汶川震区暴雨泥石流激发雨型特征

常 鸣，窦向阳，范宣梅，姚 成

(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，四川 成都 610059)

0 引 言

汶川地震区内最常见的次生地质灾害为暴雨泥石流，暴雨泥石流的出现频率及致灾规模与一次降雨强度和持续时间有很大关联[1-2]。地震后泥石流暴发与降雨之间的关系成为国内外学者研究的热点，其中如何利用降雨激发雨强及累计降雨量预测预报泥石流的暴发则是广泛关注的焦点。各地学者根据震后降雨诱发泥石流的情况研究降雨强度与泥石流暴发的关系，例如台湾集集地震后，一些学者探讨了降雨诱发滑坡导致泥石流的启动机理及危险性评价[3-5]。汶川地震后很多学者也展开了相应的研究，例如唐川等通过研究2008年9月北川唐家山地区降雨数据得到震后诱发泥石流的降雨阈值[6]；常鸣等通过降雨等评价因子对都江堰龙池场镇48条泥石流沟进行了敏感性评价[7]；崔鹏等结合水文要素进行数值模拟推导泥石流危险范围[8]；温铭生等根据都江堰市五里坡持续暴雨雨量特征分析了灾害特征与致灾成因[9]；倪化勇等根据降雨雨量条件进行泥石流预警预报的研究[10]；周伟等通过研究震后激发雨量特征及降雨阈值得到泥石流的预警预测模型[11]；王涛等通过分析泥石流物源、地形和降雨因素归纳了泥石流活动受滑坡诱发的因素控制[12];郭晓军等通过统计泥石流事件研究了雨型、降雨强度及前期降雨因子对泥石流活动的影响[13]。

“5·12”汶川地震前多数泥石流的监测预警都是按照常规标准开展治理，没有考虑到地震诱发泥石流产生的大松散固体的影响，只采用常规激发雨量统计，忽视了前期有效累计降雨量及其持续时间的影响。汶川地震后伴随着陡峻的地形条件、极端的降雨条件及大量松散堆积的物源条件，越来越多的次生地质灾害出现在强震区。特别是崩塌、滑坡、泥石流灾害在震后表现出十分明显的滞后持续效应, 它们将持续活动 5～10 年[6]，甚至可以持续到震后的30年[14]。汶川地震后,四川西南的山区多次暴发大规模泥石流灾害，例如都江堰龙池镇龙溪河流域群发泥石流，汶川县映秀镇岷江流域群发泥石流，北川县擂鼓镇苏宝河流域群发泥石流，绵竹市清平乡绵远河流域群发泥石流及彭州市龙门山镇白水河流域群发泥石流等。这些群发性泥石流充分体现了震后次生地质灾害的频繁性、持续性、严重性。本文详细统计了引发泥石流的降雨资料，分析降雨诱因，研究震区降雨激发泥石流的雨型特征。通过对雨型特征的分析，深入了解暴雨诱发泥石流的雨型特征，以期为后期的预警预报提供实际参考依据。

1 诱发典型群发泥石流降雨特征

为了研究汶川震区暴雨泥石流的激发雨型特征，本文通过详细调研，对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在各个震后受灾区域安装的雨量站反馈数据进行筛选整理，结合现有降雨数据资料，将汶川地震后苏宝河、龙溪河、绵远河、白水河及岷江5个典型群发泥石流区域的降雨过程资料进行统计，对它们的激发雨强及前期有效累计降雨量开展分析，并选取四川省茂县叠溪镇新磨村山体高位垮塌形成的碎屑流进行验证。

映秀—北川断裂带从研究区域中部穿过，属于四川西北部的龙门山推覆构造带，构造断裂发育十分明显，具有非常强烈的地质构造作用。区域内岩层大部分陡倾直立，裂隙极为发育，岩体破碎情况严重，为崩塌和滑坡提供了有利的条件。由于研究区内水流便于汇集，易于为松散物质的运输提供动能。研究区自汶川地震以来发生了多起崩塌滑坡事件，为泥石流的发育创造了良好的物源条件[15]。

图1 汶川震区典型暴雨泥石流分布图Fig.1 Map showing the distribution of rainfall-induced debris flows in the Wenchuan earthquake area

1.1 汶川县映秀镇群发泥石流降雨特征

(1)“8·14”泥石流：2010年8月13日14∶30左右，映秀新镇岷江流域地区开始降雨，降雨持续一天后减小；但是在8月14日凌晨降雨强度突然加大，3∶00左右红椿沟、烧房沟、牛圈沟泥石流暴发，激发雨强为16.4 mm/h，累计有效前期降雨量达150.2 mm[16]。

(2)“8·21”泥石流：2011年8月20日20∶00左右，映秀新镇岷江流域下游开始降雨，至21日凌晨2∶00左右红椿沟及其支沟、烧房沟泥石流暴发，激发雨强为56.5 mm/h，累计有效前期降雨量达125.8 mm[17]。

(3)“7·11”泥石流：2013年7月8日5∶00左右，汶川威州镇至映秀新镇岷江段开始降雨，一直持续到7月11日凌晨4∶00，两岸阳岭沟、七盘沟、华溪沟及磨子沟暴发泥石流，激发雨强为6.4 mm/h，累计有效前期降雨量达111.4 mm。

1.2 绵竹市清平乡群发泥石流降雨特征

(1)“7·31”泥石流：2010年7月31日凌晨4∶00，绵竹市清平乡绵远河流域地区开始降雨，2小时后文家沟上游泥石流暴发，前期降雨有效持续时间仅1小时，激发雨强为50.4 mm/h，累计有效前期降雨量达89.5 mm[18]。

(2)“8·13”泥石流：2010年8月12日19∶00左右，绵竹市清平乡绵远河两岸流域开始降雨，23∶00前累计降雨量达45.2 mm，随后1小时降雨量达到30 mm，此时文家沟等数条泥石流沟上游及沟道两侧崩滑体开始启动，13日0∶30左右文家沟、走马岭沟、雍家沟等二十余条泥石流暴发。这些泥石流激发雨强为37.4 mm/h，累计有效前期降雨量达82.6 mm[15]。

(3)“8·19”泥石流：2010年8月18日22∶00左右，绵竹市清平乡绵远河流域开始降雨，一直到 19日5∶00降雨缓慢增加，此时洪水冲刷能力较低，物源运移能力较弱，没有足够动能转化为泥石流；5∶00～9∶00降雨量突然加大，小时降雨量达到31.9 mm，导致洪水流量增大转化为泥石流，累计有效前期降雨量达121.6 mm。

(4)“7·10”泥石流：2010年7月8日19∶00左右，绵远河流域内文家沟开始降雨，小时降雨量很小，但是到10日4∶30泥石流暴发。此次泥石流由于总体降雨量较小，仅在文家沟主沟暴发小规模泥石流，小时降雨量达到19.2 mm，累计有效前期降雨量达123.5 mm。

1.3 北川县擂鼓镇群发泥石流降雨特征

(1)“9·23”泥石流：2008年9月23日凌晨1∶00左右，北川县擂鼓镇苏宝河流域开始降雨，持续3个小时后郭牛沟、大安村沟、关门子沟等十余条泥石流暴发；7∶00左右，伴随着本轮降雨结束，泥石流也随即停止，大量松散固体进入河道，造成苏宝河不同程度地被堵塞。此次群发泥石流激发雨强为33.5 mm/h，累计有效前期降雨量达82.7 mm[19]。

(2)“9·24”泥石流：“9·23”泥石流刚结束不久，新一轮降雨在23日21∶30开始，持续到24日6∶00左右，苏宝河流域内的茶坊村沟、五星村多条泥石流暴发。此次群发泥石流激发雨强为41.8 mm/h，累计有效前期降雨量达163.1 mm[19]。

1.4 都江堰市龙池镇群发泥石流降雨特征

(1)“8·13”泥石流：2010年8月13日15∶00左右，都江堰龙池镇龙溪河流域开始降雨，仅持续2个小时后区内的八一沟、水打沟、麻柳沟等四十多条泥石流暴发，直到18∶00左右结束。此次群发泥石流激发雨强为75.0 mm/h，累计有效前期降雨量达97.0 mm[20]。

(2)“8·18”泥石流：2010年8月18日13∶00左右,都江堰龙池镇龙溪河流域开始降雨，山洪于19∶00开始暴发，一直到24∶00才结束；八一沟等泥石流在21∶00左右开始暴发，23∶00左右才结束。此次群发泥石流激发雨强为69.0 mm/h，累计有效前期降雨量达183.8 mm[20]。

1.5 彭州市龙门山镇群发泥石流降雨特征

“8·18”泥石流：2012年8月18日21∶00左右，彭州市龙门山镇白水河流域开始降雨，持续约2小时后银厂沟、谢家店子沟及高架子沟等泥石流暴发，伴随着降雨在19日3∶00结束，泥石流也终止。此次群发泥石流激发雨强为72 mm/h，累计有效前期降雨量达112 mm[21]。

2 汶川强震区暴雨泥石流激发雨型特征

本文选取上述具有代表性的12场群发泥石流事件的降雨过程，绘制出小时降雨量、累计降雨量与降雨历时的关系曲线图。通过对比分析12场泥石流不同雨量关系，结合暴雨泥石流形成时经历的松散固体饱和、地表径流、松散固体运移、泥石流启动的过程，本文将汶川震区暴雨泥石流激发雨型分为3种类型：短期突然降雨型、中期持续降雨型和长期间断降雨型，如表1所示。

2.1 短期突然降雨型

短期突然降雨型主要表现为在较短的时间内降雨量急速增加，导致泥石流快速暴发。一般而言，该雨型降雨时间持续较短，不会超过10小时，伴随降雨迅速减小，泥石流也逐渐终止。前期降雨有效持续时间较短，一般小于5小时，当雨强达到最大值前后时，泥石流就会快速暴发。根据表1，该雨型由于前期降雨有效持续时间较短，导致前期有效累计降雨量相对偏小，当降雨开始时，由于土体渗透率高于降雨强度，降雨全部渗入土体，但是在短时间内出现强降雨致使松散固体饱和过程时间缩短，斜坡土体表面径流量突然增加，使其携带的松散固体进入沟道，伴随着短时间急速洪水的到来，泥石流开始启动。该类型泥石流以都江堰市龙池镇龙溪河流域“8·13”泥石流、绵竹市清平乡绵远河流域“7·31”泥石流、北川县擂鼓镇苏宝河流域“9·23”泥石流及彭州市龙门山镇白水河流域“8·18”泥石流为代表，如图2所示。

表1 汶川震区典型流域群发泥石流降雨资料统计

2.2 中期持续降雨型

中期持续降雨型主要表现为在泥石流暴发前会持续一段时间的前期有效降雨，但该降雨不会急速增加，而是缓慢增加到导致泥石流暴发的激发雨量，随后逐渐减小为零。该类雨型的前期有效降雨持续时间相对较长(表1)，总降雨时间也持续较长，超过10小时但少于一天，泥石流在降雨量逐步达到激发值时暴发，滞后于降雨开始时间。当降雨开始时，降雨强度低于土体渗透率，雨水全部渗入土体，但随着降雨时间的增加，斜坡表层松散堆积体含水量不断增加。松散堆积体含水量越大，非稳定渗流阶段入渗率降低越快，达到饱和状态的时间越短。当降雨强度逐步达到激发雨量时，斜坡表层松散堆积体的含水量逐步达到饱和，入渗率也随之达到稳定值。与短期突然降雨型相比，中期持续降雨型下的松散堆积体饱和过程所经历的时间要长，泥石流暴发时间滞后，持续时间也较长。该类型泥石流以都江堰龙池镇龙溪河流域“8·18”泥石流、绵竹市清平乡绵远河流域“8·13”、“8·19”泥石流及汶川县映秀镇岷江流域“8·21”泥石流为代表，如图3所示。

2.3 长期间断降雨型

长期间断降雨型主要表现为泥石流暴发前会持续相当长时间的前期有效降雨，该降雨可能持续两三天，但中间会有间断，一般会在一段时间内从较小的降雨缓慢增加到一个极值后再逐步降低为零；随后间断一段时间，开始第二次降雨，但间断时间不会超过10小时。如此反复直到松散堆积体饱和导致泥石流暴发。该类雨型的前期有效降雨持续时间最长(表1)，一般超过12个小时，总的降雨时间持续较长，可超过一天。该雨型降雨强度存在多个由零增加到极大值再降低到零的重复过程。由于降雨过程长，松散堆积体能够逐步饱和，激发雨强很小时，泥石流就会暴发，初始松散堆积体含水量入渗率的影响减弱，最终可忽略。随着降雨反复进行，松散堆积体的入渗率逐步降低，含水量的增加减慢。当降雨强度达到某个值时，松散堆积体含水量达饱和，入渗率降到稳定值，泥石流暴发。与短期突然降雨型、中期持续降雨型相比，长期间断降雨型的松散堆积体饱和过程所经历的时间最长，泥石流暴发的时间严重滞后于第一次降雨强度峰值时间，持续时间相对较长。该类型泥石流以汶川县映秀镇岷江流域“8·14”和“7·11”泥石流、北川县擂鼓镇苏宝河流域“9·24”泥石流及绵竹市清平乡绵远河流域“7·10”泥石流为代表，如图4所示。

图2 汶川震区短期突然降雨型泥石流事件Fig.2 Short-term rainfall-induced debris flow events in the Wenchuan earthquake area

图3 汶川震区中期持续降雨型泥石流事件Fig.3 Persistent rainfall-induced debris flow events for the Wenchuan earthquake area

根据表1统计的汶川强震区暴雨泥石流灾害的降雨过程数据资料，本文分析了泥石流暴发时的激发雨强。5个典型流域内群发泥石流的最小激发雨强为6.4 mm/h，最大激发雨强为75 mm/h。Zhou等分析汶川震区震前泥石流的激发雨强一般为50～60 mm/h[22]，与之相比，震后诱发泥石流的激发雨强部分降低，约占泥石流总数的60%。

图4 汶川震区长期间断降雨型泥石流事件Fig.4 Long-term intermittent rainfall-induced debris flow events in the Wenchuan earthquake area

图5 “6·24”叠溪镇新磨村垮塌碎屑流及诱发雨量特征Fig.5 Characteristics of the “6·24” landslide and its causative rainfall data in Xinmo Village in the Wenchuan earthquake area

3 茂县叠溪镇新磨村山体垮塌碎屑流激发雨型特征

2017年6月24日上午5∶38，受1933年叠溪地震和2008年汶川地震影响的茂县叠溪镇新磨村，该区域内的大白杨沟在1935年和1991年曾暴发大规模泥石流[23]，在长期持续间断性降雨影响下发生高位山体垮塌。此次垮塌方量约为800×104m3，造成64处房屋及1 600 m公路被毁，局部出现堵江现象，如图5所示。经分析，该处山体受汶川地震影响其稳定性下降，又遭受降雨的持续作用岩体含水量逐渐达到饱和，最终引起山体垮塌形成碎屑流。

4 讨论与结论

(1)汶川震区暴雨诱发泥石流的激发雨型划分为3种类型：短期突然降雨型、中期持续降雨型和长期间断降雨型。短期突然降雨型的前期有效降雨时间很短，有效累积降雨量较小，但能迅速达到激发雨强，持续时间较短，一般伴随着降雨的停止泥石流也逐渐停止，暴发程度强烈，堆积体含水量来不及达到饱和，泥石流的冲刷能力有限。中期持续降雨型的前期有效降雨时间较长，有效累积降雨量较大，泥石流在激发雨强达到最大时暴发，略滞后于降雨开始时间，泥石流持续时间较短期突然降雨型要长，但短于长期间断降雨型。长期间断降雨型的前期有效降雨时间很长，具有多个降雨周期，泥石流在激发雨强很小的时候就可以暴发，且持续时间较长，堆积体含水量充分饱和，暴发后能携带较多的堆积体冲刷物。

(2)不同雨型暴雨泥石流的差异主要体现在松散固体物质的饱和过程中，比如前期有效降雨时间、激发雨强和累计降雨量等降雨因素，使得松散固体物质的含水量饱和程度不同，发生物质运移的时刻也不同，从而导致不同雨型的泥石流暴发时间、持续时间、物质搬运能力及沟道冲刷程度均存在显著差异。

(3)激发雨强和前期降雨有效持续时间跟激发雨型密切相关，长期间断降雨型的激发雨强最小，前期降雨有效持续时间最长并呈周期性；中期持续降雨型的激发雨强和前期降雨有效持续时间均介于长期间断降雨型与短期突然降雨型之间；短期突然降雨型的激发雨强最大，前期降雨有效持续时间最短。初步验证了诱发茂县叠溪镇新磨村山体垮塌碎屑流事件的雨型属于长期间断降雨型，通过前期降雨量的累计致使在较小的雨强作用下诱发山体垮塌。

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