北京山区基于临界土壤含水率的泥石流预警思路

路 璐，贾三满，冒 建，赵 佳，王强强



北京山区基于临界土壤含水率的泥石流预警思路

路 璐，贾三满，冒 建，赵 佳，王强强

（北京市地质研究所，北京 100120）

北京山区地质构造条件复杂，新构造活动频繁，人为活动剧烈，泥石流地质灾害较为发育，对人民的生命财产造成较大的威胁，如何利用泥石流发生前的物理特征进行预警，是北京市突发地质灾害防治的重要研究课题。本文首先介绍了以泥石流沟物源区土体的临界土壤含水率为短临预警的理论依据，然后以北京山区密云、门头沟、房山3个区县25条泥石流沟安装的土壤含水率仪为实例，详细阐述了土壤含水率预警系统建设的关键步骤，包括：监测沟谷的选择、土壤含水率仪的选型、仪器的安装及标定以及野外含水率数据的传输。预警研究成果，为首都地质灾害预警工作提供新的技术方法和手段。

北京山区；泥石流；临界土壤含水率；短临预警

0　前言

北京市地质环境条件复杂、降水时空分布不均匀、人类活动强烈，是世界上突发地质灾害较为频繁的首都城市之一，其中泥石流是造成人员伤亡最多的地质灾害类型。据统计（北京市国土资源局，2014），1949年以来泥石流灾害共造成502人死亡、60多人受伤、7534间房屋和10万余亩耕地被毁，其中一次致死人数超过100人的泥石流2次，一次致死人数超过10人的泥石流9次，直接经济损失累计达数亿元。鉴于北京市泥石流的巨大破坏性，对其预警预报势在必行。

北京市地质研究所受北京市地质矿产勘查开发局委托，于2011年8月开始建设《北京市突发地质灾害监测预警系统工程项目》，一期工程密云、门头沟和房山3个区县的119条泥石流沟已经布置了232个监测点，其中布置25个土壤含水率仪监测点，实现对每条沟谷的土壤含水率信息实时获取。本次工作就是通过构建临界土壤含水率预警模型进行25条沟泥石流的短临预警研究，为北京市防灾减灾工作发挥技术支撑作用。

1　预警思路

目前北京市泥石流区域短期预警多基于统计模型确定的临界雨量阈值（王海芝，2008；白利平等，2008），因未考虑下垫面地质环境的具体情况以及不同泥石流沟有效前期雨量衰减规律，故这种阈值在某种程度上带有一定的片面性和局限性（王裕宜等，1997）。然而，土壤含水量是将降雨、地形和土体三大因素融为一体的、能直接影响泥石流启动的关键物理参数，一般理论认为（戚国庆等，2003）在泥石流形成过程中前期降雨使源区土体饱和，短历时雨强造成饱和后的土体产生高孔隙水压力使土体失稳并转化为泥石流。但是国内外已有泥石流形成过程监测表明，源区坡面土体降雨过程和泥石流形成过程中土体都未达到饱和，存在一个临界土体含水量。因此，围绕泥石流起动机理的临界土体含水量成为研究热点。北京的泥石流绝大多数属于降雨型泥石流，国内外已有学者开展有关临界土壤含水量的相关研究。例如，胡凯衡（胡凯衡等，2014）基于国内外泥石流启动的观测试验数据，采用逐步回归分析方法，建立了临界土体含水量的经验关系。在Broccal（Broccal et al.，2010）等建立的部分降雨-径流模型中，临界土体含水量与饱和度并不一致。

降雨型泥石流形成划分为两个阶段：第一个阶段是指积水前入渗阶段，非饱和固体松散物质由于含水量持续增加，达到即将饱和状态，基质吸力引起的抗剪强度逐渐丧失。当含水量达到某个临界值时，源区坡面土体达到极限平衡状态，或者坡面土体入渗和失水达到动态平衡，这一临界含水量就称为临界土壤含水量。在这一阶段，由于没有足够的水量，不会发生泥石流，但有可能发生固体松散物质构成的斜坡的位移变形，以及斜坡稳定性降低；第二个阶段是指积水后入渗阶段，随着降雨的继续，降雨强度如果能够达到或者超过渗透率，地表产生积水，并出现地表径流随着时间的延续而衰减。固体松散物质由于含水量持续增加，水压力增大，有效应力减小，发生泥石流。这一阶段与短历时强降雨密切有关，短时间的具有一定强度的降雨使得固体松散物质中渗入的水量来不及排出，加上周围降雨汇流的作用，固体松散物质将启动，形成泥石流。

这种预警方法拟从土体降雨入渗以及激发坡面土体失稳的物理过程并结合泥石流形成区监测进行深入研究，提出更具有物理意义的临界土体含水量概念，建立以水文学、水力学、泥沙运动学、监测传输技术等为基础的预警模型。这种模型将从精度和准确度两个方面优于气象地质灾害预警，即同一地区、同一时段的不同泥石流沟甚至是相邻的两条沟的预警级别将会有差异，通过分析土壤含水率的变化较前期和实时降雨量等指标，来判断泥石流启动更为直接可靠。

2　实时监测系统建设

2.1监测沟谷选取

北京泥石流总体上属于低频低易发，以小型沟谷型泥石流为主，威胁对象主要是居民点和景区。本着“以人为本，合理布局”的原则，在考虑威胁人民生命财产安全程度的前提下，选取典型的易发性较高、危害大的泥石流沟为监测对象，并将历史上发生过泥石流，并造成重大损失的泥石流沟谷全部纳入监测范围，如密云县冯家峪镇太阳沟、陆家岭沟，门头沟区上达摩镇东北沟等。《北京市突发地质灾害监测预警系统工程（一期）项目》共在三个区选择25条泥石流沟谷进行土壤含水率监测（图1），其中房山区分散在四个乡镇监测8条沟，门头沟区主要集中在四个乡镇监测12条沟，清水镇土壤含水率监测仪占所有总数的1/4，密云县主要集中在两个乡镇监测5条沟。

图1　北京市安装土壤含水率仪位置图（截止2015年）Fig.1 The position of meters of soil moisture in Beijing （Till 2015）

2.2监测仪器选择

国内外土壤水分的测量常用的方法分为以下两类：一类是直接测量土壤的重量含水量和容积含水量，烘干称重法是最普遍也是国际上标准的测定土壤含水量方法。它的优点是对设备要求不严，就样品本身而言结果可靠，缺点是费时、费力，综合费用并不低，取样会破坏土壤，深层取样困难，定点测量时不可避免由取样换位而带来误差，在很多情况下不可能长期定点监测（张学礼等，2005）；第二类是通过测量土体介电常数、射线衰减能、核磁共振初始振幅值等理化常数反算土体含水量，具有易操作、速度快及不破坏样本等优点。本文中使用的时域反射法（TDR）和频域反射法（FDR）两类土壤水分自动监测仪，两类仪器均通过测定土壤的介电常数间接间接获得土壤的水分含量。

TDR（Time Domain Reflectometry） 是 在20世纪60年代末由Topp最早发展的，认为当温度在10℃～36℃，实际含水量在0～0.35cm3/cm3变化时，此法不受土壤质地、容重、温度等物理因素的影响（Topp G C et al.，1980）。因其具有快速准确、连续测定等优点，在20世纪90年代后国际上将之作为研究土壤水分的基本仪器设备。值得注意的是，TDR给出的含水量是整个探针长度的平均含水量，在同一土体中采用不同的埋置方式得出的结果可能会不同（龚元石等，1997）。

FDR（Frequency Domain Reflectometry）是利用LC电路的振荡，根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定介质的介电常数，进而通过一定的对应关系反演出土壤水分状况。这种方法几乎具有方便、快速、不扰动土壤，可在同一地点进行多次测量，而且具有更广的工作频率范围，测量水分的范围宽，不受滞后影响，准确性不受测量时间精度的影响。

值得一提的是野外监测仪器获取的是体积含水率，而实际工作使用中常用的质量含水率，涉及到采用土壤的干容重将两个数值进行转化。

2.3监测仪器安装及标定

根据土壤含水率主要是用于监测泥石流物源启动，故该仪器安装在泥石流的形成区以及流通区。由于泥石流启动绝大多数伴随大规模降水，只有对雨量掌握准确才能推测地表径流继而结合含水率来预测泥石流是否发生，因此在25条沟配套土壤含水率仪同时需要安装自动雨量计。又因土壤含水率值急剧增大的情况下可造成输入电磁波的能量耗散较大，从而导致不同深度处的土壤含水率反射讯息模糊，最终影响数据的真实性（杨绍辉等，2008）。为精确的控制土壤深度剖面上各层位的含水率值，本次工作在距地表面30cm、60cm和100cm三个层位分别安装三个含水率传感器。因受土性、温度、密度等多种因素影响，本次工作选用的仪器测量准确度无法预先判断，所以在开展监测工作前首先需以安装沟谷当地土壤在室内不同土壤含水率为依据对仪器的电压-含水率对应公式进行标定及修正（周凌云等，2003；郭卫华等，2003；李道西等，2008；冷艳秋等，2014）。

2.3数据传输处理

土壤含水率仪野外安装和调试成功后，将数据采集程序输入仪器，当数据采集存储后通过无线设备（GPRS/CDMA）和北斗两种方式进行传输，数据采集时间自行设定，通常在非汛期设定1次/2h，汛期设定为1次/5min。数据处理系统主要由硬件、软件设施和数据库组成，实现数据接收、分析处理的功能，对比临界土壤含水率和实时土壤含水率的差别完成预警功能。

3　结论

（1）北京市在门头沟、房山和密云县三个区县的25条泥石流沟的形成区和流通区布置了时域反射法（TDR）和频域反射法（FDR）两类土壤含水率仪，安装仪器前需对仪器进行室内标定，野外传感器采集到的数据通过GPRS和北斗双通道，传输到数据处理系统中进行处理。

（2）鉴于临界土体含水量与饱和度并不一致的研究成果，对25条泥石流沟安装仪器的土体进行土体降雨入渗以及激发坡面土体失稳的物理过程实验以确定每条沟物源启动的临界土体含水值，再结合野外实时土壤含水率测试值来判断泥石流物源是否启动。

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The Idea of Debris Flow Warning Scheme based on Critical Soil Moisture in Beijing Mountain Area

LU Lu， JIA Sanman， MAO Jian， ZHAO Jia， WANG Qiangqiang
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

Because of complex geological conditions， frequent neotectonism and intense human activities in Beijing mountain area， the lives and properties have been threatening heavily by debris flow. In the term of geological hazard protecting， it’s an important research subject for early-warning to use physical characteristics of debris flow. Firstly， theory basis of soil moisture is introduced in this paper. Then 25 debris flow bitches in Mentougou，Fangshan and Miyun districts have been taken for example to introduce the early warning system construction. So it needs to consider such problems as the monitoring bitch selection， moisture instrument selection， installation and calibration， real-time data transmission. The focus of this paper is using critical soil moisture to provide new technical method for further early warning work.

Beijing； Debris flow； Critical soil moisture； Early warning

P642.23

A

1007-1903（2016）02-0006-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.02.002

北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程 （京发改［2011］1527号）

路璐（1985- ），女，博士，从事环境地质相关工作。