甘肃舟曲三眼峪泥石流降雨临界阈值

高　波，张茂省，张成航，于国强

(1.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西 西安 710054；2. 中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)



甘肃舟曲三眼峪泥石流降雨临界阈值

高波1,2，张茂省1,2，张成航1,2，于国强1,2

(1.国土资源部黄土地质灾害重点实验室，陕西 西安 710054；2. 中国地质调查局西安地质调查中心，陕西 西安 710054)

摘要:合理的雨量阈值指标是区域暴雨泥石流防灾减灾的关键所在。以甘肃舟曲三眼峪为研究对象，采用水文学分析方法，计算了不同降雨频率下洪水特征值以及不同规模的泥石流启动降雨量阈值，并将诱发泥石流的降雨预警级别划分为红、橙、黄、蓝四个预警级别和两个预备预警级别。结果表明：三眼峪小流域在前期干旱和一般条件下泥石流红色Ⅰ级降雨预警值分别为56.10 mm/h和50.86 mm/h，橙色Ⅱ级预警值分别为40.70 mm/h和37.87 mm/h，黄色Ⅲ级预警值分别为31.74 mm/h和29.88 mm/h，蓝色Ⅳ级预警值分别为23.83 mm/h和21.69 mm/h，预备Ⅴ级预警值分别为17.31 mm/h和15.69 mm/h，预备Ⅵ级预警值分别为10.16 mm/h和9.48 mm/h。同时建立了在前期一般和干旱两种条件下，不同预警级别的泥石流降雨雨强与历时阈值关系，研究成果可为区域减灾防灾和科学研究提供依据。

关键词:舟曲；三眼峪；泥石流；降雨；临界阈值

2010年甘肃舟曲发生了“8.8”特大泥石流灾害，其人员死伤之多、危害程度之大、损失之严重属历史罕见，再次敲响了区域暴雨型泥石流的警钟。此次灾害，暴雨是泥石流发生的动力来源，也是泥石流形成的主要诱发因素[1-4]。在同一条泥石流沟中，如果没有地震等极端事件发生，在一定时期内，沟床是相对稳定的。在沟道内松散固体物质储备一定的情况下，泥石流发生与否，则取决于流域内的降雨条件。目前，利用降雨资料预警泥石流发生是目前国内外通行的一种方法。确定合理的降雨临界阈值指标是保障泥石流预警报准确性的关键，对于研究泥石流的形成机制，分析预测泥石未来活动特点，以及指导泥石流防治工程设计等方面均具有重要意义。

总的来说目前的降雨阈值模型可分为两种：实证模型和经验模型[5-8]。实证模型充分考虑下垫面情况，包括有限斜坡、入渗过程、前期含水率状态等参数、降雨特征，从而确定降雨阈值。该方法准确度高，但需要有详实长期的降雨序列资料和灾害资料，因此，不适合没有长期观测的地区。而经验模型的应用没有严格的数学算法推导以及统计技术和物理手段，需要大量的泥石流案例得出降雨临界阈值，所以此方法应用于泥石流事件发生较多的地区。

对于舟曲高山峡谷区域而言，缺少降雨和灾害资料，很难用以上两种方法进行计算，不能满足当前泥石流预警报的要求。因此，本研究采用水文学产汇流计算方法，在地质灾害和暴雨同频率的基础上，通过计算暴雨的发生频率，计算相应的泥石流雨量阈值[9-11]，以期为高山峡谷地区泥石流预警报提供科学依据。

1材料与方法

1.1　舟曲“8.8”降雨时空分布特征

2010年8月7日23：30分左右，甘肃舟曲县城北侧三眼峪沟、罗家峪沟流域突降暴雨，据东山雨量站观测数据得知在8月7日23:00之前观测到的降水量仅为1.5 mm，而在8：00时观测到的降水量即达峰值77.3 mm，至01:00时则快速衰减至10.9 mm，2：00以后将至1~2 mm左右。表明此次强降水过程突发性强，历时较短。突发强降水因汇流区由灰岩组成的谷坡渗透能力弱，且谷坡地形陡峻，从而能够快速产流，雨洪汇集后洪流暴涨随即携裹沟道内的松散堆积物引发泥石流，泥石流借助平均达24.1%的沟道纵比降产生极大的势能和运移速度，仅在降水开始后约20 min内，泥石流迅速冲出峪口致灾[3-4]。

根据灾后对三眼峪沟流域汇水区进行调查得知，此次特大暴雨区域集中于该沟中上游峪支沟—罐子坪以上的区域，面积17.27 km2，占流域面积的71.6%，占汇流区总面积(21.19 km2)的81.5%。暴雨区域内坡面冲蚀及沟道汇流印痕明显，而在峪支沟—罐子坪下游坡面汇流现象不明显，两侧沟坡陡坡地段及凹形汇流负地形未形成明显的地表径流冲刷迹象，对坡下堆积的细粒松散物质也未见冲蚀。这表明激发“8.8”三眼峪沟特大型泥石流灾害的特大暴雨空间分布极不均一，局地性较强[3-4]。

1.2　暴雨型泥石流起动机制计算法

我国山区的泥石流多发于5-10月份，与雨季相同。因此，在进行泥石流预报时，根据水量总量平衡原理，其水量平衡方程表达式为[8]：

R=P-I=P-(Im-Pb)。

(1)

式中：R为径流深(mm)，代表水量流出量；P为一次降雨量(mm)，代表水量总量；I为一次降雨的损失量(mm)，代表水量剩余量，Im为降雨结束时流域达到的最大蓄水量(mm)(对一流域，Im为常数)；Pb为降雨前期的土壤含水率(mm)。

以1 h雨量进行泥石流预警报，一次降雨量P改写为小时雨量I60。同时，降雨前期土壤含水率Pb即反映了泥石流的前期影响雨量Pa，式(1)可以写为

I60+Pa=R+Im。

(2)

由式(2)可知，I60+Pa-Im超过径流深R时，表明即将发生泥石流，因此只要计算出相应的径流深R，就可以计算出泥石流发生时所对应的降雨特征，发出预警信息。

对于一个流域来说，径流深是指在某一时段内的径流总量平铺在全流域面积上所得的水层深度。以1 h为单位，则流域的径流深R可表示为：

(3)

式中：Q为流域出口洪峰流量(m3/s)，F为流域面积(km2)。

对一特定流域，降雨结束时流域达到的最大蓄水量Im为常数，反映了流域下垫面蓄水能力，其实在另一方面也反映了降雨转化径流的能力。众所周知，净雨强度(即径流强度)与暴雨强度的

比值，即占的比例为径流系数。用符号C来表示，则

(4)

所以，总降雨量R总可以通过C和R求得，即

(5)

2结果与讨论

2.1　舟曲三眼峪洪水特征值确定

根据上节论述，确定流域预警特征雨量，首先要确定流域的洪峰流量Q和径流系数C。在对洪水特性分析和历史调查洪水资料的基础上，考虑到舟曲县城上游立节站已有1954-2001年共48年实测年最大洪峰流量系列，实测系列较长，用矩法初估统计参数，采用P-Ⅲ型曲线，用适线法，求得立节站的洪峰流量均值为Qm=403m3/s，Cv=0.54，Cs=4.0Cv。舟曲县城瓦厂桥断面与立节水文站区间面积仅占瓦厂桥断面集水面积的9.7%，故以面积指数关系推算舟曲县城的设计洪峰流量。指数n依据该河段的历史洪水调查资料分析，n值在0.75～0.82之间变化，本次取指数n=0.8。根据沟道流域特征参数采用铁道部第一勘测设计院、中国科学院地理研究所和铁道部科学研究院西南研究所三单位提出的《小流域暴雨洪峰流量计算》方法[9-10]，计算出舟曲三眼峪沟道不同频率的清水洪峰流量Q，按照式(3)确定对应的径流深R，计算结果如表1所示。

表1　三眼峪、罗家峪不同频率的洪峰流量和径流深结果

径流系数C与流域下垫面地质环境背景条件、土壤损失系数、流域面积与产流时间有关。根据铁道部第一勘测设计院、中国科学院地理研究所和铁道部科学研究院西南研究所三单位所提出的相关成果[9-10]舟曲地区的土壤损失参数和径流系数C值。由于舟曲以碳酸盐岩为主，风化程度差，在坡面局部低洼处有很薄的碳酸盐岩风化物(红粘土)及很薄的风积层存在，曾经是土层薄的一般森林地区，但现在仅有少量人工幼林，基本与文献表格中第Ⅱ类相符。舟曲年降雨量不大，蒸发量大于降雨量，所以前期土壤一般处于较为干旱或者一般状态(中湿状态)，所以土壤损失系数值L

表2　三眼峪不同预警级别的泥石流降雨量阈值

选取0.76或0.63。根据实际观测或计算所得的暴雨参数(雨力)S，通过文献中表格查询实际径流系数C值(表2)。

2.2　舟曲三眼峪泥石流降雨总量阈值

根据上述介绍的泥石流起动机制计算方法以及计算得出的降雨径流特征值，按照式(5)确定处于不同预警级别下泥石流启动的降雨量阈值。计算过程中，按照前期土壤一般(中湿)、干旱两种情况计算，由于径流系数与单位时间内(1h)降雨量有关，所以在径流系数C选取过程中，通过试算法多次计算单位时间内(1h)的降雨量。根据防洪技术导则，将洪水重现期为50年、30年、20年、10年的暴雨界定为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级预警，将洪水重现期为5年和2年的暴雨界定为Ⅴ级预备预警、Ⅵ级预备预警，其计算和界定结果如表2所示。

由表2和图1可知，土壤前期干旱时，泥石流启动的降雨阈值均大于前期一般和湿润情况下的降雨阈值，这是由于前期干旱时，会有较多的降雨首先入渗到土体之中，才能产生径流。同时也可以看出，随着降雨(洪峰)频率的逐渐降低，重现期逐渐增大，1h内降雨量逐渐增加，导致洪峰流量逐渐增加，径流深逐渐增加，所产生泥石流的启动规模逐渐加大，泥石流预警级别也逐渐升高。

图1　三眼峪流域不同频率下的降雨量

2.3　舟曲三眼峪泥石流降雨阈值函数关系研究

依据上节计算结果，根据降雨总量一致原则，将各个预警级别的单位时间1 h内降雨量进行分配，得出三眼峪在前期一般(中湿)和干旱两种条件下降雨历时与雨强阈值关系的表格数据(表3、表4)。考虑到舟曲三眼峪实际泥石流发生情况、爆发规模以及不同降雨频率下的降雨特征，将泥石流预警级别划分为红色预警(Ⅰ级)、橙色预警(Ⅱ级)、黄色预警(Ⅲ级)、蓝色预警(Ⅳ级)四个预警级别以及Ⅴ级预备预警、Ⅵ级预备预警两个预备预警级别。

表3　三眼峪不同预警级别泥石流的降雨历时与降雨雨强阈值关系(前期中湿)

表4　三眼峪不同预警级别泥石流的降雨历时与降雨雨强阈值关系(前期干旱)

表3、表4中列举了三眼峪小流域在前期一般和干旱条件下，不同预警级别的降雨历时与降雨雨强的数值，依据此表中所提供的信息，可以清楚查出泥石流发生的预警级别。同时也可以看出，降雨历时较小时(小于30 min)，雨强较大的降雨特征可以引发泥石流，这也就是人们所俗称的短历时强降雨的“点雨”形式；同时也可以发现，当降雨历时较长，超过一定时间，此时雨强虽然很小，有时仅有4~5 mm/min，同样也会触发泥石流等地质灾害的发生。

3结论

(1)本研究采用水文学分析方法计算了不同频率下洪水特征值以及不同规模的泥石流启动降雨量阈值，建立了三眼峪小流域在前期一般和干旱两种条件下不同预警级别的泥石流降雨雨强与历时阈值关系，以及不同预警级别泥石流的降雨历时与降雨雨强阈值表格数据。

(2)根据洪峰流量计算结果，将洪水重现期为50年、30年、20年、10年的暴雨界定为红色预警(Ⅰ级)、橙色预警(Ⅱ级)、黄色预警(Ⅲ级)、蓝色预警(Ⅳ级)四个预警级别，将洪水重现期为5年和2年的暴雨界定为Ⅴ级预备预警、Ⅵ级预备预警两个预备预警级别。

(3)三眼峪小流域前期水分干旱条件下泥石流红色Ⅰ级预警值为56.10 mm/h、橙色Ⅱ级预警值为40.70 mm/h、黄色Ⅲ级预警值为31.74 mm/h、蓝色Ⅳ级预警值为23.83 mm/h，预备Ⅴ级预警值为17.31 mm/h、预备Ⅵ级预警值为10.16 mm/h；前期水分一般条件下泥石流红色Ⅰ级预警值为50.86 mm/h、橙色Ⅱ级预警值为37.87 mm/h、黄色Ⅲ级预警值为29.88 mm/h、蓝色Ⅳ级预警值为21.69 mm/h，预备Ⅴ级预警值为15.69 mm/h、预备Ⅵ级预警值为9.48 mm/h。

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Rainfall Threshold for Debris Flow in Sanyanyu Valley, Zhouqu, China

Gao Bo1, 2, Zhang Maosheng1, 2, Zhang Chenghang1, 2and Yu Guoqiang1, 2

(1.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR,Xi’an710054,China;

2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an710054,China)

Abstract:Reasonable rainfall thresholds for the initiation of landslides may play a role in helping mitigating landslide risk. In this study, with Sanyanyu Valley, Zhouqu, as the research object, we calculate the flood characteristic values at different frequencies and their corresponding rainfall thresholds for initiating debris flows of different scales by using the hydrological method. We also divide the early warnings for rainfalls that might induce debris flow into four levels, i.e., red, orange, yellow and blue, and two preparation and early warning levels. The results show that, for the two early soil states in Sanyanyu Valley, the Level I red early warning values for rainfall inducing debris flow are 56.10 mm/h and 50.86 mm/h respectively, the Level II orange early warning values are 40.70 mm/h and 37.87 mm/h respectively, the Level III yellow early warning values are 31.74 mm/h and 29.88 mm/h respectively, the Level IV blue early warning values are 23.83 mm/h and 21.69 mm/h respectively, the Level V preliminary early warning values are 7.31 mm/h and 15.69 mm/h respectively, and the Level VI preliminary early warning values are 10.16 mm/h and 9.48 mm/h respectively. It established the function relationship between the intensity and duration of the rainfalls triggering debris flows of different early warning levels under two early soil states, i.e., moist and arid in Sanyanyu Valley. The research results can provide scientific bases for regional disaster prevention and reduction and scientific research for Zhouqu.

Key words:Zhouqu; Sanyanyu Valley; debris flow; rainfall; threshold

作者简介：高波 (1981-)，男，山西长治人，硕士，从事地质灾害防治预测等方面的研究. E-mail: 43617102@qq.com通讯作者：于国强 (1979-)，男，内蒙古包头人，博士后，从事土壤侵蚀与水土保持及地质灾害等方面的研究.E-mail: yuguoqiang23@163.com

基金项目：国家自然科学 (41302224)；陕西省科学技术研究发展计划项目(2014KJXX-20)；国家地质找矿专项(12120114025901)

收稿日期：2015-07-01修回日期：2015-09-14

中图分类号：P642；X43

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)01-0025-04

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.006