北京山区泥石流的单沟预报_陈文鸿.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 07 23;修回日期:2021 10 13基金项目:国家自然科学基金项目(U21A2032);北京市沟道侵蚀泥石流多元预警阈值模型研究及示范工程项目(Z191100001419015)作者简介:陈文鸿(1994 )，男，广西柳州人，博士研究生，主要从事地质灾害防治与预警方面的研究。E-mail:625006176 qq com通信作者:余斌(1966 )，男，四川成都人，教授，博士，主要从事泥石流灾害防治与研究工作。E-mail:yubin08 cdut cndoi:10 11988/ckyyb 202107602023，40(1):94 100，115北京山区泥石流的单沟预报陈文鸿1，余斌1，柳清文2，路璐3，马超4，孙帅5，师春香5(1 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都610059;2 福建省地质工程勘察院 自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福州350002;3 北京市地质矿产勘查院 北京市地质灾害防治研究所，北京100120;4 北京林业大学 水土保持学院，北京100083;5 中国气象局 国家气象信息中心，北京100081)摘要:为给北京山区单沟泥石流灾害预警预报提供理论依据，基于近十几年北京山区单沟泥石流文献资料，从泥石流灾害形成机理出发，结合目前降雨站点数据，分析诱发泥石流的地形、地质和降雨等相关因素，采用适用于北京山区泥石流预报模型 P=T0 2/G0 5，得出适用于北京山区单沟泥石流蓝、黄、橙、红级预警模型和相应临界值。研究得出的北京山区泥石流单沟级预警模型能很好地预报短期灾害发生，在龙潭沟等流域的验证中，可以较好地根据降雨的变化情况得出泥石流沟道不同时间段的泥石流易发程度，该模型为该区泥石流易发等级的快速识别提供了科学有效的方法。关键词:泥石流;预报模型;沟床起动;北京山区;单沟中图分类号:P642 23文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0094 07开放科学(资源服务)标识码(OSID):Forcast of Single Ditch Debris Flow in Mountainous Areas of BeijingCHEN Wen-hong1，YU Bin1，LIU Qing-wen2，LU Lu3，MA Chao4，SUN Shuai5，SHI Chun-xiang5(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，China;2.Key Laboratory of Geohazard Prevention of Hilly Mountain of Ministry of Land andesources，Fujian Geological Engineering Survey Institute，Fuzhou350002，China;3.Beijing Institute ofGeological Hazard Prevention，Beijing Institute of Geology，Beijing100120，China;4.School of Soil andWater Conservation，Beijing Forestry University，Beijing100083，China;5.National MeteorologicalInformation Center，China Meteorological Administration，Beijing100081，China)Abstract:The aim of this research is to offer theoretical basis for forecasting and warning single-ditch debris flowin the mountainous area of BeijingFactors such as topography，geology，and rainfall that induce debris flowwere analyzed in line with the formation mechanism of debris flow based on literature review in recent decade andrainfall data The model P=T0.2/G0.5was adopted for forecasting single-ditch debris flow in the mountainousarea of Beijing，and the warning models and corresponding thresholds for blue，yellow，orange and red warninglevels were obtained and further applied to forecasting the debris flow in Longtan gully for verificationesultsdemonstrated that the forecasting model in the present paper could well predict short-term debris flow and acquirethe susceptibility of debris flow in different time periods according to rainfall changes The model can be taken asa scientific and effective method for rapidly identifying the susceptibility level of debris flow in the mountainous ar-ea of BeijingKey words:debris flow;prediction model;runoff mechanism;mountainous area in Beijing;single-ditch第 1 期陈文鸿 等北京山区泥石流的单沟预报1研究背景北京山区泥石流以暴雨类、低频率、高重度、低黏度、沟谷型泥石流为主，而以支沟泥石流集群暴发为其特点。其形成方式主要为沟床起动型泥石流1 5，其形成机理是在短历时强降雨的作用下，大量雨水在地表形成径流，汇集到主沟道并形成强大的山洪，继而侵蚀沟床并起动以前滑坡和崩塌堆积在沟床内的固体物质形成泥石流6 10。北京山区经常暴发泥石流，如 2011 年“724”和 2012 年“721”强降雨引发山洪泥石流导致密云区龙潭沟、房山区十渡镇受损严重，严重危害了当地人民的生命安全11。目前，北京市突发地质灾害专业监测预警工作已经全面展开，监测预警的最终目标是实现每条泥石流沟的单沟预警预报工作，因此，单沟泥石流预警模型是其关键技术与核心内容12。目前针对北京山区泥石流灾害研究，谢洪等13 认为应该根据泥石流单沟特征，通过制定减灾工程减轻和控制泥石流的危害。钟敦伦等14 通过结合泥石流的影响因素，构建物源模型，在可拓学原理下，通过关联度计算得出区域泥石流预报和沟谷泥石流预报。周金星等15 建立了北京暴雨泥石流发生当天的前 3 d、5 d 或 15 d 雨量与当日激发泥石流雨量的回归模型。倪化勇等16 利用前期降雨量研究了降雨型泥石流预警预报模式，并给出相应的预警框架和建议。史明远17 通过分析研究区泥石流类型、致灾能力、发展阶段和易发度特性，结合泥石流单沟前期有效降雨量和短期降雨量，提出未来6 h、24 h 的气象预警雨量阈值。白利平等18 19 基于 GIS 技术，提出北京地区泥石流危险度区划，并根据力学平衡条件，假设饱水状态下的沟床物质会受到重力、摩擦力、内聚力、浮力等的作用，推出松散固体物质起动判别式和雨强表达式。黄晓虎20 对北京地区达摩小流域泥石流的启动机制进行了研究，他指出泥石流物源体启动的标志是出现切沟侵蚀，并计算了各种降雨情况下泥石流启动临界激发雨量。丁桂伶等21 选取岩性、坡度、植被等评价指标，通过前期有效降雨量计算，提出北京地区的泥石流预警雨量阈值。涂剑等22 用修正后的李氏法进行雨场分割，总结研究区泥石流雨量激发的条件。马超等23 通过野外观测的 10 min 降雨记录和沟道形态变化，分析了泥石流的触发条件和侵蚀过程，提出了 10 min 的降雨间隔强度灾害预测以及水泥沙量是控制侵蚀程度的首要因素。翟淑花等24 通过绘制降雨安全等概率线，对北京山区泥石流进行预警。朱昳橙等25 通过研究降雨量与降雨过程、地质灾害空间分布的对应关系，得出地质 降雨综合模型比地质 气象模型更适合怒江州滑坡地质灾害预警。李永超等26 通过对 79 条冲沟的野外调查，采用信息值法、确定因子法和逻辑回归法对研究区泥石流易发性进行评价。蒋家沟泥石流预报模型是根据很多流域大量、长系列的观测数据提出的，虽然蒋家沟模型与北京山区目前预警模型具有一定的相似性，都使用降雨因子作为判断指标，但忽略了沟道内松散堆积物和利于泥石流发生的沟谷地势，这肯定会导致预报结果不精确27。谭炳炎等28 提出了泥石流组合预报模型:Y=M，其中 Y 表示泥石流发生的判别函数;表示降雨条件函数;M 表示地面环境动态函数。当 Y 25 时，不发生泥石流的机率为 83%;Y 35 时，发生泥石流的机率为 85%;Y=25 35 时，介于发生与不发生之间，该模型主要运用于山区铁路沿线的暴雨泥石流预报。王毅等29 用 GIS 技术与层次 信息量模型相结合的方法，确定在不同降雨下需要重点监测与防治的泥石流沟道。李大鸣等30 通过分析泥石流形成条件，选取了泥石流 7 个危险因子，并应用模糊赋权法计算各个危险因子权重，从而建立了泥石流区域预报模型。综上所述，泥石流预警模型成果很多，在区域预警预报中考虑了地形、降雨因子，在雨量指标上都用了前期累计雨量和泥石流激发雨量。但预报的准确性鲜有报道，原因在于大多数泥石流预警模型具有局地性，不能适用于北京山区泥石流预警。目前，北京泥石流灾害研究多为区域性泥石流预报，以及泥石流危险区划和泥石流沟道侵蚀过程等方向的研究。关于单沟泥石流短期(10 min 和1 h)预警的研究还很少。本文在前人研究基础上，收集近十几年北京山区单沟泥石流文献资料，通过研究影响北京山区单沟泥石流形成的地形条件、地质条件和水文条件等，得出适用于北京山区单沟泥石流的级预警模型，可有效预防和减轻灾害造成的人员伤亡和财产损失。2泥石流的形成条件北京山区面积为 10 417 5 km2，占北京市总面积的 62%。北京山区地处燕山山系与西山太行山系交界处，在地质构造单元上属燕山沉降带。境内地形骨架形成于中生代燕山运动，西部山区与北部山区均为高山陡坡地形，岭谷相对高差均在 300 59长江科学院院报2023 年600 m 之间，河谷断面多呈“V”形。由于山区切割较深，相对高度较大，沟谷的纵坡大，沟道狭窄，崩塌时有发生，沟道和坡面碎屑物丰富，物源体主要为粗颗粒，为泥石流的发生提供了有利的地形条件2。泥石流的物源主要有两类，一是沟谷底部的松散堆积物，二是谷坡上的堆积物。北京山区发生泥石流的主要物源是沟谷底部的松散堆积物，沟道两侧斜坡物源少，虽然降雨会导致谷坡上堆积物汇入沟道，但对泥石流的形成影响不大31 32。“消防水管效应”现象对沟床松散固体物质冲刷强烈