三明市后山冲沟泥石流易发性评价及预报

赵宾杰，叶龙珍，余 斌，柳 侃,吴钟腾，邓 杰

(1.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；2．桂林航天工业学院能源与建筑环境学院，桂林 541004;3.自然资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室，福州 350002；4.三明市自然资源局，三明 365000)

福建省位于中国东南沿海，地貌属于低山丘陵地带，地质灾害发育，灾害类型主要为滑坡、崩塌、泥石流，其中滑坡-泥石流灾害链，占全省重大灾难性地质灾害的2/3[1]，因此开展泥石流易发性评价及预报研究显得十分必要。目前泥石流易发程度的评价方法主要两种：直接指标评价法(《泥石流灾害防治工程勘测规范》)和间接指标评价法，直接指标评价法需要大量泥石流资料支持，适用于泥石流资料丰富完整的地区，评价结果准确可靠[2]。间接指标评价法有层次分析法、神经网络及逻辑回归等，层次分析法评价结果过于依靠人的主观判断；神经网络需要大量的数据才能保证结果的准确性；逻辑回归法评价指标中的多重共线性问题对其评价结果影响较大，以上缺点使得在对泥石流进行易发性评价时存在结果与事实不符、检验准确性难的问题，适用于泥石流资料相对缺乏的地区[3-7]。

泥石流预报作为一项重要防灾减灾措施，受到众多学者的广泛关注。Nam等[8]通过计算反映累积降雨和降雨强度的降雨触发指数(RTI)，将其转换为临界累积降雨量(Rc)以利用降雨信息，提供实时预报。Qiao等[9]将泥沙密度作为泥石流发生敏感性的评价指标，利用Scoops3D模型，提出了一种基于降雨-土壤不稳定耦合机制(R-USCM)的泥石流预测方法。Banihabib等[10]提出以平均流域高程、平均流域坡度、流域面积、当前降雨量、前3 d的前期降雨量和前1 d的流量作为预测变量，建立贝叶斯网络(BNs)模型，对泥石流发生概率进行预报。徐根祺等[11]基于宽度学习算法，以泥石流影响因子(降雨量、山坡坡度、沟床比降、相对高差、土壤含水率和孔隙水压力)为输入，泥石流发生概率为输出，并结合矩阵随机近似奇异值分解，构建了泥石流预报模型。范江琳等[12]结合中国气象部门的雨量划分标准和诱发泥石流的降雨历时时及平均降雨强度，建立基于降雨分级的泥石流降雨I-D预报模型，进行泥石流预报工作。余斌等[13-16]提出建立在泥石流形成条件基础上的预报模型，通过分析浅层滑坡诱发沟谷泥石流的形成机理，以贵州省望谟县打易镇附近的浅层滑坡诱发的沟谷泥石流为研究对象，通过研究泥石流形成的地形和降雨条件，提出浅层滑坡诱发沟谷泥石流的预报模型；通过分析沟谷泥石流的形成机理，综合分析地形、地质和降雨这三类因素，建立了10 min和1 h的沟床起动型泥石流精细化预报模型，在贵州望谟打易和四川德昌群发泥石流、汶川地震强烈影响区的文家沟多次泥石流事件中获得了很好的验证结果。

通过web of science、知网等文献搜索引擎，发现现阶段仍缺乏针对福建省泥石流的易发性及预报研究。为此，在实地调查基础上，根据地质灾害详细调查泥石流易发程度量化评分标准，将泥石流地质调查和影响因素量化，采用直接指标评价法对泥石流的易发程度进行评价；通过泥石流易发性评价为轻度易发的冲沟对浅层滑坡诱发沟谷泥石流降雨预报模型进行验证，并利用该预报模型给出三明后山冲沟泥石流预报临界降雨值，为该地区泥石流的防灾减灾、监测预报提供科学依据。

1 研究区概况

三明市位处福建中部偏西，调查区位于三明市城区东侧后山，主要为三明市区后山一重山流域沟谷，北至梅列区碧桂园后山，南至三元区富岗新村后山，坐标北纬26°13′24.36″～26°17′38.60″，东经117°36′32.52″～117°38′49.97″之间，长约9 km，宽0.5～1.5 km，总面积约12 km2。三明市区后山位于闽中玳瑁山北麓，属中低山-丘陵地貌，境内以低山及高丘陵为主，山体整体与沙溪走向平行，沿北东-南西向展布，绵延连续，总体地势呈东南高，西北低，西南侧分水岭高程多1 100～1 200 m，区域山坡受多条冲沟切割，形成岭谷相间地貌。

2019年进入汛期以来，三明市降雨频繁，降雨量大，其中数次过程强降雨量罕见，5月15—17日和6月7—10日三明市区累积降雨量分别达到322.7 mm和277.4 mm，其中5月16日当地24 h降雨量达256.3 mm，打破1961年以来当地日降雨量记录，达到特大暴雨级别，为50年一遇降雨(图1和图2)。

两次强降雨导致三明市区东侧后山产生大量山体滑坡，后山冲沟山洪暴发，严重威胁三明市城区办公、住宅、学校、道路等安全，极大影响人民群众的日常生活。现以2019年5—6月的两次强降雨过程新诱发地质灾害点为调查对象，实地调查了碧桂园后山、翡翠城后山、军分区等共20处冲沟及178处浅表层滑坡(图3)。

图1 研究区列西气象站2019年5月15—17日降雨量Fig.1 Rainfall of liexi weather station on May 15-17,2019

图2 研究区林校气象站2019年6月7—10日降雨量Fig.2 Rainfall of linxiao weather station on June 7-10,2019

由北至南，三明市后山冲沟依次排列为，碧桂园后山溪沟(沟1)、翡翠城后山溪沟(沟2)、紫莲桥后山溪沟(沟3)、高岩路弃土厂冲沟(沟4)、医科学院泳池后山冲沟(沟5)、医科学院操场后山溪沟(沟6)、党校仙人谷溪沟(沟7)、洗碗池厂后山冲沟(沟8)、仙灵山陵园后山冲沟(沟9)、九中后山溪沟(沟10)、东泉新村1#冲沟(沟11)、东泉新村2#冲沟(沟12)、东泉新村3#冲沟(沟13)、东泉新村4#冲沟(沟14)、山水御园后山溪沟(沟15)、圆通禅寺后山冲沟(沟16)、林校冲沟(沟17)、省安小区冲沟(沟18)、富岗新村冲沟(沟19)、城南村汽修厂后山溪沟(沟20)图3 后山流域冲沟分布及滑坡位置示意图Fig.3 Sketch of gullies and landslides distribution in Houshan basin

2 冲沟发生泥石流的易发性评价

三明市后山流域人类工程活动较为活跃，住宅、市政、休闲道路挖填等工程建设频繁，人工削坡现象较为普遍，多形成高差8～20 m、坡度50°～70°，局部逾80°的高陡边坡，因工程建设削坡破坏了坡体的平衡，加之斜坡支挡防护不足、排水系统不完善，2019年5—6月两次强降雨过程诱发了三明市城区后山流域多处滑坡。研究调查了全流域内共178处滑坡中，最大滑坡厚度3 m，均为浅表层小型滑坡，其中有113处滑坡位于20条冲沟内，占总数的63.5%，大部分滑体已滑移至坡脚，冲沟内有一定的松散物源，未发生滑坡崩塌的自然斜坡与已发生的滑坡所在斜坡具有相近的地形地貌、地层岩性及岩土体条件，在持续强降雨或特大暴雨作用下斜坡可能发生失稳，流域内松散物质增加，可见这些流域基本具备发生泥石流的物源基础，一旦发生暴雨，如100年一遇强降雨时，后山冲沟内将会产生更多的浅层滑坡，能够参与泥石流活动的松散固体物质更多，很可能暴发泥石流。

在实地调查基础上，根据直接指标评价法，即地质灾害详细调查泥石流易发程度量化评分标准(《泥石流灾害防治工程勘查规范》(T/CAGHP006—2018))，将泥石流地质调查和影响因素量化，通过崩滑严重程度、泥沙沿途补给程度、河沟纵坡坡降、松散物源储量等共15个要素对各冲沟进行综合打分，最后对各分项分值进行累计(表1)，其中综合评分为116～130，易发程度属于“极易发”；综合评分为87～115，易发程度属于“中等易发”；综合评分为44～86，易发程度属于“轻度易发”；综合评分为15～43，易发程度属于“不易发生”。

2019年5月15—18日50年一遇降雨情况下大部分冲沟流域内发育多处浅层滑坡，沟道内存在一定的泥石流物源，经易发性评价研究区内20条冲沟除了碧桂园后山冲沟为不易发外，其余冲沟的泥石流易发程度均为轻度易发。

研究区内轻度易发的19条冲沟泥石流属于浅层滑坡诱发沟谷泥石流，具有发生浅层滑坡诱发沟谷泥石流的基本条件：冲沟流域内相对高差大，沟谷纵坡较大，山体坡度大、沟谷两侧山坡90%坡度在25°～45°范围内，这个范围内的山坡坡度不仅有利于滑坡的产生，也能使部分或者全部滑坡松散物质运动到沟道中，为泥石流提供直接物源。研究区内各流域的汇流主要来自于沟道两侧的坡面径流，即在降雨条件下，雨水由坡面汇集到沟道后形成集中的径流，相对于50年一遇降雨诱发的滑坡数量以及提供的泥石流物源量，100年一遇甚至200年一遇暴雨诱发的滑坡数量以及提供的泥石流物源量都会大幅度提高，冲沟内将会发生更多的浅层滑坡，更多的滑坡为可能发生的泥石流提供更多固体物源，径流将进一步冲刷沟道内的松散固体物质，很可能暴发由浅层滑坡诱发的沟谷泥石流，对当地居民造成危害。

表1 泥石流沟易发程度数量化评分表Table 1 Debris flow susceptible degree appraisal

3 浅层滑坡诱发沟谷泥石流预报模型及验证

浅层滑坡诱发沟谷泥石流的形成特征可分为两个阶段，首先较长时间和较大强度降雨导致流域内多处发生浅层滑坡，部分或全部滑坡松散物质堆积在沟道中，成为泥石流的物源；其次强降雨在流域内迅速形成较大洪峰起动固体物质形成泥石流。余斌等[15]根据贵州省望谟县2011年6月6日特大暴雨作用下的浅层滑坡诱发沟谷泥石流提出预报模型，本文通过泥石流易发性评价为轻度易发的三明市后山19条冲沟(冲沟编号2-20)及2019年5、6月两次降雨数据对该模型进行验证。

3.1 浅层滑坡诱发沟谷泥石流预报模型

浅层滑坡诱发沟谷泥石流预报模型由地形条件和降水条件组成，其表达式如式(1)所示[15]:

P=RT0.45≥Cr

(1)

式(1)中:P为预警值；R为泥石流形成区降水因子；T为无量纲的地形因子；Cr为模型判据临界值，研究区内大范围分布燕山早期第三次侵入(ηγ52(3)c)中细粒花岗岩类(1-14号冲沟)；文笔山区域和翡翠城至紫莲桥区域多为侏罗系长林组(J3c)石英砂岩、砂岩类以及局部分布粉砂岩类(15-20号冲沟)(图4)，1 h预报模型花岗岩地区临界值Cr有3个：Cr1=0.40，Cr2=0.48，Cr3=0.55；砂岩地区临界值Cr也有3个Cr4=0.50，Cr5=0.59，Cr6=0.68，对应蓝、黄、橙、红Ⅳ级预警。当P≤0.40 时(当P≤0.50 时)，泥石流的发生可能性很低(蓝色预警区域)；当0.40 ＜P≤0.48 时(当0.50 ＜P≤0.59 时)，泥石流发生的可能性低(黄色预警区域)；当0.48 ＜P≤0.55时(当0.59 ＜P≤0.68时)，泥石流发生的可能性中等(橙色预警区域)；P≥ 0.55 时(P≥ 0.0.68 时)，泥石流发生的可能性很高(红预警区域)。

图4 后山流域岩性及气象站点分布Fig.4 Houshan basin lithology and weather stations distribution

3.2 地形条件

地形条件是泥石流发生的根本条件[17]，与浅层滑坡诱发沟谷泥石流有关的地形条件主要有：流域面积、山坡坡度、沟床纵比降等，并用一个无量纲的地形条件来描述，表达式如式(2)所示[15]：

T=SJ0.3(A/A0)0.2

(2)

式(2)中：S为25°～45°山坡坡度所占面积与流域面积之比；J为沟床纵比降；A为流域面积，km2；A0为单位面积，1 km2；A/A0为无量纲化的泥石流流域面积，代表流域的水流流量特征及物源来源特征(表2)。

表2 地形参数Table 2 Topography parameters

3.3 降水条件

泥石流暴发是前期累积雨量和当时激发雨强共同作用的结果[18]，标准化无量纲降雨因子可以表示为[16]

R=R*/(ROCV)=(B+5.5I)/(ROCV)

(3)

式(3)中：R为降水因子；R*为降雨综合值；B为泥石流暴发前前期累积降雨量，mm；I为泥石流暴发前1 h降雨量，mm；R0为当地年平均降雨量，mm，根据三明市区1990—2016年降雨资料统计，三明市区R0=1 700 mm；CV为当地1 h降雨变差系数，查《中国暴雨统计参数图集》(水利部水利局2006)所附中国年最大60 min点雨量变差系数等值线图，三明后山冲沟流域内CV取0.4。三明后山冲沟流域附近分布有两个降雨站点，分别是列西站和林校后山站，其中1～14号冲沟附近有列西降雨站点，流域内主要分布岩性为花岗岩；15～20号冲沟距离林校后山站点较近，流域内主要分布岩性为砂岩；因此综合考虑冲沟距降雨站点距离和流域内岩性两个因素，1～14号冲沟降雨数据选择列西降雨站点数据，15～20号冲沟降雨数据选择林校后山降雨站点数据(表3)。

3.4 浅层滑坡诱发沟谷泥石流预报模型验证

将表2和表3数据代入式(1)得出预报模型预警值(图5和图6)，2019年5月15—17日和6月7—10日三明市暴发强降雨，其中5月16日24 h降雨量为50年一遇，两次强降雨导致后山冲沟山洪暴发，无泥石流发生。从图5和图6可看出所有未发生泥石流的点都在P=0.40、0.50安全线以下，模型预报结果与实际相符，模型无误报。未发生泥石流的点都在安全线附近且接近安全线，表明模型判据临界值Cr取值合理，若判据临界值Cr过小，易出现误报，若判据临界值Cr过大，易出现漏报。当三明后山流域遭遇100年一遇甚至200年一遇暴雨时，后山冲沟内将会产生更多的浅层滑坡，能够参与泥石流活动的松散固体物质更多，很可能暴发由浅层滑坡诱发的沟谷泥石流；从预报模型上看，相对于50年一遇降雨情况，当遭遇100年一遇甚至200年一遇暴雨时，模型地形因子T不变，降雨因子R增大，模型预警值P随之增大，将超过预警线，可对泥石流发生情况进行准确预报，因此该预报模型能够适用于三明后山冲沟泥石流预报。

表3 降雨参数及预警值Table 3 Rainfall parameters and the prediction-value of debris flow

图5 1～14号冲沟预报模型验证(花岗岩区域)Fig.5 Validation in 1-14 gullies for prediction model(granite region)

图6 15～20号冲沟预报模型验证(砂岩区域)Fig.6 Validation in 15-20 gullies for prediction model(sandstone region)

4 泥石流预报

(4)

表4 浅层滑坡诱发沟谷泥石流预报判据临界值Table 4 Warning thresholds of prediction model of debris flow caused by shallow landslides

5 结论

2019年5月15—17日和6月7—10日三明市暴发强降雨，其中5月16日24 h降雨量为50年一遇，强降雨导致三明市后山冲沟山洪暴发，流域内发育多处浅层滑坡，为泥石流形成创造了条件。本文通过对三明市后山冲沟现场调查研究，根据直接指标评价法对冲沟泥石流易发程度进行评价，并对浅层滑坡诱发沟谷泥石流降雨预报模型进行验证，并提出临界降雨指标。

(1)研究区20条冲沟除了碧桂园后山冲沟为不易发外，其余19条冲沟的泥石流易发程度均为轻度易发。在100年一遇甚至200年一遇暴雨发生时，19条冲沟将会发生更多的浅层滑坡，很可能会暴发由浅层滑坡诱发的沟谷泥石流。

(2)通过19条冲沟地形数据和2019年5—6月两次降雨数据，对浅层滑坡诱发沟谷泥石流降雨预报模型进行验证，结果表明模型预报结果与实际相符，模型判据临界值Cr取值合理，该预报模型能够适用于三明后山冲沟泥石流预报。