北京市泥石流易发区降雨预警阈值研究

丁桂伶，王翊虹，冒 建，姚 康，刘欢欢

(北京市地质研究所，北京 100120)

北京市泥石流易发区降雨预警阈值研究

丁桂伶，王翊虹，冒 建，姚 康，刘欢欢

(北京市地质研究所，北京 100120)

泥石流灾害合理的雨量预警阈值不仅与历史泥石流灾害发生时的降雨量有关，且与研究区域的气候、地形地貌、地质、植被等密切相关。论文采用雨场分割法和GIS技术研究了影响泥石流启动的降雨和地质背景两大因素，在对北京市泥石流灾害易发分区的基础上，结合北京地区已发生的82起泥石流的易发性分区和雨量值，提出了不同泥石流易发等级条件下的雨量预警阈值。研究成果已经在2015年7月17日北京房山区西区沟泥石流预警中成功应用，为泥石流区域预警预报提供了一种新的思路。

雨量阈值；泥石流；预警；易发性分区；雨场分割

泥石流灾害预测预警工作已成为一项十分重要的防灾减灾手段，是目前国内外泥石流灾害研究的一个热点问题。降雨型泥石流较为常用的研究方法主要有危险频率法、临界雨量法、临界土体含水量法等。通过大量的研究建立了一系列基于降雨数据的泥石流预测预警模型，很大程度上推动了泥石流灾害预测预警研究，并为我国防灾减灾工作做出了巨大贡献。但倪华勇等[1]与赵忠海[2]等学者认为区域泥石流预警预报除了受降雨因素影响外，很大程度上还受地形、地貌、地质、植被等因素的影响。郝红兵等[3]提出了汶川地震后特大泥石流物源集中启动模式和特征。曹禄来等[4]基于模糊神经网络方法对泥石流的危险性进行了评价。目前学者对泥石流易发性研究较多，唐川等[5～6]选取坡度、岩性等评价指标，结合GIS空间技术进行了怒江流域泥石流易发性空间研究。单博等[7]基于未确知测度理论，选取9个主要因子，研究金沙江流域26条泥石流沟易发性。张晨等[8～9]选取不同的泥石流评价因子，采用先进的评价方法，构建山洪泥石流综合评价体系，对泥石流的易发性进行了合理分级。

结合已有的研究成果，本文总结分析了北京地区泥石流灾害的特点，选取了岩性、坡度、植被等6项指标进行了泥石流易发性分区。以泥石流灾害易发分区为基础，采用雨场分割法进行前期有效降雨量计算，针对性地提出了北京地区高、中、低易发区的泥石流预警雨量阈值。

1 泥石流灾害及降雨数据

1.1 泥石流发生的降雨数据

本次工作统计了北京地区自建国以来的82起已发生的泥石流灾害的日降雨数据与小时降雨数据，其中包括了最近一次大范围泥石流灾害，即“2012.7.21”特大自然灾害时发生的23起泥石流灾害(表1)。随着北京气象站及地质灾害雨量监测站数量的不断增加，数据采集频率不断加密，使得本次研究工作的准确性和精度得到了保障。

2012年7月21日10:00—22日06:00北京地区发生了自有气象记录以来的最大降雨(图1)，造成了重大人员伤亡和财产损失。本次工作将发生的泥石流灾害与全市气象水文站进行分析，找出了距离泥石流灾害最近的气象站(图2)，获取泥石流灾害发生期间的相关降雨量数据。

图1 “2012.7.21”北京市降雨量分布图Fig.1 Rainfall distribution in Beijing on July 21,2012

图2 “2012.7.21”北京市泥石流灾害与临近雨量站分布Fig.2 Distribution of the debri flows and the nearest weather station in Beijing on July 21,2012

1.2 降雨参数指标

本次区域泥石流预警雨量阈值研究考虑的降雨参数包括前期雨量、当日激发雨量及最大1小时雨量三个参数，相关参数的界定主要参考王礼先等[10]对北京山洪及泥石流灾害预报的研究成果。

从发生泥石流当日降雨的起始时刻起往前推若干天，这一时间段的降雨称为前期降雨，其降雨量为前期降雨量，主要为气象站、灾害雨量站等监测设备采集的数据。由于地理位置、土壤渗透径流、日照、蒸发等因素使得前期降雨量随着时间的推移会出现不同程度的损失，而其损失量很难通过实际测定来确定。目前较常采用的是利用前期降雨量进行折算，间接反映出前期降雨量对泥石流灾害发生的实际贡献值。折算后的雨量称为前期有效雨量，其具体天数的确定主要采用雨场分割法获取。

前期有效降雨量Ra计算公式为：

表1 “2012.7.21”特大自然灾害时23起泥石灾害点与最近气象站信息Table 1 Information of 23 debri flows and the nearest weather station on July 21,2012

式中：K——系数(根据北京的纬度、日照、土壤渗透、径流、蒸发等因素确定，本次计算取值为0.83)；

t——前期降雨天数，t=1,2,…，计算结束；Rt——前t日的降雨量/mm；

(K)t——衰减系数，随时间的推移越来越少。

当日激发雨量是指发生泥石流时的当日降雨量的累积值，即指从泥石流发生时刻(t2)起往前推24 h的时刻(t1)的降雨量。

当日激发雨量Rt2计算公式为：

泥石流灾害发生的总雨量是指前期有效雨量与当日激发雨量之和。泥石流最大1 h雨量是指泥石流灾害发生过程中采集到的1 h时间间隔内的最大降雨量值。

1.3 雨场分割法

通常从雨量站获取的原始降雨数据不能直接用来分析泥石流发生时的雨量。这些降雨数据是一个连续采集的数据，需要采用雨场分割方法将其分割成不同时间段的雨量数据。目前用于一场连续降雨的雨场分割方法有6种，采用较多的是詹钱登等[11]提出的“詹氏法”。该方法认为在一场连续降雨过程中，有效降雨开始于时雨量大于4 mm处，结束于时雨量连续6 h均小于4 mm处。周伟等[12]提出了一种新的连续降雨分割方法，以雨量大于1 mm的时间作为降雨量统计开始时间，以雨量连续6 h均小于1 mm处的时间作为雨量统计结束时间。

根据北京的纬度、汛期的日照、径流、蒸发、土壤渗透能力等因素，综合上述影响因素，本文提出了“一个降雨过程”的概念(图3)，即认为一次泥石流灾害的触发是经历了一个连续的降雨周期，这个降雨周期由前期降雨与灾害发生的当日激发降雨组成。在一次连续降雨过程中，前期有效降雨量统计时间开始于连续3 d累积雨量大于0 mm时刻，结束于泥石流灾害发生当日雨量结束时。即泥石流灾害发生当日向前计算，当出现连续3 d降雨量均为0 mm时，则判断前期雨量的计算过程结束，这3天及之前的降雨量不再作为此次降雨的前期有效雨量统计。

图3 一个连续降雨过程示意图Fig.3 Definition of one single continuous rainfall event

2 基于GIS的泥石流灾害易发性分区

本文采用“专家打分综合指数法”，把影响泥石流灾害的地形坡度、岩土体类型、地质构造、植被覆盖率、人类工程活动及灾害点密度6项指标作为泥石流灾害易发性评价的因子，利用GIS软件划分单元网格，将评价因子的属性值进行量化，利用数学模型加权计算单元网格的易发程度，最后依据分级标准划定泥石流易发程度分区结果为高易发区面积2 594 km2、中易发区面积2 034 km2、低易发区面积4 945 km2，分别占全市山区面积的15.8%、12.4%与30.1%。将收集的已发生的泥石流灾害点投在全市泥石流灾害易发性分区图上(图4)，可见泥石流灾害点在高、中、低易发区均有分布。

图4 已发生泥石流灾害点与易发性分布关系Fig.4 Relationship between the happened debris flows and the susceptibility

3 泥石流灾害预警雨量阈值

将收集到的已发生的82起泥石流灾害信息及降雨数据进行充分的分析整理，提取出65处有效的已发生泥石流灾害样本，将有效的泥石流灾害样本根据坐标点投在北京地区泥石流灾害易发分区上，发现四类易发区均有泥石流灾害点，其中落在高易发区的为54处，落在中易发区的为7处，落在低易发区的为4处。根据统计原则，分别计算绘制了不同易发区泥石流灾害总雨量及最大1小时雨量的分布情况(图5～6)，其中泥石流灾害的总雨量指的泥石流灾害发生的“一个降雨过程雨量”，即前期有效雨量与当日即发雨量之和。

图5 不同易发区泥石流灾害总雨量分布关系Fig.5 Total rainfall distribution in various assessment of the susceptibility of debris flows注：图中的数字代表的是该点的雨量值，也就是后边表里的临界值

图6 不同易发区泥石流灾害最大1小时雨量分布关系Fig.6 Distribution of the maximum rainfall in one hour in various assessment of the susceptibility of debris flows

将已发生灾害的最小值作为不同易发区预警的临界雨量，即发生灾害的最小总雨量与最小最大1小时雨量值。参照云南蒋家沟泥石流灾害预警方法，当λ达90%时作为红色预警(Ⅰ级)界限，λ在80%～

90%之间发出橙色预警(Ⅱ级)，λ在70%～80%之间发出黄色预警(Ⅲ级)，λ在60%～70%之间发出蓝色预警(IV级)(表2)。在不同程度易发区范围内分别找出泥石流灾害的总雨量与最大1小时雨量的临界值后，按照灾害系数0.9，0.8，0.7，0.6依次为红、橙、黄、蓝的预警界限值，可以分别获得高、中、低易发区泥石流灾害Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ级预警雨量阈值(表3)。

表2 泥石流分级预警等级Table 2 Rainfall thresholds level

表3 北京地区泥石流灾害预警雨量阈值等级划分表Table 3 Rainfall thresholds level in various assessment of the susceptibility in Beijing

4 泥石流预警雨量阈值应用分析

自2012年7月21日—2016年7月10日，仅2015年7月17日北京地区再次遭受了特大暴雨，房山区河北镇西区沟在2012之后再次发生泥石流灾害。西区沟因原为房山矿西采区而得名，共有5条主要支沟，分别为晒台沟、口儿沟、老窑沟、杏园沟、朱家沟(图7)，支沟与主沟均位于北京市泥石流灾害高易发区范围内。2015年泥石流灾害造成沟内果园、农田被冲毁、淤埋，村内公路路面被破坏、淤埋，路基多处塌方，水、电均中断。

本次工作收集了房山区河北镇口儿村西区沟自动雨量计的2015年全年小时降雨数据，经整理分析提取了2015年7月10日—7月19日的日降雨量(图8)。通过雨场分割法可知，此次降雨过程自7月15日开始，7月17日结束，这个降雨过程为三天，前期雨量为12.5 mm，前期有效降雨量为9.3 mm，当日激发雨量为206.5 mm，总雨量为215.8 mm，最大1小时降雨量为59.25 mm(表5)。对照北京地区泥石流灾害易发性分区及预警雨量阈值等级划分表可知，西区沟在2015年7月17日的降雨量已经超过了北京市泥石流高易发区的临界值，所以在17日、16日的泥石流预警系统平台内发布红色预警，及时转移了受威胁人员。

图7 河北镇西区沟泥石流形态示意图Fig.7 Diagram showing the form of the debris flow in the Xiqu Gully of the Hebei town

图8 2015.7.17河北镇西区沟泥石流灾害雨量数据信息Fig.8 Rainfall data for debri flows in Xiqu Gully in Fangshan district of Beijing on July 17, 2015

前期雨量/mm当日雨量/mm降雨过程/d前期有效雨量/mm总雨量/mm最大1小时雨量/(mm·h-1)125206539321585925

5 结论与建议

(1)利用GIS技术对全市泥石流灾害在仅考虑环境地质背景因素的前提下，采用综合指标法进行易发程度分区。在此基础上，提出了不同泥石流沟易发程度区域雨量临界值，高易发区总雨量135.9 mm，最大1小时雨量26.0 mm；中易发区总雨204.2 mm，最大1小时雨量55.9 mm；低易发区总雨量225.6 mm，最大1小时雨量90.0 mm。

(2)根据泥石流灾害的总雨量与最大1小时雨量的临界值，按照灾害系数0.9，0.8，0.7，0.6依次为红、橙、黄、蓝的预警界限值，获得了高、中、低易发区泥石流灾害Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ级预警雨量阈值。

(3)利用提出的基于泥石流易发区的雨量预警阈值，对2015年7月17日北京房山区西区沟泥石流沟进行了应用分析，结果证明该方法合理可行。

本文提出的基于易发分区的泥石流预警雨量阈值方法充分考虑了泥石流灾害的地质环境背景，为泥石流区域预警报提供了一种新的思路。建议在今后的泥石流灾害监测预警研究工作过程中，加强泥石流灾害除雨量以外的土壤含水率、泥水位、流速、次声及影像等监测数据及方法的研究，实现实时多参数全方位的泥石流灾害预警模式，提高泥石流灾害预测预警的准确性。

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责任编辑：汪美华

A study of the rainfall threshold of debris flow forewarningin Beijing based on susceptibility analysis

DING Guiling, WANG Yihong, MAO Jian, YAO Kang, LIU Huanhuan

(BeijingInstituteofGeology,Beijing100120,China)

Reasonable rainfall threshold index is not only related to historical rainfall, but also affected by the regional climate, landform, geological deposition, vegetation, man-made activities and so on. These factors may fall into two categories: rainfall and environmental geological background. The method of definition of rainfall event can be used to calculate rainfall, which includes three aspects: antecedent precipitation, active rainfall and the maximum rainfall in one hour. The methods of RS and GIS are used in the assessment of the susceptibility of debris flows, concerning the slope, rock soil mass types, man-made activities, geological structure, and vegetation, etc. Using rainfall data collected during the occurrence of 82 debris flows from 1949, this paper puts forward a method of the rainfall thresholds obtained for various assessment of the susceptibility of debris flows. The results are used in the Xiqu Gully in Fangshan district of Beijing on July 17, 2015, illustrating that this method is reasonable and feasible. This paper analyzes the regional geological environment background and provides a new thread for the debris flow forewarning in mountain areas.

rainfall threshold; debris flow; forewarning; susceptibility of karst collapse; definition of rainfall event

2016-05-31;

2016-08-20

北京市科学技术委员会科技计划项目(Z141100003614052)资助；北京市突发地质灾害监测预警系统(一期)工程(京发改[2011]1527号)资助

丁桂伶(1982-)，女，博士，高工，主要从事泥石流监测预警工作。E-mail：06115242@bjtu.edu.cn

王翊虹(1963-)，女，硕士，教高，主要从事地质灾害勘察治理及监测预警等工作。E-mail：wangyixyh@163.com

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.03.20

P642.23

A

1000-3665(2017)03-0136-07