甘肅舟曲三眼峪泥石流降雨臨界閾值

高　波，張茂省，張成航，于國強

(1.國土資源部黃土地質災害重點實驗室，陜西 西安 710054；2. 中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

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甘肅舟曲三眼峪泥石流降雨臨界閾值

高波1,2，張茂省1,2，張成航1,2，于國強1,2

(1.國土資源部黃土地質災害重點實驗室，陜西 西安 710054；2. 中國地質調查局西安地質調查中心，陜西 西安 710054)

摘要:合理的雨量閾值指標是區(qū)域暴雨泥石流防災減災的關鍵所在。以甘肅舟曲三眼峪為研究對象，采用水文學分析方法，計算了不同降雨頻率下洪水特征值以及不同規(guī)模的泥石流啟動降雨量閾值，并將誘發(fā)泥石流的降雨預警級別劃分為紅、橙、黃、藍四個預警級別和兩個預備預警級別。結果表明：三眼峪小流域在前期干旱和一般條件下泥石流紅色Ⅰ級降雨預警值分別為56.10 mm/h和50.86 mm/h，橙色Ⅱ級預警值分別為40.70 mm/h和37.87 mm/h，黃色Ⅲ級預警值分別為31.74 mm/h和29.88 mm/h，藍色Ⅳ級預警值分別為23.83 mm/h和21.69 mm/h，預備Ⅴ級預警值分別為17.31 mm/h和15.69 mm/h，預備Ⅵ級預警值分別為10.16 mm/h和9.48 mm/h。同時建立了在前期一般和干旱兩種條件下，不同預警級別的泥石流降雨雨強與歷時閾值關系，研究成果可為區(qū)域減災防災和科學研究提供依據(jù)。

關鍵詞:舟曲；三眼峪；泥石流；降雨；臨界閾值

2010年甘肅舟曲發(fā)生了“8.8”特大泥石流災害，其人員死傷之多、危害程度之大、損失之嚴重屬歷史罕見，再次敲響了區(qū)域暴雨型泥石流的警鐘。此次災害，暴雨是泥石流發(fā)生的動力來源，也是泥石流形成的主要誘發(fā)因素[1-4]。在同一條泥石流溝中，如果沒有地震等極端事件發(fā)生，在一定時期內，溝床是相對穩(wěn)定的。在溝道內松散固體物質儲備一定的情況下，泥石流發(fā)生與否，則取決于流域內的降雨條件。目前，利用降雨資料預警泥石流發(fā)生是目前國內外通行的一種方法。確定合理的降雨臨界閾值指標是保障泥石流預警報準確性的關鍵，對于研究泥石流的形成機制，分析預測泥石未來活動特點，以及指導泥石流防治工程設計等方面均具有重要意義。

總的來說目前的降雨閾值模型可分為兩種：實證模型和經驗模型[5-8]。實證模型充分考慮下墊面情況，包括有限斜坡、入滲過程、前期含水率狀態(tài)等參數(shù)、降雨特征，從而確定降雨閾值。該方法準確度高，但需要有詳實長期的降雨序列資料和災害資料，因此，不適合沒有長期觀測的地區(qū)。而經驗模型的應用沒有嚴格的數(shù)學算法推導以及統(tǒng)計技術和物理手段，需要大量的泥石流案例得出降雨臨界閾值，所以此方法應用于泥石流事件發(fā)生較多的地區(qū)。

對于舟曲高山峽谷區(qū)域而言，缺少降雨和災害資料，很難用以上兩種方法進行計算，不能滿足當前泥石流預警報的要求。因此，本研究采用水文學產匯流計算方法，在地質災害和暴雨同頻率的基礎上，通過計算暴雨的發(fā)生頻率，計算相應的泥石流雨量閾值[9-11]，以期為高山峽谷地區(qū)泥石流預警報提供科學依據(jù)。

1材料與方法

1.1　舟曲“8.8”降雨時空分布特征

2010年8月7日23：30分左右，甘肅舟曲縣城北側三眼峪溝、羅家峪溝流域突降暴雨，據(jù)東山雨量站觀測數(shù)據(jù)得知在8月7日23:00之前觀測到的降水量僅為1.5 mm，而在8：00時觀測到的降水量即達峰值77.3 mm，至01:00時則快速衰減至10.9 mm，2：00以后將至1~2 mm左右。表明此次強降水過程突發(fā)性強，歷時較短。突發(fā)強降水因匯流區(qū)由灰?guī)r組成的谷坡滲透能力弱，且谷坡地形陡峻，從而能夠快速產流，雨洪匯集后洪流暴漲隨即攜裹溝道內的松散堆積物引發(fā)泥石流，泥石流借助平均達24.1%的溝道縱比降產生極大的勢能和運移速度，僅在降水開始后約20 min內，泥石流迅速沖出峪口致災[3-4]。

根據(jù)災后對三眼峪溝流域匯水區(qū)進行調查得知，此次特大暴雨區(qū)域集中于該溝中上游峪支溝—罐子坪以上的區(qū)域，面積17.27 km2，占流域面積的71.6%，占匯流區(qū)總面積(21.19 km2)的81.5%。暴雨區(qū)域內坡面沖蝕及溝道匯流印痕明顯，而在峪支溝—罐子坪下游坡面匯流現(xiàn)象不明顯，兩側溝坡陡坡地段及凹形匯流負地形未形成明顯的地表徑流沖刷跡象，對坡下堆積的細粒松散物質也未見沖蝕。這表明激發(fā)“8.8”三眼峪溝特大型泥石流災害的特大暴雨空間分布極不均一，局地性較強[3-4]。

1.2　暴雨型泥石流起動機制計算法

我國山區(qū)的泥石流多發(fā)于5-10月份，與雨季相同。因此，在進行泥石流預報時，根據(jù)水量總量平衡原理，其水量平衡方程表達式為[8]：

R=P-I=P-(Im-Pb)。

(1)

式中：R為徑流深(mm)，代表水量流出量；P為一次降雨量(mm)，代表水量總量；I為一次降雨的損失量(mm)，代表水量剩余量，Im為降雨結束時流域達到的最大蓄水量(mm)(對一流域，Im為常數(shù))；Pb為降雨前期的土壤含水率(mm)。

以1 h雨量進行泥石流預警報，一次降雨量P改寫為小時雨量I60。同時，降雨前期土壤含水率Pb即反映了泥石流的前期影響雨量Pa，式(1)可以寫為

I60+Pa=R+Im。

(2)

由式(2)可知，I60+Pa-Im超過徑流深R時，表明即將發(fā)生泥石流，因此只要計算出相應的徑流深R，就可以計算出泥石流發(fā)生時所對應的降雨特征，發(fā)出預警信息。

對于一個流域來說，徑流深是指在某一時段內的徑流總量平鋪在全流域面積上所得的水層深度。以1 h為單位，則流域的徑流深R可表示為：

(3)

式中：Q為流域出口洪峰流量(m3/s)，F(xiàn)為流域面積(km2)。

對一特定流域，降雨結束時流域達到的最大蓄水量Im為常數(shù)，反映了流域下墊面蓄水能力，其實在另一方面也反映了降雨轉化徑流的能力。眾所周知，凈雨強度(即徑流強度)與暴雨強度的

比值，即占的比例為徑流系數(shù)。用符號C來表示，則

(4)

所以，總降雨量R總可以通過C和R求得，即

(5)

2結果與討論

2.1　舟曲三眼峪洪水特征值確定

根據(jù)上節(jié)論述，確定流域預警特征雨量，首先要確定流域的洪峰流量Q和徑流系數(shù)C。在對洪水特性分析和歷史調查洪水資料的基礎上，考慮到舟曲縣城上游立節(jié)站已有1954-2001年共48年實測年最大洪峰流量系列，實測系列較長，用矩法初估統(tǒng)計參數(shù)，采用P-Ⅲ型曲線，用適線法，求得立節(jié)站的洪峰流量均值為Qm=403m3/s，Cv=0.54，Cs=4.0Cv。舟曲縣城瓦廠橋斷面與立節(jié)水文站區(qū)間面積僅占瓦廠橋斷面集水面積的9.7%，故以面積指數(shù)關系推算舟曲縣城的設計洪峰流量。指數(shù)n依據(jù)該河段的歷史洪水調查資料分析，n值在0.75～0.82之間變化，本次取指數(shù)n=0.8。根據(jù)溝道流域特征參數(shù)采用鐵道部第一勘測設計院、中國科學院地理研究所和鐵道部科學研究院西南研究所三單位提出的《小流域暴雨洪峰流量計算》方法[9-10]，計算出舟曲三眼峪溝道不同頻率的清水洪峰流量Q，按照式(3)確定對應的徑流深R，計算結果如表1所示。

表1　三眼峪、羅家峪不同頻率的洪峰流量和徑流深結果

徑流系數(shù)C與流域下墊面地質環(huán)境背景條件、土壤損失系數(shù)、流域面積與產流時間有關。根據(jù)鐵道部第一勘測設計院、中國科學院地理研究所和鐵道部科學研究院西南研究所三單位所提出的相關成果[9-10]舟曲地區(qū)的土壤損失參數(shù)和徑流系數(shù)C值。由于舟曲以碳酸鹽巖為主，風化程度差，在坡面局部低洼處有很薄的碳酸鹽巖風化物(紅粘土)及很薄的風積層存在，曾經是土層薄的一般森林地區(qū)，但現(xiàn)在僅有少量人工幼林，基本與文獻表格中第Ⅱ類相符。舟曲年降雨量不大，蒸發(fā)量大于降雨量，所以前期土壤一般處于較為干旱或者一般狀態(tài)(中濕狀態(tài))，所以土壤損失系數(shù)值L

表2　三眼峪不同預警級別的泥石流降雨量閾值

選取0.76或0.63。根據(jù)實際觀測或計算所得的暴雨參數(shù)(雨力)S，通過文獻中表格查詢實際徑流系數(shù)C值(表2)。

2.2　舟曲三眼峪泥石流降雨總量閾值

根據(jù)上述介紹的泥石流起動機制計算方法以及計算得出的降雨徑流特征值，按照式(5)確定處于不同預警級別下泥石流啟動的降雨量閾值。計算過程中，按照前期土壤一般(中濕)、干旱兩種情況計算，由于徑流系數(shù)與單位時間內(1h)降雨量有關，所以在徑流系數(shù)C選取過程中，通過試算法多次計算單位時間內(1h)的降雨量。根據(jù)防洪技術導則，將洪水重現(xiàn)期為50年、30年、20年、10年的暴雨界定為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級預警，將洪水重現(xiàn)期為5年和2年的暴雨界定為Ⅴ級預備預警、Ⅵ級預備預警，其計算和界定結果如表2所示。

由表2和圖1可知，土壤前期干旱時，泥石流啟動的降雨閾值均大于前期一般和濕潤情況下的降雨閾值，這是由于前期干旱時，會有較多的降雨首先入滲到土體之中，才能產生徑流。同時也可以看出，隨著降雨(洪峰)頻率的逐漸降低，重現(xiàn)期逐漸增大，1h內降雨量逐漸增加，導致洪峰流量逐漸增加，徑流深逐漸增加，所產生泥石流的啟動規(guī)模逐漸加大，泥石流預警級別也逐漸升高。

圖1　三眼峪流域不同頻率下的降雨量

2.3　舟曲三眼峪泥石流降雨閾值函數(shù)關系研究

依據(jù)上節(jié)計算結果，根據(jù)降雨總量一致原則，將各個預警級別的單位時間1 h內降雨量進行分配，得出三眼峪在前期一般(中濕)和干旱兩種條件下降雨歷時與雨強閾值關系的表格數(shù)據(jù)(表3、表4)。考慮到舟曲三眼峪實際泥石流發(fā)生情況、爆發(fā)規(guī)模以及不同降雨頻率下的降雨特征，將泥石流預警級別劃分為紅色預警(Ⅰ級)、橙色預警(Ⅱ級)、黃色預警(Ⅲ級)、藍色預警(Ⅳ級)四個預警級別以及Ⅴ級預備預警、Ⅵ級預備預警兩個預備預警級別。

表3　三眼峪不同預警級別泥石流的降雨歷時與降雨雨強閾值關系(前期中濕)

表4　三眼峪不同預警級別泥石流的降雨歷時與降雨雨強閾值關系(前期干旱)

表3、表4中列舉了三眼峪小流域在前期一般和干旱條件下，不同預警級別的降雨歷時與降雨雨強的數(shù)值，依據(jù)此表中所提供的信息，可以清楚查出泥石流發(fā)生的預警級別。同時也可以看出，降雨歷時較小時(小于30 min)，雨強較大的降雨特征可以引發(fā)泥石流，這也就是人們所俗稱的短歷時強降雨的“點雨”形式；同時也可以發(fā)現(xiàn)，當降雨歷時較長，超過一定時間，此時雨強雖然很小，有時僅有4~5 mm/min，同樣也會觸發(fā)泥石流等地質災害的發(fā)生。

3結論

(1)本研究采用水文學分析方法計算了不同頻率下洪水特征值以及不同規(guī)模的泥石流啟動降雨量閾值，建立了三眼峪小流域在前期一般和干旱兩種條件下不同預警級別的泥石流降雨雨強與歷時閾值關系，以及不同預警級別泥石流的降雨歷時與降雨雨強閾值表格數(shù)據(jù)。

(2)根據(jù)洪峰流量計算結果，將洪水重現(xiàn)期為50年、30年、20年、10年的暴雨界定為紅色預警(Ⅰ級)、橙色預警(Ⅱ級)、黃色預警(Ⅲ級)、藍色預警(Ⅳ級)四個預警級別，將洪水重現(xiàn)期為5年和2年的暴雨界定為Ⅴ級預備預警、Ⅵ級預備預警兩個預備預警級別。

(3)三眼峪小流域前期水分干旱條件下泥石流紅色Ⅰ級預警值為56.10 mm/h、橙色Ⅱ級預警值為40.70 mm/h、黃色Ⅲ級預警值為31.74 mm/h、藍色Ⅳ級預警值為23.83 mm/h，預備Ⅴ級預警值為17.31 mm/h、預備Ⅵ級預警值為10.16 mm/h；前期水分一般條件下泥石流紅色Ⅰ級預警值為50.86 mm/h、橙色Ⅱ級預警值為37.87 mm/h、黃色Ⅲ級預警值為29.88 mm/h、藍色Ⅳ級預警值為21.69 mm/h，預備Ⅴ級預警值為15.69 mm/h、預備Ⅵ級預警值為9.48 mm/h。

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Rainfall Threshold for Debris Flow in Sanyanyu Valley, Zhouqu, China

Gao Bo1, 2, Zhang Maosheng1, 2, Zhang Chenghang1, 2and Yu Guoqiang1, 2

(1.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR,Xi’an710054,China;

2.Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an710054,China)

Abstract:Reasonable rainfall thresholds for the initiation of landslides may play a role in helping mitigating landslide risk. In this study, with Sanyanyu Valley, Zhouqu, as the research object, we calculate the flood characteristic values at different frequencies and their corresponding rainfall thresholds for initiating debris flows of different scales by using the hydrological method. We also divide the early warnings for rainfalls that might induce debris flow into four levels, i.e., red, orange, yellow and blue, and two preparation and early warning levels. The results show that, for the two early soil states in Sanyanyu Valley, the Level I red early warning values for rainfall inducing debris flow are 56.10 mm/h and 50.86 mm/h respectively, the Level II orange early warning values are 40.70 mm/h and 37.87 mm/h respectively, the Level III yellow early warning values are 31.74 mm/h and 29.88 mm/h respectively, the Level IV blue early warning values are 23.83 mm/h and 21.69 mm/h respectively, the Level V preliminary early warning values are 7.31 mm/h and 15.69 mm/h respectively, and the Level VI preliminary early warning values are 10.16 mm/h and 9.48 mm/h respectively. It established the function relationship between the intensity and duration of the rainfalls triggering debris flows of different early warning levels under two early soil states, i.e., moist and arid in Sanyanyu Valley. The research results can provide scientific bases for regional disaster prevention and reduction and scientific research for Zhouqu.

Key words:Zhouqu; Sanyanyu Valley; debris flow; rainfall; threshold

作者簡介：高波 (1981-)，男，山西長治人，碩士，從事地質災害防治預測等方面的研究. E-mail: 43617102@qq.com通訊作者：于國強 (1979-)，男，內蒙古包頭人，博士后，從事土壤侵蝕與水土保持及地質災害等方面的研究.E-mail: yuguoqiang23@163.com

基金項目：國家自然科學 (41302224)；陜西省科學技術研究發(fā)展計劃項目(2014KJXX-20)；國家地質找礦專項(12120114025901)

收稿日期：2015-07-01修回日期：2015-09-14

中圖分類號：P642；X43

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)01-0025-04

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.01.006