北京市怀柔区琉璃庙镇泥石流发育特征及监测预警

罗守敬，王珊珊，刘才伟，姚 康，宋庆伟

（1. 北京市地质研究所，北京 100120；2. 中国地质环境监测院，北京 100081）

泥石流是北京山区最严重、最具破坏性的地质灾害，曾造成500余人伤亡和重大财产损失，具有暴发突然、危害大等特点（赵忠海，2009；齐干等，2019）。怀柔区位于北京市东北部，山地占据全区面积的88.7%，地质灾害发育，其中泥石流是主要的地质灾害，共计212处（北京市地质工程设计研究院等，2020），约占全区地质灾害的29.86%，泥石流流域面积占该区山地面积的13.23%。怀柔区近现代泥石流活动十分活跃，自1949年以来，1969年、1972年、1989年、1991年及2018年，怀柔区均发生了十分严重的泥石流灾害，导致170多人死亡、数十人受伤，大量的农田和房屋受损，造成了重大的经济损失（北京市地质矿产勘查开发局等，2008；北京市地质工程设计研究院等，2020）。

琉璃庙镇位于怀柔区中北部，辖区面积206.3 km2，共有泥石流72处，约占全区泥石流总数的三分之一。该镇历史上曾发生多次泥石流灾害，造成了严重的人员伤亡和财产损失，是怀柔区泥石流发育数量最多的镇。本文在对怀柔区琉璃庙镇泥石流地质灾害资料全面搜集的基础上，对琉璃庙镇72条泥石流沟的发育特征、易发性及成因进行分析研究，并结合现有地质灾害监测预警内容，提出开展重要泥石流沟单沟预警，加强预警阈值研究，提高泥石流灾害预警的精度，实现精准有效的预防。

1 泥石流概况

琉璃庙镇泥石流非常发育，近代多次发生泥石流灾害，不仅造成重大人员伤亡，还损毁了大量土地、房屋等。1969年8月10日，云蒙山周边日雨量达200～350 mm，琉璃庙、崎峰茶等地区36条沟谷暴发泥石流，共造成88人死亡；1972年7月26—28日，黑坨山地区日雨量为200～400 mm，崎峰茶、琉璃庙等地区28条沟谷暴发泥石流，死亡39人；2018年7月16日，北京怀柔区突发强降雨天气，琉璃庙镇龙泉峪村偏条沟及后山铺村七道沟发生泥石流灾害，导致公路中断，输电输水管线损毁（北京市地质工程设计研究院等，2020）。

目前，琉璃庙镇25个行政村中共有17个行政村发育泥石流（图1），占村庄总数的68%，其中尤以得田沟村、龙泉峪村及孙胡沟村数量众多。泥石流威胁对象主要为居民点、道路及景区。

图1 琉璃庙镇泥石流现状分布示意图Fig. 1 Distribution map of debris flow in LIULIMIAO town

2 泥石流发育特征

琉璃庙镇共有泥石流沟72条，泥石流沟流域总面积为72.91 km2，约占镇域面积的35.34%；泥石流均为暴雨-沟谷型泥石流，规模主要为中型和小型。

（1）流域面积

流域面积是泥石流沟地貌形态的重要表现，一般对流域内松散物质的分布、降雨汇集等产生影响（姚振国等，2019）。琉璃庙镇以小流域面积的泥石流沟为主，一般形成区面积较大，流通区以沟道为主，现场调查堆积区扇形地一般不明显，面积相对较小（图2）。据统计，琉璃庙镇流域面积小于2 km2的泥石流沟有64条，占总数的88.89%，其中有44条面积小于0.5 km2；面积≥2 km2且＜5 km2的泥石流沟有6条，占总数的8.33%；面积≥5 km2的泥石流沟有2条，占总数的2.78%。依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，琉璃庙镇97.22%的泥石流沟流域面积易发性评价量级打分均为最高，非常利于泥石流的发生。

图2 小鲁涧沟泥石流流域平面分布图Fig. 2 Plane distribution of xiaolujian gully debris flow basin

（2）相对高差

相对高差是泥石流流域的地形起伏程度和切割侵蚀强度的重要体现（刘德玉等，2019；张书豪等，2019），一般相对高差越大，泥石流形成时的动力越强。琉璃庙镇泥石流隐患流域相对高差主要集中在200～500 m，共计有49条，占总数的68.06%，其中相对高差为300～500 m的泥石流沟共有34条，相对高差量化级别为中等的约占泥石流沟总数的一半。此外，相对高差大于500 m的泥石流沟共有14条，依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，琉璃庙镇泥石流沟相对高差易发性评价量级打分中等偏上，有利于泥石流的发生。

（3）主沟长度

主沟道是泥石流汇流、运动、堆积的主要场所（图2、图3），主沟长度决定着泥石流的运动长度和物源参与程度，泥石流运动长度越远表明其能量和破坏力越大（黄成等，2019；北京市地质工程设计研究院等，2020）。根据统计，琉璃庙镇主沟曲线长度小于1 km的有25条沟，占34.72%；1～2 km的泥石流沟有29条，占40.28%；2～3 km的泥石流沟有9条，占12.5%；大于3 km的泥石流沟有9条，占12.5%。其中转洼沟泥石流隐患主沟最长，达8.355 km。琉璃庙镇泥石流沟主沟曲线长度相对较小，能量汇集程度相对较低，不利于泥石流的发展扩大。

图3 梧桐豪东沟泥石流主沟沟道工程地质剖面图Fig. 3 Engineering geological section of main gully of Wutong gully debris flow

（4）主沟弯曲系数

主沟弯曲系数是指主沟曲线长度（实际长度）与主沟直线长度的比值，比值一般大于1。它反映沟道泄流、堵塞程度，影响泥石流的爬高、冲起高度，从而间接影响泥石流的固体冲出物方量及规模（王英杰等，2014）。一般弯曲系数越大，表明沟道地形起伏越大，泥石流运动时弯道超高等特征越明显，泥石流的运动能量相对越大。据统计，琉璃庙镇72条泥石流沟的主沟弯曲系数为1.02～1.51，依据刘希林等（2004）对影响泥石流危险性的重要流域因子划分等级标准，琉璃庙镇泥石流沟的弯曲系数等级主要为小级及中级（表1），其中中级的共有32条，占总数的44.44%，小级的共有30处，占总数的41.67%。琉璃庙镇泥石流沟主沟弯曲系数中等偏下，不利于泥石流的发展，最终影响泥石流的灾害规模。

表1 琉璃庙镇泥石流隐患主沟弯曲系数统计表Tab. 1 Statistical table of bending coefficient of main gully with potential debris flow hazard in LIULIMIAO town

（5）切割密度

流域的切割密度是泥石流沟流域范围内沟道的总长度与流域面积的比值，刘希林自1988年研究泥石流危险度开始，就将泥石流的流域切割密度作为影响泥石流危险性的5个次要影响因子之一。流域的切割密度主要反映了流域的主沟、支沟发育情况，进而关联沟道降雨汇集、流动、地质构造、岩性、物源分布等（图4）。一般来说，流域切割密度越大，支沟越发育，降雨汇流越大，物源分布更多更广，泥石流潜在破坏力就越大（北京市地质工程设计研究院等，2020）。

图4 梧桐豪东沟泥石流流域内沟道发育分布图Fig. 4 Distribution of gully in Wutong gully debris flow basin

据统计，琉璃庙镇72条泥石流沟流域切割密度为6.21～17.01 km·km-2，无切割密度小的泥石流沟。据统计，中等切割密度6～10 km·km-2的泥石流沟数量最多，达到57条，占总数的79.17%，与怀柔区中等切割密度泥石流沟占怀柔区泥石流沟总数的81.7%相当；切割密度大于10 km·km-2的泥石流沟数量为15条，占总数的20.83%。琉璃庙镇流域切割密度中等偏上，有利于降雨汇集及物源分布堆积，有利于泥石流的发生。

（6）主沟纵坡

主沟纵坡是泥石流沟沟源与沟口高程之差与主沟长度的分段加权平均值，其直接影响流域汇水及泥石流运动速度，主沟纵坡越大，运动速度越快，且与泥石流的破坏力密切相关（刘德玉等，2019）。据统计，琉璃庙镇泥石流沟的主沟纵坡为82.16‰～488.41‰，依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，量化等级为严重，主沟纵坡＞213‰的泥石流沟共有55条，占总数76.39%，非常有利于泥石流的发生（图3）。

（7）山坡平均坡度

山坡平均坡度反映流域坡面汇流速度和携带固体物质的能力（刘德玉等，2019）。一般来说泥石流沟内山坡平均坡度越大，发生泥石流的动力条件越大；同时坡体的稳定性相对越差，崩塌、滑坡等不良地质现象相对更发育，泥石流的物源相对更多。据统计，琉璃庙镇72条泥石流沟山坡平均坡度为20.45°～35.30°（图5）。依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，53条山坡坡度≥25°且＜32°的泥石流沟量化等级为中等，占总数的73.61%，10条山坡坡度≥25°的泥石流沟量化等级为严重，占总数的13.89%。因此，琉璃庙镇泥石流沟的山坡平均坡度有利于泥石流的发生。

图5 梧桐豪北沟泥石流流通区沟道横断面图Fig. 5 Debris flow channel cross section of Wutong ditch, Wutong County

（8）物源量

物源是泥石流发生的一个重要影响因素，根据成因不同，琉璃庙镇泥石流的物源主要由冲洪积物源、崩滑塌物源、残坡积物源及人工堆积物源组成。冲洪积物源主要由块石、卵石、砂和黏土等组成，主要分布在沟道沿线及两侧（图6）；崩滑塌物源主要为崩塌堆积体，由块石组成，主要分布在沟道中上游坡面及坡脚处；残坡积物源主要为碎石土、黏土，分布在相对较缓的坡面；人工堆积物源是修路切坡、采矿等人类工程活动留下的弃渣，分布相对较少（图7）。据统计，琉璃庙镇泥石流的物源总方量为1409.63×104m3。据统计，72条泥石流沟沿沟松散物贮量5.39×104～75.92×104m3·km-2（图8），其中大于10×104m3·km-2的泥石流沟共计69条，依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，量级打分级别最高，非常利于泥石流的发生。

图6 泥石流沟道内松散冲洪积物源Fig. 6 Source of loose alluvial proluvial material in debris flow gully

图7 采矿遗留的松散堆积物Fig. 7 Loose deposits left by mining

图8 泥石流沟沿沟松散物贮量分布直方图Fig. 8 Distribution histogram of source volume of debris flow gully

（9）易发性

泥石流的易发性是开展泥石流灾害风险评价的基础，同时也是开展泥石流防治工作的重要依据。依据DD 2019－08地质灾害调查技术要求（1∶50000）附录c.8，对影响泥石流的15个评价因子进行量化打分并综合判定易发性。据统计，受沟口泥石流堆积活动不明显、植被覆盖率高、河沟近期一次变幅等主要打分因素偏低影响，琉璃庙镇无高易发泥石流沟，易发性为中易发的泥石流沟14条，占总数的19.44%，易发性为低易发的泥石流沟58条，占总数的80.56%。这与怀柔区泥石流低易发、中易发比例分别为25.94%、74.06%是基本一致的，与北京市泥石流易发性主要为低易发也是相符合的（北京市地质研究所，2014）。相比低易发泥石流沟，中易发的泥石流沟在泥沙沿程补给长度比、主沟纵坡、沟岸山坡坡度等因素上量化打分相对要高，提升了易发性级别，打分结果与上述统计分析也是相对应的。

3 泥石流成因

泥石流的发生，需要满足3个最基本的条件，即有利的地形、充足的物源及突发的水力条件，三者缺一不可。

（1）地形

琉璃庙镇地处燕山山脉，地貌类型为中山及低山，地势西北高、东南低。受地质构造影响，琉璃庙镇中山地区形成了沟谷切割深、地形起伏大、岩体相对坚硬的沟谷，低山地区形成了沟谷切割较深、地形起伏较大、冲洪积物及残坡积物分布较广的沟谷。据统计，72条泥石流沟中，有39条泥石流沟发育在低山区，占总数的54.17%；中山区发育18条泥石流沟，占总数的25%；剩余的15条泥石流沟形成区主要在中山区，流通区及堆积区在低山区，占总数的20.83%。琉璃庙镇流域面积较小、流域切割密度较大、主沟纵坡大、山坡平均坡度较大，既利于降雨的汇集及流动，又利于沟内边坡上的松散物质被水力侵蚀向沟谷内聚积及沟道冲刷，为泥石流的形成提供了有利的地形条件。

（2）物源

琉璃庙镇泥石流沟内物源丰富，总方量达1409.63×104m3，单沟物源平均方量达19.58×104m3。泥石流沟内物源以块石、卵石、砂、黏土为主，结构松散，主要分布在沟道及其两侧；此外，崩塌等不良地质现象、修路切坡、采矿等也为泥石流的发生提供了物源。据统计泥石流沿沟松散物贮量5.39×104～75.92×104m3·km-2，泥石流沟物源充足。

（3）降雨

丰富的降雨为泥石流的形成提供了充足的动力条件，有利于泥石流的形成（罗守敬等，2016；王海芝，2019）。琉璃庙镇多年平均降水量约为450 mm，相对较少，但降雨具有以下特点：第一，降雨集中在每年的6—8月，累计降水量300 mm左右，占全年总降水量的60%～80%；第二，短时降雨强度较大，如1969年8月（日均200～350 mm）、1972年7月（日均200～400 mm）、2018年7月16日（最大300 mm）的短时强降雨造成琉璃庙镇内多次发生泥石流、山洪。

综合所述，地质构造运动形成了相对高差大、山坡陡的沟谷地貌，有利于降水的汇集，为泥石流的发生提供了基本的动力条件（申健等，2018）；沟道堆积、崩滑塌及人类工程活动形成的物源，为泥石流的发生提供了充足的物源；暴雨则是泥石流发生的促发因素。一旦满足上述3个基本条件，沟谷即存在发生泥石流的可能。

4 监测预警

泥石流是最具破坏性的地质灾害，一旦发生，可能会造成较大的人员伤亡及财产损失，因此泥石流的防治工作非常重要。泥石流的防治措施主要包括群测群防、应急避险、工程治理、搬迁避让、监测预警等（刘连刚，2015；黄来源，2020）。相对于工程治理、搬迁避让的经济花费高、群测群防人员需求量大等特点，泥石流专业监测预警具有经济花费相对较低、专业性强、全天候实时、远程可视等特点。

2013年至今，北京市针对山区突发地质灾害逐步开展专业监测预警工作（张亮等，2015；南等，2020），在全市431处泥石流构建了专业监测系统。目前，琉璃庙共有23处泥石流开展专业监测，监测仪器包括雨量计、含水率仪、次生仪、流速仪、泥位计、视频等，共计57台套（航天科工惯性技术有限公司，2018）。通过专业仪器监测，实时采集雨量、含水率、泥位、流速、泥石流发生信号等数据，实时查看沟道内流水情况，为地质灾害防治主管部门及时发布灾害预警信息提供有效的科学依据。在2018年“7·16”暴雨、2019年“8·5”暴雨、2020年“8·12”暴雨及2021年“7·12”暴雨等强降雨期间，北京市突发地质灾害监测预警系统实时快速地提供了山区降雨、土壤含水率饱和情况、沟道流水等数据信息，为地质灾害应急避险、后续调查及防治工作提供了有效的数据支撑。

但目前北京地区突发地质灾害气象预警主要是区域性的，预警的精度仍需进一步地提升（南等，2020）。受预警精度偏低的限制，预警发布后，后续类似避险转移等应急防治工作可能会浪费一定的人力物力，影响预警效果。因此区域性的预警是地质灾害专业监测预警的最初阶段，尤其对于泥石流而言，开展单沟的预警方能实现利用专业仪器开展地质灾害监测预警的目的（路璐等，2016；丁桂伶等，2017）。

建议在北京地区逐步、准确、动态开展泥石流单沟预警工作：①由于泥石流沟数量相对较多，开展每一条沟的预警，工作多，任务重，建议在区域预警的基础上，对威胁人员及财产较多、危害程度较大的泥石流沟开展有效的单沟预警工作；②依据北京市泥石流精细调查成果，全面搜集泥石流沟周边临近雨量站历史雨量数据，不能以区代镇，以域代点，做到雨量数据准确，加强阈值研究，做到单沟预警更加符合实际；③加强泥石流沟内物源动储量研究，为单沟预警提供准确数据；④加强对泥石流动态变化特征的调查及分析，及时调整单沟预警成果，以保障预警的精准度。

5 结论

（1）琉璃庙镇位于怀柔区中北部山区，共有泥石流72处，约占怀柔区泥石流总数的三分之一，是怀柔区泥石流数量最多的乡镇。孙胡沟、七道沟等多条泥石流沟曾多次发生泥石流灾害，造成人员伤亡及财产损失，选取琉璃庙镇作为研究对象具有代表意义。

（2）通过分析泥石流沟的特征参数，琉璃庙镇泥石流具有单沟流域面积小、相对高差较大、主沟长度小、主沟纵坡大、主沟弯曲系数较小、切割密度中等偏上、沿沟松散物贮量大、易发性低的特点。

（3）从地形、物源和降雨条件3方面分析了琉璃庙镇泥石流的成因，地质构造运动形成的沟谷高差大、山坡陡，为泥石流的发育提供了地形条件；沟道及山坡堆积的天然物源及人类工程活动形成的松散堆积物不断向沟底汇集，为泥石流提供了丰富的物源；高强度的集中降雨为泥石流的形成提供了水力条件。三者共同作用造就了琉璃庙镇泥石流沟数量众多的现状。

（4）从2014开始，琉璃庙镇陆续对23处泥石流开展了专业监测，安装了57台套监测设备，实时传送降雨、土壤含水率等数据信息，在汛期的地质灾害防治工作中发挥了重要作用。但目前区域性预警的精度难以满足泥石流预警的需求，建议加强预警阈值研究，并开展重要泥石流沟的单沟预警。