北京市延庆区秤勾湾沟泥石流特征及预警雨量研究

梁永顺，孙永彬，王瑞军

（核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002）

0 引言

我国目前达到一定规模的泥石流沟数目超过5万条，分布在48%的国土面积上（陈晓清等，2006）。泥石流作为我国最常见的山地灾害之一，每年导致数百人死亡，造成超过10亿元的直接经济损失，给社会经济可持续发展带来严重威胁（崔鹏等，2005；李媛等，2013）。北京地区历史上曾发生过20余次泥石流地质灾害，造成500余人伤亡和重大财产损失（韦京莲等，1994a）。

泥石流灾害调查与防治研究逐步向科学化、精细化、规范化发展。目前，韦京莲等多位学者开展了泥石流沟域形成特征、发育规律、临界雨量、预警模型研究（韦京莲等，1994b；涂剑等，2017；张熠昕等，2018）；多名学者利用神经网路、虚拟现实等技术在泥石流监测、预警系统、防灾避险等方面开展了应用研究，为泥石流防治开创了新的思路和方法（唐邦兴和吴积善，1990；白利平等，2008；涂剑等，2017；黎厚富，2018；王猛等，2018）；许多学者采用统计分析手段研究降水和泥石流事件之间的经验关系（薛建军等，2005；刘传正和刘艳辉，2007；刘艳辉等，2015）；贺拿等（2013）针对泥石流启动机制开展了野外观测、实验及理论研究；康志成等（2004）开展了中国泥石流启动形成机理研究；戚国庆和黄润秋等（2003）基于非饱和土力学理论，对降雨型泥石流的启动机理进行了研究。

本文是在诸多学者研究成果基础上，开展北京市延庆区秤勾湾沟域的泥石流特征及预警雨量研究，通过分析流域范围内地质环境特征、流域特征、物源特征、降水特征，全面深入掌握泥石流灾害地质背景条件、分布及发育特征、发生发展规律，科学评价研究其预警雨量阈值，进一步提出防治措施建议，科学精准防治泥石流灾害。

1 流域概况

延庆区位于北京市西北部，东临昌平，西临河 北，东 经115°04.03′～116°34.01′，北 纬40°16.02′～40°47.03′，全区面积1995.86 km2。该区地势北东高、南西低，山区、浅山区沟谷随时间推移，切割不断增强，受区域地质环境和地形地貌影响，长期受泥石流地质灾害的威胁。

秤勾湾沟位于珍珠泉乡，距延庆城区40 km，流域平面形态呈近似“扇叶形”、“V”形谷。流域自南东向北西展布，三面环山，沟谷较宽缓，面积6.12 km2。主沟起点位于北西侧坡顶，高程1023 m，沟道纵长5.7 km，宽3～12 m，高差521 m，平均纵坡降110‰；出露地层为侏罗系后城组安山角砾岩、髫髻山组安山角砾岩；白垩系凝灰岩、石英粗面岩和第四系冲洪积层；松散岩类孔隙水分布于卵石土层中，导水性好，主要补给来源为降雨和季节性流水；流域内耕地广布，分布在中下游；沟口处削坡建房，沟道改造严重；沟口堆积区物源为粉质粘土，松散，暴雨季节该类松散堆积物源随水流排泄，易形成泥石流灾害。

2 泥石流特征

2.1 降水特征

据延庆区降雨资料显示：区内多年的平均降水量为446 mm（图1），降水量在空间分布上不均匀，呈东侧多西侧少、山区多平原少总体特征。

图1 延庆区多年降雨量柱状图

降水量存在时间分配上不平衡，每年6月至9月的汛期降水量约占全年总降水量的80%以上。暴雨集中在6月至7月，一次连续最大降雨量为258.7 mm。历时短、强度高的典型集中性强降雨，极易引发泥石流地质灾害的发生。

2.2 分区特征

（1）形成区特征：形成区位于秤勾湾沟南东侧（图2），沿主沟和北东向、南西向支沟形成扇形补给，面积为3.14 km2，形成区发育12条支沟，呈树枝状分布，“V”型谷，交汇于南东向-北西向主沟，支沟两侧山体切割强烈，沟道底部宽度5～15 m，支沟平均纵坡降210.26‰，沟道两侧斜坡面坡度30°～50°，植被覆盖度75%。支沟沟道和斜坡面第四系残坡积物源发育，强降雨过程中将迅速汇入主沟沟道中，该区内物源厚0.5～2.3 m，补给量占流域总补给量的85%。

图2 秤勾湾村泥石流沟道分布及分区图

（2）流通区特征：流通区位于秤勾湾沟中下游，面积2.42 km2，沟道平均坡降102.26‰，“V”型谷，沟道底部宽10～20 m，沟道两侧斜坡面坡度20°～45°，为各支沟的汇水区域，沟道汇水区域集中。各支沟和坡面的物源流通量占沟域总流通量的90%，流动过程中能量和流量不断加大，沿程侵蚀物源，形成泥石流。

（3）堆积区特征：堆积区位于秤勾湾沟沟口，沟道形态呈拓宽型“U”型谷形态，平均坡降21.65‰。沟域各支沟上游坡降较大，流体流速快，物源较多，在此区域堆积，形成泥石流堆积区域，秤勾湾村民房、公路和坝阶地集中分布。

2.3 流域特征

秤勾湾沟泥石流沟域三面环山，沟谷较宽缓，无严重堵塞情况，利于水流汇集，发育15条主支沟，V字型，下游汇合后，沿下方冲沟排泄。沟谷流通区多呈下切现象，表层松散碎屑物较多，碎石土和粉质粘土为主，斜坡面堆积物分布，斜坡较缓植被覆盖强。沟道多被改为坝阶地，堆积物为粉质粘土，结构松散，易启动。

2.4 物源特征

秤勾湾沟总体植被发育，生态环境好，水土流失弱，沟域内发育的物源主要包括冲洪积堆积物、残坡积堆积物和人工堆积3种松散堆积物补给来源（图3）。

经统计分析：流域内松散堆积物源静储量为166.92×104m³，原始沟道极不平整，多条支沟、主沟的沟道凹凸不平，以致泥石流流通运移过程中存在“铺床效应”，经分析，流域内松散堆积物动储量为69.18×104m3。

（1）冲洪积堆积物：成分为碎石土和粉质粘土，沟道冲洪积成因类型，集中分布在堆积区和流通区（图3a），物源宽6～12 m，厚1.5～2.5 m，平均厚0.8 m，块石直径0.1～0.2 m，平均粒径0.1 m，物源总量51.34×104m3，可参与泥石流活动的物源量为17.08×104m3。

图3 秤勾湾村泥石流隐患松散堆积物分布图

（2）残坡积松散物：成分为碎石、块石、碎石土等第四系的残坡积物，集中分布在各支沟和主沟两侧斜坡面（图3b），分布广泛，厚0.1～0.5 m，平均0.2 m，块石直径0.1～0.5 m，平均粒径0.2 m，物源总量28.62×104m3，可参与泥石流活动的物源量为10.8×104m3。残坡积松散物发育在坡体土体厚度较厚且缺乏足够的前期降雨，坡脚临空条件较好，坡面呈上陡下缓（唐红梅等，2014）。

（3）人工堆积物：人类活动坝阶地堆积物，集中分布在堆积区中下游及沟口（图3c），地形坡度缓，厚1.0～3.0 m，平均1.5 m，物源总量8.69×104m3，可参与泥石流活动的物源量为4.13×104m3。

3 泥石流沟危险性评价分析

3.1 评价指标的选取

泥石流具有高重度、高级配、高黏性等性质，是一种破坏力极强的非均质流体（苟印祥，2012），结合形成泥石流3个不可或缺的条件：①恶劣的地形地貌条件；②丰富的固体松散物质条件；③强降雨。本次综合考虑评价因子的全面性和代表性，选取地质因素、地形因素、激发因素和植被因素4个因素作为一级指标。并选取松散堆积物储量、山坡平均坡度、流域面积、流域相对高差、主沟长度、年平均降雨量和植被覆盖率共7个因素作为二级评价指标（图4）。

由于地质条件组合最终效果是为泥石流的松散堆积物贡献，所以本次评价直接选用松散堆积物储量这一评价指标，提高了评价指标的准确性，为泥石流沟单沟危险性评价提供了更加准确的数据基础。

3.2 评价权重确定与等级划分

本次研究选择采用灰色系统关联度方法来计算因子的权重。灰色系统理论中由关联度大小排列而成的关联序不因分辨系数、无量纲化和参考点的位置变化而变化，根据这一特性确定次要因子的关联序，并从关联度最小的因素开始给定起始权数作为公差依次以等级数向关联度变大的方向递增权重。

采用对称不等分间隔的三级分割法划分各因子的等级，结合该因子权重赋予各等级得分。最后将各因子得分相加得到综合得分根据危险程度等级评定单沟的危险度，从而建立危险因素取值与危险程度评定模型（表1）。最后将各因子得分相加得到综合得分根据危险程度等级评定单沟的危险度。

表1 北京延庆地区泥石流危险因素取值与危险程度评定表

3.3 危险性评价结果

综合分析得出秤勾湾泥石流沟危险性评价因子数据。其中，v1，v2，v3，v4，v5，v6，v7分别代表松散物储量（×104m3）、年平均降雨量（mm）、主沟长度（km）、流域面积（km2）、植被覆盖率（%）相对高差（m）和山坡平均坡度（°）的量化值。本次研究针对该沟域进行了单沟危险性评价，评价结果为高危险。

4 预警雨量阈值研究

4.1 模型建立

韦方强等（2004）将泥石流预报按不同的依据进行了分类，本次预警模型研究是在不同危险性泥石流灾害隐患预警雨量阈值的基础上，利用3S技术为平台，进行规则格网量化处理，依据沟道的具体实际情况对整个沟域主沟与支沟交汇处进行划分，模拟不同等级的降雨过程，计算各分区汇水处的累计流量，确定各区域的雨量状态，实现在沟域内的分区预警。

以规则格网表示的数字地面高程模型每点处的单位水量，由于自然水流从高处流往低处的自然规律，根据区域地形的水流方向数据计算每个规则格网处所流过水量的数值，进而得到该区域的汇流累积量。通过设置每个规则格网的面积，确定流域的汇流累积量区间规则格网个数，选取沟道内关键位置，确定位置上游处的汇流累计量和泥石流发生时的激发雨量，得到确定沟域内的泥石流爆发值。

本次研究将秤勾湾沟分成1 m×1 m的网格，每个网格最大吸水量为降雨减去雨水的损失量，即在一定的降雨时段，沟道与坡面没有雨水的流动，随着持续的强降雨不断汇入流域内，当坡面达到饱和时，雨水沿沟道和坡面流出，在不同的坡度、土质类型、植被覆盖、沟道与坡面长度及径流产生前的植被残留等因素影响，水体的流速和汇流时间出现较大的差异，所以不同沟域地形特征、降雨条件、植被类型、岩土体类型等因素更加准确的评估预警流量。

本次研究在对泥石流沟获取危险性评价结果的基础上，根据评价结果及近些年该区域发生泥石流过程雨量及小时最大雨量的临界值，统计计算不同危险性泥石流预警雨量阈值（表3）。

表2 北京延庆地区秤勾湾泥石流沟危险等级评价结果表

表3 不同危险性泥石流沟预警雨量阈值

该研究选取美国农业部水土保持局（USDA）开发的URCS-CN模型（Wilner，2019）：

公式（1）中，Q—实际径流量（mm）；P—一次降雨过程的总量（mm）；S—为径流产生前植物截留、初渗和填洼构成集水区的初损（mm），而潜在最大入渗量的计算涉及泥石流流域CN值的确定。

公式（2）中，S—为径流产生前植物截留、初渗和填洼构成集水区的初损（mm），CN值是流域中各子单元前期土壤湿润程度、坡度、土壤类型及土地利用的函数；从理论上讲，CN的取值介于0～100之间，但在实际环境条件下，CN值小于30的情况不可能发生，同样CN值大于100是不可能出现，因此，CN值通常只在30～100之间变化（王红雷等，2012）。CN值越大，径流深也越大，意味着降雨量转化为径流量越多，间接反映了流域各子单元的产流能力。

CN值主要是由流域下垫面土地利用类型、土壤类型、植被覆盖类型、前期土壤湿度（AMC）以及管理状况和水文条件等所决定的，利用GIS等技术手段可以根据土壤水分的最小渗透率或土壤质地将土壤数据划分为A、B、C、D等4组水文土壤类型（表4）。

表4 四种不同土壤水文组合类型特征统计（李文耀等，2020）

4.2 预警雨量阈值研究

经评价分析，秤勾湾沟属高危险泥石流沟，红色预警过程雨量122 mm、橙色预警过程雨量109 mm、黄色预警过程雨量95 mm、蓝色预警过程雨量82 mm。

秤勾湾泥石流沟分为6190个网格，在沟域典型区选取3个位置进行分区，分别划分为一区、二区、三区，进行预警雨量阈值的计算，一区的网格数为390个，二区的网格数为1100个，三区的网格数为4700个。

本次计算根据延庆地区对泥石流沟危险性预警分级设定的过程雨量作为计算时的过程雨量，假设降雨持续时间为5小时，依据URCS-CN模型对沟域内沟道与坡面的流速、汇入时间及净流量进行计算。

秤勾湾沟在10 min、20 min、30 min、60 min时，雨水流入下垫层和残留在植被中，沟域内无净流流出，当在120 min、200 min、240 min、300 min时净雨量分别为1.87 mm、15.85 mm、26.52 mm、45.82 mm，依据URCS-CN模型对沟域内沟道与坡面的流速、汇入时间及净流量进行计算（图5、表5～8）。

图5 秤沟湾沟不同过程雨量下各分区阈值流量散点图

表5 120 min各分区的净雨量统计

经计算，秤勾湾沟相同分区内流速及汇流时间随着过程雨量的增加而增加，但阈值流量变化较小，说明过程雨量对于个分区的阈值雨量影响较小，故各区预警阈值量以三组过程雨量的平均值进行确定。

表6 200 min各分区的净雨量统计

表7 240 min各分区的净雨量统计

表8 300 min各分区的净雨量统计

分区雨量研究结果：形成区红色预警过程雨量1532.34 mm、橙色预警过程雨量1379.11 mm、黄色预警过程雨量1225.87 mm、蓝色预警过程雨量1072.64 mm；流通区红色预警过程雨量1015.25 mm、橙色预警过程雨量913.73 mm、黄色预警过程雨量812.20 mm、蓝色预警过程雨量710.68 mm；堆积区红色预警过程雨量820.26 mm、橙色预警过程雨量738.24 mm、黄色预警过程雨量656.21 mm、蓝色预警过程雨量574.18 mm（图6）。

图6 各分区累计降雨量与预警等级关系（图6a,c,e）及不同预警等级短时强降雨与长时弱降雨散点图（图6b,d,f）

秤勾湾沟累计流量与预警流量呈线性关系，前期有效降雨与短时强降雨呈彼增我减的态势，红色预警范围左侧为泥石流灾害的低频区，红色预警范围为泥石流灾害的高频区。

5 防治措施建议

秤勾湾沟物源集中在各主支沟沟道的形成区。建议采用沟道物源稳固和清理相结合的综合治理措施。

主要防治措施包括：①对各支沟沟道中上游发育的沟道冲洪积物、坡面残坡积物和主沟道内的冲洪积物和人工堆积物源进行清理和稳固，减少沟道堵塞程度，达到及时清淤及缩减泥石流危害范围的目的；②加强沟域植被保护和和水土保持，减少泥石流活动物源，对村民进行避险培训及撤离演练，设立专人定时对沟域进行巡查，并记录沟道内切淤情况，安装和定期检查相应的泥石流监测设备。

6 结论

（1）秤勾湾沟内可参与泥石流活动的物源动储量为32.01×104m3，其中，冲洪积堆积物17.08×104m3，残坡积堆积物10.8×104m3，人工堆积物4.13×104m3，采用灰色系统关联度方法开展危险性评价得出：危险性综合评分0.84，危险性评价等级为高危险。

（2）利用URCS-CN预警雨量模型开展阈值研究，结果表明：形成区红色预警过程雨量1532.34 mm、橙色预警过程雨量1379.11 mm、黄色预警过程雨量1225.87 mm、蓝色预警过程雨量1072.64 mm；流通区红色预警过程雨量1015.25 mm、橙色预警过程雨量913.73 mm、黄色预警过程雨量812.20 mm、蓝色预警过程雨量710.68 mm；堆积区红色预警过程雨量820.26 mm、橙色预警过程雨量738.24 mm、黄色预警过程雨量656.21 mm、蓝色预警过程雨量574.18 mm。累计流量与预警流量呈线性关系，前期的有效降雨与短时强降雨呈彼增我减的态势。

（3）防治建议：秤勾湾沟物源集中在各主支沟沟道的形成区，建议采用沟道物源稳固和清理相结合的综合治理措施。