泥石流的临界降雨量研究

2016-09-08庞伟军杨昊天苟海瑞王瑜鑫

甘肃科技 2016年10期

常　刚，庞伟军，杨昊天，苟海瑞，王瑜鑫

泥石流的临界降雨量研究

常刚，庞伟军，杨昊天，苟海瑞，王瑜鑫

（中铁西北科学研究院有限公司，甘肃兰州 730000）

降雨是泥石流最直接、最重要的触发因素，基于降雨条件的泥石流预测预报已成为目前国内外泥石流预报的主线之一。以甘肃省泥石流为例，搜集已有的临界雨量研究资料，综合分析得出其降雨泥石流临界值整体呈东南向西北递增的趋势，但局部陇南地区又出现由南向北，自西而东之增大的现象。从定性的角度探讨了降雨和下垫面条件对对本区泥石流临界值的不同影响，对省内基于降雨条件的泥石流预报提出相关建议，以期建立临界降雨量判据与地质环境空间分析耦合的判别模式，为本区泥石流预测预报与防治提供理论依据。

降雨型泥石流；降雨临界量；影响因素；预测预报

丰富的固体物质来源和充足的水源和激发因素以及适宜的地形地貌条件泥石流形成的三大要素。对于降雨型泥石流来说，在其余两个条件满足条件的情况下，只有当降雨量达到一定值，即达到临界降雨值，才会暴发泥石流［1］。从20世纪60年代人们首次提出基于泥石流形成的水动力条件预报设想发展到如今利用降雨进行暴雨泥石流的预测预报，已使得降雨泥石流临界值的准确定量以及基于降雨条件的预测预报成为泥石流预测预报研究工作的重点。

甘肃是我国四大泥石流区之一，泥石流与崩塌、滑坡、地面塌陷等地质灾害频频发生，造成严重的生命财产损失。特别是5.12汶川地震以来各种突发性地质灾害大幅增加，2010年8月7日震惊世界的舟曲特大泥石流引起国家政府、科研机构及高等院校各方的强烈关注并以此为契机展开了一系列的灾害防治与研究工作。

本区泥石流主要属于降雨型（暴雨）泥石流，降雨泥石流临界值及基于降水条件的泥石流判别模式研究已相对较多，临界降雨量（强）确定方法多样，但由于泥石流本身成因复杂，因此要做到其临界值的准确定量和精确预报还存在很多亟需解决的问题。及时的总结综合分析已有的研究成果不仅可以促进泥石流临界降雨量的理论研究，更重要的是有助于甘肃省泥石流预测预报精度的提高，具有重要的理论与实践意义。

1　降雨型泥石流临界值

1.1泥石流临界值概念

某一时段内单个泥石流沟或区域泥石流，其发生有一个最低的激发雨量（强），这个雨量（强）称为泥石流临界雨量（强）也就是一般所说的降雨泥石流临界值［2，3］，它与该地区岩土体，气候，前期降雨量等因素有关。

对某一确定泥石流沟来说，在物源和地形地貌条件满足的前提下，当降雨量达到或超过某一灾变阈值即降雨临界值时就会形成泥石流灾害［2，6］。一般来说，降雨诱发泥石流一方面需要一定量的前期雨量来浸润饱和沟谷流域的岩土体，另一方面又需要短历时雨强激发使岩土体失稳。泥石流临界值与前期降雨息息相关，通常并不是某单个阈值就可以确定，而是促发本次泥石流的短历时雨强与前期雨量的某种组合，即两者达到某一特定组合关系时，才会激发泥石流。

1.2泥石流临界值确定方法

目前泥石流临界雨量的确定方法各异，唐小明等已经做了较为详细的总结，主要的方法包括：图解法、数学统计方法和实验方法及在此基础发展起来的其他方法［6］。总的来说，泥石流临界值的确定都是通过对已有降雨与泥石流灾害资料的整理、统计分析得到的。

2　甘肃泥石流的临界降雨量

2.1甘肃省泥石流概况

甘肃省位于黄土高原、内蒙古高原与青藏高原的交汇处，由于地理跨度大，植被覆盖率低，气候条件复杂多变，受季风影响明显，局部短历时暴雨集中。区内地质构造复杂，山原盆地、高山峡谷相间、沟壑纵横、地势起伏落差大、岩性软硬多变，滑坡崩塌地质灾害多发，为泥石流发育提供了丰富的固体物质来源和有利的地形地貌条件，成为我国泥石流最发育的地区之一。

受降水分布和暴雨频次及地质地形条件的影响，全省泥石流分布范围和频率自东南向西北递减，可分为陇南粘性泥石流分布区，黄土高原泥石流分布区和河西内陆河流域泥石流三大区。其中以陇南泥石流分布区最为典型，主要集中分布在白龙江、西汉水中上游和白水江上游流域，尤其是白龙江大断裂两侧其分布密度不仅居全省之首，而且也是全国密度最大的地区。

2.2全省泥石流发生的临界雨量值

甘肃省泥石流临界值以陇南粘性泥石流区的研究较多，省内泥石流临界值变化较大，呈现出一定规律性，据中科院兰州冰川冻土研究所和甘肃省交通科学研究的结果统计见表1［7］。

表1　甘肃省各区泥石流临界值

由表1不难看出甘肃省降雨型泥石流临界值自东南向西北逐渐增大。陇南地区泥石流临界值最低，为15～20mm/h，与兰州、天水、庆阳、平凉的临界降雨量相差不大。河西地区降雨临界值最高，高达30～40mm/h，为陇南地区临界值的两倍之大。临界雨量值的大小反映了各个地区泥石流发生所需的最小雨强（量）。

另外，成灾雨强也表现出与临界雨量类似的规律，陇南最低，河西最高，兰州、天水与庆阳、平凉地区居中。一次性降雨（2～3h）过程中，河西地区降雨临界值超过50mm/h，达到陇南地区降雨强度25mm/ h的两倍往往才可能发生灾害。

2.3陇南地区泥石流发生的临界雨量值

暴雨是陇南地区泥石流的主要水源，本区泥石流可称之为暴雨型泥石流［8］。触发泥石流的临界雨强，不仅与概念上的暴雨有关，而且往往与短历时如1h、30min甚至10min强降雨关系更为敏感。研究发现：当本区降雨强度达到1mm/min时，8～10mm的降雨即可暴发泥石流，当雨强在0.6mm/min时，降雨20min才有可能暴发泥石流。当降雨强度小于0.3mm/min时，一般不发生泥石流灾害。一般小流域泥石流多受短历时雨强控制，如武烧沟，当10min降雨达8～10mm或30min降雨达20mm时必然暴发泥石流。这更说明了泥石流的形成是前期雨量与雨强综合作用的结果，只有当短历时雨强达到一定量值才可能暴发泥石流灾害。

搜集陇南地区已有的研究资料将本区降雨泥石流临界值列入表2，由此可知陇南全区降雨泥石流临界值：日降雨量25～35mm，10min降雨量8～10mm，小时雨量呈现出不同量级。据较早的研究资料，临界值为15～20mm/h，而2000年以后王锡稳［9］、冯军等［10］的研究结果分别为：8～15mm/h和20mm/h。显然全区小时降雨泥石流临界值介于8～20mm之间，最大与最小值相差12mm。

由于区内山高谷深，地形变化大，受强对流天气影响，集中短历时降雨导致泥石流临界值呈现出局部变化特征。由表2可知1h、3h、日临界雨量均以宕昌、武都、文县等地最小，分别为8mm、15mm和20mm，东部的康县及徽成盆地最大，其中3h临界雨量40mm，1h临界雨量15mm。总的来看，陇南地区泥石流临界值总体上表现出：由南向北，自西而东之增大的规律，即由白龙江流域～西汉水流域～徽成盆地临界值逐渐增大。其中白龙江流域的舟曲、武都为一低值区，而徽成盆地为一相对高值区，泥石流灾害较少。

表2　陇南地区降雨泥石流临界值统计

3　泥石流临界雨量值差异的原因

泥石流的形成是多种因素综合作用的结果，降雨只是其形成的诱发因素。不同下垫面条件下所需的临界激发雨量各不相同。因而降雨泥石流临界值不但与该区降雨因素相关，还受地形坡度、高差比降，滑坡崩塌物源等下垫面条件的影响。

3.1降雨的影响

大暴雨分配格局在一定程度上影响着泥石流的分布，同时也影响着泥石流的临界值的大小。受东南季风的影响甘肃省区域、季节雨量分配极其不均，降雨量总体由东南向西北递减。6～9月雨量占全年降雨量的70%～80%，7、8月占45%，其间大暴雨发生次数多、量级大，并以24h之内的短历时大暴雨为主，强度较大。

统计甘肃省30年间大暴雨发生频次见表3、表4［11］：

表3　1971～2000甘肃省大雨发生频次

表4　1971～2000甘肃省暴雨发生频次

由表3、表4可看出，省内暴雨与大雨分布的中心基本重合，大暴雨频次与降雨总量一样，总体表现出东南多，西北少的格局，主要集中在河东地区的陇南山地及庆阳南部。陇南山区的康县无论是大雨还是暴雨频率均居全省之首，而河西内陆地区相对最低，几乎无暴雨出现。中部陇中黄土高原地区大暴雨频率居中，其中陇东略高于陇西地区。由此可见陇南山地在全省降雨总量与大暴雨频率方面均占有绝对优势。另外，据卢秀丽等研究还发现省内3d，24h，10min，60min的暴雨极值分布格局也表现出由东南到西北递减的规律［12］，短历时10min暴雨极值在11～25mm之间，高值区出现在康县、武都及舟曲一线。

降雨泥石流临界值，准确来讲是在假定地形条件不变和固体松散物质储量保持一定的情况下，导致某条泥石流沟或某流域内任意一条泥石流沟暴发泥石流的最小降雨量。因而对同一下垫面来说，当降雨量越充足、强度越大，泥石流形成所需降雨临界值相对就越小，所以降水分配格局也就在一定程度上直接造成本省泥石流临界值自东南向西北增大的趋势。

事实上地形条件不变和固体松散物质储量保持一定只是为了研究方便而进行的人为假设，因而临界值并非只与降雨相关，往往随其他因素而出现局部变化特征。以陇南山地为例，其大暴雨时空分布特征［13］：西汉水流域发生大暴雨的频率及强度均高于白龙江流域，只有6h以内的降雨强度略低于白龙江流域。在这种大暴雨格局下理应西汉水流域泥石流较白龙江流域严重，但是事实却并非如此。主要原因在于受白龙江流域深大断裂的影响，沟深坡陡，滑坡崩塌物源等下垫面条件更充分，因而其泥石流临界值比西汉水流域相对较小，导致泥石流灾害严重程度稳居省内之首。

3.2下垫面的影响

1）地质基础条件。区域地质构造的强弱、地势起伏大小以及岩石软硬等地质基础条件的不同也是降雨泥石流临界值大小不同的重要因素。甘肃省大致以祁连山和六盘山为界分为南北两大地质构造单元，总的来说，南部构造活跃，岩石软弱，地势高峻；北部地块稳定，岩石坚硬。所以南部泥石流临界值相对较北部为低。

2）土壤含水状况。在同等降雨条件下固体物质本身的含水量、储水量的差异同样会影响泥石流临界值的大小。当其本身含水量较高，但土壤水分容纳量又不是很大的情况下遇到降雨时，松散固体物质就很容易达到饱和，在较小雨强下就可以启动形成泥石流。相反，本身含水量低，土壤水分容纳量又相对较大，同等降雨时，雨水能迅速下渗，这样要暴发泥石流就必须需要较大强度的短历时暴雨冲刷才能激发启动物源形成泥石流。

甘肃省各地100cm土壤水分最大持有量［11］：平均以陇西黄土高原最大，其次为陇东黄土高原，而陇南地区白水江流域的文县最少。在大暴雨频发的夏季（6～8月），各地的土壤水分容纳量以长江流域的陇南地区最少，陇西黄土高原相对最大，陇东黄土高原次之。一般情况下，100cm土层陇西黄土高原、陇东黄土高原比陇南地区多容纳30%～45%降水量。这样在遭遇同样量级的大暴雨，陇南长江流域的土壤承受能力最弱，最易达到饱和而暴发泥石流灾害，故其降雨泥石流临界值最小。就白龙江与西汉水流域局地而言，后者土壤可容纳水量大于前者，加上断裂等的影响都导致西汉水流域的成县、礼县等地的降雨泥石流临界值比白龙江流域的武都等地临界值偏大。

3）植被及人类工程活动。省内泥石流多发生在中低山区，与植被关系密切。人为的破坏植被，垦荒造田、修建房屋、道路等破坏了原有的地表形态，导致水土流失加重，斜坡失稳引发滑坡继而形成泥石流灾害的例子比比皆是。有些地方在地形、地质和降水条件等方面具备泥石流发育的条件，但是泥石流灾害却并不发育，主要原因就是植被条件好，能有效蓄积水分，阻止侵蚀，保护山地，从而有效地抑制了泥石流的发生。如果这些地带要发生泥石流必须有更大的降雨量和更大雨强的冲击作用，所以其他条件相同时植被覆盖率大的地带降雨泥石流临界值相对偏大。

4）地震。地震活动中能量的释放，一方面直接导致滑坡、崩塌等地质灾害，为泥石流提供了丰富的固体物质来源，同时，滑坡-碎屑流堆积体等改变沟谷条件，使原来并不是泥石流沟的沟谷变成泥石流沟；如5.12汶川地震以后四川绵竹市清平乡文家沟转变为一条高频泥石流沟，震后3个雨季内，文家沟先后暴发了5次大规模和特大规模的泥石流灾害。另一方面地震直接导致泥石流临界值降低。2008年5.12汶川地震之后，陇南地区的文县、武都区、舟曲、康县、成县、徽县及两当等地处于地震Ⅷ、Ⅸ烈度之区的重灾区，地震的影响势必使山体松动造成“内伤”，国土资源部中国地质调查局水文地质环境地质部主任、研究员、地质灾害防治专家殷跃平指出汶川地震导致局地泥石流临雨量至少可下降20mm。甘肃重灾区文县震后在5～9月份先后发生泥石流灾害5起，2010年8.7舟曲特大泥石流虽然研究认为是由于极端暴雨天气所致（过程降雨量96.77mm，30min雨量高达77.63mm），但是不能排除该地震区内对泥石流形成条件及临界值的影响。所以，今后泥石流降雨临界值的研究中如何定量的评价地震作用还需要进一步深入研究。

综上所述，甘肃省泥石流临界值大小不仅受降雨，而且还受地质基础条件，土壤含水状况及植被覆盖情况以及地震等多种因素的影响。

4　泥石流的预测预报

降雨型泥石流的预报主要是结合气象信息进行，其预报是将地学系统因素假定为已知并满足其形成发生过程，只依赖于降雨变化因素进行的判别预报。其准确与否直接受泥石流临界条件的影响，还受其他（地貌、地层岩性、构造、地震人类活动等）因素的制约。

甘肃省泥石流目前采用全国通用的地质气象等级预报法，基于降雨条件的泥石流预报也取得了一些成果。池谷浩（1973）陈景武（1981）最先提出临界雨量线预报模型。后来兰州冰川冻土探究所提出以固体物质储备量、沟道堵塞程度和坡度为预测因素，以暴发泥石流的雨量为指标进行预测。考虑影响泥石流发生的主要因子，黎志恒等以文家沟为例应用多元逐步回归分析法建立数学模型，从而得到泥石流发生的概率，此模型在兰州地区得到了较好的应用［14～15］。丁伟翠等（2010）本着内外因结合的思想，利用GIS技术对灵台县进行了地质灾害气象预警区划，随后在Ⅰ、Ⅱ级与预警内采用临界日综合有效过程降雨量模型判据法开展了地质灾害气象预警预报研究［16］。

总的来说，省内基于降雨条件的泥石流预报研究相对较少，预报精度较低，尤其是甘肃作为全国泥石流重要分布区，泥石流灾害严重制约着甘肃省经济社会的发展，因此开展泥石流临界值研究及其预测预报工作任重道远，因此对以后的泥石流预测预报研究工作提出以下建议：

1）结合地质环境基础信息对现有的泥石流预警区划进一步细化；

2）在各细化的预警区内研究泥石流发生的降雨临界条件建立不同的预报模式；其中降雨指标的选取应依据雨型、泥石流类型的不同而不同。10min雨强、1h、3h、24h雨量以及前期降雨天数等指标的选择应统计历史泥石流和降雨资料并采用相关性分析的方法选取最能反应泥石流发生的降雨指标，建立数学模型。其中前期降雨经验计算公式中衰减系数可以依据不同分区内岩土体的性质、土壤容纳水分容纳量及植被等不同而赋予不同的值，这样将下垫面条件的影响部分加入预报模型中来。

3）充分利用种类齐全的现代化气象业务系统，获取不同尺度的降雨资料，建立健全泥石流监测系统。

5　结论

1）甘肃省泥石流临界值以陇南山区研究较多，单沟、小流域研究较为欠缺。总体呈现出由东南向西北逐渐增大的趋势，小时降雨量陇南地区最小15～20mm，河西内陆最大高达30～40mm/h，陇东、陇西地区居中，分别为20～30mm、25mm。其中陇南地区由于下垫面条件及大暴雨的局地性影响，临界值表现出由南至北，自西而东增大的局地变化特征。

2）通过定性分析，泥石流临界值受地形地貌、地层岩性、土壤含水量及前期降雨等多种因素的影响。特别是5.12汶川地震对使部分山体出现“内伤”，如何量化地震对临界值的影响还待进一步研究。

3）通过对泥石流临界值特征及大小差异的探讨对本区降雨泥石流预测预报提出相关建议。

4）泥石流是地质灾害链中是一个动态链条，降雨临界值并不是一成不变的，泥石流预报与防治工作也不是一劳永逸的。应该以活动论的思想，应用发展的眼光去分析问题、解决问题，避免陷入对降雨泥石流临界值的单独研究误区，尽可能全面的考虑多种因素，注重从定性到定量的转变，量化各种因素的实际作用力与强度，利用多种现代化手段，建立临界雨量判据与地质环境空间分析耦合的判别模式，为泥石流预测预报提供可靠依据。

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