北京市延庆区石窑村南地沟泥石流特征及发展趋势预测

李婧玥 ，孙永彬 , ，王诜 ，吴蔚，李启亮，李存金

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.高分辨率对地观测系统河北数据应用技术支持中心，河北 石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002）

0 引言

北京市延庆地区历史上曾发生过不少于20处泥石流地质灾害，在四海镇、珍珠泉乡等地区尤为频繁。1971—2010年，群发性泥石流灾害呈上升趋势，且愈来愈受到极端降雨的影响（Ma et al.,2016）。1972年7月26日暴雨诱发四海镇、珍珠泉乡等地区发生泥石流灾害，造成13人死亡，30余间房屋被冲毁。就单沟而言，重现周期很长，最短2年，最长可达69年，多数在20甚至30年以上，尚未出现过1年中同一条支沟暴发两次以上泥石流的现象（韦京莲等，1994a）。

随着地质灾害调查与防治工作的不断推进，大量学者开始开展小流域泥石流形成条件和发展趋势研究。李淑松等（2018）开展了白龙江流域泥石流危险性评价研究；任玉鹏等（2018）开展了白龙江流域泥石流活动趋势预测研究；菜食河流域所在地区的泥石流灾害研究多集中于雨量激发条件、危险性区划等方面（韦京莲等，1994b；涂剑等，2017；白利平等，2008）。近年来，我国泥石流活动性研究取得了诸多的研究成果，前人研究成果多针对流域等进行了大范围研究，在神经网路、虚拟现实等技术在泥石流监测、预警系统、防灾避险等方面应用，为泥石流防治工作开创了新的思路和方法（康志成等，1982；唐邦兴和吴积善，1990；李德基，1996；黎厚富，2018；王猛等，2018），我国学者刘希林先后提出了判定泥石流危险度的指标选取、权重确定（刘希林，1988）、以及区划方法（刘希林，1989），并指出了山区沟谷泥石流主要危险因子（刘希林等，1993）。但是针对单沟泥石流的运动特征和发展趋势预测未开展系统研究，因此本文针对单条泥石流进行研究。

本文选取了四海镇石窑村南地沟泥石流为研究对象，南地沟泥石流为延庆区典型沟谷型泥石流，泥石流物源丰富、沟道弯曲，对下游居民造成威胁。本次研究结合遥感图像资料和降雨数据（张熠昕等，2018），分析泥石流降雨条件、地形地貌与沟道条件、物源条件，开展泥石流流域分区特征研究，基于GIS技术，选取主支沟关系、沟口地段、主河河型、主河主流、新老扇形地关系、冲淤变幅、松散堆积物储量、松散堆积物存在状态、泥沙补给、沟道形态、坡面形态、植被覆盖率、触发雨量等14个因子，开展泥石流发展趋势及最大危险区预测研究，以期为延庆地区防灾减灾、制定合理的泥石流防治措施提供科学依据。

1 区域地质概况

延庆地区位于北京西北侧，地理位置位于东经115°44′～116°34′，北纬40°16′～40°47′。四海镇石窑村南地沟位于延庆区东北角（图1），区内地貌属于华北平原向张北高原的过渡地带，海拔800～1100 m，多呈单斜状倾向河心，地形坡度20°～50°。本区褶皱主要分布在燕山期陆缘活动带褶皱第二亚构造层、后吕梁—印支期地台盖层褶皱第二亚构造层蓟县系岩层中以及第一亚构造层长城系地层中有少量分布，主要位于延庆的东北部、西北部以及南部。区内多为压性断裂以及推测性一般断裂，主要集中在西部、中部和南部。大断裂有位于西部的近东西向的大王庄-郭家堡推测断裂，贯穿北京市的北东走向的沿河城-南口-琉璃庙压性大断裂经过本区东南部分地区；一般断裂有营门东西向断裂、黑峪口-刘斌堡北断裂、清泉铺断裂、四海东西向断裂、白河堡-黑峪口北北东向断裂、红石湾-营盘北北东向断裂、沙梁子-上花楼北北东向断裂等。

图1 石窑村南地沟分布位置概况（底图为2019年landsat8影像）

在漫长的地质时期中，山地不断褶皱、断裂和抬升，接受外力剥蚀，受地质构造背景和地形地貌影响，长期受到地质灾害的威胁。南地沟地区地层岩性为中生代侏罗系砾岩、砂泥岩、火山碎屑岩，表层风化强烈。石窑村南地沟于1972年发生泥石流灾害，造成下游居民13人死亡，冲毁房屋30余间，耕地1100多亩，大牲畜300余头。开展本次研究对延庆地区地质灾害防灾减灾具有重要意义。

2 泥石流流域分区特征

2.1 泥石流形成区特征

形成区位于石窑村南地沟北东侧，三面环形补给，流域内地形切割强烈，沟底宽度一般为10～25 m，呈“V”型谷。形成区两侧支沟均较弯曲，两侧坡面陡而狭窄，沟槽底宽5～15 m。沟谷两侧发育有多处小型崩塌、滑坡等地质灾害堆积物，其平均纵坡降大，山坡坡度25°～55°；植被覆盖率75%。沟谷内第四系极为发育，碎石呈带状展布（图2）。

图2 石窑村南地沟流域分区特征

2.2 泥石流流通区特征

流通区位于石窑村南地沟主沟中上游，树枝状，沟道平均坡降较缓，呈“V”字型，沟底宽25～100 m。地势高差一般，沟槽两侧坡面坡度35°～62°，汇水面积大。松散堆积物丰富，碎石、块石等大量堆积，流动过程侵蚀松散堆积物，从而形成泥石流。

2.3 泥石流堆积区特征

堆积区位于石窑村南地沟主沟下游沟口一带，呈“U”型沟谷，泥石流出山后沟道变宽，水动力极大的降低。沟口扇形地破坏严重，扇长90 m，扇宽110 m。沟口巨石最大1.1 m，最小仅为0.05 m，该区主要为人类工程活动集中分布区。

3 泥石流形成条件

3.1 降雨条件

石窑村南地泥石流位于北京市延庆区四海镇，属于温带季风气候，冬季干燥少雨、夏季雨量集中，空间分布不均匀。据1981—2017年延庆区降雨量资料，研究区历年最大降雨量为637.2 mm（2016年），最小降雨量为284.1 mm（1993年），相差353.1 mm。四海镇石窑村一带是延庆区最大的降水汇集中心，年平均降水量可达642.1 mm。该区降水在时间上存在不均衡特征，6—9月的降水量约占全年降水量的80%以上，在此期间降雨连续且集中，尤其在6—7月，一次连续最大降雨量可达258.7 mm。降水具有降水集中、雨强大和频率高的特点，这些特点往往成为洪水和泥石流等灾害的诱发因素（李彩侠和马煜，2019）。

3.2 地形地貌与沟道条件

石窑村南地沟泥石流属于典型的暴雨-沟谷型-支沟群发型泥石流，沟域面积4.29 km2，三面环山，整体近似“扇形”，地势起伏大，呈东高西低走势。主沟起点位于北西侧坡顶，相对高差655 m，主沟长度2.75 km，弯曲系数1.11，宽7～20 m，平均纵坡降145.8‰。流域内山坡平均坡度27°，流域内发育第四系冲洪积层（Q4apl）和侏罗系迷雾山组（Jxw）白云岩，形成大面积厚层状松散堆积物源。地下水类型主要为沟内卵石土层松散岩类孔隙水，导水性好，补给来源为降雨、季节性流水。泥石流口耕地、人工建房等工程活动强烈。

石窑村南地沟为菜食河右岸沟谷，发育1条主沟和18条支沟，沟谷总长33.6 km，沟谷切割密度为7.83 km/km2，主沟右岸发育10条支沟，左岸发育8条支沟。主沟沟源位于流域北侧分水岭，自北东向南西延伸2.75 km，整体流向221°。上游沟槽底部宽5～20 m，两侧坡面坡度陡而弯曲，沟道下游逐渐变宽趋势，沟槽底宽30～100 m；15条支沟间夹角较大，呈“树枝状”。其中，位于左岸的8条支沟，整体流向225°，延伸长度0.51～2.10 km，宽度5～23 m；位于右岸的10条支沟，整体流向155°，延伸长度0.47～1.10 km，宽度 10～30 m（图3，表1）。

表1 石窑村南地沟主支沟信息统计表

图3 石窑村南地沟地貌渲染与沟道条件叠加图

沟道纵坡降比是泥石流物质由势能转化为动能的重要条件（刘德玉等，2019），也是影响泥石流形成和运动的重要因素（伦国星和周斌，2011）。沟道纵坡降比既表现沟谷坡面侵蚀与沟道侵蚀的相互关系，又反映出泥石流的发育状况。据调查统计：南地沟主沟纵坡降比为144.74%，位于主沟左岸的支沟平均纵坡降为348.6‰，右岸的支沟平均纵坡降为359.5‰。该流域表现为主沟较缓、支沟陡峭的形态特征，利于雨水、物源汇集形成泥石流。

3.3 物源条件

本次研究采用ArcGIS平台，对该流域内松散堆积物进行了统计分析。石窑村南地沟内固体物质来源丰富，主要物源类型为冲洪积物源、残坡积物源、人工堆积物源和崩滑塌物源4种（廖晨曦等，2019）（图4），据调查分别计算储量，然后按其所处地貌位置、稳定情况和松散程度分别采用不同的比例估算其可移动方量，基于调查及GIS统计计算，南地沟内物源总储量为156.21×104m3，可启动的储量为18.36×104m3。

图4 石窑村南地沟物源来源图（背景底图为等高线）

3.3.1 冲洪积物源

冲洪积物源总储量为76.71×104m3，可启动参与泥石流活动的储量为0.51×104m3，根据物源来源分析，进一步分为沟道堆积物、历史泥石流堆积物等物质来源（图5a～b）。沟道堆积物为碎石土、巨石堆积，磨圆度较差，分选性一般，物质来源丰富，主要为两侧坡面冲洪积、崩滑塌堆积的产物；该流域层在1972年爆发泥石流，形成历史泥石流堆积物，块石和巨石堆积，块石表面光滑，土体含量不足5%，块石和巨石直径0.2～0.8 m之间，该类物源经过后期雨水冲刷，将土体剥离，剩余碎石和块石，堆积物分选性较强。

图5 石窑村南地沟物源分布野外照片

3.3.2 残坡积物源

残坡积物源总储量为61.09×104m3，可启动参与泥石流活动的储量为12.73×104m3，该类物源多为残坡积碎石土和粉土（图5c），集中分布在沟道两侧坡面，以母岩风化产物和第四系砂土层为主，密实程度中等至稍密，分层性好。

3.3.3 人工堆积物源

人工堆积物源总储量为16.95×104m3，可启动参与泥石流活动的储量为3.81×104m3，物源进一步分为坝阶地堆积物、沟道干砌石挡坝、道路施工堆积物、裸露耕地堆积物等物质来源。坝阶地堆积物分布在沟口附近，粉土和碎石土堆积，为人工改造的平坦堆积物，表层为人工堆积粉土和砂土，土体松散，厚0.1～0.5 m（图5d）；沟道干砌石挡坝以块石和巨石形式堆砌，人工改造堆积，岩石棱角状，空隙较大，渗水性好，分布在宽缓沟道和坝阶地外缘（图5e）；道路施工堆积物以人工挖开堆砌碎石土为主，主要分布在宽缓顺直的沟道中，经过人工开挖形成松散堆积体，碎石直径在3～15 cm；裸露耕地堆积物主要为粉土和碎石土堆积，表层腐殖土，多为未种植的耕地，与坝阶地堆积物成分相似，表层以粉土为主，厚0.1～0.5 m。

3.3.4 崩滑塌物源

崩滑塌物源总储量1.46×104m3，可参与泥石流活动的动储量为1.31×104m3，崩塌堆积物块石和巨石堆积，磨圆差，位于陡峭的崖壁底部，形成块状巨石参与泥石流活动。滑坡堆积物碎石土和块石土堆积，碎石含量一般占35%左右，磨圆度尚可，土体为坡顶残坡积堆积物（图5f）。不稳定斜坡体为裸露岩壁，岩层产状与斜坡面产状同向，在降雨条件下，易形成滑坡崩塌等形成物源参与泥石流活动。

3.3.5 物源转换分析

石窑村南地沟松散堆积物按分布位置主要分为沟道和坡面，大量残坡积碎石土和沟道冲洪积分布在斜坡和沟道中，后期降雨作用形成的地表径流和细小支沟对沟道和坡面形成侵蚀作用，主要表现为下蚀作用和侧蚀作用。下蚀作用对斜坡和沟道为纵向下切的过程，沟道两侧斜坡失稳，横向扩展，从而大量残坡积物源随流体向沟口运移；侧蚀作用是冲洪积流体对沟道的两侧斜坡坡脚产生掏蚀作用，导致斜坡具有一定的临空条件，应力集中于坡脚，形成潜在滑动面。而最终的结果是将斜坡面的残坡积运移至沟道中形成冲洪积，进而参与泥石流活动。

4 泥石流发展趋势预测

4.1 泥石流发育阶段识别

本次研究根据精细调查结果，依据《泥石流灾害防治工程勘查规范》（DT/T 0220-2006）①关于泥石流发育阶段识别因子进行综合评定，石窑村南地沟泥石流发育阶段识别因子包括了主支沟关系、沟口地段、主河河型、主河主流、新老扇形地关系、冲淤变幅、松散堆积物储量、松散堆积物存在状态、泥沙补给、沟道形态、坡面形态、植被覆盖率、触发雨量等14个。研究结合石窑村南地沟发育特征进行综合判断（表2），石窑村南地泥石流处于发育期，可能会爆发较大的泥石流，且对堆积区两岸的居民造成灾害性影响。

表2 石窑村南地沟泥石流发育阶段综合识别表

经发育阶段综合识别，石窑村南地沟主沟堆积物侵蚀速度小于支沟形成区侵蚀速度，逐渐为泥石流的发生提供更多的物源，沟道中冲洪积堆积物呈淤高特征，物源厚度可达1～2 m，松散堆积物在降雨条件下逐渐变厚，存在引发大规模泥石流的隐患，沟道堵塞程度严重，多见巨石堆积，直径30～60 cm，磨圆度较好，沟道两侧多发生崩塌滑坡等地质灾害，不良地质现象处于扩展状态，沟道不稳，沟道内物源不断增多，参与泥石流活动储量不断增大，多处支沟已经发生明显的厚度变化，从而加速泥石流的发生。

4.2 泥石流发展趋势分析

研究石窑村南地沟地质环境条件和发育特征表明，石窑村南地沟属暴雨-沟谷型-支沟群发型泥石流，中易发，泥石流规模与沟域内松散堆积物的累计、动态变化情况及与引发泥石流的暴雨情况相关。综合预测分析，在前期降雨充沛条件下，若再遇集中强暴雨，该泥石流主沟、支沟沟槽内的松散堆积物极可能被起动，发生泥石流活动的可能性增大。

4.3 最大危险区预测

石窑村南地沟内松散堆积物较丰富，支沟发育，具备强降雨条件下发生泥石流的条件。单沟泥石流危险区包括泥石流沟域范围和威胁对象范围，其中，堆积区是危害成灾的主要部位，利用单沟泥石流堆积区公式进行最大危险区预测①，公式为：

式中：L为泥石流堆积物最长堆积长度，m，L=0.8061+0.0015A+0.000033W；B为泥石流堆积物最大堆积宽度，m，B=0.5452+0.0034D+0.000031W；R为泥石流堆积幅角，°，R=47.8296 -1.3085D+8.8876H；其中，A为流域面积，km2；W为松散堆积物动储量，104m3；D为主沟长度，km；H为流域最大高差，km。

综合研究分析，石窑村南地沟主沟长2.75 km，流域面积4.29 km2，松散堆积物动储量18.36×104m3，最大高差0.659 km。代入公式得到石窑村南地沟最大堆积长度为0.8131 km，最宽堆积宽度为0.5551 km，堆积幅角为50.0882°，最大危险区面积为0.413 km2（图6），会对下游石窑村以及村村通公路和行人的生命财产安全造成威胁。

图6 石窑村南地沟最大危险区预测图

4.4 防治措施建议

该泥石流主要特点松散堆积物分散、面积较大，堆积扇范围内沟道平坦宽缓，建议该泥石流采用上游局部支沟物源平整与疏理排导渠相结合的综合治理措施。主要防治措施包括：对整个流域发育的冲洪积和人工堆积进行平整，减少物源堆积；同时清理流通区至堆积区范围内新修建的排导渠内冲洪积和人工堆积，在堆积区开展疏导工程，达到及时清淤及缩减泥石流危害范围的目的；同时建立长期监测系统，并配合群测群防开展长期监测。

5 结论

（1）通过开展泥石流发育特征和孕灾条件综合分析、细化研究各类物源类型和储量，结果显示松散堆积物丰富；流域内物源总量为156.21×104m3，可参与泥石流活动的动储量为18.36×104m3。分别包括冲洪积物源、残坡积物源、人工堆积物源和崩滑塌物源4种补给来源，其中残坡积所占比重最大，达到了12.73×104m3。研究结果对于开展北京地区以单沟为单元的泥石流调查与研究具有重要的指导意义。

（2）石窑村南地沟开展发展趋势预测研究结果表明，该泥石流属于暴雨-沟谷型-支沟群发型泥石流，中易发泥石流，该泥石流处于发育期，可能会爆发较大的泥石流，不良地质现象处于扩展状态，沟道不稳，沟道内物源不断增多，多处支沟已经发生明显的厚度变化，从而加速泥石流的发生。

（3）石窑村南地沟最大堆积长度为0.8131 km，最宽堆积宽度为0.5551 km，堆积幅角为50.0882°，最大危险区面积为0.413 km2，会对下游石窑村以及村村通公路和行人的生命财产安全造成威胁

（4）建议该泥石流采用局部物源平整与疏理排导渠相结合的综合治理措施，以达到减少物源堆积和疏通沟道的目的。建议建立长期监测系统，并配合群测群防开展长期监测。

注 释

①中华人民共和国国土资源部.2006.泥石流灾害防治工程勘查规范:DZ/T 0220-2006[S].北京:中国标准出版社.