浙东南山丘区泥石流爆发的临界雨量分析

王一鸣，袁民豪，殷坤龙，龚新法

（1.中国地质大学，湖北 武汉 430074；2.浙江省第十一地质大队，浙江 温州 325006）

0 引言

浙东南山区山地多、平地少（图1），素有“八山一水一分田”之称，山区经济社会发展很大程度上受到地质灾害的控制。泥石流作为一种主要的地质灾害类型，同时也是一种特殊洪流，具有爆发突然、运动快速，历时短暂等特点，往往在台汛期受台风暴雨诱发，对山区（尤其是沟谷地带的）的村镇构成直接威胁。例如2004年8月，第14号台风“云娜”在温岭市石塘镇登陆后横扫乐清市北部山区，其带来的强降雨引发了包括龙西乡上山村泥石流、仙溪镇石壁岩村泥石流等在内的群发性泥石流地质灾害，造成42人死亡或失踪的重大灾难［1－2］。

浙东南山区泥石流类型较为单一，主要以自然形成，中、小规模，低频率，雨源型的稀性崩滑型水石流为主，目前已发生泥石流多达175处，分布密度为1.5条/（100km2）。

1 泥石流形成条件

1.1 物源条件

对浙东南山区而言，泥石流物源主要包括沟源地带的启动物源（包括崩塌、滑坡和泥石流等）和沿沟松散物质（残坡积、坡洪积物和历史泥石流堆积物）作为补充物源。

（1）启动物源

浙东南山区的泥石流以崩滑型为主。据调查，浙东南山区绝大多数泥石流沟的中上游都存在滑坡、崩塌或坡面泥石流。滑坡和坡面泥石流一般是山体浅表松散层（残坡积层和坡洪积层）沿一定的地质界面（如风化界面、土岩分界面）发生的失稳，其中尤以高位滑坡或坡面泥石流更具破坏性，因为其具有高势能释放条件，向下游的铲刮动能更大、更迅猛。

（2）补充物源

主要指沿沟松散物质（包括残坡积、坡洪积物和历史泥石流堆积物等），一般堆积于陡缓斜坡交界点以下的缓斜坡处，成因一般为洪水或泥石流物质运动到缓斜坡后由于坡度变缓，阻力增大而停积于沟道或谷底。这类物质由于堆积历史较短（一般为 Q4），且经常遭受水流冲刷而胶结较弱，堆积较松散，一旦遇到上游泥石流的铲刮，容易被掀起并加入泥石流体，壮大泥石流规模，成为泥石流的补充物源。

1.2 地形条件

浙东南山区的地貌单元属浙南中山区和浙东南沿海丘陵和岛屿区，以断块中、低山和侵蚀剥蚀丘陵为主。区内的泥石流沟谷多以大比降小型冲沟居多。

浙东南山区泥石流沟主要为两类流域形状，漏斗形和长条形，这两类地形沟谷较顺直且利于汇水。漏斗形沟谷中上游往往发育多条小支沟，各支沟的洪峰容易在中下游主沟交汇，因而其固体物质搬运能力远大于一般的沟谷，而长条形沟谷往往沟道狭窄，纵向比降大，容易形成湍急的水流，侵蚀能力强。

总之，区内沟谷泥石流一般分布于小流域主沟两侧的大比降支沟，坡面泥石流一般分布于陡斜坡的负地形上。

图1 浙东南山区地质构造分布图Fig.1 Geologytectonicdistributionin mountainsofsoutheastZheJiangProvince

1.3 降水条件

区内泥石流均为暴雨型泥石流，降水条件与泥石流的形成、运动关系极为密切。

区内的降水条件对泥石流的形成作用主要体现在以下两个方面：（1）空间分布的不均匀性控制着泥石流的发生区域。降水空间分布具有山区大于平原，迎风山坡大于背风面，且随着海拔高度增加而递增的特点；（2）降水时间分布的不均匀性控制着泥石流的发生时间。降水时段集中，区内降水多集中在5、6月梅雨和8、9月份的台风暴雨期，为两个降水高峰期（研究区泥石流爆发周期与台风影响周期相对应，8、9月份爆发的泥石流占总数的91.6％），而且短历时强降雨量较大。这两个特点导致土体在多雨季节经常处于饱和状态。在暴雨，尤其是强度大的局地暴雨到来时，土体因早已饱和而渗透性很差，绝大部分降水形成地表径流，既为泥石流形成提供丰富的水体成份，又为泥石流形成提供强大的水动力条件，激起泥石流的爆发。

2 泥石流基本特征

2.1 形成方式

本区泥石流形成方式属土动力启动模式，其特征为由高位山坡的各种地貌形态上的松散土石体，随着含水量的增加，强度降低，开始起动，加速运动，土石体扰动，直至形成泥石流。根据启动物源位置的不同可将其分为以下两类：

2.1.1 谷坡物质滑塌或谷坡受侵蚀转化为沟谷泥石流

这类泥石流主要发生在沟床比较陡峻、山坡或谷坡坡度大、山坡上多数地段有残坡积物存在，残坡积物在前期降雨的滋润下，已处于饱和状态，在稀遇特大暴雨的作用下，坡面负地形处形成强大的地表径流冲击这些松散土石体，形成坡面泥石流，失稳物质在向沟底运动的过程中，不断铲刮和卷入沿程残坡积物，使坡面泥石流规模不断扩大。有的坡面泥石流在沟底形成堆积锥或微型堆积扇，有的进入沟谷成为沟谷泥石流的一部分。由于沟岸多处坡面泥石流汇入主沟，为沟谷泥石流的形成提供了较充足的启动物源，并在随洪水冲刷运动过程中不断铲刮沿途沟道，补充物源，形成沟谷泥石流。

2.1.2 沟源地带滑坡或泥石流启动形成沟谷泥石流

另一类土动力启动模式为沟源地带的重力侵蚀成为泥石流启动物源，这一类在区内比较普遍。由地形地貌的特点决定，区内冲沟上游沟源地带的斜坡往往坡度较陡，并覆盖有一定厚度的残坡积等松散碎屑物。在特大暴雨的激发下，容易形成小型滑坡或坡面泥石流，一旦此类重力侵蚀发生于一定高程以上，成为高位滑坡或坡面泥石流，则向中下游沟谷的铲刮会使得下方缓坡区的沟槽物质（此类堆积物为此前各次小规模失稳的物质堆积于缓坡区形成，在含水量不大的状态下一般比较稳定，即使山洪也较难冲刷启动）被大量掀揭、冲刷、搬运，并随土石和水流的混合物质一齐运动，这一连锁反应一旦形成或者形成循环，则固相的土石体在和洪水混合运动过程中会逐渐向液相的黏弹性体变化，形成泥石流体。

值得一提的是，沿某个薄弱点的破坏必须要在一定的高程上，只有这样才有充足的势能转化为动能，才可能有足够的能量掀揭沟床物质。因此，只有沟源、沟岸的高位地带形成滑坡、坡面泥石流、崩塌等，才能启动整个沟谷泥石流的形成，这也是同样降水、地形、地质条件下，仅有一部分沟谷会爆发泥石流灾害的原因，同时也是本区泥石流低频的重要原因。例如2004年8月13日特大暴雨引发永嘉鹤盛炉山等几条沟谷发生泥石流，而其他相似地形、地质条件的沟谷未发生泥石流。

2.2 侵蚀特征

泥石流具有较强的侵蚀能力，主要表现为两种侵蚀方式。

2.2.1 坡面侵蚀作用

主要指在绵雨或暴雨洪水的共同参与下，山坡上的残坡积等松散碎屑物质，以重力为先导，以浅层滑坡或坡面泥石流为失稳方式，形成的一种侵蚀类型。由于坡面泥石流活动的结果，使山坡遭受大面积强烈侵蚀，使流域变得千疮百孔，形成大量松散碎屑物质。这是区内最普遍的一种侵蚀方式，已经发生的泥石流沟基本上都存在坡面侵蚀。

2.2.2 沟谷侵蚀作用

指沟源谷坡坡面泥石流、滑坡向下冲击过程中和暴雨洪水混合形成泥石流后，大量沟床堆积物被泥石流铲刮、搅拌、翻卷、裹挟而下，使沟谷强烈下切的侵蚀作用。

如2004年8月13日，龙西乡上山村暴发泥石流时，其西部支沟的沟床堆积物被泥石流洗劫一空，沟底多处暴露出基岩（图2）。从动力机制而言，沟蚀是以水动力和沟源坡面泥石流的冲击力为先导，松散碎屑物质的重力为主力而共同作用形成的侵蚀类型。区内沟谷泥石流都存在这种侵蚀方式。

这两类侵蚀方式均具有较强的侵蚀能力，对泥石流流域范围的表层坡体破坏较大。

图2 龙西乡仙人坦泥石流下游沟道侵蚀演变示意图Fig.2 SchemesofthechangeasthechannelwaserodedbytheXianRenTandebrisflowinLongXitownship

2.3 堆积特征

泥石流堆积物是泥石流活动的记录，它是判断泥石流性质、规模和破坏强度的明显标志，是泥石流活动的“哑证”。

2.3.1 宏观堆积特征

平面上，堆积物形状往往呈扇形、扫帚形，整体呈扇状散开，顶部较平坦，前缘和两侧呈陡坎。由于受物源影响，堆积物颗粒粗大的泥石流，其扇形堆积特征明显；堆积物颗粒较小的泥石流，其堆积特征和洪积物类似，纵、横坡都较平缓。值得注意的是，由于后期人工改造，目前这类堆积扇微地貌大多被人工修整为梯田，局部甚至作为居民地。例如永嘉县西源乡梅坦村南、西溪中游，乐清市龙西乡仙人坦、上山村等冲沟，其泥石流堆积扇均较为完整。由于区内大部分泥石流沟谷流域面积小，总体物源较少，规模小，间歇期长，泥石流大部分堆积于中下游沟道，出沟口即停，其堆积扇很不发育，航片和地形图中均无法看出。

2.3.2 内部堆积特征

（1）物质结构上，泥石流堆积剖面上堆积物呈现大、小块石混杂，细颗粒物质较少，胶结弱，无分选性，结构杂乱，个别表现出上粗下细的反韵律特征，一般认为是由于下部细粒物质浮托着上部巨石运动的结果。值得一提的是在有的堆积体上既有泥石流堆积又有洪水堆积的特征。

（2）堆积期次上，具有一定厚度的泥石流堆积物，其堆积剖面上从上至下，按照其所处的位置和堆积块石的风化程度的不同，一般大致可以分出现代泥石流、老泥石流和古泥石流。按地质时代又可分为全新世、晚更新世、中更新世三个期次（图2）。

3 泥石流临界雨量分析

3.1 泥石流预警预报思路

泥石流灾害预报不外乎三种思路［3］：一类是以内因分析为主的思路；一类是以外因分析为主的思路；还有一类是以监测为主的思路。以内因分析为主的方法工作量较大，而且效果不很明显；以监测为主的方法不适宜爆发突然、成灾过程短的泥石流灾害，且不易实现。第二种方法，即以外因（主要是降雨）分析为主的预测预报方法，是一种具有可操作性的方法，本区适合采用基于区域临界雨量组合的泥石流预警预报方法。

3.2 临界雨量组合的确定

诱发泥石流的降雨既需要一定的前期降雨量来充分浸润沟谷流域的岩土体，又需要有一定的短历时强降雨来激发沟谷流域岩土体失稳，因此泥石流临界雨量值不是单个界限阀值可以确定的。临界雨量基准值应该是短历时雨强或前期累积雨量的某种组合，即二者达到某种数量关系的情况下，才会激发泥石流。下面在分析研究区四次集中爆发泥石流的强降雨数值的基础上，得出本区临界雨量的基准值。

3.2.1 降雨资料收集

本次主要收集了研究区四次爆发群发性泥石流时的降雨资料，分别为1990年9月4日17号台风、1999年9月4日暴雨，2004年8月14日“云娜”台风暴雨和2005年9月1日“泰利”台风暴雨，这四天总共发生泥石流99处，占本区已发生泥石流总数的76.7％。选取这四次强降雨时段有代表性的雨量站进行统计分析（表1）。

表1 浙东南山区泥石流爆发区域降雨特征值表Table1 Rainfallcharacteristicvaluesintheareas thatdebrisflowoccurinmountainsof southeastZheJiangProvince

3.2.2 确定临界雨量值

代表雨量站分为两类：一类雨量站周边在强降雨期发生了泥石流，这说明其周边山区存在易发生泥石流的沟谷，而且其降雨量组合已超过了泥石流基准雨量组合值（表1）；另一类雨量站周边在强降雨期无泥石流发生，可能有两种情况，一是降雨组合未超过泥石流基准雨量值，二是降雨组合已超过基准雨量值，但周边不存在易发生泥石流的沟谷。

分别将这两类代表雨量站的降雨组合（以1h雨量雨强（H1）作为纵坐标、以24h雨强（H24）作为前期降雨实效雨量作为横坐标）投射到坐标轴上，可得到泥石流临界雨量基准值确定图［4］。由图3可以定出激发泥石流和不激发泥石流的降雨分界线（临界雨量基准线），此线为一折线，当 H24＜375mm时，该线的表达式为 H1=－0.28H24+155；当 H24≥375mm时，该线的表达式为H1=60mm。该线即为泥石流发生的危险基准线，分界线右上侧为发生泥石流的危险区域，左下侧为安全区。

3.3 泥石流临界雨量组合的应用

利用泥石流临界雨量基准值图（图3），就可在实际中利用临界雨量组合实现研究区泥石流的临灾预报（短期预报）。主要分为以下几步：

3.3.1 收集实时降雨资料

在台风暴雨或强降雨过程中，收集各重点雨量站的实时降雨信息（尤其是泥石流隐患沟分布较集中的地带，如乐清北部山区等），随时监测更新。

图3 泥石流临界雨量基准值Fig.3 Benchmarkcriticalrainfallofdebrisflow

3.3.2 绘制实时雨量组合曲线

以24h雨强为横坐标，1h雨强为纵坐标，在图3上作各个雨量站的实时雨量组合曲线（图4）。

3.3.3 泥石流灾害预警

降雨量组合实时曲线随着降雨量变化有不同的形态，大部分降雨组合曲线不会达到图3中的危险区（大部分情况，如图4中的 b线），这表示该雨量站所属山区一般不会爆发泥石流，不必要发出泥石流灾害警报。但在遭遇罕见大暴雨时，降雨曲线是很有可能达到甚至穿越临界雨量基准线的。当出现此类情形（如图4中的 a线）时，则表示该雨量站所属山区的泥石流隐患沟很可能会爆发泥石流，必须发出泥石流灾害警报。

3.3.4 泥石流临界雨量基准线的修正

雨量组合曲线达到图4中的危险区并不意味着泥石流必然爆发，这与该区域沟谷的泥石流易发程度也有关。由于图3主要基于本区的四次强降雨引发泥石流资料，样本较少，对于一些异常事件（如雨量组合曲线达到泥石流危险区但未发生泥石流或者雨量组合曲线未达到危险区即出现了泥石流的情况），需要在今后的实践中对该基准线进行修正或细化，以进一步满足研究区泥石流短期预报的要求。

4 结语

（1）浙东南山区具备泥石流的形成条件。物源条件，主要为启动物源（包括崩塌、滑坡和坡面泥石流等）和沿沟的松散物质作为补充物源；地形条件，沟谷泥石流一般分布于小流域主沟两侧的大比降支沟，坡面泥石流一般分布于陡斜坡的负地形上；降水条件，强降雨对泥石流的时空分布有一定控制作用。

图4 泥石流实时雨量组合预报图Fig.4 Thedebrisflowforecastingbyreal-timerainfall

（2）浙东南山区泥石流的形成方式主要以（谷坡或沟源地带的）土动力启动方式为主；侵蚀方式主要有面蚀和沟谷侵蚀；堆积特征方面，在宏观上规模较大时可形成堆积扇，规模较小时往往停积于中下游沟道为主，微观上，堆积物质结构较为杂乱，个别具有期次性。

（3）存在爆发泥石流的临界雨量组合，在以1h雨量雨强（H1）作为纵坐标、以24h雨强（H24）作为前期降雨实效雨量作为横坐标的坐标系上为一折线，当H24＜375mm时，该线的表达式为 H1=－0.28H24+155；当H24≥375mm时，该线的表达式为H1=60mm。该折线的右上角为泥石流危险区，其他区域为泥石流安全区。

（4）临界雨量组合可应用于研究区泥石流的临灾预警，分为：①收集实时降雨资料；②绘制实时雨量组合曲线；③泥石流灾害预警；④泥石流临界雨量基准的修正。

［1］龚新法.乐清市北部山区泥石流现状特征及成因［J］.浙江国土资源，2004（10）：36 －40.GONGXinfa.Thestatuscharacteristicandthecausesofthe debrisflowinmountainsofnorthYueqing［J］.ZheJiang landandresources，2004（10）：36 －40.

［2］浙江省第十一地质大队.乐清市北部山区地质灾害应急调查报告［R］.2004（8）：1－2.The11thGeologicTeamofZheJiangProvince.Geological disasteremergencysurveyreportinmountainsofnorth Yueqing［R］.2004（8）：1 －2.

［3］谢和平，冯夏庭，何满潮，等.灾害环境下重大工程安全性的基础研究［M］.科学出版社，2009：100－102.XIEHeping，FENGXiating，HEManchao，etal.Thebasic researchonthesecurityoftheimportantengineeringin disastersenvironment［M］.SciencePress，2009：100 －102.

［4］周必凡，李德基，罗德富，等.泥石流防治指南［M］.科学出版社，1991：185 －190.ZHOUBifan，LIDeji，LUO Defu，etal. Thecontrol guidelineofdebrisflow［M］.SciencePress，1991：185 －190.