陈 文 鸿，余 斌，柳 清 文，孙 帅，师 春 香

(1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059； 2.国家气象信息中心，北京 100081)

泥石流是指在沟谷或者山坡上，因为降雨(暴雨、冰川、积雪融化水)或其他自然灾害引发的山体滑坡并挟带大量泥砂、石块等固体物质的特殊洪流[1]，破坏力强，对山区人民生命财产构成严重威胁。分析区域泥石流的降雨特征并以此作为一个突破口，开展泥石流的预测和预报，可有效地预防和减轻灾害的发生[2-5]。丛威青等研究发现，当日降雨、前期降雨、前期累积降雨和降雨时长与泥石流的发生有着密切的关系[6]；陈树群等[7]把降雨时数小于12 h，介于12～24 h及超过24 h分别定义为短历时降雨、中历时降雨及长历时降雨；余斌等[8]研究证明10 min降雨强度是沟床起动型泥石流暴发的关键；王治兵[9]通过实验证明了暴雨泥石流的预报与前期降雨和激发降雨有着密切的关系；倪化勇等[10]研究表明了泥石流发生是前期降雨与短历时降雨共同作用的结果；戚国庆等[11]认为强降雨泥石流的发生可以归为两个阶段：第一个阶段与前期实际累积降雨量有关，第二个阶段与短历时降雨强度有关；涂剑等[12]研究得出区域的泥石流激发雨量条件对山洪泥石流的预测具有指导意义；乔建平根据预警分类原理，建立了实现两类灾害预警的技术方法体系[13]。

北京山区经常暴发泥石流，2011年“7·24”和2012年“7·21”强降雨引发山洪泥石流导致密云区龙潭沟、房山区十渡镇受损严重，严重危害了当地人民的生命安全[12，14-16]。北京山区大多数泥石流的形成机理主要是在高强度降雨的作用下，大量雨水在地表形成径流，汇集到主沟并形成强大的山洪，进而掀揭沟床物质形成泥石流[17-18]。北京山区泥石流易发区的地质地貌是泥石流暴发因素中相对稳定的因素，当沟谷地形和松散碎屑物质条件确定后，泥石流的暴发决定于降雨量与降雨强度[2]。

涂剑等[12]采用平均降雨强度-降雨历时(I-D)、累积雨量-降雨历时(C-D)组合指标，拟合出泥石流发生的雨量激发条件：I=35.4D-0.18和C=35.4D0.82。史明远[19]采用前期有效降雨总量和短期降雨总量的关系，提出降雨总量临界模型Y=670000-1.284X，并对北京南窖主沟进行了预警。王礼先等[20]建立了北京暴雨泥石流发生的前3，5 d或15 d雨量与当日激发泥石流雨量的回归模型。孙佳丽[21]利用泥石流的灾害频率与降雨频率分析方法计算了门头沟不同时段的泥石流临界雨量。余斌等[22]通过地形条件、地质条件、降雨条件之间的关系，提出了沟床起动类型泥石流预报模型P=RT0.2/G0.5。姚令侃等[23]利用泥石流发生频率和暴雨频率推求了泥石流发生的临界雨量。钟郭伦[24]等以成昆铁路为基础建立了线路泥石流预报方法，确定了泥石流预报参数，并建立了相应的数据库应用系统。目前，北京地区现有的泥石流降雨临界值多数从统计泥石流的历史降雨数据而来，缺乏结合泥石流发生机理与降雨特征的分析。本文在前人研究基础上，收集2012年北京山区“7·21”暴雨泥石流灾害与本次气象站点(遍布全山区)的雨量过程数据和其他时间段发生泥石流的降雨资料，并基于研究区泥石流暴发的机理，结合余斌[8]提出的综合降雨临界值方法，开展该区泥石流降雨特征条件研究，以便为该区山洪泥石流预测预报、监测预警提供参考。

1 研究区泥石流概况及降雨特征分析

1.1 研究区概况及气象站点分布

北京山区面积为10 417.5 km2，占全市总面积的62%。经溜石港、了思台、镇边城一线为界划分为北山和西山两个大区，界线的东面与南面为平原区。山区沟道狭窄，河谷坡度较大，其断面多呈“V”形[2，19]。崩塌时有发生，沟床、坡面碎屑物丰富[2]，物源体主要以粗颗粒为主[12]。

统计北京“7·21”山区气象站点的降雨数据，并将气象站点分为两类，一类为有泥石流发生的气象站点(即气象站点附近发生泥石流灾害)，另一类为无泥石流发生的气象站点(即气象站点附近未发生泥石流灾害)(见图1)，还收集了其他时间段的暴发泥石流事件(15起)[12，16]与对应的气象站点(见图2)。

图1 “7·21”泥石流分布Fig.1 “7·21” debris flow distribution

图2 其他时间段泥石流分布Fig.2 Debris flow distribution at other time periods

1.2 降雨特征分析

北京山区滑坡很少，泥石流物源主要以零星崩塌后固体物质进入沟道为主，这类泥石流的起动机理为沟床起动型。短历时强降雨是诱发沟床起动类型的沟谷泥石流的主要原因[25-27]。余斌提出的沟床起动型泥石流的降雨模型是从泥石流形成机理出发的统计降雨模型，在台湾、西南地区、西北地区(舟曲以及陇南等地)[22，28]都有很好的适用性，但首次在北京地区适用，还需要更多的资料验证、完善。

这类泥石流的预报模型由地形因子、地质因子和降雨因子组成，其表达式如下[22]：

(1)

G=F0C1C2C3C4

(2)

(3)

P=RT0.2/G0.5

(4)

式中：T为泥石流形成区地形因子；J为泥石流形成区沟床纵比降；A为泥石流形成区面积，km2；L为形成区沟道长，km；A0为单位面积，1 km2；G为地质因子；F0为泥石流形成区平均坚固系数；C1，C2，C3，C4分别为构造(断裂带)、地震烈度、物理风化和化学风化修正因子；R为降雨因子；R*为综合降雨临界值；B为泥石流暴发前前期降雨量，mm，I为泥石流激发1 h降雨量，mm；R0为当地年平均降雨量，mm，北京山区的年平均降雨为640 mm；Cv为当地10 min降雨变差系数，北京山区10 min降雨变差系数的Cv=0.45；P为预警值。

有些泥石流发生时无法获取详细的降雨数据及激发1 h降雨量，因此，可采用公式(3)中综合降雨临界值(R*)的最大值对应1 h降雨雨量(I)作为泥石流暴发的激发1 h降雨量，综合降雨临界值(R*)的最大值对应的累积降雨量作为泥石流暴发的前期降雨量(B)，无泥石流发生的气象站点对应的参数值(激发1 h降雨量(I)、前期累积降雨量(B)也按以上步骤获取。

本文降雨数据主要为79个降雨站点的2012年7月20日08:00至7月22日07:00的小时降雨数据，另外还收集了其他时间段泥石流暴发的降雨资料。其中，前期累积降雨量(B，mm)、1 h激发雨量(I，mm)和降雨历时(D，h)作为本次区域泥石流雨量阈值预警研究的主要降雨参数(见表1)

表1 北京泥石流降雨参数值Tab.1 Beijing debris flow parameter value

通过收集以上数据，统计了北京山区“7·21”气象站点的降雨特征(见图3～5)。从图3可以看出，研究区的“7·21”降雨历时基本小于6 h(86.96%)；其中，图3显示诱发泥石流的降雨历时大多数为3～6 h(69.57%)，都是在9h以内(100%)；从图5可以看出，“7·21”和其他时间段泥石流1 h激发雨量多数大于30 mm(88.96%、78.57%)，属于高强度降雨[7]。综上所述，北京山区泥石流主要是在短历时高强度降雨的条件下诱发的。

图3 降雨历时特征Fig.3 Rainfall duration characteristics

图4 累积雨量特征Fig.4 Cumulative rainfall characteristics

图5 1 h激发雨量特征Fig.5 1 h excitation rainfall characteristics

2 泥石流灾害降雨量临界值

2.1 激发雨量值和累积雨量的关系

将每个降雨站点的1 h激发雨量(I)和前期累积雨量(B)的数据点都绘于坐标系中(见图6)，画出能合理区分两类点的分界线，得到相应的临界范围。

图6 气象站点I-B关系Fig.6 I-B relationship diagram of weather station

从图6得出有泥石流发生的气象站点数据中，I<30 mm占的比例为10.53%，30≤I<42 mm占的比例为28.95%，I≥42 mm占的比例为60.53%；B<75 mm占的比例为18.42%，75≤B<130 mm占的比例为21.05%，B≥130 mm占的比例为60.53%。无泥石流发生的气象站点数据I<30 mm占的比例为67.86%，30≤I<42 mm占的比例为17.86%，I≥42 mm占的比例为14.29%；B<75 mm占的比例为83.93%，75≤B<130 mm占的比例为14.29%，B≥130 mm占的比例为1.79%。

从图6可以看出，两类点被4条直线划分出9个区域。其中，无泥石流发生气象站点的坐标点主要分布在I≤30 mm且B≤75 mm范围内(64.29%)，有泥石流发生气象站点坐标点主要分布在I≥42 mm，且B≥130 mm范围内(44.74%)。综上所述，可以得出，当I≤30 mm，且B≤75 mm的时候，发生泥石流的可能性较低；当I≥42 mm，且B≥130 mm的时候，发生泥石流灾害的可能性很大。目前还无法详细区分其他7个区域之间泥石流暴发的可能性关系，但可以确定这7个区域暴发泥石流的可能性介于I≤30 mm且B≤75 mm范围内暴发泥石流的可能性与I≥42 mm，且B≥130 mm范围内暴发泥石流的可能性之间。因此，当I≥42 mm，且B≥130 mm时，暴发泥石流可能性高，可为北京山区泥石流的预警预报提供一定的参考。

2.2 降雨综合临界值

将表1中两类气象站点(有泥石流暴发的气象站点、无泥石流暴发的气象站点)的降雨1 h激发雨量(I)和前期累积雨量(B)分别画在直角坐标系中(见图7)，采用公式(3)中的R*=B+12.5I合理地分开无泥石流和有泥石流两种类型点，进而确定B和I的关系。遵循以下原则进行划分：① 保证精度，使预警范围不要过大，上限与下限之比不超过2倍的关系；② 最大程度分开有泥石流与无泥石流；③ 不漏报，少错报。从图7可以得出采用B和I的诱发沟谷型泥石流泥石流的降雨阈值。

图7 诱发泥石流的B和IFig.7 B and I inducing debris flow

根据提取出来的诱发前期累积雨量(B)和1 h激发雨量(I)，分析这两类降雨站点(有泥石流发生的气象站点、无泥石流发生的气象站点)的1 h激发雨强和累积雨量的相互关系，得出泥石流红色预警临界线，见图7中实线(R*=B+12.5I=600 mm)。为了提高降雨型泥石流预报准确性，本文画出黄色预警临界线(R*=B+12.5I=480 mm)和蓝色预警临界线(R*=B+12.5I=300 mm)。

图7中有3个指标值：Cr1=300 mm，Cr2=480 mm，Cr3=600 mm(分别对应的是警戒线、警报线和避难线)。其中100%的暴发泥石流降雨站点都在Cr≥300 mm区域内，85.29%的暴发泥石流降雨站点都在Cr≥480 mm区域内，67.65%的暴发泥石流站点都在Cr≥600 mm区域内。这3个指标值将图7中的直角坐标系分为4个区域：当Cr<300 mm时，泥石流发生的可能性很低；当300≤Cr<480 mm时，泥石流发生的可能性较低；当480≤Cr<600 mm时，泥石流发生的可能性中等；当Cr≥600 mm时，泥石流发生的可能性高。

图7中有4个无泥石流发生的气象站点，显示在Cr=600 mm线以上(异常点)，图7中左上方的异常点和右上方(从上往下)第3个异常点都靠近密云暴雨集中区，右上方(从上往下)第一个异常点靠近门头沟暴雨集中区，这些异常点附近有很大的泥石流发生概率。由于收集2012年北京“7·21”泥石流灾害发生信息主要是通过查阅文献记载信息[12，14]，有可能存在部分气象站点附近有泥石流暴发却没文献记录，需要进一步去完善。由于降雨因素具有区域特性，特别是区域的地形与地质特征，因此，该临界值只适合北京山区流域的沟床起动型泥石流，下一步需要结合对单个泥石流沟进行研究分析，以便更好地预警泥石流的发生。

3 结 论

区域泥石流的预测预报是泥石流灾害防治的重中之重。2012年7月21日北京市山区普遍暴发了特大山洪泥石流，其中暴雨中心所在的房山区暴发多处泥石流。并且，导致研究区泥石流暴发的降雨历时都是在9 h以内，泥石流暴发的1 h激发雨量大多数都大于30 mm，对应的前期累积降雨量大部分都大于150 mm。短历时高强度降雨是诱发这些泥石流的关键因素。本文在分析北京泥石流事件的降雨特征基础上，采用综合降雨临界模型R*=12.5I+B得出3个预警临界值Cr1=300 mm、Cr2=480 mm和Cr3=600 mm，进行Ⅳ级预警，在预报程度上更具优势，可以在一定程度上提高泥石流灾害预警的准确性。本文的模型预警值还可以为定量地预测北京山区山洪暴发的降雨临界值提供依据。

本文收集的泥石流灾害样本数据有限，还没有对泥石流地形因素进行结合分析，这还需要进一步深入的研究。北京山区沟床起动泥石流大多数在暴雨条件下发生，普及这类泥石流降雨特征的识别方法和合理预防措施，也是今后的研究课题。