“23·7”強(qiáng)降雨對北京西山曹家坊泥石流隱患易發(fā)性影響

摘"要：探討極端強(qiáng)降雨對于泥石流易發(fā)性的影響，為泥石流災(zāi)害預(yù)警與防治提供支持。以北京市曹家坊泥石流溝為研究區(qū)，選取泥砂沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度等因子，結(jié)合遙感手段參照《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估技術(shù)規(guī)范》，對研究區(qū)在“23·7”強(qiáng)降雨前后的泥石流易發(fā)性進(jìn)行打分并評價(jià)。結(jié)果表明：泥沙沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、河溝堵塞程度、河溝近期一次變幅等5項(xiàng)因子更易受到極端強(qiáng)降雨的影響；在沖於作用影響下，曹家坊泥石流溝的易發(fā)性由“低易發(fā)”升級為“中易發(fā)”，建議對淤積物源進(jìn)行清理。

關(guān)鍵詞：泥石流；易發(fā)性評價(jià)；“23·7”強(qiáng)降雨；曹家坊泥石流溝

Influences of \"23·7\" heavy rainfall on the hidden danger of debris flow at Caojiafang， Beijing

ZHAO Danning¹， JIAO Runcheng¹， YANG Chun²

（1.Beijing Institute of Geological Hazard Prevention， Beijing 100120， China；

2.Twenty-First Century Aerospace Technology Co.， Ltd.， Beijing 100096， China）

Abstract： To explore the influence of extremely heavy rainfall on the susceptibility of mudslides， and provide support for early warning and prevention of mudslide disasters， this paper takes Caojiafang mudslide ditch in Beijing as the study area and selects 15 factors such as sediment recharge length ratio， loose material storage along the ditch， and the average thickness of loose material in the sand-producing area. The standardized scoring method is applied in combination with remote sensing to score the susceptibility and make comparisons of the mudslides before and after the heavy rainfall of \"23·7\" in the study area. The results show that 5 factors， including the length ratio of along-channel recharge， loose material storage along the gully， the average thickness of loose material in the sand-producing area， the degree of blockage of the gully， and the recent variation of the gully， are more susceptible to the influence of extreme rainfall. Under the decisive influence of the flushing effect， the susceptibility of Caojiafang mudslide gully is upgraded from \"low susceptibility\" to \"medium susceptibility\". The susceptibility of Caojiafang mudslide ditch is also upgraded from \"low susceptibility\" to \"medium susceptibility\" under the decisive influence of alluvial action.

Keywords： mudslide; vulnerability assessment; \"23·7\" heavy rainfall; Caojiafang mudslide ditch

泥石流是一種山區(qū)常見的地質(zhì)災(zāi)害，它的發(fā)生嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，給人民生命財(cái)產(chǎn)的安全帶來了巨大威脅（李寧等，2022），因此，泥石流易發(fā)性的分析與研究，對于泥石流災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警以及防治有著重要的意義（南赟等，2020；鮑進(jìn)進(jìn)，2019）。

目前泥石流易發(fā)性評價(jià)的方法主要分為兩類：定性評價(jià)和定量評價(jià)。定性評價(jià)主要基于個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)知，主觀性強(qiáng)，人為因素干擾較大；定量評價(jià)主要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)，并與經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，如多因子評價(jià)法、GIS信息模型法、層次分析法、灰色關(guān)聯(lián)度法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法等，客觀性較強(qiáng)（陳攀等，2022；崔志超等，2020；李坤等，2022；羅守敬等，2021；張群等，2023）。在進(jìn)行泥石流易發(fā)性評價(jià)時(shí)，確定易發(fā)性主控因子及其貢獻(xiàn)率十分重要，這其中還有諸多問題需要解決（劉永垚等，2018）。

在易發(fā)性評價(jià)單元上，現(xiàn)有的評價(jià)方法中評價(jià)單元一般分為３種，即柵格單元、自然流域（王峰等，2023；王向前等，2023）和行政區(qū)域。柵格單元的優(yōu)勢是可以利用GIS處理矩陣數(shù)據(jù)，十分便捷，缺點(diǎn)是破壞了流域單元的完整性，不利于結(jié)合地形地貌等環(huán)境因素；以行政區(qū)域作為評價(jià)單元有利于為各級政府和管理部門進(jìn)行防災(zāi)救災(zāi)決策提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持；以自然流域作為評價(jià)單元，可以保證流域的完整性，利于易發(fā)性判別因子的獲取，還可以充分結(jié)合周邊地質(zhì)環(huán)境要素（黃來源，2022）。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，基于流域單元的泥石流易發(fā)性評價(jià)已成為主流。

北京西山地區(qū)富含大量煤炭資源，曾經(jīng)存在大量采煤區(qū)，截止2020年煤礦都已關(guān)閉。煤礦開采初期占用大量土地，造成地表植被破壞，導(dǎo)致土壤持水能力減弱，開采過程中會在露天堆積大量煤矸石，一旦有暴雨發(fā)生，流域內(nèi)容易發(fā)生泥石流（王海芝等，2022；王文等，2022）。針對此類泥石流隱患，北京市政府先后投入大量人力物力對其進(jìn)行了治理。

在“23·7”強(qiáng)降雨過程中，北京市很多泥石流隱患發(fā)生了溝道侵蝕和沖淤，在一定程度上改變了泥石流的性質(zhì)和特征，對它的易發(fā)性產(chǎn)生了影響。這些泥石流隱患迫切需要對其易發(fā)性進(jìn)行重新評估。

本文以曹家坊泥石流溝為研究對象，對其災(zāi)前和災(zāi)后的物源分布情況、溝道動力條件、植被覆蓋等情況進(jìn)行提取和對比，探索強(qiáng)降雨過程對泥石流溝的易發(fā)性造成的影響。

1 "研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)源

1.1 "研究區(qū)概況

1）地質(zhì)背景

曹家坊泥石流溝位于北京市房山區(qū)史家營鄉(xiāng)，處于中山區(qū)域，此區(qū)域一般山體陡峭，溝道落差和縱比降較大，較利于泥石流的形成。

根據(jù)《北京市區(qū)域地質(zhì)志》（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)局，1991），該區(qū)第四紀(jì)時(shí)期的上升速度明顯要高于第三紀(jì)，且從中更新世晚期開始表現(xiàn)為快速上升，最快抬升速度接近1 mm·a^-1，依據(jù)北京市地質(zhì)志里關(guān)于新構(gòu)造運(yùn)動的論述，推測今后山區(qū)仍將有加速上升的發(fā)展趨勢。因此，該泥石流溝目前處于抬升區(qū)。

曹家坊溝內(nèi)主要發(fā)育侏羅紀(jì)地層，大部分地區(qū)巖性以較硬的砂礫巖和火山巖為主；中上游地區(qū)巖性軟硬相間，其局部發(fā)育窯坡組含煤地層。綜合來看：曹家坊溝內(nèi)巖石風(fēng)化程度較低，巖性較硬；斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，包含有多處斷層破碎帶（圖1）。

曹家坊泥石流溝內(nèi)主要物源包括煤矸石堆（未治理和治理后2種類型）、自然松散堆積物、危巖體、道路切坡、旱地覆土、災(zāi)害體、局部水體以及人類工程形成的堆積物等。

曹家坊溝歷史沒有發(fā)生泥石流災(zāi)害的記載。

2）工程治理情況

曹家坊礦區(qū)由于開采歷史較長，區(qū)內(nèi)森林植被損毀，水土流失、采空塌陷問題突出，山體崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)，自2010年起政府相關(guān)部門對曹家坊礦區(qū)開展了全面生態(tài)修復(fù)，修復(fù)面積160多公頃，礦山修復(fù)治理面積約69.84 hm2，修建行洪渠4000余米，對溝道內(nèi)物源進(jìn)行了攔擋、穩(wěn)固以及植被恢復(fù)，植被覆蓋率大幅度提升（圖2）。

1.2 "數(shù)據(jù)源

采用時(shí)相分別為2023年5月份和2023年10月份的數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM）數(shù)據(jù)，分辨率都是0.1 m。獲取的數(shù)據(jù)無霧、霾覆蓋，色調(diào)均勻，反差適中，云量覆蓋率小于"0.5%，且不壓蓋目標(biāo)地物，滿足本次工作的要求。同時(shí)收集了研究區(qū)的大比例尺航攝數(shù)據(jù)用來制作高精度數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。

2 "研究方法

在研究區(qū)“23·7”強(qiáng)降雨前后兩期高精度DOM基礎(chǔ)上，通過建立遙感解譯標(biāo)志，提取地質(zhì)災(zāi)害隱患背景信息和泥石流溝物源分布，崩塌隱患以及受威脅對象分布信息，結(jié)合高精度DEM提取溝道動力綜合條件因子，并分別開展災(zāi)害隱患易發(fā)性評價(jià)，通過對比分析，探索強(qiáng)降雨過程對泥石流溝的易發(fā)性造成的影響。

2.1 "源數(shù)據(jù)處理

1）幾何校正與配準(zhǔn)

采用特征點(diǎn)匹配法對兩期影像進(jìn)行配準(zhǔn)，提取兩期影像中相似的特征點(diǎn)，如角點(diǎn)、邊緣，然后通過相似點(diǎn)間的相似性度量。本次共選擇10個(gè)特征點(diǎn)，采用一階多項(xiàng)式變換（仿射），殘差值控制在1個(gè)像素以下（表1）。

2）DEM制作

利用高精度定位定姿系統(tǒng)（position and orientation system，POS）數(shù)據(jù)進(jìn)行生產(chǎn)，自動DEM匹配采用DEM制作模塊可以完成0.5 m格網(wǎng)間距DEM自動匹配，自動匹配DEM的效果如圖3所示。

DEM編輯在二三維一體化的環(huán)境下完成，通過點(diǎn)線面編輯等工具以及立體檢查完成DEM的局部編輯，提高了DEM精度。

2.2 "遙感解譯

利用大比例尺航攝數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用遙感地質(zhì)解譯和遙感信息提取技術(shù)開展地質(zhì)災(zāi)害遙感綜合解譯。

1）解譯內(nèi)容

地形背景解譯：在充分利用研究區(qū)已有研究成果和資料的基礎(chǔ)上，通過遙感解譯補(bǔ)充解譯與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育有關(guān)的地形信息。

泥石流物源信息提?。豪萌藱C(jī)交互信息提取方法，通過二維與三維相結(jié)合的方式獲取每條泥石流隱患溝內(nèi)物源類型、分布情況。

溝道動力綜合條件信息提取：基于航攝數(shù)據(jù)，利用三維空間分析手段，通過高精度DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行匯水和徑流模擬計(jì)算，對泥石流溝流域范圍、流域形態(tài)、溝系發(fā)育、溝床比降、流域山坡坡度及溝道形態(tài)等情況進(jìn)行自動提取。

崩塌信息提取：基于高分?jǐn)?shù)據(jù)，借助數(shù)字三維模型，提取崩塌隱患大型裂縫和危巖分布情況。

2）解譯方法

本次研究中，結(jié)合不同提取目標(biāo)物的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用人機(jī)交互解譯和計(jì)算機(jī)自動信息提取兩種方法，遵循“從已知到未知、先易后難、逐步解譯”的原則，充分利用各種分析推理方法進(jìn)行解譯。

建立研究區(qū)各類信息提取目標(biāo)物解譯標(biāo)志，進(jìn)行人機(jī)交互解譯（表2）。

水體分為河流、坑塘水面及水庫等，是泥石流隱患溝中發(fā)育的物源類型之一。

坑塘水面一般為淡藍(lán)至深藍(lán)色調(diào)，隨水體的加深，色調(diào)逐漸加深，內(nèi)部色調(diào)較均勻，與周邊地物邊界清晰，易于判讀

結(jié)合高精度DEM能夠精確獲取泥石流水動力綜合條件因子，如河流縱坡、河岸山坡坡度、產(chǎn)沙區(qū)橫斷面、流域面積、流域相對高差等（圖4）。

3 "強(qiáng)降雨泥石流易發(fā)性影響分析

參照DB 11/T 893－2021《地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評估技術(shù)規(guī)范》G.4“泥石流易發(fā)程度等級評判表”對曹家坊溝泥石流易發(fā)性進(jìn)行評價(jià)，評價(jià)過程選取15個(gè)因子，按照暴雨工況對評價(jià)因子的可影響程度對因子進(jìn)行分類并打分，最終按照總分“gt;115”“86～115”“l(fā)t;86”將評價(jià)結(jié)果分為“高易發(fā)”“中易發(fā)”“低易發(fā)”3個(gè)等級。

3.1 "不受暴雨影響的因子

1）不良地質(zhì)體嚴(yán)重程度

通過解譯，暴雨前共在泥石流溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)崩塌、滑坡、危巖體等不良地質(zhì)體5處，自然成因和人工切坡成因均有。在“23·7”暴雨后未發(fā)現(xiàn)新增的地質(zhì)災(zāi)害。

依據(jù)區(qū)域地質(zhì)背景調(diào)查，研究區(qū)內(nèi)的砂礫巖和火山巖質(zhì)地偏硬，并且風(fēng)化不強(qiáng)烈，在暴雨的影響下，不容易產(chǎn)生新的不良地質(zhì)體。而區(qū)域內(nèi)工程治理比較完善，也極大降低了不良地質(zhì)體產(chǎn)生的幾率。

2）溝口泥石流堆積活動程度

在溝道治理工程中，曹家坊溝溝口的堆積物已經(jīng)被改造，建設(shè)成為居民地，河道受堆積物和人類工程活動影響向西南側(cè)偏移（圖5），在暴雨后主河道沒有受到泥石流的影響，這次暴雨形成的沖淤物也沒有沖出溝口對主河道造成影響，此項(xiàng)因子沒有變化。

3）巖性影響

曹家坊溝內(nèi)發(fā)育巖性較硬，風(fēng)化程度不高，此項(xiàng)因子不受強(qiáng)降雨的影響。

4）泥石流溝水動力條件因子

河溝縱坡、溝岸山坡坡度、產(chǎn)沙區(qū)橫斷面、流域面積、流域相對高差這5項(xiàng)屬于泥石流溝水動力條件因子，是泥石流形成的關(guān)鍵因素之一。

利用DEM結(jié)合高精度DOM分析計(jì)算可得：曹家坊溝流域面積3.57 km²，主溝流動方向約為140°；溝岸山坡平均坡度約為34.43°；主溝長約3.75 km，彎曲系數(shù)為1.10，溝系密度6.7 km·km^-2；最大高差為1 050 m，平均坡降約為28.6%；產(chǎn)沙區(qū)溝槽橫斷面呈V字型（圖6）。

這5項(xiàng)因子在“23·7”強(qiáng)降雨后都不發(fā)生變化。

5）區(qū)域構(gòu)造影響程度

由地質(zhì)背景可知調(diào)查區(qū)域范圍位于抬升區(qū)，7級地震烈度帶內(nèi)，斷裂構(gòu)造發(fā)育。此因子暴雨后不發(fā)生變化。

6）植被覆蓋率

由于暴雨沖刷導(dǎo)致泥土稀松，使得部分植被被損毀，通過土地利用類型自動分類和植被指數(shù)兩種計(jì)算方法，分別獲得流域的植被覆蓋率，再計(jì)算二者平均值，得出“23·7”強(qiáng)降雨前植被覆蓋率為81.52%，強(qiáng)降雨后植被覆蓋率為75.65%。

3.2 "受暴雨影響的因子

1）動力綜合條件因子

溝道堵塞程度和河溝最近一次沖淤變幅都屬于動力綜合條件。

原溝道經(jīng)過治理后，主河道流通區(qū)已經(jīng)十分通暢，“23·7”強(qiáng)降雨后溝道內(nèi)中上游煤矸石大量沖淤，造成溝道內(nèi)多處發(fā)生嚴(yán)重堵塞（圖7、圖8）。

在“23·7”強(qiáng)降雨之前，曹家坊泥石流溝最近一次較明顯沖淤發(fā)生于2012年，沖淤變幅程度相對較低，普遍不超過0.1 m；“23·7”強(qiáng)降雨后，溝道內(nèi)物源淤積明顯（圖9），有些位置物源已經(jīng)漫過人工泄洪渠，平均厚度達(dá)到4 m。因此，河溝最近一次沖淤變幅接近4 m。

2）物源變化相關(guān)因子

泥砂沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度等3項(xiàng)因子都與物源變化相關(guān)。

泥砂沿程補(bǔ)給長度比是指泥沙沿程補(bǔ)給累計(jì)長度與主溝長度比。根據(jù)泥石流溝遙感解譯成果，通過圖上量測可得曹家坊溝主溝長度，泥沙沿程補(bǔ)給長度則從流域西北側(cè)分水嶺開始測量，分水嶺開始至溝谷直到溝口，對其中可能對泥石流產(chǎn)生補(bǔ)給的區(qū)段（如第四系松散沉積物分布區(qū)段、基巖風(fēng)化強(qiáng)烈的區(qū)段、礦渣與生活固廢等人工堆積物分布區(qū)段等，但無補(bǔ)給源的裸露基巖分布區(qū)段應(yīng)去除）分別量測其長度，然后累計(jì)計(jì)算總長度。

曹家坊泥石流溝經(jīng)測量泥石流溝主溝長度約為3"740 m，在“23·7”強(qiáng)降雨前綜合量測泥沙補(bǔ)給長度約為2 169 m，“23·7”強(qiáng)降雨后，因大量第四系松散沉積物剝落，溝道兩側(cè)植被覆蓋層被雨水沖刷侵蝕，新增物源主要為廢棄的煤矸石，災(zāi)后新增物源范圍位于流域中段（圖10），沿主溝長度約460 m，泥石流補(bǔ)給區(qū)段明顯加長，綜合量測泥沙補(bǔ)給長度約為2 618 m。

經(jīng)計(jì)算補(bǔ)給長度比在“23·7”強(qiáng)降雨前泥砂沿程補(bǔ)給長度比約為58%，強(qiáng)降雨后可達(dá)到約70%。

“23·7”強(qiáng)降雨后，溝道內(nèi)沖出大量物源，其中以原治理后的煤矸石堆為主，輔以少量旱地覆土和自然松散堆積物，通過遙感解譯，對曹家坊溝內(nèi)各類物源儲量進(jìn)行計(jì)算，估算結(jié)果顯示該溝內(nèi)主要物源儲量總計(jì)可達(dá)19.69×10⁴ m³。

“23·7”強(qiáng)降雨前，主要產(chǎn)沙區(qū)位于泥石流溝中上游，物源為煤矸石堆和松散堆積物，通過影像分析和野外調(diào)查，各處煤矸石堆、松散物的堆積厚度多數(shù)在1 m以下；“23·7”強(qiáng)降雨后，大量煤矸石堆及少量松散物被沖出，產(chǎn)沙區(qū)堆積物厚度最厚處可達(dá)4 m，最薄處也在1 m以上。

4 "泥石流溝易發(fā)程度評價(jià)

由前文可得，在對曹家坊泥石流溝進(jìn)行易發(fā)性評價(jià)的15個(gè)因子中，有5項(xiàng)在“23·7”強(qiáng)降雨后發(fā)生了變化，它們分別是泥沙沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量（×10⁴"m³·km^-2）、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、河溝堵塞程度、植被覆蓋率。

泥沙沿程補(bǔ)給長度比由58%變?yōu)?0%；沿溝松散物儲量（×10⁴"m³·km^-2）由0.95變?yōu)?.5；產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度由1"m變?yōu)? m；河溝堵塞程度由沒有堵塞變?yōu)閲?yán)重堵塞；植被覆蓋率由81.52%變?yōu)?5.65%（表3）。

根據(jù)泥石流溝的易發(fā)程度進(jìn)行評價(jià)，結(jié)合泥石流溝基本特征調(diào)查成果，可知極端降雨可以影響，泥沙沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、河溝堵塞程度、河道近期一次變幅等因子，導(dǎo)致泥石流易發(fā)程度增大，如曹家坊溝泥石流在“23·7”強(qiáng)降雨前易發(fā)程度評價(jià)為“低易發(fā)”，在“23·7”強(qiáng)降雨后易發(fā)性評價(jià)為“中易發(fā)”（表3），因此建議在暴雨過后，對存在溝道兩側(cè)植被覆蓋層被雨水沖刷侵蝕明顯、溝道內(nèi)沖出大量物源等現(xiàn)象的泥石流溝，及時(shí)開展易發(fā)性的重新評估。

5 "結(jié)論

1）經(jīng)研究可得，對泥石流易發(fā)性進(jìn)行評價(jià)時(shí)需要提取的因子中，泥沙沿程補(bǔ)給長度比、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、河溝堵塞程度、河溝近期一次變幅等5項(xiàng)因子更易受到強(qiáng)降雨的影響。

2）曹家坊溝在“23·7”強(qiáng)降雨之后，其易發(fā)性由“低易發(fā)”升級為“中易發(fā)”。其中沖淤作用起到了決定性作用，建議對其淤積物源進(jìn)行清理或固定。

3）由于泥石流溝下游有酒店、景區(qū)和村莊，且溝道內(nèi)已經(jīng)發(fā)生沖淤，說明目前治理工程效果不足以應(yīng)對“23·7”這種極端強(qiáng)降雨情況，建議在經(jīng)過充分勘查研究后，進(jìn)一步提升工程防治的等級。

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