三明市后山?jīng)_溝泥石流易發(fā)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(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059；2．桂林航天工業(yè)學院能源與建筑環(huán)境學院，桂林 541004;3.自然資源部丘陵山地地質(zhì)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(zhì)災害發(fā)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(zhì)災害的2/3[1]，因此開展泥石流易發(fā)性評價及預報研究顯得十分必要。目前泥石流易發(fā)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(guī)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(qū)，評價結(jié)果準確可靠[2]。間接指標評價法有層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及邏輯回歸等，層次分析法評價結(jié)果過于依靠人的主觀判斷；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的數(shù)據(jù)才能保證結(jié)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(jié)果影響較大，以上缺點使得在對泥石流進行易發(fā)性評價時存在結(jié)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(qū)[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(guān)注。Nam等[8]通過計算反映累積降雨和降雨強度的降雨觸發(fā)指數(shù)(RTI)，將其轉(zhuǎn)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(fā)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(wěn)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(wǎng)絡(luò)(BNs)模型，對泥石流發(fā)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(fā)生概率為輸出，并結(jié)合矩陣隨機近似奇異值分解，構(gòu)建了泥石流預報模型。范江琳等[12]結(jié)合中國氣象部門的雨量劃分標準和誘發(fā)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(chǔ)上的預報模型，通過分析淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流的形成機理，以貴州省望謨縣打易鎮(zhèn)附近的淺層滑坡誘發(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)泥石流、汶川地震強烈影響區(qū)的文家溝多次泥石流事件中獲得了很好的驗證結(jié)果。

通過web of science、知網(wǎng)等文獻搜索引擎，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)階段仍缺乏針對福建省泥石流的易發(fā)性及預報研究。為此，在實地調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)地質(zhì)災害詳細調(diào)查泥石流易發(fā)程度量化評分標準，將泥石流地質(zhì)調(diào)查和影響因素量化，采用直接指標評價法對泥石流的易發(fā)程度進行評價；通過泥石流易發(fā)性評價為輕度易發(fā)的沖溝對淺層滑坡誘發(fā)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?jīng)_溝泥石流預報臨界降雨值，為該地區(qū)泥石流的防災減災、監(jiān)測預報提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三明市位處福建中部偏西，調(diào)查區(qū)位于三明市城區(qū)東側(cè)后山，主要為三明市區(qū)后山一重山流域溝谷，北至梅列區(qū)碧桂園后山，南至三元區(qū)富崗新村后山，坐標北緯26°13′24.36″～26°17′38.60″，東經(jīng)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(qū)后山位于閩中玳瑁山北麓，屬中低山-丘陵地貌，境內(nèi)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(xù)，總體地勢呈東南高，西北低，西南側(cè)分水嶺高程多1 100～1 200 m，區(qū)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(shù)次過程強降雨量罕見，5月15—17日和6月7—10日三明市區(qū)累積降雨量分別達到322.7 mm和277.4 mm，其中5月16日當?shù)?4 h降雨量達256.3 mm，打破1961年以來當?shù)厝战涤炅坑涗?，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(qū)東側(cè)后山產(chǎn)生大量山體滑坡，后山?jīng)_溝山洪暴發(fā)，嚴重威脅三明市城區(qū)辦公、住宅、學校、道路等安全，極大影響人民群眾的日常生活?，F(xiàn)以2019年5—6月的兩次強降雨過程新誘發(fā)地質(zhì)災害點為調(diào)查對象，實地調(diào)查了碧桂園后山、翡翠城后山、軍分區(qū)等共20處沖溝及178處淺表層滑坡(圖3)。

圖1 研究區(qū)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(qū)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?jīng)_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(yī)科學院泳池后山?jīng)_溝(溝5)、醫(yī)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?jīng)_溝(溝8)、仙靈山陵園后山?jīng)_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?jīng)_溝(溝16)、林校沖溝(溝17)、省安小區(qū)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(fā)生泥石流的易發(fā)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(shè)頻繁，人工削坡現(xiàn)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(shè)削坡破壞了坡體的平衡，加之斜坡支擋防護不足、排水系統(tǒng)不完善，2019年5—6月兩次強降雨過程誘發(fā)了三明市城區(qū)后山流域多處滑坡。研究調(diào)查了全流域內(nèi)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(nèi)，占總數(shù)的63.5%，大部分滑體已滑移至坡腳，沖溝內(nèi)有一定的松散物源，未發(fā)生滑坡崩塌的自然斜坡與已發(fā)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(xù)強降雨或特大暴雨作用下斜坡可能發(fā)生失穩(wěn)，流域內(nèi)松散物質(zhì)增加，可見這些流域基本具備發(fā)生泥石流的物源基礎(chǔ)，一旦發(fā)生暴雨，如100年一遇強降雨時，后山?jīng)_溝內(nèi)將會產(chǎn)生更多的淺層滑坡，能夠參與泥石流活動的松散固體物質(zhì)更多，很可能暴發(fā)泥石流。

在實地調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)直接指標評價法，即地質(zhì)災害詳細調(diào)查泥石流易發(fā)程度量化評分標準(《泥石流災害防治工程勘查規(guī)范》(T/CAGHP006—2018))，將泥石流地質(zhì)調(diào)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(fā)程度屬于“極易發(fā)”；綜合評分為87～115，易發(fā)程度屬于“中等易發(fā)”；綜合評分為44～86，易發(fā)程度屬于“輕度易發(fā)”；綜合評分為15～43，易發(fā)程度屬于“不易發(fā)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(nèi)發(fā)育多處淺層滑坡，溝道內(nèi)存在一定的泥石流物源，經(jīng)易發(fā)性評價研究區(qū)內(nèi)20條沖溝除了碧桂園后山?jīng)_溝為不易發(fā)外，其余沖溝的泥石流易發(fā)程度均為輕度易發(fā)。

研究區(qū)內(nèi)輕度易發(fā)的19條沖溝泥石流屬于淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流，具有發(fā)生淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流的基本條件：沖溝流域內(nèi)相對高差大，溝谷縱坡較大，山體坡度大、溝谷兩側(cè)山坡90%坡度在25°～45°范圍內(nèi)，這個范圍內(nèi)的山坡坡度不僅有利于滑坡的產(chǎn)生，也能使部分或者全部滑坡松散物質(zhì)運動到溝道中，為泥石流提供直接物源。研究區(qū)內(nèi)各流域的匯流主要來自于溝道兩側(cè)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(fā)的滑坡數(shù)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(fā)的滑坡數(shù)量以及提供的泥石流物源量都會大幅度提高，沖溝內(nèi)將會發(fā)生更多的淺層滑坡，更多的滑坡為可能發(fā)生的泥石流提供更多固體物源，徑流將進一步?jīng)_刷溝道內(nèi)的松散固體物質(zhì)，很可能暴發(fā)由淺層滑坡誘發(fā)的溝谷泥石流，對當?shù)鼐用裨斐晌：Α?/p>

表1 泥石流溝易發(fā)程度數(shù)量化評分表Table 1 Debris flow susceptible degree appraisal

3 淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流預報模型及驗證

淺層滑坡誘發(fā)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(nèi)多處發(fā)生淺層滑坡，部分或全部滑坡松散物質(zhì)堆積在溝道中，成為泥石流的物源；其次強降雨在流域內(nèi)迅速形成較大洪峰起動固體物質(zhì)形成泥石流。余斌等[15]根據(jù)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(fā)溝谷泥石流提出預報模型，本文通過泥石流易發(fā)性評價為輕度易發(fā)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(shù)據(jù)對該模型進行驗證。

3.1 淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流預報模型

淺層滑坡誘發(fā)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(qū)降水因子；T為無量綱的地形因子；Cr為模型判據(jù)臨界值，研究區(qū)內(nèi)大范圍分布燕山早期第三次侵入(ηγ52(3)c)中細?；◢弾r類(1-14號沖溝)；文筆山區(qū)域和翡翠城至紫蓮橋區(qū)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(qū)臨界值Cr有3個：Cr1=0.40，Cr2=0.48，Cr3=0.55；砂巖地區(qū)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(fā)生可能性很低(藍色預警區(qū)域)；當0.40 ＜P≤0.48 時(當0.50 ＜P≤0.59 時)，泥石流發(fā)生的可能性低(黃色預警區(qū)域)；當0.48 ＜P≤0.55時(當0.59 ＜P≤0.68時)，泥石流發(fā)生的可能性中等(橙色預警區(qū)域)；P≥ 0.55 時(P≥ 0.0.68 時)，泥石流發(fā)生的可能性很高(紅預警區(qū)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(fā)生的根本條件[17]，與淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流有關(guān)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(shù)Table 2 Topography parameters

3.3 降水條件

泥石流暴發(fā)是前期累積雨量和當時激發(fā)雨強共同作用的結(jié)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(fā)前前期累積降雨量，mm；I為泥石流暴發(fā)前1 h降雨量，mm；R0為當?shù)啬昶骄涤炅浚琺m，根據(jù)三明市區(qū)1990—2016年降雨資料統(tǒng)計，三明市區(qū)R0=1 700 mm；CV為當?shù)? h降雨變差系數(shù)，查《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)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(shù)等值線圖，三明后山?jīng)_溝流域內(nèi)CV取0.4。三明后山?jīng)_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(nèi)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(nèi)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(nèi)巖性兩個因素，1～14號沖溝降雨數(shù)據(jù)選擇列西降雨站點數(shù)據(jù)，15～20號沖溝降雨數(shù)據(jù)選擇林校后山降雨站點數(shù)據(jù)(表3)。

3.4 淺層滑坡誘發(fā)溝谷泥石流預報模型驗證

將表2和表3數(shù)據(jù)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(fā)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?jīng)_溝山洪暴發(fā)，無泥石流發(fā)生。從圖5和圖6可看出所有未發(fā)生泥石流的點都在P=0.40、0.50安全線以下，模型預報結(jié)果與實際相符，模型無誤報。未發(fā)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(jù)臨界值Cr取值合理，若判據(jù)臨界值Cr過小，易出現(xiàn)誤報，若判據(jù)臨界值Cr過大，易出現(xiàn)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?jīng)_溝內(nèi)將會產(chǎn)生更多的淺層滑坡，能夠參與泥石流活動的松散固體物質(zhì)更多，很可能暴發(fā)由淺層滑坡誘發(fā)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(fā)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?jīng)_溝泥石流預報。

表3 降雨參數(shù)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(qū)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(qū)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(fā)溝谷泥石流預報判據(jù)臨界值Table 4 Warning thresholds of prediction model of debris flow caused by shallow landslides

5 結(jié)論

2019年5月15—17日和6月7—10日三明市暴發(fā)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?jīng)_溝山洪暴發(fā)，流域內(nèi)發(fā)育多處淺層滑坡，為泥石流形成創(chuàng)造了條件。本文通過對三明市后山?jīng)_溝現(xiàn)場調(diào)查研究，根據(jù)直接指標評價法對沖溝泥石流易發(fā)程度進行評價，并對淺層滑坡誘發(fā)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(qū)20條沖溝除了碧桂園后山?jīng)_溝為不易發(fā)外，其余19條沖溝的泥石流易發(fā)程度均為輕度易發(fā)。在100年一遇甚至200年一遇暴雨發(fā)生時，19條沖溝將會發(fā)生更多的淺層滑坡，很可能會暴發(fā)由淺層滑坡誘發(fā)的溝谷泥石流。

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