北京山區(qū)基于臨界土壤含水率的泥石流預(yù)警思路

路 璐，賈三滿，冒 建，趙 佳，王強(qiáng)強(qiáng)

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北京山區(qū)基于臨界土壤含水率的泥石流預(yù)警思路

路 璐，賈三滿，冒 建，趙 佳，王強(qiáng)強(qiáng)

（北京市地質(zhì)研究所，北京 100120）

北京山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，新構(gòu)造活動(dòng)頻繁，人為活動(dòng)劇烈，泥石流地質(zhì)災(zāi)害較為發(fā)育，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成較大的威脅，如何利用泥石流發(fā)生前的物理特征進(jìn)行預(yù)警，是北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害防治的重要研究課題。本文首先介紹了以泥石流溝物源區(qū)土體的臨界土壤含水率為短臨預(yù)警的理論依據(jù)，然后以北京山區(qū)密云、門頭溝、房山3個(gè)區(qū)縣25條泥石流溝安裝的土壤含水率儀為實(shí)例，詳細(xì)闡述了土壤含水率預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的關(guān)鍵步驟，包括：監(jiān)測(cè)溝谷的選擇、土壤含水率儀的選型、儀器的安裝及標(biāo)定以及野外含水率數(shù)據(jù)的傳輸。預(yù)警研究成果，為首都地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作提供新的技術(shù)方法和手段。

北京山區(qū)；泥石流；臨界土壤含水率；短臨預(yù)警

0　前言

北京市地質(zhì)環(huán)境條件復(fù)雜、降水時(shí)空分布不均勻、人類活動(dòng)強(qiáng)烈，是世界上突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害較為頻繁的首都城市之一，其中泥石流是造成人員傷亡最多的地質(zhì)災(zāi)害類型。據(jù)統(tǒng)計(jì)（北京市國(guó)土資源局，2014），1949年以來(lái)泥石流災(zāi)害共造成502人死亡、60多人受傷、7534間房屋和10萬(wàn)余畝耕地被毀，其中一次致死人數(shù)超過(guò)100人的泥石流2次，一次致死人數(shù)超過(guò)10人的泥石流9次，直接經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)達(dá)數(shù)億元。鑒于北京市泥石流的巨大破壞性，對(duì)其預(yù)警預(yù)報(bào)勢(shì)在必行。

北京市地質(zhì)研究所受北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局委托，于2011年8月開(kāi)始建設(shè)《北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程項(xiàng)目》，一期工程密云、門頭溝和房山3個(gè)區(qū)縣的119條泥石流溝已經(jīng)布置了232個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中布置25個(gè)土壤含水率儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)每條溝谷的土壤含水率信息實(shí)時(shí)獲取。本次工作就是通過(guò)構(gòu)建臨界土壤含水率預(yù)警模型進(jìn)行25條溝泥石流的短臨預(yù)警研究，為北京市防災(zāi)減災(zāi)工作發(fā)揮技術(shù)支撐作用。

1　預(yù)警思路

目前北京市泥石流區(qū)域短期預(yù)警多基于統(tǒng)計(jì)模型確定的臨界雨量閾值（王海芝，2008；白利平等，2008），因未考慮下墊面地質(zhì)環(huán)境的具體情況以及不同泥石流溝有效前期雨量衰減規(guī)律，故這種閾值在某種程度上帶有一定的片面性和局限性（王裕宜等，1997）。然而，土壤含水量是將降雨、地形和土體三大因素融為一體的、能直接影響泥石流啟動(dòng)的關(guān)鍵物理參數(shù)，一般理論認(rèn)為（戚國(guó)慶等，2003）在泥石流形成過(guò)程中前期降雨使源區(qū)土體飽和，短歷時(shí)雨強(qiáng)造成飽和后的土體產(chǎn)生高孔隙水壓力使土體失穩(wěn)并轉(zhuǎn)化為泥石流。但是國(guó)內(nèi)外已有泥石流形成過(guò)程監(jiān)測(cè)表明，源區(qū)坡面土體降雨過(guò)程和泥石流形成過(guò)程中土體都未達(dá)到飽和，存在一個(gè)臨界土體含水量。因此，圍繞泥石流起動(dòng)機(jī)理的臨界土體含水量成為研究熱點(diǎn)。北京的泥石流絕大多數(shù)屬于降雨型泥石流，國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開(kāi)展有關(guān)臨界土壤含水量的相關(guān)研究。例如，胡凱衡（胡凱衡等，2014）基于國(guó)內(nèi)外泥石流啟動(dòng)的觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用逐步回歸分析方法，建立了臨界土體含水量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。在Broccal（Broccal et al.，2010）等建立的部分降雨-徑流模型中，臨界土體含水量與飽和度并不一致。

降雨型泥石流形成劃分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是指積水前入滲階段，非飽和固體松散物質(zhì)由于含水量持續(xù)增加，達(dá)到即將飽和狀態(tài)，基質(zhì)吸力引起的抗剪強(qiáng)度逐漸喪失。當(dāng)含水量達(dá)到某個(gè)臨界值時(shí)，源區(qū)坡面土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)，或者坡面土體入滲和失水達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，這一臨界含水量就稱為臨界土壤含水量。在這一階段，由于沒(méi)有足夠的水量，不會(huì)發(fā)生泥石流，但有可能發(fā)生固體松散物質(zhì)構(gòu)成的斜坡的位移變形，以及斜坡穩(wěn)定性降低；第二個(gè)階段是指積水后入滲階段，隨著降雨的繼續(xù)，降雨強(qiáng)度如果能夠達(dá)到或者超過(guò)滲透率，地表產(chǎn)生積水，并出現(xiàn)地表徑流隨著時(shí)間的延續(xù)而衰減。固體松散物質(zhì)由于含水量持續(xù)增加，水壓力增大，有效應(yīng)力減小，發(fā)生泥石流。這一階段與短歷時(shí)強(qiáng)降雨密切有關(guān)，短時(shí)間的具有一定強(qiáng)度的降雨使得固體松散物質(zhì)中滲入的水量來(lái)不及排出，加上周圍降雨匯流的作用，固體松散物質(zhì)將啟動(dòng)，形成泥石流。

這種預(yù)警方法擬從土體降雨入滲以及激發(fā)坡面土體失穩(wěn)的物理過(guò)程并結(jié)合泥石流形成區(qū)監(jiān)測(cè)進(jìn)行深入研究，提出更具有物理意義的臨界土體含水量概念，建立以水文學(xué)、水力學(xué)、泥沙運(yùn)動(dòng)學(xué)、監(jiān)測(cè)傳輸技術(shù)等為基礎(chǔ)的預(yù)警模型。這種模型將從精度和準(zhǔn)確度兩個(gè)方面優(yōu)于氣象地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，即同一地區(qū)、同一時(shí)段的不同泥石流溝甚至是相鄰的兩條溝的預(yù)警級(jí)別將會(huì)有差異，通過(guò)分析土壤含水率的變化較前期和實(shí)時(shí)降雨量等指標(biāo)，來(lái)判斷泥石流啟動(dòng)更為直接可靠。

2　實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)

2.1監(jiān)測(cè)溝谷選取

北京泥石流總體上屬于低頻低易發(fā)，以小型溝谷型泥石流為主，威脅對(duì)象主要是居民點(diǎn)和景區(qū)。本著“以人為本，合理布局”的原則，在考慮威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全程度的前提下，選取典型的易發(fā)性較高、危害大的泥石流溝為監(jiān)測(cè)對(duì)象，并將歷史上發(fā)生過(guò)泥石流，并造成重大損失的泥石流溝谷全部納入監(jiān)測(cè)范圍，如密云縣馮家峪鎮(zhèn)太陽(yáng)溝、陸家?guī)X溝，門頭溝區(qū)上達(dá)摩鎮(zhèn)東北溝等?！侗本┦型话l(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)工程（一期）項(xiàng)目》共在三個(gè)區(qū)選擇25條泥石流溝谷進(jìn)行土壤含水率監(jiān)測(cè)（圖1），其中房山區(qū)分散在四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)8條溝，門頭溝區(qū)主要集中在四個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)12條溝，清水鎮(zhèn)土壤含水率監(jiān)測(cè)儀占所有總數(shù)的1/4，密云縣主要集中在兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)監(jiān)測(cè)5條溝。

圖1　北京市安裝土壤含水率儀位置圖（截止2015年）Fig.1 The position of meters of soil moisture in Beijing （Till 2015）

2.2監(jiān)測(cè)儀器選擇

國(guó)內(nèi)外土壤水分的測(cè)量常用的方法分為以下兩類：一類是直接測(cè)量土壤的重量含水量和容積含水量，烘干稱重法是最普遍也是國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)定土壤含水量方法。它的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)設(shè)備要求不嚴(yán)，就樣品本身而言結(jié)果可靠，缺點(diǎn)是費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，綜合費(fèi)用并不低，取樣會(huì)破壞土壤，深層取樣困難，定點(diǎn)測(cè)量時(shí)不可避免由取樣換位而帶來(lái)誤差，在很多情況下不可能長(zhǎng)期定點(diǎn)監(jiān)測(cè)（張學(xué)禮等，2005）；第二類是通過(guò)測(cè)量土體介電常數(shù)、射線衰減能、核磁共振初始振幅值等理化常數(shù)反算土體含水量，具有易操作、速度快及不破壞樣本等優(yōu)點(diǎn)。本文中使用的時(shí)域反射法（TDR）和頻域反射法（FDR）兩類土壤水分自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀，兩類儀器均通過(guò)測(cè)定土壤的介電常數(shù)間接間接獲得土壤的水分含量。

TDR（Time Domain Reflectometry） 是 在20世紀(jì)60年代末由Topp最早發(fā)展的，認(rèn)為當(dāng)溫度在10℃～36℃，實(shí)際含水量在0～0.35cm3/cm3變化時(shí)，此法不受土壤質(zhì)地、容重、溫度等物理因素的影響（Topp G C et al.，1980）。因其具有快速準(zhǔn)確、連續(xù)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，在20世紀(jì)90年代后國(guó)際上將之作為研究土壤水分的基本儀器設(shè)備。值得注意的是，TDR給出的含水量是整個(gè)探針長(zhǎng)度的平均含水量，在同一土體中采用不同的埋置方式得出的結(jié)果可能會(huì)不同（龔元石等，1997）。

FDR（Frequency Domain Reflectometry）是利用LC電路的振蕩，根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中振蕩頻率的變化來(lái)測(cè)定介質(zhì)的介電常數(shù)，進(jìn)而通過(guò)一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系反演出土壤水分狀況。這種方法幾乎具有方便、快速、不擾動(dòng)土壤，可在同一地點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，而且具有更廣的工作頻率范圍，測(cè)量水分的范圍寬，不受滯后影響，準(zhǔn)確性不受測(cè)量時(shí)間精度的影響。

值得一提的是野外監(jiān)測(cè)儀器獲取的是體積含水率，而實(shí)際工作使用中常用的質(zhì)量含水率，涉及到采用土壤的干容重將兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

2.3監(jiān)測(cè)儀器安裝及標(biāo)定

根據(jù)土壤含水率主要是用于監(jiān)測(cè)泥石流物源啟動(dòng)，故該儀器安裝在泥石流的形成區(qū)以及流通區(qū)。由于泥石流啟動(dòng)絕大多數(shù)伴隨大規(guī)模降水，只有對(duì)雨量掌握準(zhǔn)確才能推測(cè)地表徑流繼而結(jié)合含水率來(lái)預(yù)測(cè)泥石流是否發(fā)生，因此在25條溝配套土壤含水率儀同時(shí)需要安裝自動(dòng)雨量計(jì)。又因土壤含水率值急劇增大的情況下可造成輸入電磁波的能量耗散較大，從而導(dǎo)致不同深度處的土壤含水率反射訊息模糊，最終影響數(shù)據(jù)的真實(shí)性（楊紹輝等，2008）。為精確的控制土壤深度剖面上各層位的含水率值，本次工作在距地表面30cm、60cm和100cm三個(gè)層位分別安裝三個(gè)含水率傳感器。因受土性、溫度、密度等多種因素影響，本次工作選用的儀器測(cè)量準(zhǔn)確度無(wú)法預(yù)先判斷，所以在開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作前首先需以安裝溝谷當(dāng)?shù)赝寥涝谑覂?nèi)不同土壤含水率為依據(jù)對(duì)儀器的電壓-含水率對(duì)應(yīng)公式進(jìn)行標(biāo)定及修正（周凌云等，2003；郭衛(wèi)華等，2003；李道西等，2008；冷艷秋等，2014）。

2.3數(shù)據(jù)傳輸處理

土壤含水率儀野外安裝和調(diào)試成功后，將數(shù)據(jù)采集程序輸入儀器，當(dāng)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)后通過(guò)無(wú)線設(shè)備（GPRS/CDMA）和北斗兩種方式進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)采集時(shí)間自行設(shè)定，通常在非汛期設(shè)定1次/2h，汛期設(shè)定為1次/5min。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由硬件、軟件設(shè)施和數(shù)據(jù)庫(kù)組成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、分析處理的功能，對(duì)比臨界土壤含水率和實(shí)時(shí)土壤含水率的差別完成預(yù)警功能。

3　結(jié)論

（1）北京市在門頭溝、房山和密云縣三個(gè)區(qū)縣的25條泥石流溝的形成區(qū)和流通區(qū)布置了時(shí)域反射法（TDR）和頻域反射法（FDR）兩類土壤含水率儀，安裝儀器前需對(duì)儀器進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)定，野外傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS和北斗雙通道，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

（2）鑒于臨界土體含水量與飽和度并不一致的研究成果，對(duì)25條泥石流溝安裝儀器的土體進(jìn)行土體降雨入滲以及激發(fā)坡面土體失穩(wěn)的物理過(guò)程實(shí)驗(yàn)以確定每條溝物源啟動(dòng)的臨界土體含水值，再結(jié)合野外實(shí)時(shí)土壤含水率測(cè)試值來(lái)判斷泥石流物源是否啟動(dòng)。

［1］北京市國(guó)土資源局. 北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告［R］. 2014.

［2］王海芝. 北京山區(qū)基于歷史資料的泥石流臨界雨量研究［J］. 城市地質(zhì)，2008，3（1）：18～21.

［3］白利平，孫佳麗，南赟. 北京地區(qū)泥石流災(zāi)害臨界雨量閾值分析［J］. 地質(zhì)通報(bào)，2008，27（5） ：674～680.

［4］王裕宜，鄒仁元，劉岫峰. 泥石流啟動(dòng)與滲透系數(shù)的相關(guān)研究［J］. 土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào)，1997，3（4）：76～82.

［5］戚國(guó)慶，黃潤(rùn)秋. 泥石流成因機(jī)理的非飽和土力學(xué)理論研究［J］. 中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14（3）：2～15.

［6］胡凱衡，馬超. 泥石流啟動(dòng)臨界土體含水量及其預(yù)警應(yīng)用［J］. 地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào)，2014，36（2）：73～80.

［7］Broccal， Barbettas， Melone F， et al. A Continuous Rainfall-runoff Model Derived from Investigations in a Small Experimetal Basin［C］//Schumann S A，Holkol.Status and Perspectives of Hydrology in Small Basins.Goslar-Hahnen-klee∶IAHS Press，2010：179～185.

［8］張學(xué)禮，胡振琪，初士立. 土壤含水量測(cè)定方法研究進(jìn)展［J］. 土壤通報(bào)，2005，36（1）：118～123.

［9］Topp G C， Davis J L， Annan A P. Electromagnetic determination of soil water content∶ measurement in coaxial transmission lines［J］. Water Resourecs Research，1980， 16：574～582.

［10］龔元石，李子忠. TDR探針兩種埋沒(méi)方式下土坡水分的測(cè)定及其比較［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，1997， 13 （2） ：242～244.

［11］楊紹輝，王一鳴，孫凱. 基于土壤含水率垂向變化規(guī)律的水分傳感器布設(shè)［J］. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39（5）：104～106.

［12］周凌云，陳志雄，李衛(wèi)民. TDR法測(cè)定土壤含水量的標(biāo)定研究［J］. 土壤學(xué)報(bào)，2003，40（1）：1～4.

［13］郭衛(wèi)華，李波，張新時(shí)，等. FDR系統(tǒng)在土壤水分連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用［J］. 干旱區(qū)研究，2003，20（4）：247～252.

［14］李道西，彭世彰，丁加麗，等. TDR在測(cè)量農(nóng)田土壤水分中的室內(nèi)標(biāo)定［J］. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2008，26（1）：249～252.

［15］冷艷秋，林鴻州，劉聰，等. TDR水分計(jì)標(biāo)定試驗(yàn)分析［J］. 工程勘察，2014，42（2）：1～4.

The Idea of Debris Flow Warning Scheme based on Critical Soil Moisture in Beijing Mountain Area

LU Lu， JIA Sanman， MAO Jian， ZHAO Jia， WANG Qiangqiang
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

Because of complex geological conditions， frequent neotectonism and intense human activities in Beijing mountain area， the lives and properties have been threatening heavily by debris flow. In the term of geological hazard protecting， it’s an important research subject for early-warning to use physical characteristics of debris flow. Firstly， theory basis of soil moisture is introduced in this paper. Then 25 debris flow bitches in Mentougou，F(xiàn)angshan and Miyun districts have been taken for example to introduce the early warning system construction. So it needs to consider such problems as the monitoring bitch selection， moisture instrument selection， installation and calibration， real-time data transmission. The focus of this paper is using critical soil moisture to provide new technical method for further early warning work.

Beijing； Debris flow； Critical soil moisture； Early warning

P642.23

A

1007-1903（2016）02-0006-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.002

北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)（一期）工程 （京發(fā)改［2011］1527號(hào)）

路璐（1985- ），女，博士，從事環(huán)境地質(zhì)相關(guān)工作。