北京市延慶區(qū)秤勾灣溝泥石流特征及預(yù)警雨量研究

梁永順，孫永彬，王瑞軍

（核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002）

0 引言

我國目前達(dá)到一定規(guī)模的泥石流溝數(shù)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(zāi)害之一，每年導(dǎo)致數(shù)百人死亡，造成超過10億元的直接經(jīng)濟(jì)損失，給社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展帶來嚴(yán)重威脅（崔鵬等，2005；李媛等，2013）。北京地區(qū)歷史上曾發(fā)生過20余次泥石流地質(zhì)災(zāi)害，造成500余人傷亡和重大財(cái)產(chǎn)損失（韋京蓮等，1994a）。

泥石流災(zāi)害調(diào)查與防治研究逐步向科學(xué)化、精細(xì)化、規(guī)范化發(fā)展。目前，韋京蓮等多位學(xué)者開展了泥石流溝域形成特征、發(fā)育規(guī)律、臨界雨量、預(yù)警模型研究（韋京蓮等，1994b；涂劍等，2017；張熠昕等，2018）；多名學(xué)者利用神經(jīng)網(wǎng)路、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)在泥石流監(jiān)測、預(yù)警系統(tǒng)、防災(zāi)避險(xiǎn)等方面開展了應(yīng)用研究，為泥石流防治開創(chuàng)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(xué)者采用統(tǒng)計(jì)分析手段研究降水和泥石流事件之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)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(jī)制開展了野外觀測、實(shí)驗(yàn)及理論研究；康志成等（2004）開展了中國泥石流啟動形成機(jī)理研究；戚國慶和黃潤秋等（2003）基于非飽和土力學(xué)理論，對降雨型泥石流的啟動機(jī)理進(jìn)行了研究。

本文是在諸多學(xué)者研究成果基礎(chǔ)上，開展北京市延慶區(qū)秤勾灣溝域的泥石流特征及預(yù)警雨量研究，通過分析流域范圍內(nèi)地質(zhì)環(huán)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(zāi)害地質(zhì)背景條件、分布及發(fā)育特征、發(fā)生發(fā)展規(guī)律，科學(xué)評價(jià)研究其預(yù)警雨量閾值，進(jìn)一步提出防治措施建議，科學(xué)精準(zhǔn)防治泥石流災(zāi)害。

1 流域概況

延慶區(qū)位于北京市西北部，東臨昌平，西臨河 北，東 經(jīng)115°04.03′～116°34.01′，北 緯40°16.02′～40°47.03′，全區(qū)面積1995.86 km2。該區(qū)地勢北東高、南西低，山區(qū)、淺山區(qū)溝谷隨時(shí)間推移，切割不斷增強(qiáng)，受區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和地形地貌影響，長期受泥石流地質(zhì)災(zāi)害的威脅。

秤勾灣溝位于珍珠泉鄉(xiāng)，距延慶城區(qū)40 km，流域平面形態(tài)呈近似“扇葉形”、“V”形谷。流域自南東向北西展布，三面環(huán)山，溝谷較寬緩，面積6.12 km2。主溝起點(diǎn)位于北西側(cè)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?guī)r、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(dǎo)水性好，主要補(bǔ)給來源為降雨和季節(jié)性流水；流域內(nèi)耕地廣布，分布在中下游；溝口處削坡建房，溝道改造嚴(yán)重；溝口堆積區(qū)物源為粉質(zhì)粘土，松散，暴雨季節(jié)該類松散堆積物源隨水流排泄，易形成泥石流災(zāi)害。

2 泥石流特征

2.1 降水特征

據(jù)延慶區(qū)降雨資料顯示：區(qū)內(nèi)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(cè)多西側(cè)少、山區(qū)多平原少總體特征。

圖1 延慶區(qū)多年降雨量柱狀圖

降水量存在時(shí)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(xù)最大降雨量為258.7 mm。歷時(shí)短、強(qiáng)度高的典型集中性強(qiáng)降雨，極易引發(fā)泥石流地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2.2 分區(qū)特征

（1）形成區(qū)特征：形成區(qū)位于秤勾灣溝南東側(cè)（圖2），沿主溝和北東向、南西向支溝形成扇形補(bǔ)給，面積為3.14 km2，形成區(qū)發(fā)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(cè)山體切割強(qiáng)烈，溝道底部寬度5～15 m，支溝平均縱坡降210.26‰，溝道兩側(cè)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(fā)育，強(qiáng)降雨過程中將迅速匯入主溝溝道中，該區(qū)內(nèi)物源厚0.5～2.3 m，補(bǔ)給量占流域總補(bǔ)給量的85%。

圖2 秤勾灣村泥石流溝道分布及分區(qū)圖

（2）流通區(qū)特征：流通區(qū)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(cè)斜坡面坡度20°～45°，為各支溝的匯水區(qū)域，溝道匯水區(qū)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(qū)特征：堆積區(qū)位于秤勾灣溝溝口，溝道形態(tài)呈拓寬型“U”型谷形態(tài)，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(qū)域堆積，形成泥石流堆積區(qū)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(huán)山，溝谷較寬緩，無嚴(yán)重堵塞情況，利于水流匯集，發(fā)育15條主支溝，V字型，下游匯合后，沿下方?jīng)_溝排泄。溝谷流通區(qū)多呈下切現(xiàn)象，表層松散碎屑物較多，碎石土和粉質(zhì)粘土為主，斜坡面堆積物分布，斜坡較緩植被覆蓋強(qiáng)。溝道多被改為壩階地，堆積物為粉質(zhì)粘土，結(jié)構(gòu)松散，易啟動。

2.4 物源特征

秤勾灣溝總體植被發(fā)育，生態(tài)環(huán)境好，水土流失弱，溝域內(nèi)發(fā)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(bǔ)給來源（圖3）。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析：流域內(nèi)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(yùn)移過程中存在“鋪床效應(yīng)”，經(jīng)分析，流域內(nèi)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(zhì)粘土，溝道沖洪積成因類型，集中分布在堆積區(qū)和流通區(qū)（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(cè)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(fā)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(qū)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(xiǎn)性評價(jià)分析

3.1 評價(jià)指標(biāo)的選取

泥石流具有高重度、高級配、高黏性等性質(zhì)，是一種破壞力極強(qiáng)的非均質(zhì)流體（茍印祥，2012），結(jié)合形成泥石流3個(gè)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(zhì)條件；③強(qiáng)降雨。本次綜合考慮評價(jià)因子的全面性和代表性，選取地質(zhì)因素、地形因素、激發(fā)因素和植被因素4個(gè)因素作為一級指標(biāo)。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(gè)因素作為二級評價(jià)指標(biāo)（圖4）。

由于地質(zhì)條件組合最終效果是為泥石流的松散堆積物貢獻(xiàn)，所以本次評價(jià)直接選用松散堆積物儲量這一評價(jià)指標(biāo)，提高了評價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確性，為泥石流溝單溝危險(xiǎn)性評價(jià)提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 評價(jià)權(quán)重確定與等級劃分

本次研究選擇采用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度方法來計(jì)算因子的權(quán)重?；疑到y(tǒng)理論中由關(guān)聯(lián)度大小排列而成的關(guān)聯(lián)序不因分辨系數(shù)、無量綱化和參考點(diǎn)的位置變化而變化，根據(jù)這一特性確定次要因子的關(guān)聯(lián)序，并從關(guān)聯(lián)度最小的因素開始給定起始權(quán)數(shù)作為公差依次以等級數(shù)向關(guān)聯(lián)度變大的方向遞增權(quán)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(jié)合該因子權(quán)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(jù)危險(xiǎn)程度等級評定單溝的危險(xiǎn)度，從而建立危險(xiǎn)因素取值與危險(xiǎn)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(jù)危險(xiǎn)程度等級評定單溝的危險(xiǎn)度。

表1 北京延慶地區(qū)泥石流危險(xiǎn)因素取值與危險(xiǎn)程度評定表

3.3 危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果

綜合分析得出秤勾灣泥石流溝危險(xiǎn)性評價(jià)因子數(shù)據(jù)。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(jìn)行了單溝危險(xiǎn)性評價(jià)，評價(jià)結(jié)果為高危險(xiǎn)。

4 預(yù)警雨量閾值研究

4.1 模型建立

韋方強(qiáng)等（2004）將泥石流預(yù)報(bào)按不同的依據(jù)進(jìn)行了分類，本次預(yù)警模型研究是在不同危險(xiǎn)性泥石流災(zāi)害隱患預(yù)警雨量閾值的基礎(chǔ)上，利用3S技術(shù)為平臺，進(jìn)行規(guī)則格網(wǎng)量化處理，依據(jù)溝道的具體實(shí)際情況對整個(gè)溝域主溝與支溝交匯處進(jìn)行劃分，模擬不同等級的降雨過程，計(jì)算各分區(qū)匯水處的累計(jì)流量，確定各區(qū)域的雨量狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在溝域內(nèi)的分區(qū)預(yù)警。

以規(guī)則格網(wǎng)表示的數(shù)字地面高程模型每點(diǎn)處的單位水量，由于自然水流從高處流往低處的自然規(guī)律，根據(jù)區(qū)域地形的水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算每個(gè)規(guī)則格網(wǎng)處所流過水量的數(shù)值，進(jìn)而得到該區(qū)域的匯流累積量。通過設(shè)置每個(gè)規(guī)則格網(wǎng)的面積，確定流域的匯流累積量區(qū)間規(guī)則格網(wǎng)個(gè)數(shù)，選取溝道內(nèi)關(guān)鍵位置，確定位置上游處的匯流累計(jì)量和泥石流發(fā)生時(shí)的激發(fā)雨量，得到確定溝域內(nèi)的泥石流爆發(fā)值。

本次研究將秤勾灣溝分成1 m×1 m的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)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(shí)段，溝道與坡面沒有雨水的流動，隨著持續(xù)的強(qiáng)降雨不斷匯入流域內(nèi)，當(dāng)坡面達(dá)到飽和時(shí)，雨水沿溝道和坡面流出，在不同的坡度、土質(zhì)類型、植被覆蓋、溝道與坡面長度及徑流產(chǎn)生前的植被殘留等因素影響，水體的流速和匯流時(shí)間出現(xiàn)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(zhǔn)確的評估預(yù)警流量。

本次研究在對泥石流溝獲取危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)評價(jià)結(jié)果及近些年該區(qū)域發(fā)生泥石流過程雨量及小時(shí)最大雨量的臨界值，統(tǒng)計(jì)計(jì)算不同危險(xiǎn)性泥石流預(yù)警雨量閾值（表3）。

表2 北京延慶地區(qū)秤勾灣泥石流溝危險(xiǎn)等級評價(jià)結(jié)果表

表3 不同危險(xiǎn)性泥石流溝預(yù)警雨量閾值

該研究選取美國農(nóng)業(yè)部水土保持局（USDA）開發(fā)的URCS-CN模型（Wilner，2019）：

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

公式（2）中，S—為徑流產(chǎn)生前植物截留、初滲和填洼構(gòu)成集水區(qū)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(shù)；從理論上講，CN的取值介于0～100之間，但在實(shí)際環(huán)境條件下，CN值小于30的情況不可能發(fā)生，同樣CN值大于100是不可能出現(xiàn)，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(zhuǎn)化為徑流量越多，間接反映了流域各子單元的產(chǎn)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(shù)手段可以根據(jù)土壤水分的最小滲透率或土壤質(zhì)地將土壤數(shù)據(jù)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(tǒng)計(jì)（李文耀等，2020）

4.2 預(yù)警雨量閾值研究

經(jīng)評價(jià)分析，秤勾灣溝屬高危險(xiǎn)泥石流溝，紅色預(yù)警過程雨量122 mm、橙色預(yù)警過程雨量109 mm、黃色預(yù)警過程雨量95 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量82 mm。

秤勾灣泥石流溝分為6190個(gè)網(wǎng)格，在溝域典型區(qū)選取3個(gè)位置進(jìn)行分區(qū)，分別劃分為一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)，進(jìn)行預(yù)警雨量閾值的計(jì)算，一區(qū)的網(wǎng)格數(shù)為390個(gè)，二區(qū)的網(wǎng)格數(shù)為1100個(gè)，三區(qū)的網(wǎng)格數(shù)為4700個(gè)。

本次計(jì)算根據(jù)延慶地區(qū)對泥石流溝危險(xiǎn)性預(yù)警分級設(shè)定的過程雨量作為計(jì)算時(shí)的過程雨量，假設(shè)降雨持續(xù)時(shí)間為5小時(shí)，依據(jù)URCS-CN模型對溝域內(nèi)溝道與坡面的流速、匯入時(shí)間及凈流量進(jìn)行計(jì)算。

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

圖5 秤溝灣溝不同過程雨量下各分區(qū)閾值流量散點(diǎn)圖

表5 120 min各分區(qū)的凈雨量統(tǒng)計(jì)

經(jīng)計(jì)算，秤勾灣溝相同分區(qū)內(nèi)流速及匯流時(shí)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(gè)分區(qū)的閾值雨量影響較小，故各區(qū)預(yù)警閾值量以三組過程雨量的平均值進(jìn)行確定。

表6 200 min各分區(qū)的凈雨量統(tǒng)計(jì)

表7 240 min各分區(qū)的凈雨量統(tǒng)計(jì)

表8 300 min各分區(qū)的凈雨量統(tǒng)計(jì)

分區(qū)雨量研究結(jié)果：形成區(qū)紅色預(yù)警過程雨量1532.34 mm、橙色預(yù)警過程雨量1379.11 mm、黃色預(yù)警過程雨量1225.87 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量1072.64 mm；流通區(qū)紅色預(yù)警過程雨量1015.25 mm、橙色預(yù)警過程雨量913.73 mm、黃色預(yù)警過程雨量812.20 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量710.68 mm；堆積區(qū)紅色預(yù)警過程雨量820.26 mm、橙色預(yù)警過程雨量738.24 mm、黃色預(yù)警過程雨量656.21 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量574.18 mm（圖6）。

圖6 各分區(qū)累計(jì)降雨量與預(yù)警等級關(guān)系（圖6a,c,e）及不同預(yù)警等級短時(shí)強(qiáng)降雨與長時(shí)弱降雨散點(diǎn)圖（圖6b,d,f）

秤勾灣溝累計(jì)流量與預(yù)警流量呈線性關(guān)系，前期有效降雨與短時(shí)強(qiáng)降雨呈彼增我減的態(tài)勢，紅色預(yù)警范圍左側(cè)為泥石流災(zāi)害的低頻區(qū)，紅色預(yù)警范圍為泥石流災(zāi)害的高頻區(qū)。

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(qū)。建議采用溝道物源穩(wěn)固和清理相結(jié)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(fā)育的溝道沖洪積物、坡面殘坡積物和主溝道內(nèi)的沖洪積物和人工堆積物源進(jìn)行清理和穩(wěn)固，減少溝道堵塞程度，達(dá)到及時(shí)清淤及縮減泥石流危害范圍的目的；②加強(qiáng)溝域植被保護(hù)和和水土保持，減少泥石流活動物源，對村民進(jìn)行避險(xiǎn)培訓(xùn)及撤離演練，設(shè)立專人定時(shí)對溝域進(jìn)行巡查，并記錄溝道內(nèi)切淤情況，安裝和定期檢查相應(yīng)的泥石流監(jiān)測設(shè)備。

6 結(jié)論

（1）秤勾灣溝內(nèi)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(tǒng)關(guān)聯(lián)度方法開展危險(xiǎn)性評價(jià)得出：危險(xiǎn)性綜合評分0.84，危險(xiǎn)性評價(jià)等級為高危險(xiǎn)。

（2）利用URCS-CN預(yù)警雨量模型開展閾值研究，結(jié)果表明：形成區(qū)紅色預(yù)警過程雨量1532.34 mm、橙色預(yù)警過程雨量1379.11 mm、黃色預(yù)警過程雨量1225.87 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量1072.64 mm；流通區(qū)紅色預(yù)警過程雨量1015.25 mm、橙色預(yù)警過程雨量913.73 mm、黃色預(yù)警過程雨量812.20 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量710.68 mm；堆積區(qū)紅色預(yù)警過程雨量820.26 mm、橙色預(yù)警過程雨量738.24 mm、黃色預(yù)警過程雨量656.21 mm、藍(lán)色預(yù)警過程雨量574.18 mm。累計(jì)流量與預(yù)警流量呈線性關(guān)系，前期的有效降雨與短時(shí)強(qiáng)降雨呈彼增我減的態(tài)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(qū)，建議采用溝道物源穩(wěn)固和清理相結(jié)合的綜合治理措施。