北京山区泥石流预警阈值初步研究

贾三满，路 璐，翟淑花，王海芝，王珊珊，齐 干

（北京市地质研究所，北京 100120）

北京山区泥石流预警阈值初步研究

贾三满，路 璐，翟淑花，王海芝，王珊珊，齐 干

（北京市地质研究所，北京 100120）

泥石流预警阈值，是突发地质灾害防灾减灾的重要参考指标。本文结合北京山区泥石流灾害特点和已有降雨阈值研究成果，一方面在泥石流沟易发性、物源和危害人数进行分级的基础上，提出不同级别沟谷在不同前期降雨条件下，不同发灾概率的激发雨量，极大地方便了中短期预警实际工作；另一方面将泥石流流域降雨量、土壤含水率、次声、泥位4个参数，作为泥石流短临灾害预警关键物理参数，开展了泥石流专业监测设备预警阈值研究。最终，从技术层面上构建不同时间维度的泥石流监测预警阈值体系，为北京山区泥石流监测预警提供技术支持。

泥石流预警；临界雨量；土壤含水率；次声；泥位

0 前言

我国是世界上泥石流灾害威胁最为严重的国家之一，泥石流灾害种类多、分布地域广、发生频率高、造成损失大，严重威胁国民经济和社会的可持续发展（刘传正等，2015）。近年来，相关学者针对泥石流灾害开展了大量预警工作，在局部地区取得了丰硕的成果，具有代表性的是刘传正等人通过综合分析国内外地质灾害预警的研究和应用状况，将地质灾害气象预警分为3种（刘传正等，2007）：隐式统计预警方法（第一代预警方法）、显式统计预警方法（第二代预警方法）和动力预警方法（第三代预警方法）。这些预警方法主要基于前期降雨和发生地质灾害的概率统计形成的概率模型，对于云南、四川等泥石流高发区比较适宜。然而，北京地区自1950—2004年间北山地区共发生泥石流25次，灾害发生频率为45%；西山地区共发生泥石流14次，灾害发生频率为25%，统计样本明显不足，预报精度难以保证，故这种方法对具有低频、易群发、随暴雨中心移动特点的北京地区泥石流沟谷的预报工作普适性不高。

多年来，众多学者围绕北京地区泥石流预警开展了大量的研究工作，极大的推动了北京地区泥石流预警工作。如韦京莲、文科军、吴正华等，通过对1950年以来北京山区发生的11次严重泥石流灾害的降水特征作了分析，归纳总结出触发泥石流的降水强度，包括泥石流的前期降水、临灾降水强度、日降水量等，提出了各自的泥石流判别模型（韦京莲等，1994；文科军等，1998；吴正华，2001）。这些模型少有涉及对泥石流环境背景的讨论，造成泥石流预警预报模糊区间较大，误报和漏报的可能性较大。因此，亟需加强泥石流沟背景与降雨阈值之间关系分析，引进泥石流预警的关键物理参数，提高预警准确率。本文在系统总结北京市最新泥石流调查及预警研究成果的基础上，修正原有降雨预警模型，增加泥石流形成时土壤含水率及运动过程中泥位和次声等物理要素，建立一套适用于北京地区泥石流预警阈值体系。

1 临界雨量阈值

目前，泥石流预警的研究方法大多是对大量历史泥石流和降雨数据的统计分析，其结果仅能反映在某种经验水平上某个特定泥石流流域在多大特征降雨条件下可能暴发泥石流，至于该泥石流的规模、运动形态、类型、危害范围等无法预测。实际上，针对不同类型、成因泥石流，其激发泥石流的降雨量是不同的，本文从泥石流沟地质背景分级作为切入点，结合历史数据确定不同发灾概率的降雨临界值，极大地方便了地质灾害预警工作。

1.1 区域临界雨量阈值

白利平等根据1950—2004年北京市北山、西山以及北京市各区县泥石流灾害发生频率及长系列的年降雨频率分析，计算了相应的灾害临界雨量，提出了不同区域不同时段的临界雨量阈值，见表1（白利平，2006；白利平等，2008）。

图1 有效前期雨量与当日雨量关系模型引用文献（王海芝，2008）Fig.1 Relational model of effective antecedent and timely rainfall

表1 北山、西山临界雨量值统计表（单位：mm）Tab.1 Thecritical rainfalltablefor North & West Mountain （Unit：mm）

王海芝等以收集到的历史上发生和未发生泥石流的56个雨量数据为样本（王海芝，2008），采用基于统计学的Logistic回归临界雨量模型（图1），并结合泥石流危险性区划研究结果，将泥石流危险性区划结果与降雨预警等级结果分别给定权重系数后进行叠加，得到北京地区泥石流灾害预警预报模型。

本文以表1不同时段降雨阈值24h激发雨量作为范围约束值，对回归临界雨量模型进行反演计算，得出北京山区不同概率、不同前期降雨量前提下，当日激发雨量阈值范围（表2）。

表2 北京山区不同概率、不同前期雨量下泥石流24h激发雨量阈值表（单位：mm）Tab.2 Rainfall thresholdofdebris fow for 24 hours under different previous rainfall and probability in Beijing Mountainous Area（Unit：mm）

1.2 泥石流沟危险性分级

泥石流的危险性是在地质灾害易发性基础上引入其社会属性，反映地质灾害易发性和破坏程度及潜在的破坏程度的综合指标，从泥石流易发性、松散物质来源类型和威胁对象3方面对泥石流沟的危险性进行分级。

泥石流易发性是按照《县（市）地质灾害调查与区划基本要求实施细则》分级标准，结合北京山区实际情况分为中易发和低易发两级。

泥石流威胁对象是参照《北京市突发地质灾害详细调查报告》实际调查成果，分为大于100人和小于100人两级。

泥石流松散物质来源分为两大类，自然堆积物和人工弃体。自然堆积物指沟床、河岸堆积的冲积、冲洪积、洪积和坡洪积等第四系松散沉积物，另外岩石表层长期风化剥蚀、垮落、冲刷堆积在沟坡的大量松散固体物质，这些自然堆积物结构疏松，抗水蚀力差，易遭水流的冲刷与侵蚀，为泥石流的发育提供大量物源。人工弃体是指随着经济建设的迅速发展，山区开通和扩展了多条公路，并开发了众多矿产资源，选矿弃渣、煤矸石和弃石多沿沟顺坡堆砌在谷坡，稳定性极差，一旦坡脚被冲蚀或上方受到强大的水体或重力冲击，则会溃散加入洪流，成为泥石流物源，见照片1。相对于沟道内的自然堆积物，人工弃体由于堆积时间较短，稳定性较差，遇到强降雨更容易失稳。2012年“7·21”特大暴雨在房山区引发了多处泥石流灾害，通过现场调查，泥石流灾害以水石流为主，而且松散物多为中上游的煤矸石和矿渣，见照片2。本文将物源的堆积程度分为严重、中等、一般和轻微4级。

综合以上3项指标，本文确定泥石流单沟的危险性分级按以下原则进行划分：威胁人数大于100人的泥石流沟危险性为一级；威胁人数小于100人且为中易发的泥石流沟危险性为二级；威胁人数小于100人且为低易发的泥石流沟，以物源类型和堆积程度确定危险性等级（表3）。

照片1 房山秋林铺西沟煤矸石堆Pic.1 Coal gangue dumpin West ditch in Qiulinpucounty，Fangshan district

1.3 泥石流沟雨量预警阈值

1.1 节中区域临界雨量阈值主要依据分析已发生的泥石流样本统计，近年来，北京山区泥石流沟道人为改造明显，生态环境好转，植被覆盖率较高，造成原有阈值偏小，出现多次误报。因此，本文参考近年特别是2012年北京地区降雨量数据，以前期降雨量为基础条件，对泥石流发生概率分别为20%、40%、60%和80%的24小时预报降雨量，对1.2节中划分的二级和三级泥石流沟谷赋予不同安全系数进行修正，修正后的雨量阈值见表4、表5。

照片2 房山河北镇杏园沟煤矸石淤塞沟道Pic.2 The channel blocked by coal gangueinXingyuan inHebeicounty，Fangshan district

表3 危险性分级判定表Tab.3 The decision table for risk classification

表4 北京市二级泥石流沟雨量预警阈值表（单位：mm）Tab.4 Rainfall threshold of thesecondleveldebris fows in Beijing Mountainous Area （Unit：mm）

40　73.05　89.77　103.42　120.04 50　102.88　119.58　133.24　149.86 60　95.43　112.13　125.78　142.41 70　87.97　104.68　118.33　134.96

表5 北京市三级泥石流沟雨量预警阈值表（单位：mm）Tab.5 Rainfall threshold of the thirdleveldebris fows in Beijing Mountainous Area （Unit：mm）

2 监测仪器预警阈值

基于灾害产生、运动、危害的各个阶段的特点，北京市采用雨量、次声、泥位以及土壤含水率监测仪和综控中心组成地质灾害自动化监测系统被广泛使用。它既可以全自动监测预报灾害的爆发，还能够实时、全程地监测和收集有关形成、运动规律、灾害程度等多方面的信息数据，极大的提升了地质灾害专业监测的精度，可以快速、准确地监测泥石流等灾害，及时防护和避险，保障人们的生命和财产安全。但是，在实际工作中由于地质灾害的复杂性和多样性，各种监测仪器预警预报阈值研究明显不足，即使蒋家沟等研究程度很高的沟道，其阈值也不能在其他地区得到使用，使监测系统作用大打折扣。因此，需要针对北京市泥石流沟发育特征确定适宜的阈值，提升泥石流短临预警预报能力。

2.1 土壤含水率阈值

土体含水率是直接影响泥石流启动的关键物理参数，源地土体失稳主要与土体含水率变化有关，源地土体在降雨过程中的含水率变化可表征泥石流源地土体的稳定状态，是源地土体起动的标志性参数。针对土体含水率与泥石流启动的相关关系，众多学者开展了大量的实验和理论研究。曹琰波认为泥石流是饱和条件下的地表径流剪切破坏诱发的（曹琰波等，2008）；李如忠则认为由于强降雨突变导致泥石流物源的启动（李如忠等，2000），王裕宜等通过实验研究表明（王裕宜等，1997），岩土体含水量超过某一临界含水量8%时，天然休止角随含水量增加而减小。其抗剪强度随着含水量的变化的过程也存在一个临界值（11.5%）；杨为民研究发现当泥石流物源的体积含水量为20%～30%，其抗剪强度最大（杨为民等，1997）；胡凯衡等通过对国内外大量降雨激发浅表层滑坡、泥石流过程中土体含水量变化与土体物理参数的分析，发现泥石流爆发时的土体含水量与土体渗透系数、孔隙度以及颗粒级配存在正相关关系（胡凯衡等，2014）。

实际上北京市山区土壤多为粉土、粘性土和含粘碎石土，一般呈可塑、中密—密实状态。参照《工程地质手册》，粉土一般含水率15%～22%，粉质粘土（wp12.5～15.4）一般含水率15%～25%，粘土（wp22.5～26.4）一般含水率26%～29%，当含水率增大时，粘聚力c和内摩擦角都有所降低，土的抗剪强度也相应降低形成泥石流。本文根据北京市实际情况大致推断非汛期土壤含水率平均值粉土为20%，粘性土为25%，并以此作为预警基准值。汛期时当含水率升高5%和10%时，分别作为蓝色和黄色预警阈值。

2.2 泥水位阈值

泥石流在沟道中运动过程中，对于指定的稳定断面，其相应沟道深度位置，其水力半径、过流面积、沟道纵坡是一个明确的数值，其相应泥位代表一个确定的泥石流规模、运动速度、流量等，因而可采用监测指定沟床断面泥位来确定泥石流规模及该断面的泥石流运动速度，进而对泥石流灾害进行预警。

在查清沟道内可形成泥石流的松散固体物质的储备及分布、流域降雨条件、沟道特征等的情况下，可估算泥石流在相应暴雨频率下的爆发规模大小，计算泥石流峰值的流量，预测其流量通过指定断面的泥位高度，当监测到的泥水位达到计算高度时，称为临界泥水位即可判定为发生泥石流，确定泥石流规模及危险性，发布相应级别的泥石流灾害预警信号。

暴雨洪峰流量推理公式的主要假定：①暴雨的频率和其形成的流量频率相同；②流域的降雨过程和降雨损失过程的差值为产流过程，汇流时间内所产生的径流概化为强度不变的过程。③由于暴雨的不均匀性，大流域受水面积不等于流域面积，根据资料统计，大于10km2的流域，分少雨区和多雨区进行修正。④迎风面山坡上最大雨量发生在2/3相对高度上。则暴雨洪峰流量计算如下：

式中： Q为设计洪峰流量（m3/s），ψ为洪峰径流系数，τ为集流时间（h），n为暴雨衰减指数，S为雨力（mm），F为流域面积（km2）。

式中：J为水力坡度，c为谢才系数。假定沟床宽度与松散堆积物宽度相同，将过流断面简化为高为h1，宽为B的矩形。则

根据公式（3）可估算出泥水位，高于计算泥水位则发警报。

2.3 次声阈值

泥石流在沟道中运动，发出的次声信号的频率、主频振幅及持续时间等有其独特的特征。因此次声监测设备作为泥石流预警的新型技术，成为国内外研究的热点，并得到了广泛的应用。根据中科院东川泥石流观测研究站对蒋家沟泥石流的多年次声信号监测研究表明，泥石流的次声信号波形为简谐正弦波，具有确定的卓越频率，其声压值与泥石流的黏性、石块数量、流速、流量呈正相关关系，黏性越大、流速越大、流量越大、石块越多，声压值相应也越大（李朝安等，2012）。许文杰通过开展了次声特性的泥石流现场模拟实验（许文杰等，2013），通过设定微细颗粒含量的不同将泥石流分为砾石型、一般型、泥流型3种类型，在陡坡上做大型人工泥石流模拟实验，并由次声传感器监测泥石流运动过程中颗粒之间碰撞和摩擦所产生的次声信号，结果表明，砾石型泥石流和一般型泥石流其次声频率在3～11Hz，泥流型则处于1～4Hz，同时，巨石增加时，频率越低。砾石型泥石流声压为0.49～0.60 Pa，一般型泥石流声压为0.64～0.75Pa，泥流型声压为0.28～0.48Pa。

泥石流次声与泥石流沟谷形态、泥石流类型和规模大小等多因素有关，预警阈值需根据实际发生的数据或实验数据确定。而北京地区缺少这方面的工作，所以本文结合已有研究成果确定次声仪监测到的次声声压大于0.3Pa，并持续稳定地超过30s时作为北京山区次声预警阈值。

3 泥石流预警阈值体系

泥石流监测预警指标体系选取24小时降雨量、源地土体土壤含水率、沟道泥位、次声声压值4个参数作为预警指标，土壤含水率、降雨量阈值参数用于中短期预报，沟道泥位、次声声压值2个参数用于短临预警。运用系统工程方法和现代信息技术手段，围绕泥石流灾害实时降雨信息、源地土体含水率信息、泥石流次声信息、泥位信息的监测，研发适应北京地区泥石流灾害4参数指标的监测及传输技术，构建基于多要素泥石流监测预警网络系统，将泥石流的预警建立在稳定的信息源基础上，使各泥石流监测信息之间相互验证，提高泥石流预警准确率，减少错报、漏报几率，系统结构如图2所示。预警由低到高划分4个预警级别，并依次采用蓝色、黄色、橙色和红色加以表示（表6）。

蓝色预警：不同级别的泥石流沟预报24小时降雨量超过泥石流发生概率20%的预警阈值，或土壤含水率较基准值上升5%以上，预计发生地质灾害的可能性一般。

黄色预警：不同级别的泥石流沟预报24小时降雨量超过泥石流发生概率40%的预警阈值，或土壤含水率较基准值上升10%以上，预计发生地质灾害的可能性较大。

橙色预警：不同级别的泥石流沟预报24小时降雨量超过泥石流发生概率60%的预警阈值，或泥水位达到临界泥水位值，预计发生地质灾害的可能性很大。

图2 泥石流监测预警阈值体系架构Fig.2 Threshold architecture of debris fow monitoring and early-warning

表6 预警级别划分依据Tab.6 The dividing basis ofearly-warning grade

红色预警：不同级别的泥石流沟预报24小时降雨量超过泥石流发生概率80%的预警阈值，或泥水位达到临界泥水位值，声压达到0.3Pa，且连续30s以上，预计发生地质灾害的可能性极大。

4 结语

北京市于2014年建设完成了《北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程》和即将启动的二期工程，将在密云、房山、延庆县、怀柔区、平谷区等10个山区县建立基本覆盖北京山区的泥石流、采空塌陷、崩塌、滑坡四类突发地质灾害专业监测网络，为泥石流预警预报研究创造了条件。本文紧密结合已有研究和工程现状，从雨量阈值和监测仪器阈值两方面构建了北京地区泥石流预警阈值体系，在泥石流短期和临灾预警做出积极地探索。由于北京市地质环境条件复杂，城镇化、工业化和农业现代化进程中人类工程活动强烈，导致地质灾害具有很强的隐蔽性、突发性和破坏性，预警预报难度依然较大。本文仅限于泥石流预警阈值方法的探讨阶段，在今后的工作中还需大量的模拟实验和实测数据不断完善修正。

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Preliminary Study on Early Warning Threshold of Debris Flow in Beijing Mountainous Area

JIA Sanman， LU Lu， ZHAI Shuhua， WANG Haizhi， WANG Shanshan， QI Gan
（Beijing Institute of Geology， Beijing 100120）

The warning threshold is the critical reference index to monitor debris flow. According to the characters of debris fow in Beijing area and theoretic research in the feld， two aspects contents are introduced in the article： 1） based on hazard tendency， provenance and the number of victims， debris flow ditches are divided into three levels. The authors propose rain thresholds for different ditch level， antecedent rainfall and hazard probability. This method provides the convenience for medium and short-term warning； 2）The rainfall value， water-content of soil ， infrasonic wave information as well as the mud level are chosen as the four indexes of early warning of debris fow. And the threshold values are studied in the paper. Finally， the system of warning threshold of debris fow is established ，which can offer technical support for early warning of debris fow.

Warning of debris fow； Critical rainfall； Water-content of soil； Infrasonic device； Mud level

P642.23

A

1007-1903（2016）03-0001-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.03.001

《北京市突发地质灾害监测预警系统（一期）工程》

贾三满（1961- ），男，教高，主要从事地质灾害研究。E-mail：jiasanman_2005@126.com