對(duì)于一些異常事件（如雨量組合曲線(xiàn)達(dá)到泥石流危險(xiǎn)區(qū)但未發(fā)生泥石流或者雨量組合曲線(xiàn)未達(dá)到危險(xiǎn)區(qū)即出現(xiàn)了泥石流的情況），需要在今后的實(shí)踐中對(duì)該基準(zhǔn)線(xiàn)進(jìn)行修正或細(xì)化，以進(jìn)一步滿(mǎn)足研究區(qū)泥石流短期預(yù)報(bào)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）浙東南山區(qū)具備泥石流的形成條件。物源條件，主要為啟動(dòng)物源（包括崩塌、滑坡和坡面泥石流等）和沿溝的松散物質(zhì)作為補(bǔ)充物源；地形條件，溝谷泥石流一般分布于小流域主溝兩側(cè)的大比降支溝，坡面泥石流一般分布于陡斜坡的負(fù)地形上；降水條件，強(qiáng)降雨對(duì)泥石流的時(shí)空分布有一定控制作用。

圖4 泥石流實(shí)時(shí)雨量組合預(yù)報(bào)圖Fig.4 Thedebrisflowforecastingbyreal-timerainfall

（2）浙東南山區(qū)泥石流的形成方式主要以（谷坡或溝源地帶的）土動(dòng)力啟動(dòng)方式為主；侵蝕方式主要有面蝕和溝谷侵蝕；堆積特征方面，在宏觀上規(guī)模較大時(shí)可形成堆積扇，規(guī)模較小時(shí)往往停積于中下游溝道為主，微觀上，堆積物質(zhì)結(jié)構(gòu)較為雜亂，個(gè)別具有期次性。

（3）存在爆發(fā)泥石流的臨界雨量組合，在以1h雨量雨強(qiáng)（H1）作為縱坐標(biāo)、以24h雨強(qiáng)（H24）作為前期降雨實(shí)效雨量作為橫坐標(biāo)的坐標(biāo)系上為一折線(xiàn)，當(dāng)H24＜375mm時(shí)，該線(xiàn)的表達(dá)式為 H1=－0.28H24+155；當(dāng)H24≥375mm時(shí)，該線(xiàn)的表達(dá)式為H1=60mm。該折線(xiàn)的右上角為泥石流危險(xiǎn)區(qū)，其他區(qū)域?yàn)槟嗍靼踩珔^(qū)。

（4）臨界雨量組合可應(yīng)用于研究區(qū)泥石流的臨災(zāi)預(yù)警，分為：①收集實(shí)時(shí)降雨資料；②繪制實(shí)時(shí)雨量組合曲線(xiàn)；③泥石流災(zāi)害預(yù)警；④泥石流臨界雨量基準(zhǔn)的修正。

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