我国高频率泥石流的雨量特征

马 超，何晓燕，胡凯衡

(1.北京林业大学水土保持学院水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京 100083;2.中国水利水电科学研究院，北京 100038;3.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室，四川成都 610041)

0 引言

泥石流临界雨量反映了泥石流体抵御外界水源条件触发、起动的综合能力。若泥石流激发阈值低，区域暴雨频率高，雨量达到或超过泥石流临界雨量机率越大，泥石流暴发频率高。同一泥石流沟中，物源体势能和储量在短时间内相对稳定，泥石流暴发随降雨周期性、季节性、等突发性因素而变化，因而形成不同频率、性质的泥石流。

我国高频率泥石流众多，这些高频率泥石流是区域特殊地质构造和气象、水文条件综合作用的结果。高频率泥石流具有与中、低频率泥石流不具备的形成条件，如物源空间分布、储备，稳定程度等，激发雨量阈值也低。我国一般用10 min、1 h、24 h雨量，前期雨量以及相应指标组合来建立预警预报模式，针对不同频率的泥石流沟，选择不同预警模式、指标。本文以我国高频率泥石流为对象，搜集基本物源、岩性、植被和触发雨量历史资料，对比分析对其形成条件和触发雨量，进一步认识我国高频率泥石流的触发雨量。

1 不同频率泥石流沟的形成条件对比

我国泥石流集中、成带分布于三大地形阶梯的两大地形过渡带上。高频率泥石流主要分布在气候干湿分明、较暖湿、局部暴雨强度大、水雪融化快的地区(表1)。如小江流域、白龙江流域是我国著名的暴雨泥石流多发区。区域内蒋家沟、大白泥沟、小白泥沟，火烧沟、柳弯沟等每年暴发泥石流几次至几十次［1-2］。西藏高寒山区是我国冰川泥石流多发区，区域内地壳运动剧烈，地块强烈升降，地震频繁发生，各种泥石流灾害发育［3］;成昆铁路穿越川滇山地和高原崇山峻岭间，泥石流历来活跃［4］;汶川强震后沿龙门山主断裂带山区受到高频泥石流袭击，震后泥石流表现出“高频率、高量级、阈值低、群发性”等特征［5-9］;北京山区以及黄土高原是我国暴雨泥石流、泥流的主要分布区之一，受区域年降水影响，泥石流暴发间歇期较长，活动频率偏低［10-11］。选取以上地区典型泥石流沟进行物源、岩性和植被条件对比。其中，所选取的泥石流沟不含矿渣型以及物源受人类活动影响明显的泥石流沟。受区域地质地貌以及自然地理环境影响，部分泥石流沟属于中、低等频率(表2，表3)。

1.1 物源条件

高频率泥石流沟内物源丰富。以崩塌、滑坡形式存在的物源体不稳定，多处于极限平衡状态，坡面、支沟内也积累了大量的松散物源体。这些不稳定物源不间断的下滑、坠落，沟道泥石流强烈铲刮、淤埋导致物源区多形成裸地景观。尤其是我国几条典型的高频率泥石流沟，如蒋家沟、浑水沟、火烧沟等。蒋家沟、浑水沟、古乡沟、加马其美沟等泥石流暴发频率与源区崩塌、滑坡活动次数和沟道累积物源量紧密相关［12-14］。中、低频率泥石流沟物源并不丰富，部分泥石流沟物质源于不合理经济活动，如开矿、筑路所导致的废弃渣;大部分的中、低频率泥石流沟物源主要以沟岸坍塌、第四系沟床堆积物，坡面水土流失堆积物补给为主，风化作用程度低。中等频率泥石流物源供给方式不仅有沟床物质侵蚀冲刷，还有部分坍塌，泥石流活动频率要高于低频率泥石流，如海流沟、番字牌西沟泥石流暴发频率要稍高于关庙沟、干溪沟。

表1 我国三大地形阶梯泥石流活动环境条件Table 1 Surrounding conditions of debris flows in three typical terrains of China

表2 泥石流按发生频率分类Table 2 Classifications of debris flows according to occurrence of frequency

1.2 岩性

高频率泥石流沟内岩性软弱，易风化、剥落，多产生黏性颗粒。如泥岩、页岩、千枚岩、片岩和砂岩等。这些岩层变质程度深，内部节理裂隙发育，抗风化能力弱，黏土含量较高，泥石流体多黏性。单位面积物源补给量也远远大于其他岩性较坚硬的泥石流沟。中、低频率泥石流沟内的物源体以中、硬质岩性为主，如花岗岩、岩浆岩、钙质砂板岩、白云岩等。岩石硬度比高频率泥石流沟内岩性较高，变质程度和岩石碎裂程度也较低，部分泥石流沟的岩层夹杂少量泥质类页岩、凝灰岩。

表3 高频率与中低频率泥石流形成背景条件对比Table 3 Formation conditions of debris flows with high，medium and low frequency

1.3 植被

高频率泥石流沟内因重力侵蚀活动剧烈，多呈裸地景观。但部分高频率泥石流沟植被覆盖度大于中、低频率泥石流。如浑水沟溯源侵蚀区、加马其美沟、三滩中桥沟植被覆盖度超过70%，但暴发频率极高。尤其是浑水沟和加马其美沟，泥石流暴发频率超过40次/年以上。加马其美沟流域植被覆盖度达到90%，但是该流域山高、谷深、坡陡，片岩变质程度深，风化强烈，松散堆积物厚，加上所在区域雨季长，雨日多，土体含水量高，泥石流非常活跃。黑水县芦花沟虽植被覆盖高，但物源体以软弱砂岩为主，泥石流活动仍然活跃。中低频率泥石流沟内无大规模、成群、片分布的崩塌和滑坡，植被覆盖度较好。这些特殊泥石流沟所在区域内年平均降雨、最大24 h降雨以及最大1 h降雨普遍比高频率泥石流沟地区要高。这说明流域中植被覆盖程度只能在一定程度上对泥石流起到抑制作用，这种作用非常有限。

2 高频率泥石流雨量阈值对比

2.1 第一阶梯

第一阶梯的高频率泥石流主要为冰川型，并有部分暴雨泥石流。冰川泥石流可以是降雨诱发，也可以是长期高温激发冰崩、崩塌导致。如2007年9月波密县群发性泥石流，还有加马其美沟、古乡沟等。

重力侵蚀直接转化为泥石流的古乡沟和加马其美沟，泥石流暴发频率远大于暴雨型高频率泥石流。古乡沟海拔4000 m以上年降雨超过2000 mm，泥石流多集中于5～10月，仅1964年6月19日—8月17日发生泥石流上百次，1964—1965年共计暴发泥石流500多次。2007年9月波密群发性泥石流暴发时前期雨量32.3 mm，日降雨量20.4 mm。9月4日康布沟和天摩沟泥石流暴发之前，累计降雨已达18.7 mm，泥石流暴发前最大小时雨量仅6 mm/h［15］。根据加马其美沟的泥石流暴发雨量资料记录:激发泥石流10 min雨量不超过2 mm，部分雨量甚至小于1 mm，但这些泥石流暴发时的累计雨量≥20 mm。2007年9月波密群发性泥石流暴发时累计雨量达到19.4 mm。

2.2 第二阶梯

该区泥石流主要受降雨影响，泥石流与雨季同期，多夜发。这些高频率泥石流源于物高位斜坡上的松散土石体，随含水量增加开始起动，在下滑过程中，受强烈扰动、液化形成泥石流雏形，初期泥石流规模不大，在运动的过程中通过侵蚀、裹挟松散物质才发展成一定规模的泥石流。因高频率泥石流激发雨量低，导致泥石流活动与雨季同期，多与峰值降雨时段重合或滞后。

我国暴雨泥石流预警模式多采用10 min、30 min、1 h、24 h单雨量指标或“前期雨量+实时雨量”组合模式制定泥石流临界、暴发线。如蒋家沟、大桥河、浑水沟、火烧沟等。火烧沟当10 min雨强达8～10 mm，或30 min雨强达到20 mm，必暴发泥石流，雨强小于2～3 mm/10 min时，一般不暴发泥石流［16］。柳弯沟雨强为2 mm/10 min，一次降水总量达到7～10 mm时，即可发生泥石流［17］。浑水沟采用10 min雨强12 mm作为阈值。蒋家沟前期降雨在0～10 mm，10 min雨强达到5 mm时，泥石流多暴发［18］。在前期降水量接近时，大桥河泥石流10 min雨强要平均高出蒋家沟10 min雨强 2 mm［19］。

蒋家沟、浑水沟、火烧沟等大多数泥石流暴发时段与10 min峰值雨量时段重合，实际激发雨量要比加马其美沟要高(图1)。尽管都是高频率泥石流，但处于第三阶梯青藏高原潮湿型气候区加马其美沟泥石流暴发所需要的临界雨量要小于处于第二阶梯蒋家沟、浑水沟、火烧沟和柳弯沟。此外，根据蒋家沟泥石流临界线和暴发线公式说明，90%浑水沟泥石流暴发数据点位于蒋家沟泥石流临界线或暴发线以上区，蒋家沟泥石流临界线可以作为其他具有类似形成背景的高频率泥石流沟预警预报参照。

2.3 第三阶梯

该区泥石流主要以水石型为主，即高强度降雨激发沟道内形成一定水力条件的洪水强烈冲刷侵蚀河床形成。泥石流暴发时的雨量也比第一阶梯和第二阶梯泥石流暴发雨量要高。如北京山区1968-1972年，1989-1991年间密云、怀柔区群发性泥石流暴发时一次性连续降雨总量超过150 mm，最大1 h雨量超过100 mm，泥石流暴发时当日雨量均超过100 mm，最大超过300 mm［11］。该区泥石流物源体主要以硬质岩石为主，如花岗岩、片麻岩等，部分山峰海拔达到2000 m，流域相对高差与第一阶梯和第二阶梯泥石流沟相比较较低，且岩石风化程度，新构造运动相对较弱，泥石流激发雨量普遍较高。另外宝岛台湾、近海等部分地区多受台风强降雨袭击，泥石流暴发的激发雨量也比大多数第一阶梯和第二阶梯的泥石流激发雨量要高［20-21］。

图1 国内高频率泥石流沟的前期有效雨量和实时雨量组合Fig．1 The relationships of antecedent precipitation and 10 minuts rainfall of high-frequency debris flows in China注:加马其美沟1976-1977年暴发59场泥石流，浑水沟1976-1980年共暴发74场泥石流;金川县大寨子沟1982-1985年暴发21场，为较高频率泥石流;攀枝花三滩沟隔3～5年暴发一次泥石流，为中频率。

3 汶川地震灾区的高频率泥石流

汶川地震后短时间内沿主断裂的山区城镇都遭受了高频泥石流灾害威胁，如2008年9月24日北川［22-23］，2010年 8 月 13-14 日，清平乡、龙溪河、白沙河流域，映秀至耿达、岷江上游段［24］。其中，文家沟在2008-2010年共计暴发5次［25］，小岗剑沟共计暴发10次［26］，另外还有震中牛圈沟2008-2011年超过6次［27］。2013年7月8-10日，整个汶川地震灾区遭遇大面积的连续长历时降雨，映秀至汶川七盘沟、等多条小流域暴发泥石流［28］。

3.1 汶川地震灾区高频率泥石流激发雨量特点

对灾区文家沟、小岗剑沟、牛圈沟以及几次群发性泥石流的雨量与其他低频率泥石流沟前期雨量与10 min雨量进行比较(图2)，灾区高频率泥石流雨量具有以下特点:

(1)汶灾区雨量记录多以1 h为基本监测频率，图2中泥石流暴发时的10 min雨强是通过1 h雨量换算而来。灾区泥石流暴发时的10 min雨强与蒋家沟10 min雨强差别不大。文家沟、小岗剑沟、牛圈沟几次泥石流暴发时的平均10 min雨量(11.5～13.5 mm/10 min)与云南东川达德沟接近，相当于中等频率泥石流(达德沟1981年暴发泥石流)，但灾区这几条高频泥石流暴发时最低10 min雨量都小于7 mm，尤其是2013年7月8-10日映秀上游岷江段泥石流暴发时的1 h雨量不超过30 mm。

(2)尽管灾区泥石流物源量丰富，但以上几条单沟泥石流事件中，多数泥石流暴发时前期雨量及其持续时间比东川蒋家沟、浑水沟要多、长。震后泥石流的临界10 min或1 h雨量阈值与我国第二阶梯区其他泥石流多发区高频率泥石流激发雨量阈值接近。

3.2 雨量阈值分区

结合图1、2中不同频率泥石流激发雨量数据点对比得到:

(1)中、低频率泥石流“前期雨量+10 min雨量”组合相对于蒋家沟、加马其美沟等高频率泥石流而言，前期降雨量近似情况下，10 min雨量要高。

(2)根据蒋家沟泥石流暴发线、汶川地震灾区的高频率泥石流雨量值点，以及国内一些中等频率、低频率泥石流可以将“前期雨量+10 min雨量”组合关系图分成以下5个区:

图2 不同暴发频率泥石流沟的前期雨量和10 min雨量组合Fig．2 The antecedent precipitation and 10-minute rainfall of debris flows with varied frequency注:“■”包括中、低频泥石流如:陆王-干溪沟，关庙沟，黑山沟，达德沟，泸沽汉罗沟，天山阿拉沟，利子依达沟。

Ⅰ:洪水、高含沙水流区。这个区间内一般不会产生泥石流，但加马其美沟、古乡沟处在这个区间，这是由于冰雪融化导致冰崩或崩塌直接液化形成泥石流引起。Ⅱ:高频率泥石流区。Ⅱ1:低前期含水量条件高频率泥石流亚区:这类高频率泥石流多分布于干旱、半干旱，新构造活动剧烈，岩石风化程度高地区，一般10 min雨强不超过7 mm。Ⅱ2:高前期含水量条件高频率泥石流亚区;这类高频率泥石流主要分布于降雨充沛区，岩石风化程度低。Ⅲ:中等泥石流区:物源供给主要源于沟岸坍塌。Ⅳ:低频率泥石流区:物源供给源于洪水对沟道沉积物的冲刷、掀揭。

4 我国高频率泥石流雨量区间

通过对我国不同区域的高频率泥石流沟的“前期雨量+10 min雨强”组合关系以及汶川地震灾区高频率泥石流雨量得到:

(1)高频率泥石流形成处于低10 min雨强条件下，而低频率泥石流激发阈值较高。干旱、半干旱地区的泥石流暴发受前期雨量影响要比亚热带，降雨充沛地区要低。

(2)第一阶梯西藏高寒山区因冰崩、滑坡直接液化形成的高频泥石流10 min雨强基本上都小于2 mm。可见影响该类泥石流主控因子是前期降雨量和气温。

(3)汶川地震灾区的高频率泥石流沟雨量数据点也落在高频率泥石流沟雨量阈值范围内。即通过我国高频率泥石流雨量资料建立起来的“前期雨量+10 min雨强”组合关系预报模式也可以对灾区高频泥石流进行预报，而且这些泥石流沟的数据不仅落在高频区内，还处于蒋家沟泥石流预报线之上。

(4)通过对我国高、中、低不同频率泥石流以及汶川灾区的高频率泥石流“前期雨量+10 min雨量”散点图，得出我国高频率泥石流发生的10 min雨量关系区间式(图2):

5 结论

我国高频率泥石流具有不同的形成条件以及区域特征，通过对我国不同地域条件的泥石流形成背景条件和雨量特征分析得到如下结论。

(1)高频率泥石流沟内物源丰富，岩性软弱，以滑坡、崩塌为主的重力侵蚀严重;中低频率泥石流岩性较为坚硬，物源主要源于沟岸坍塌和沟床物质冲刷。大部分高频率泥石流流沟内荒漠化景观突出;植被只能在一定程度上对泥石流产生抑制作用，控制泥石流活跃程度主要因子仍是物源储量和岩土体性质。

(2)三大阶梯的高频率泥石流雨量阈值随海拔递减，雨量阈值逐渐增加，泥石流激发因子从气温+降雨逐渐过渡到暴雨。第一阶梯的泥石流激发雨量低，多受气温和前期降雨控制;第二阶梯多受前期降雨和实时雨量控制，第三阶梯主要受短历时雨强控制，阈值较高。

(3)除高寒山区古乡沟、加马其美沟外，大部分的高频率泥石流雨量值点都位于蒋家沟临界暴发线上，绝大部分高频率泥石流沟的10 min雨量都低于7 mm/10 min。

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