长白山天池地区泥石流激发雨型与临界雨量

罗小惠, 裴向军, 郭 斌

(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，成都 610059)

长白山天池地区处高寒高海拔地区，属地质灾害高易发区，每年均有不同规模的灾害发生，包含了崩塌、滑坡、泥石流等多种地质灾害，其中暴雨泥石流作为突发灾害，且相距游客活动区域较近，严重威胁着游客与景区工作人员的生命安全。

泥石流为中国各地山区的危害严重的地质灾害[1-2]，因其破坏性强、暴发突然、历史短暂并且防治困难的特点，故此泥石流灾害所造成的人员伤亡都是数以千计[3-4]。点多、面广是泥石流灾害的分布特点，且泥石流灾害发生后将造成阻断交通与救援不便等相关问题，致使针对泥石流灾害治理的防治工程建设难度较大。故为降低泥石流灾害所造成的威胁与影响，及时与准确地发布泥石流预警信息是这项工作中最为关键的一步，而对于防灾减灾重要、有效的手段，是基于临界雨量的区域泥石流预报[5]。

距今，针对泥石流灾害的临界降雨量，中外学者已开展了大量的研究工作[6-8]。最初，对降雨诱发滑坡导致泥石流的启动机理及危险性评价[9-11]进行了讨论；Tang等[12]通过研究2008年9月北川唐家山地区降雨数据得到诱发泥石流降雨阈值；常鸣等[13]通过降雨等评价因子对都江堰龙池场镇的48条泥石流沟进行敏感性评价；姚令侃[14]结合多元统计建立了以泥石流发生频率及地区暴雨频率而求得其临界雨量的回归方程；谭万沛等[15]利用形成泥石流的主控因素与激发条件，从泥石流的诱发因素和防灾减灾预报等角度下手，对四川片区的暴雨型泥石流进行分类分区；韦方强等[16]建立了泥石流预报模型，将临界雨量划分成不同的等级范围；随着研究工作的推进，韦方强等[17]还分析了不同降水监测和预报时空分辨率与技术时空尺度，并以此为基础建立了不同时空尺度的泥石流预报体系框架，将泥石流预报的普遍性与精度推向新高度。与此同时，对泥石流的激发雨量与临界雨量也有较多研究[18-24]。目前，在泥石流临界雨量研究方面虽然取得很多有价值的成果，但现阶段泥石流启动的临界雨量大多是基于统计分析及历史资料反演得到，故其准确性还有待提高。

为此，详细统计了引发泥石流的降雨资料，通过研究和分析这些泥石流暴发前后的降雨过程，并对激发长白山天池地区泥石流灾害的激发雨型进行分类，采用统计方法开展长白山天池地区泥石流发生时的降雨临界值研究，为研究区的泥石流预测预报和监测预警提供理论基础与参考依据。

1 研究区概况

长白山位于吉林省东南部，其东部与朝鲜接壤，是中国境内保存最为完整的新生代多成因复合火山锥体，是世界闻名的自然保护区。由于该区独特的火山地质背景，在内、外动力的双重影响下，由深切的沟壑与河谷构成了峡谷地貌初期，同时也构成了火山湖、瀑布以及两岸的深沟陡壁等特殊的景观。研究区域位于长白山北景区内，其地理坐标：东经128°02′54″～128°04′26″，北纬42°01′20″～42°02′53″。长白山地区属中纬度大陆性季风气候半湿润区，气候特点是冬季漫长寒冷，夏季温暖而短促。受地形和大陆与太平洋两种气流影响，垂直分带明显，气温和降雨均受海拔高度的控制，据相关资料，地势增高 100 m，气温降低 0.5～0.6 ℃，降水量增加±30 mm。

近年来，长白山天池地区(图1)泥石流灾害有不断加剧的趋势。据调查，在长白瀑布以北、二道白河两侧的陡峻山体上每年都有泥石流发生。这一现状不仅严重破坏了自然保护区的森林资源和生态环境，而且还严重威胁着游客与景区工作人员的生命安全。为对长白山天池景区的正常运行，对长白山北景区天池地区的泥石流进行勘察，最终确定4条具有一定规模的泥石流沟，且都位于长白山天池瀑布与小天池区段之间，二道白河的右岸，分别为瀑布东侧1号泥石流、瀑布东侧2号泥石流、停车场南4号泥石流和停车场南8号泥石流(图2)。

泥石流灾害不仅造成巨大的财产损失，还对景区内的人员造成一定的安全威胁，导致整个景区的运行停滞，给长白山北景区造成严重的不利影响。在泥石流灾害发生之后，通过对灾害现场的实地勘察发现，长白山天池地区由于独特的火山侵蚀区地形地貌，地形陡峭，高差悬殊，大部分山体呈现明显的多级台阶状，研究区内二道白河河谷地貌为嶂谷，其基本特征为河谷形状似箱形，为冰蚀“U”形谷，谷坡陡峭，近乎直立，而区域内泥石流均在二道白河河谷两侧陡峭山的冲沟中发育(图3)。

图3 长白山北景区河谷地貌概况Fig.3 Overview of the river valley geomorphology in Changbai Mountain north scenic area

近年来，由于风化作用的加强及气候愈加极端的影响，各泥石流沟的物源增加，均有再次爆发大规模泥石流的可能。影响该区泥石流发育的自然条件很多，如地形地貌、地层岩性、气象水文等，这些因素的有机结合，即形成了本区泥石流发育的三个基本条件：丰富的固体物质、高陡的地形及充沛的降水。这三个条件相互影响，缺一不可。而丰富的降雨，特别是急骤的暴雨是该区域内泥石流形成的必要条件。长白山自然保护区降雨丰富，雨量集中，降雨持续时间长，且多暴雨。为降低泥石流会造成的损失，建立基于泥石流临界雨量的泥石流预警系统是当务之急，而临界雨量参数是泥石流预警系统准确发布预报信息的前提。因此，通过灾害实例调查法和统计法，研究长白山天池区泥石流灾害的激发雨型与临界雨量，为预警系统提供参数，为准确的泥石流预测预报提供基础数据。

2 泥石流降雨过程的统计与分析

2.1 泥石流灾害灾情与历史

通过查问文献以及相关资料收集到近十年内长白山天池区泥石流共发生的10次泥石流的发生时间以及受灾情况，具体泥石流详情如表1所示。2017年7月2日04：11，长白山景区瀑布东侧1号泥石流沟发生泥石流，规模大约1 200 m3，石笼挡墙被冲毁80 m，观景平台损坏，造成经济损失50万元；2017年7月21日04:56，长白山景区瀑布东侧2号泥石流沟发生泥石流，规模大约1 300 m3，泥石流碎石冲入二道白河改变水道，堆积铁桥处，对铁桥构成威胁，造成经济损失20万元，所幸两次发生灾害的时间都为凌晨，景区还未开始运营，未造成人员伤亡。停车场南4号与8号泥石流沟也在往年的雨季暴发了不同规模的泥石流。泥石流灾害不仅造成巨大的财产损失，还对景区内的人员造成一定的安全威胁，导致整个景区的运行停滞，给长白山北景区造成严重的不利影响。

表1 长白山天池地区泥石流灾情历史统计表Table 1 Historical statistics of debris flow disasters in Tianchi Area, Changbai Mountain

2.2 降雨参数指标

由之前的分析描述可知，降雨与长白山天池地区泥石流灾害的发生密不可分。长白山地区降雨丰富，持续时间长，且多暴雨。丰富的且急骤的暴雨是泥石流形成的必要条件。降雨不仅为泥石流提供了丰富的水源，更为松散固体物质的启动与泥石流的运动提供了强大的动力。观测与统计资料表明，当某时段内的降雨量达到或者超过临界降雨量时，泥石流就会发生。

基于不同的降雨参数，建立不同的泥石流的降雨预警模型。目前降雨预警指标大致分为以下5类：①以降雨强度和累计雨量作为预警指标；②以降雨强度和降雨历时作为预警指标；③以累计雨量和降雨历时作为预警指标；④以降雨强度和前期有效降雨量作为预警指标；⑤以其他降雨参数作为预警指标。较为常用的降雨参数包括降雨强度、降雨历时、历史累积降雨和前期有效降雨量。

选取4种降雨参数指标(降雨强度、日降雨量、历史累积降雨、前期有效降雨)用于构建泥石流发生的降雨临界值，并对研究区内激发泥石流的降雨类型做出了分类。对有记载可查的灾害历史记录所对应的降雨数据进行统计分析，由长白山天池地区泥石流灾情记录统计表(表1)可见，对研究区内2013—2018年所有汛期的降雨数据进行统计分析，得到完整强降雨事件共8次，并对各个单次强降雨事件的前期有效降雨进行统计，计算前期有效降雨，累积降雨量和降雨强度，结果如表2所示。根据Graff[23]的有效降雨量计算公式：

表2 长白山天池地区强降雨事件Table 2 Heavy rainfall event in Tianchi area,Changbai Mountain

Rant=kR1+k2R2+…+knRn

(1)

式(1)中：Rant为灾害发生前n日有效降雨量；k为有效降雨系数(k≤1)，k根据经验值取0.84；Rn为第n天的降雨量。

3 结果与分析

3.1 长白山天池地区暴雨泥石流的激发雨型特征

在长白山天池地区，暴雨发生之前一般都有持续数十天之久的前期降雨，这种特点的降雨形式对于泥石流的暴发有两方面的作用：一方面，泥石流形成区周围的松散固体物质在长期降雨的作用下，被不断搬运向形成区汇集，使物源动储量不断地增加；另一方面，形成区的物源需要在暴雨形成的强大地表径流的激发下，转化成具有一定破坏力的泥石流。选取具有代表性的8场泥石流暴发事件的降雨过程，绘制出日降雨量、前期有效降雨与降雨历时的关系曲线图。通过对比与分析8场泥石流不同的降雨过程，结合暴雨泥石流形成过程中所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。长白山暴雨泥石流激发的雨型为长期持续降雨型和长期间断降雨型。

长期持续降雨型主要表现为泥石流流暴发前会持续相当长时间不间断的前期降雨，约持续10 d。这种降雨类型是由零缓慢增加，最终达到导致泥石流暴发的临界雨量。长期持续降雨型的前期有效降雨持续时间长，泥石流在降雨量逐步达到临界值时暴发。当前期降雨开始时，此时的降雨强度小于雨岩土体渗透率，故此时降雨被全部渗入松散堆积体内部。随着降雨进程的发展，坡体表面松散堆积层的含水量不断增加。当松散堆积层的入渗率降低的越来越快，其达到饱和状态的时间就会越来越短。最终，当雨强达到临界雨量时，松散堆积体的含水量渐渐达到饱和状态，松散堆积物开始在雨水的作用下进行运移，进入泥石流沟内并参与泥石流的启动过程。长期持续降雨型以研究区域内2013年7月2日泥石流、2015年7月8日泥石流、2016年8月31日泥石流及2017年7月2日泥石流为代表，如图4～图7所示。

图4 2013年7月2日泥石流灾害降雨过程Fig.4 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2013

图5 2015年7月8日泥石流灾害降雨过程Fig.5 Debris flow disaster,rainfall process on July 8,2015

图6 2016年8月31日泥石流灾害降雨过程Fig.6 Rainfall process of debris flow disaster on August 31,2016

图7 2017年7月2日泥石流灾害降雨过程Fig.7 Debris flow disaster rainfall process on July 2,2017

长期间断降雨型主要表现为泥石流暴发前也会持续相当长时间但中途会间断的前期有效降雨，该降雨总体持续十几天左右，但当在接近泥石流暴发当天，降雨过程将会有间断，一般会在一段时间内从较小的降雨缓慢增加到一个极值再逐步降低为零，随后降雨开始间断，再过一段时间后，开始二次降雨，其中降雨中途的间断时间不会超过8 h，按此规律反复两到三次直到松散堆积体饱和，堆积体开始在雨水的作用下向沟内运移，在持续的降雨过程中，不断增加的雨量与不断增大的物源动储量最终导致泥石流暴发。长期间断降雨较长期持续降雨来说，总的降雨时长更为漫长。该降雨类型的降雨强度存在由多个由零到极大值再由极大值降低到零的重复循环过程。随着该过程的反复进行，松散堆积体含水率逐渐增大，当降雨强度达到某个值时，松散堆积体含水量达到饱和，在此之后，只要持续降雨，无论雨强大小，松散堆积体都会在雨水的作用下被搬运与冲刷至沟内，参与泥石流的启动过程。故在哪怕是在反复过程中逐渐减小的雨强作用下，泥石流也会暴发。该类型的松散堆积体饱和过程所经历的时间更长，并且由于其降雨过程的间断性与反复性，该降雨类型的泥石流暴发的时间会滞后第一次降雨强度的峰值时间，总体降雨持续时间相较于长期持续降雨更长。该类型泥石流以2013年8月15日泥石流灾害、2013年8月17日泥石流灾害、2015年8月4日泥石流灾害及2017年7月21泥石流灾害为代表，如图8～图11所示。

图8 2013年8月15日泥石流灾害降雨过程Fig.8 Debris flow disaster rainfall process on August 15,2013

图9 2013年8月17日泥石流灾害降雨过程Fig.9 Debris flow disaster rainfall process on August 17,2013

图10 2015年8月4日泥石流灾害降雨过程Fig.10 Debris flow disaster rainfall process on August 4,2015

图11 2017年7月21日泥石流灾害降雨过程Fig.11 Debris flow disaster rainfall process on July 21,2017

3.2 长白山天池地区临界雨量特征

根据前面收集的研究地区泥石流灾害的降雨过程历史资料及泥石流暴发过程分析，统计长白山天池地区暴雨泥石流的激发雨型(表3)，暴发时的历史累计雨量、前期有效降雨量、日降雨量峰值及雨强峰值。据此绘制出历史累计降雨与降雨强度及前期有效降雨与降雨强度的关系图(图12、图13)。由图12、图13可以看出，在长白山天池地区当小时降雨量超过19.7 mm，前期有效降雨量超过32.7 mm，历史累计降雨量超过43.5 mm，泥石流灾害就将发生。从表3、图12、图13可见，具有历史记录的研究区域内泥石流灾害事件的历史累计降雨跨度极大，43.5～223.5 mm。该区域内泥石流发生的前期有效降雨为32.7～112.1 mm，若以历史累计降雨量43.5 mm或是前期有效降雨32.7 mm即发布预警信息，可能会造成不必要的人力、财力的浪费，若长期预警报错，更会导致景区工作人员与游客的不信任，但历史累计降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm可以作为防范值，一旦降雨量达到此范围应加强巡查，密切注意各沟内稳定情况。从历史累计降雨与降雨强度及前期有效降雨与降雨强度的关系图可得，以降雨强度下限值19.7 mm/h作为泥石流临界雨量值较为合适，从泥石流灾害的历史资料可以看出，与泥石流事件相关的8场完整降雨事件，峰值降雨强度的最小值为19.7 mm/h，2013年的3次泥石流事件峰值降雨强度分别为24.7、20.7、22.9 mm/h，2015年与2016年2次泥石流事件峰值降雨强度分别为20.5、20.8 mm/h，17年2次泥石流事件的峰值降雨强度为22.4、20.7 mm/h。因此以峰值降雨强度下限值19.7 mm/h为泥石流灾害发生的临界雨量较为合理。

表3 长白山天池地区泥石流灾害激发雨型分类Table 3 Rainfall classification for debris flow disasters in Tianchi area, Changbai Mountain

图12 泥石流降雨强度-历史累计降雨关系图Fig.12 Debris flow rainfall intensity-historical cumulative rainfall relationship

图13 泥石流降雨强度-前期有效降雨量关系图Fig.13 Debris flow rainfall intensity-pre-effective rainfall relationship diagram

4 结论

(1)长白山天池地区泥石流激发雨型分为两种：长期持续降雨型与长期间断降雨型。长期持续降雨型主要表现为泥石流流暴发前会持续相当长时间不间断的前期降雨，持续10 d左右。雨量由零缓慢增加，最终达到导致泥石流暴发的临界雨量。长期持续降雨型的前期有效降雨持续时间长，泥石流在降雨量逐步达到临界值时暴发。当前期降雨强度小于雨岩土体渗透率，降雨被全部渗入松散堆积体内部。随着降雨进程的发展，坡体表面松散堆积层的含水量不断增加。当松散堆积层的入渗率降低的越来越快，其达到饱和状态的时间就会越来越短。最终，当雨强达到临界雨量时，松散堆积体的含水量渐渐达到饱和状态，松散堆积物开始在雨水的作用下进行运移，进入泥石流沟内并参与泥石流的暴发；长期间断降雨型会持续相当长时间但中途会间断的前期有效降雨，该降雨总体会断断续续持续十几天左右，但当在接近泥石流暴发当天，降雨过程将会有间断。长期间断降雨较长期持续降雨来说，总的降雨时长更为漫长。该降雨类型的降雨强度存在由多个由零到极大值再由极大值降低到零的重复循环过程。随着该过程的反复进行，松散堆积体含水率逐渐增大，当降雨强度达到某个值时，松散堆积体含水量达到饱和，在此之后，只要持续降雨，无论雨强大小，松散堆积体都会在雨水的作用下被搬运与冲刷至沟内，参与泥石流的暴发过程。

(2)长白山天池地区泥石流历史累计降雨量43.5 mm或前期有效降雨32.7 mm作为泥石流灾害暴发的防范值，一旦降雨量达到此范围应加强巡查，密切注意各沟内稳定情况。降雨强度19.7 mm/h作为泥石流临界雨量。