龙门山地区震后泥石流灾害区域预警研究

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081）

（1.中国地质科学院地质力学研究所，北京100081；2.国土资源部新构造运动与地质灾害重点实验室，北京100081）

5·12汶川地震造成大量松散堆积物，导致震后触发泥石流的极端降雨量比震前显著降低.在龙门山地区震后泥石流发育特征分析的基础上，探讨了震后触发泥石流灾害的区域降雨阈值及其地域差异性，震后触发泥石流的72小时雨量分布特征为：映秀—汶川一带为75～100 mm，茂县—北川一带以100～160 mm为主，上述区域外围及平武—青川一带为160～200 mm；在龙门山前的雁门—茶坝、龙门山后山的禹里—平武之间为200 mm以上.综合考虑地震地质、地形地貌和降雨等因素，建立了地震扰动区泥石流预警指标体系.采用加权信息量模型完成了龙门山区泥石流易发性评价，然后采用年最大72小时降雨量为主要触发因素，开展了震后5年的泥石流危险性预测评价及区域预警研究，提出泥石流的区域危险性是动态变化的，高危险区主要随降雨量和松散堆积物空间分布而变化，为震后泥石流灾害气象预警和防范等提供了依据.

地震扰动区；泥石流；降雨阈值；动态危险性；区域预警

2008年5·12汶川地震之后，降雨诱发地震松散堆积物转化为泥石流灾害广泛发育，且异常强烈.据不完全统计，汶川地震灾区泥石流有3 000条以上，其中中型以上有500余条，大部分是多次暴发，造成严重损失.在强降雨条件下，汶川地震扰动区的泥石流隐患还将长期存在［1-4］.

针对5·12汶川地震灾区震后出现的严重泥石流灾害，众多学者对部分典型单条泥石流或小流域泥石流进行了较深入的分析，涉及泥石流暴发的地质条件、降雨阈值、形成机制、时空演化等方面.但由于龙门山地区地质条件复杂，研究数据有限，往往仅局限于某一次泥石流事件，不同学者研究结论差距较大，难以在大范围推广.鉴于泥石流通常是多次重复发生，具有时空演化性，一些学者开始关注地震引发地质灾害的长期演化过程［5］，并做出初步预测.黄润秋［3］研究了震后3年灾区重大地质灾害的特点和发生规律，结果显示地质灾害活动性还要持续20～25年，在这期间灾害活动水平会以4～5年一个周期呈震荡衰减.Nakamura等［6］对日本关东地震引起的滑坡在1896年至1980年的活动性进行研究，总结了震后滑坡的活动时间大概为40～50年.Khattak等［7］对68个坡体重复拍照，评估了2005年克什米尔地震及随后的融雪和季风降雨对坡体的影响，2005～2007年间同震滑坡的坡体基本没有发生变化，但台湾Ms 7.4级Chi-Chi地震后，受台风影响，新的滑坡增加了7倍［8］.这说明地震对震后地质灾害的影响是复杂的，与震级、同震松散碎屑物的体积、地貌、地质环境、降雨和植被恢复等是密切相关的［9-10］.总体而言，目前龙门山地区泥石流时空演化研究主要是定性分析震后泥石流活动时限［11-14］，一些定量的时空演化研究成果范围仅局限于小区域和短时间段，不能全面反映震后泥石流灾害发育的时空规律.

本文在龙门山地区地震地质、地形地貌、极端降雨和震后泥石流发育特征综合分析的基础上，探讨了5·12汶川地震极重灾区震后触发泥石流灾害区域的降雨阈值，提出了地震扰动区暴雨诱发泥石流预警的指标体系，并开展泥石流的区域预警研究，为震后泥石流灾害的气象预警和防范等提供科学依据.

1 震后泥石流发育特征

1.1 时序特征

2008年5·12汶川地震后，龙门山地区泥石流具有明显的时序特征.2009～2013年发生的泥石流数量分别是32、88、71、134和239条次，共556条次.为了便于分析泥石流特征，按冲出量分为4个级别：小型（1×104m3）、中型（1×104～10×104m3）、大型（10×104～100×104m3）、特大型（＞100×104m3）.

按此分类，2009～2013年发生中型以上的泥石流分别是12、42、18、30和168条次（图1）.

图1 雨量站及震后5年（2009～2013年）的泥石流分布Fig.1 Distribution of rainfall stations and debris flows（2009～2013）after earthquake

统计分析表明，震后泥石流时序发展历程表现出暴发时间与降雨关系密切，泥石流的暴发时间较集中，与年最大72小时降雨过程关系密切.例如，2010年8月12～13日，在汶川、绵竹、都江堰、彭州等多个县市同时暴发泥石流，这次降雨过程为龙门山区50年一遇；2013年7月10日，百年一遇的降雨过程在整个地震扰动区诱发了大规模泥石流.此外，在震后一定时期内，泥石流规模随时间推移逐渐增大，这可能是由于支沟泥石流把大量固体物质输送至主沟的缘故.在2009～2013年之间，中等规模以上的泥石流灾害呈现逐年震荡增长的特点.

1.2 空间分布特征

震后泥石流空间分布范围很广，但主要集中在两个区域：映秀—汶川—茂县的岷江峡谷区，特别是映秀—汶川段（G213国道沿线）数量多、规模大、频率高；在龙门山山前地带，主要集中在龙池—陈家坝一线，如龙池乡、虹口乡、龙门山镇、清平乡、金花镇、高川乡、北川老县城、擂鼓镇和陈家坝镇附近；其他地区呈零星分布.在2012年之后，泥石流治理工程开始发挥作用，在清平乡、虹口、龙池等地，没有再次暴发一些大型、特大型泥石流.

1.3 研究数据来源

以往有关地震松散堆积物的研究成果较少，且多是依据经验估计或构建滑坡体积与面积的对应关系，可靠性较低［15-16］.汶川地震后，崔鹏［1］依据经验估计滑坡厚度，并假设滑坡厚度随距离余震集中带的增加而变小，得到汶川地震滑坡堆积物总体积为28×108m3；黄润秋［3］根据一般滑坡崩塌的平均体积，估算汶川地震崩塌滑坡堆积物总体积约45.5×108m3；Parker等［17］认为汶川地震滑坡堆积物体积约90.8×108m3.许冲等［18］遥感解译了19.8万处滑坡，估算碎屑物约60×108m3.虽然不同研究者估算的数据差距较大，但都反映了地震给未来泥石流的暴发提供了丰富物源.

我们采用同震崩塌堆积表面积代替体积直接用于易发性的计算，虽然量值上存在差异，但空间分布特征更符合实际.

用于分析泥石流势能的坡度和相对高差的地形数据来自美国航空航天局提供的DEM数据，相对高差用ArcGIS软件的邻域统计函数计算，搜索半径设为6个网格单元，即1 km2.

龙门山地区受季风和地形影响，不同区域的年降雨量差别很大，不能简单地用多年平均降雨量或年极端降雨量代替，尤其是震后5年间极端降雨量波动很大，需要根据每年的具体实测值进行分析.我们选用了龙门山地区9个国家气象站的标准日降雨量数据，时间段为2009～2013年.因为9个站都位于谷地，为了反映高程和地形对降雨的影响，根据该区部分地质灾害监测站数据和历史统计规律，插值推算了3个高海拔的雨量站数据（绵竹山里坐标104°9′21″，31°3′30″，高程2 033 m；都江堰山里坐标103°7′39″，31°1′12″，高程4 154 m；九顶山坐标103°5′35″，31°6′32″，高程4 328 m），12个雨量站位置如图1所示.

2 激发泥石流的降雨阈值和预警指标体系

2.1 激发泥石流的降雨阈值

已有研究表明，地震后泥石流的累积雨量和临界雨量比地震前都明显降低［19-22］.激发雨强跟激发雨型存在一定的关系，最大的激发雨强是中速激发雨型，其次是慢速激发雨型，最小的是快速激发型.不同学者对于震后泥石流激发雨强有着共同的认识，即激发雨量整体大幅度下降，但特征雨强浮动较大，因此不能简单地将某一地域、某一次雨强简单地应用于整个汶川地震扰动区.而区域泥石流激发雨量阈值的空间分布对于认识震后龙门山地区泥石流的发育规律、进行泥石流监测预警和防治都是非常重要的基础数据.

为研究区域泥石流的降雨阈值，首先获取泥石流发生的位置、时间和相应的诱发雨量，然后进行时空统计，获得各个区域5年来触发泥石流的最小雨强值作为激发阈值，然后进行空间插值，获取整个区域的泥石流激发降雨阈值.

山区短时降雨量（如小时降雨量）数据在空间上差异显著，不适合多个站点多期数据统一分析，而较长时间累积雨量，如全年最大24小时累计降雨量（简称“24小时雨量”）或最大72小时累计降雨量（简称“72小时雨量”），准确性相对高一些.已有研究也表明［23］，一个水文年发生的斜坡地质灾害中，90%以上是由24小时雨量或年最大72小时雨量降雨诱发的.综上分析，采用72小时雨量作为龙门山地区泥石流降雨阈值指标.

龙门山地区震后5年（2009～2013年）降雨量波动较大，既有50年一遇、100年一遇的极端降雨，也有低于平均极端降雨量的年份，这种高低波动为区域降雨阈值分析提供了有利条件.从9个国家气象站和3个高程模拟气象站日降雨量中提取年最大72小时雨量（表1），采用位置空间多项式趋势插值法，构建了研究区震后5年的72小时雨量空间分布（图2）.

对比发现，各年度雨量与泥石流数量呈正相关性，但与泥石流空间分布并不完全对应，这是由于地形地质条件还起到一定作用，需要进一步分析.

表1 汶川震区12个雨量站的年最大72小时累计降雨量Tab.1 Annual maximum 72-hour accumulative rainfall of 12 rainfall stations in the Wenchuan earthquake area mm

图2 2009～2013年最大72小时累计降雨量与地质灾害分布图Fig.2 Distribution of maximum 72-hour accumulative rainfall from 2009 to 2013 and geo-hazards

将2009～2013年间72小时雨量进行取小计算，并进行空间插值，获取了震后激发泥石流的72小时雨量分布图（图3）.结果表明，在汶川地震扰动严重的山区，诱发泥石流的72小时雨量为75～160 mm，比震前显著下降.低阈值区主要集中在映秀—汶川段，雨量在75～100 mm之间；次低阈值区分布在茂县、北川、陈家坝、擂鼓、茶坪、高川乡一带，雨量以100～160 mm为主；在上述两个区域外围及平武—青川一带为160～200 mm；在龙门山前的雁门—茶坝、龙门山后山的禹里—平武之间为200 mm以上；龙门山前怀远附近、安县—绵竹一带可达400 mm以上.

图3 汶川极震区触发泥石流的72小时雨量阈值空间分布图Fig.3 Spatial distribution of 72-hour rainfall threshold of triggering debris flow in the serious Wenchuan earthquake-affected area

2.2 区域预警指标体系

据汶川地震扰动区泥石流发生的特征和相关因素，借鉴国内本领域专家经验及反复试算，初步建立了地震扰动区泥石流区域预警指标体系（表2），可作为泥石流灾害区域监测预警的重要依据，也可作为单体泥石流监测部署的重要参考之一.

表2 地震扰动区降雨诱发泥石流预警指标体系Tab.2 Early warning index system of rainfall-induced debris flow in the earthquake-stroked area

在反映震后松散堆积物分布情况的指标中，体积为首选指标，根据松散堆积物面积-体积模型计算；密度为备选指标，通过高分辨率遥感解译获取.断裂空间密度主要反映岩体碎裂程度，补充松散堆积物解译和调查的不足.与泥石流易发性相关的地层岩性可反映岩体的易风化性及是否有利于植被恢复.地形地貌因素中的地形起伏度可以反映泥石流发育的坡降比.在降雨指标中，鉴于90%以上的泥石流与年最大72小时降雨量关系密切，故选为主要指标.在取值时，年最大72小时降雨量需进行高程改正，并适当考虑不同地域触发泥石流的降雨阈值差异.此外，龙门山区以地形迎风坡面降雨和水汽运移路径为特征，需考虑高程与坡向对雨量的影响.

3 泥石流区域易发性分析

泥石流的区域易发性主要是由地质地貌条件决定的.在地震扰动区具体可分为地震地质因素和地形地貌因素两大类.

3.1 地震地质因素

汶川地震造成的大量松散堆积物是震后泥石流发生的最重要因素之一.据Xu等［24］目视遥感解译，在面积为20 012 km2的研究区内，汶川地震导致滑坡（松散堆积物）152 930处，面积802 km2.松散堆积物主要沿映秀—北川断裂分布（图4（a）），松散堆积物的分布与坡度、地震烈度和PGA呈明显的正相关性；堆积物分布的优势坡向为东、南东、南.由于震裂山体、滑坡体等表面植被覆盖，松散堆积物不能完全通过遥感解译获得，因此通过地层岩性、断裂密度等要素综合分析，可补充遥感解译方面的不足.

根据震后泥石流大量样本统计及岩性特征分析，泥石流与地层岩性分布具有较强的相关性.与一般按工程地质岩组划分方法不同，地震扰动区泥石流易发性的地层岩性划分还需考虑：同震崩塌碎屑物质是否发育、是否有利于植被恢复、地形是否陡峭.据此，泥石流发生难易程度由低到高的地层岩性依次是：粉细砂岩、片岩板岩、碳酸盐岩和侵入岩（图4（b））.

除松散堆积物外，碎裂结构岩体也是泥石流的潜在物源，其与断裂分布具有密切的关系，断裂密度在一定程度上可以反映碎裂岩体的空间分布.通过统计15 km半径的圆形面积内断裂总长度，获得断裂密度及其分布特征，据此将研究区划分为4级：＜600 m/km2（低）、600～800 m/km2（中）、800～1 000 m/km2（高）、＞1 000 m/km2（极高）（图4（c））.

图4 泥石流易发性评价指标的空间分布图Fig.4 Spatial distribution of factor index for debris flow susceptibility assessment

3.2 地形地貌因素

地形地貌可以反映泥石流发生的空间势能.地震扰动区泥石流的活动范围大、运移距离远，需要一个既能反映重力势又能反映运移距离的地貌指标.地形起伏度是一定水平面积内的高程差，可作为区域泥石流易发性研究的重要指标.

根据计算分析，研究区东北部地形起伏度以0～400 m/km2为主；西南部九顶山附近地形起伏度高达900～1 500 m/km2；其他地区处于400～900 m/km2（图4（d）），说明研究区总体为重力势能显著、有利于泥石流运移的区域.

3.3 泥石流易发性评价

根据已有研究和震后泥石流统计分析，泥石流易发性主要受控于斜坡松散堆积物的分布和地形起伏度，与地层岩性和断裂密度也具有相关性.

松散堆积物分布面密度、地形起伏度、地层岩性和断裂密度4个要素，分布按权重0.4、0.4、0.1、0.1进行叠加，获得泥石流易发性评价结果（图5）.分析表明，地震扰动区泥石流易发性与同震斜坡地质灾害分布规律类似，也具有断裂效应和上盘效应.

图5 汶川地震扰动区泥石流易发性评价图Fig.5 Debris flow susceptibility in the Wenchuan earthquake-stroked area

泥石流中高易发区主要分布在：中央断裂映秀—北川段上盘，北东长120 km、北西宽30 km的彭灌杂岩区；北川—关庄段，沿地震地表破裂分布长110 km、宽10 km的范围内，其中北川—陈家坝段易发性相对高；前山断裂与中央断裂夹持的区域，位于白鹿镇与高川乡之间，呈北东向，长约60 km.

4 泥石流动态危险性预测评价及区域预警

4.1 泥石流动态危险性预测评价

泥石流区域预警实际上是在触发因素作用下产生泥石流灾害的可能性预判，即结合静态环境因素和动态触发因素进行的区域危险性预测.本次研究考虑的触发因素主要是72小时雨量，根据每年发生的泥石流确定乘积系数，与泥石流易发性（图5）进行乘积运算，分别获得了地震扰动区震后5年（2009～2013年）泥石流的动态危险性分布图.以此为先验基础，与该地区多年平均的年最大72小时雨量（图2（f））进行叠加运算，获得了未来长期的泥石流危险性评价结果（图6）.

结果表明，汶川震后5年泥石流的发生是随降雨量和松散堆积物空间分布而动态变化的，整个研究区都经历了一次泥石流中、高危险性过程.震后的2010年和2013年发生了两次极端降雨，研究区东南部单次降雨量普遍超过了400 mm，2013年在都江堰地区单次降雨量甚至超过了1 000 mm.与泥石流易发性叠加分析显示两次高危险区主要分布在彭灌杂岩山区和北川—高川—清平一带，即汶川地震的发震断裂附近.

采用震后5年的平均降雨特征进行分析表明，在震后5年平均降雨条件下的泥石流高危险区主要集中在映秀—金花—清平—高川—北川—陈家坝长约120 km、平均宽约30 km的狭长山区段，大致沿汶川地震地表破裂呈NE向发育，表现出明显的地震地质控制的特点.这一规律可以作为龙门山地区震后泥石流灾害中长期气象预警的参考.

4.2 关于区域预警的讨论

地质灾害区域预警涉及到多方面的因素［25］.对于龙门山地区震后泥石流预警而言，除了需要考虑通常的构造和地层岩性因素外，还至少要考虑地震松散堆积物的空间分布（位置和厚度）、斜坡坡度、沟道类型等.也就是说，在整个龙门山区域，泥石流的气象预警阈值不可能是一个统一的降雨量值.正是基于这一点，本文在考虑引发泥石流的气象指标时，根据震后5年泥石流案例统计分析，提出了触发泥石流的72小时雨量阈值及其空间分布特点（图3），即在不同的地带选用不同的阈值，这对于精确预警具有重要参考价值.

图6 泥石流动态危险性评价及区域预警结果Fig.6 Results of dynamic hazard assessment and regional warning of debris flow

地质灾害预警通常分为区域预警和时间预警.区域预警是比较明确地划定在一定条件下（如根据长期气象趋势预报）、一定时间段内地质灾害将要发生的地域或地点，主要适用于群发型；时间预警是在空间预警的基础上，针对某一具体地域乃至某一特定的沟谷或斜坡，给出地质灾害在某一时段内或某一时刻将要发生的可能性大小.本文的研究范畴主要限于前者.

龙门山地区震后泥石流类型多样，既有沟道宽缓、物源丰富的沟谷型（如文家沟泥石流），又有汇水面积小、流通窄陡的冲沟型（如小岗剑泥石流），还有坡面溜滑型（如G213国道沿线）.物源十分复杂，包括崩滑体、沟道堆积、坡面堆积和坡顶震裂松动岩体等.因此，要做到精确预警，还必须结合不同地域、沟域特点，提出针对性的预警模型和阈值，不少学者在这方面已经进行了很好的探索［2，4，21］.

汶川震后泥石流的演化具有长期性［1-4］，相应地泥石流的区域预警也是动态变化的，即不同地域泥石流预警的降雨阈值也将随着物源特征的演变而变化.随着震后多次泥石流的发生，地震产生的崩滑物源大部分已冲出，地震引起的单薄山脊部位震裂岩体又开始启动补给［9］，因此，坡顶震裂岩体将是未来泥石流的主要物源之一，其动态变化应在区域预警中加以考虑.

5 结 论

本文在龙门山地区地震地质、地形地貌、极端降雨和震后泥石流发育特征综合分析的基础上，探讨了震后触发泥石流灾害的降雨阈值及区域预警问题，获得如下认识：

（1）地震扰动区泥石流灾害具有自身的特点，与传统泥石流评价存在一定差别.震后泥石流的发生与极端降雨量密切相关，年最大72小时累计降雨量可以较好地表征触发泥石流的降雨条件，其具有明显的总体方向性、地形效应和局地时空不均匀性.

（2）震后触发泥石流的雨量阈值显著下降，且不同地域的阈值有所不同.震后龙门山地区触发泥石流的72小时雨量分布特征为：映秀—汶川一带为75～100 mm，茂县—北川一带以100～160 mm为主，在上述区域外围及平武—青川一带为160～200 mm，在龙门山前的雁门—茶坝、龙门山后山的禹里—平武之间为200 mm以上.（3）龙门山地区震后泥石流易发性主要受控于地震造成的斜坡松散堆积物的分布和地形起伏度，具有断裂效应和上盘效应，高易发区主要分布在中央断裂映秀—北川段上盘，长120 km、宽30 km的彭灌杂岩区；北川—关庄段沿地震地表破裂分布的长110 km、宽10 km的范围内；前山断裂与中央断裂夹持的白鹿镇与高川乡之间区域，长约60 km.

（4）泥石流的区域危险性是动态变化的，高危险区主要随降雨量和松散堆积物空间分布而变化；长期危险区主要集中在映秀—金花—清平—高川—北川—陈家坝的狭长山区段，长约120 km、平均宽约30 km，呈北东向展布，表现出明显的地震地质因素控制特点.这些认识对龙门山地区震后泥石流灾害的区域气象预警具有重要的参考价值.

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龙门山地区震后泥石流灾害区域预警研究

张永双1，2， 姚 鑫1，2， 郭长宝1，2， 李凌婧1，2， 杨志华1，2， 杜国梁1，2

Regional Warning of Debris Flow Hazards after Wenchuan Earthquake in Longmenshan Region

ZHANG Yongshuang1，2， YAO Xin1，2， GUO Changbao1，2，LI Lingjing1，2， YANG Zhihua1，2， DU Guoliang1，2
（1.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China；2.Key Laboratory of Neotectonic Movement&Geohazard，Ministry of Land and Resourses，Beijing 100081，China）

Massive loose deposits caused by the Wenchuan earthquake on May 12，2008 have resulted in significant decrease of rainfall threshold of post-earthquake triggering debris flow in comparison with pre-earthquake level.Based on the post-earthquake debris flow characteristics analysis in the Longmenshan region，the regional rainfall threshold of triggering debris flow and its regional differences were discussed.The 72-hour rainfall distribution characteristics of post-earthquake triggering debris flows are as follows：75-100 mm in Yingxiu—Wenchuan area，100-160 mm in Maoxian—Beichuan area，160-200 mm in around above regions and Pingwu—Qingchuan area，and 200 mm or more in Yanmen—Chaba area and Yuli—Pingwu area.Based on comprehensive analysis of seismogeology，topographic and geomorphic conditions，extreme rainfall and regional characteristics of post-earthquake debris flows，the regional rainfall threshold of triggering debris flow，as well as the warning index system，for earthquake-stroked region was established.The weighted information model was adopted to complete debris flow susceptibility assessment in the earthquake-stroked Longmenshan region.Then， taking the annual maximum 72-hour rainfall as a main trigger factor，the debris flow hazard assessment and regional warning study in 5 years after the Wenchuan earthquake were conducted.The results show that the regional debris flow hazard is dynamic，and the areas with high debris flow hazard change with the spatial distribution of rainfall and loose deposits.

earthquake-stroked region；debris flow；raining threshold；dynamic hazard；regional meteorological warning

0258-2724（2016）05-1014-010

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.026

P642.23

A

2016-7-14

国家科技支撑课题资助项目（2011BAK12B09）；国家自然科学基金资助项目（41502313）；国家地质调查专项资助项目（1212010914025）

张永双（1968—），男，博士，研究员，博士生导师，研究方向为工程地质与地质灾害，E-mail：zhys100@sohu.com

姚鑫（1978—），博士，教授级高工，硕士生导师，研究方向为新构造运动与地质灾害，E-mail：yaoxinphd@163.com

张永双，姚鑫，郭长宝，等.龙门山地区震后泥石流灾害区域预警研究［J］.西南交通大学学报，2016，51（5）：1014-1023.

（中文编辑：徐 萍 英文编辑：周 尧）