涂劍，馬超，楊海龍

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，100083，北京； 3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

北京山區(qū)暴雨泥石流激發(fā)雨量條件

涂劍，馬超?，楊海龍

(1.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100083，北京；2.北京林業(yè)大學(xué) 北京市水土保持工程技術(shù)研究中心，100083，北京； 3.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，100083，北京)

泥石流是北京山區(qū)常見的一種山地災(zāi)害，也是威脅山區(qū)生態(tài)環(huán)境的頭號(hào)安全問(wèn)題。分析該區(qū)的泥石流激發(fā)雨量條件對(duì)于該區(qū)山洪泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)具有指導(dǎo)意義。筆者搜集18場(chǎng)降雨數(shù)據(jù)，分析該區(qū)泥石流的激發(fā)雨量特征。結(jié)果表明：激發(fā)降雨的峰值降雨時(shí)段介于3～9 h，峰值時(shí)段平均降雨強(qiáng)度達(dá)22.6～50.0 mm/h，累積雨量達(dá)91.9～350.0 mm，峰值降雨時(shí)段雨量占累積雨量的63.9%～100.0%，這說(shuō)明激發(fā)泥石流的降雨過(guò)程具有歷時(shí)短、雨量集中、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。用修正后的李氏法進(jìn)行雨場(chǎng)分割，得到該區(qū)泥石流激發(fā)的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)和累積雨量-歷時(shí)關(guān)系。最后，以密云區(qū)北部山區(qū)為例分析3期植被蓋度和泥石流激發(fā)雨量條件。歸一化植被指數(shù)和像元線性分解模型分析表明，1989—1991、2004—2005和2011—2012年植被覆蓋度分為64.48%、68.57%和72.48%；相應(yīng)的泥石流雨量激發(fā)條件也隨著植被覆蓋度的增加而增大，可見植被恢復(fù)蓋度對(duì)泥石流的形成具有一定影響。本文統(tǒng)計(jì)分析得出的泥石流激發(fā)雨量條件可為該區(qū)山洪泥石預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)選取提供參考。

暴雨； 泥石流； 降雨特征； 雨量激發(fā)條件； 植被蓋度； 北京山區(qū)

泥石流預(yù)警預(yù)報(bào)是防災(zāi)減災(zāi)的主要手段之一，國(guó)內(nèi)外針對(duì)泥石流的激發(fā)雨量條件開展了較多研究。大體上，泥石流激發(fā)雨量條件獲取手段可分為2種：一種是從泥石流形成機(jī)制出發(fā)，根據(jù)降雨誘發(fā)淺表層滑坡模型和溝床物質(zhì)起動(dòng)的水力學(xué)模型反算得到雨量指標(biāo)[1-2]，這種方法適用于缺少長(zhǎng)系列降雨資料地區(qū)[3]；另一種是統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，根據(jù)前期有效降雨、降雨強(qiáng)度等各類組合指標(biāo)之間的關(guān)系繪制雨量閾值曲線[4-5]，該方法需要長(zhǎng)序列資料和災(zāi)害資料，相應(yīng)的雨量指標(biāo)也較多，如10 min、1 h降雨量，累積降雨量，前期降雨量等[6-8]。其中，平均降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(I-D)表征短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨激發(fā)條件，適用于泥石流暴發(fā)時(shí)段與峰值降雨時(shí)段重合的情況[9]。

泥石流是北京山區(qū)常見的一種山地災(zāi)害，也是威脅山區(qū)生態(tài)環(huán)境的頭號(hào)安全問(wèn)題。近年來(lái)，因極端暴雨天氣以及人類工程活動(dòng)的疊加影響，泥石流事件逐漸增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)：1971—1980，1981—1990，1991—2000和2001—2010年間，分別有3、7、9、10場(chǎng)泥石流暴發(fā)[10-12]。2011年“7·24”和2012年“7·21”2場(chǎng)特大暴雨引發(fā)的山洪泥石流導(dǎo)致密云區(qū)龍?zhí)稖?、房山區(qū)十渡鎮(zhèn)受損嚴(yán)重，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。此外，自2000年以來(lái)，北京市對(duì)北京山區(qū)開展了植被恢復(fù)、小流域治理等工作。截至2009年，植被覆蓋度從59%上升至72%[13]。植被在很大程度上抑制淺表層滑坡和崩塌，有效地控制了區(qū)域水土流失，對(duì)山區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)起到了積極作用。隨著泥石流孕育環(huán)境發(fā)生變化[14]，泥石流的臨界雨量激發(fā)條件也會(huì)發(fā)生變化。目前，北京地區(qū)現(xiàn)有泥石流雨量激發(fā)條件研究大多為植被恢復(fù)前，缺乏植被恢復(fù)后的激發(fā)條件研究。鑒于此，筆者通過(guò)收集激發(fā)泥石流災(zāi)害的雨量過(guò)程，分析激發(fā)雨量特征，采用統(tǒng)計(jì)方法開展該區(qū)泥石流的激發(fā)雨量條件研究，以密云區(qū)為例，分析不同植被蓋度下泥石流激發(fā)雨量條件變化，以期為該區(qū)山洪泥石流預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)預(yù)警提供參考。

1 材料與方法

1.1 北京山區(qū)概況及雨量數(shù)據(jù)獲取

北京山區(qū)面積達(dá)1萬(wàn)417.5 km2，占北京市總面積的62%，是我國(guó)暴雨泥石流多發(fā)區(qū)之一。大部分泥石流分布在白草畔與桃山連成的一條1 000 m高程的障礙線附近(圖1)，包括北部的云蒙山至海沱山一帶及西部的百花山至筆架山一帶[10,15]。目前，北京市氣象局、區(qū)(縣)防汛辦以及國(guó)家氣象局在北京山區(qū)共計(jì)有300多個(gè)雨量站點(diǎn)，這些站點(diǎn)大多位于山洪泥石流集中暴發(fā)區(qū)(圖1)。結(jié)合泥石流災(zāi)害點(diǎn)及雨量站分布，共搜集了1989—2012年間18次泥石流事件的雨量資料(表1)。其中：1989、1991年雨量及災(zāi)害資料獲取自《密云縣統(tǒng)計(jì)年鑒》《密云縣水利志》；2002—2012年雨量資料購(gòu)買自北京市氣象局、國(guó)家氣象局，同時(shí)結(jié)合中央氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)獲得的《中國(guó)暴雨洪澇災(zāi)害數(shù)據(jù)集》整理而成；泥石流災(zāi)害點(diǎn)資料則獲取自北京各區(qū)統(tǒng)計(jì)年鑒及實(shí)地調(diào)查。泥石流事件的日期、地點(diǎn)以及附近雨量站點(diǎn)見表1。

圖1 氣象站與泥石流災(zāi)害點(diǎn)的空間位置關(guān)系Fig.1 Spatial distribution of the meteorological stations and the debris flow sites

1.2 降雨參數(shù)和閾值方法選取

北京山區(qū)土層薄，黏粒、粉粒等細(xì)顆粒物質(zhì)含量較少，物源體主要以粗顆粒為主。泥石流主要是由于高強(qiáng)度的降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流掀揭溝床物質(zhì)形成[9,15]。此外，區(qū)域泥石流多集中在6—8月份暴發(fā)，此段時(shí)間的降雨占全年降雨74.9%，其他時(shí)段降雨較少[15]；因此，該區(qū)的泥石流受前期降雨的影響較小，與降雨過(guò)程中峰值降雨時(shí)段的高強(qiáng)度降雨密切相關(guān)。平均降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(I-D)關(guān)系表征短歷時(shí)、高強(qiáng)度降雨激發(fā)條件，適用于北京山區(qū)泥石流暴發(fā)時(shí)段與峰值降雨時(shí)段重合的情況[12]；選取降雨強(qiáng)度-降雨歷時(shí)(I-D)、累積雨量-歷時(shí)(C-D)2種雨量特征參數(shù)，采用單線法確定該地區(qū)泥石流的雨量激發(fā)條件。

2 北京山區(qū)降雨特征

2.1 激發(fā)泥石流的降雨特征

圖2為1989—2012年間18次泥石流事件累積降雨過(guò)程。累積雨量曲線的斜率代表此時(shí)段的降雨強(qiáng)度，斜率越大，降雨強(qiáng)度越大，斜率最高處為該場(chǎng)降雨的峰值時(shí)段。大多數(shù)降雨過(guò)程曲線都有1個(gè)斜率較高的時(shí)段(峰值降雨時(shí)段)。如2012年“7·21”特大暴雨中：房山(當(dāng)天11:00—13:00)及河北鎮(zhèn)(當(dāng)天08:00—10:00)記錄的3 h內(nèi)最大雨量分別達(dá)到178.0和247.9 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)中央氣象臺(tái)制定的暴雨紅色預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)(3 h內(nèi)降雨達(dá)到100 mm以上)。這18場(chǎng)暴雨泥石流激發(fā)的降雨過(guò)程中(表2)：3 h最大降雨量超過(guò)100 mm(紅色預(yù)警)的場(chǎng)次達(dá)11場(chǎng)，最高為2012年7月21日的河北鎮(zhèn)，達(dá)247.9 mm；其余7場(chǎng)降雨中，最大3 h雨量最低的為1991年6月10日密云四合堂村，為79.9 mm，但四合堂村整個(gè)降雨歷時(shí)7 h內(nèi)均維持了較高水平，總累積雨量達(dá)161 mm。2011年6月23日門頭溝的累積雨量曲線趨于平緩，但仍然激發(fā)了泥石流。這是因?yàn)樵搱?chǎng)降雨突發(fā)性強(qiáng)，降雨過(guò)程中第1小時(shí)(當(dāng)天09:00)雨量達(dá)到57.2 mm，3 h內(nèi)累積雨量達(dá)99.0 mm?？梢姡本┥絽^(qū)激發(fā)泥石流的降雨過(guò)程具有歷時(shí)短、雨量集中、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

2.2 激發(fā)泥石流的雨量條件

對(duì)18次暴雨泥石流的降雨過(guò)程進(jìn)行處理，從雨量站獲取的原始數(shù)據(jù)不能直接作為分析泥石流發(fā)生的降雨資料，需要用雨場(chǎng)分割方法將其分割成不同時(shí)間段的雨量數(shù)據(jù)。目前，用于連續(xù)降雨的雨場(chǎng)分割方法有6種[16]，但這些方法均不能體現(xiàn)歷時(shí)短、雨量集中、突發(fā)性強(qiáng)特征。如李氏法是以1場(chǎng)降雨結(jié)束為連續(xù)3 h雨量低于4 mm對(duì)雨場(chǎng)進(jìn)行分割，采用該方法會(huì)延長(zhǎng)降雨歷時(shí)使平均降雨強(qiáng)度變?。灰虼?，本研究采用中央氣象臺(tái)制定的大中雨分界值8 mm/h作為標(biāo)準(zhǔn)，即在一場(chǎng)連續(xù)降雨過(guò)程中以時(shí)降雨量<8 mm處為有效降雨的結(jié)束(稱為修正法)，以能更好體現(xiàn)北京山區(qū)峰值時(shí)段的降雨特征。

用修正雨場(chǎng)分割法對(duì)圖2中18次暴雨泥石流的降雨過(guò)程進(jìn)行處理(表2)?？梢钥闯觯本┥絽^(qū)暴雨泥石流峰值時(shí)段持續(xù)僅3～9 h，峰值時(shí)段平均降雨強(qiáng)度達(dá)22.6～50.0 mm/h，峰值時(shí)段累積雨量達(dá)91.9～350.0 mm，雨量大且集中，占該次降雨過(guò)程的63.9%～100%。

將表2中獲得的平均降雨強(qiáng)度/歷時(shí)數(shù)據(jù)繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(圖3)，將累積雨量及其降雨歷時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)都繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(圖4)，根據(jù)各個(gè)時(shí)段的下限值擬合出1條臨界雨量線。泥石流發(fā)生的雨量數(shù)據(jù)點(diǎn)(平均降雨強(qiáng)度及累積雨量)均應(yīng)在臨界雨量線的上方，即當(dāng)泥石流流域內(nèi)雨量數(shù)據(jù)點(diǎn)(平均降雨強(qiáng)度及累積雨量)及其對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)的相關(guān)點(diǎn)在臨界雨量線上方時(shí)，該溝暴發(fā)泥石流的可能性較大。

對(duì)圖3和圖4中的暴雨泥石流平均降雨強(qiáng)度及累積雨量的下限值進(jìn)行擬合，得出以下關(guān)系式：

I-D類型I=35.4D-0.18。

(1)

C-D類型C=35.4D0.82。

(2)

式中：I為平均降雨強(qiáng)度，mm/h；C為累積雨量，mm；D為降雨歷時(shí)，h。

表1泥石流事件的日期、地點(diǎn)以及附近雨量站點(diǎn)

Tab.1Occurrence dates and locations of debris flow events, as well as the locations of rainfall stations

編號(hào)No.日期Data區(qū)域(氣象站點(diǎn))Location(Weatherstation)泥石流災(zāi)害點(diǎn)Debrisflowsite泥石流溝與雨量站位置的距離Distancebetweenrainfallstationanddebrisflowsite/km11989-07-21密云番字牌村(番字牌)PanzipaiinMiyun(Panzipai)番字牌西溝、小西天等PanzipaiWestGullly,Xiaoxitian,etc.0.51～5.12密云馮家峪鎮(zhèn)(西白蓮裕)FengjiayuinMiyun(XibailianyuWatershed)大爛碴溝、王虎溝等DalanzhaGullly,WanghuGullly,etc.0.72～3.4521991-06-10密云四合堂村(白河四合堂)SihetanginMiyun(SihetangofBaiRiver)水泉溝、騾子溝等ShuiquanGullly,LuoziGullly,etc.0.33～3.37密云張家墳村(捧河巖村)ZhangjiafeninMiyun(Pengheyan)黃土板地村、小南溝等Huangtubandi,XiaonanGullly,etc.0.77～6.6532002-06-24門頭溝區(qū)(達(dá)摩莊村)Mengtougou(Damozhuang)北山溝BeishanGullly1.8542002-08-01密云石城鎮(zhèn)(石城)ShichenginMiyun(Shicheng)北峪溝BeiyuGully5.2052004-07-22密云北莊鎮(zhèn)(北莊)BeizhuanginMiyun(Beizhuang)葡萄峪、達(dá)峪溝等Putaoyu,DayuGully,etc.3.11～4.2762005-08-12密云張家墳村(捧河巖村)ZhangjiafeninMiyun(Pengheyan)黃土梁溝、柳棵峪村等HuangtuliangGully,Liukeyu,etc.0.42～1.9172006-07-09門頭溝區(qū)(王平)Mentougou(Wangping)草甸村、平原村等Caodian,Pingyuan,etc.1.15～2.1782011-06-23門頭溝區(qū)(齋堂)Mentougou(Zhaitang)川底下村東EastofChuandixia3.3792011-07-24密云龍?zhí)稖洗?太師屯)LongtangouinMiyun(Taishitun)龍?zhí)稖媳睖?、黑龍?zhí)毒皡^(qū)入口處等LongtangouNorthGully,theEntranceofHeilongtanScenic,etc.0.57～1.27102012-07-21門頭溝區(qū)(門頭溝國(guó)家站)Mentougou(MentougouNationalStation)桑峪村東、靈水村西等EastofSangyu,WestofLingshui,etc.2.01～7.17門頭溝區(qū)(門頭溝)Mentougou(Mentougou)黃塔村東、塔河村西EastofHuangta,WestofTahe0.45～5.14房山霞云嶺鄉(xiāng)(霞云嶺國(guó)家站)XiayunlinginFangshan(XiayunlingNationalStation)栗樹港溝、十八湖溝內(nèi)等LishugangGully,ShibahuGully,etc.0.78～2.21房山區(qū)(房山國(guó)家站)Fangshan(FangshanNationalStation)河?xùn)|村村道、三福村村道等TheroadsofHedongandSanfu,etc.1.14～2.23密云區(qū)(密云國(guó)家站)Miyun(MiyunNationalStation)區(qū)域內(nèi)各大小溝均發(fā)生Allaroundthedistrict0～10.00房山河北鎮(zhèn)(河北鎮(zhèn))HebeiTowninFangshan(HebeiTown)寺上村及寶地洼村村道TheroadsofSishangandBaodiwa1.34～4.10密云大城子鎮(zhèn)(大城子)DachengziinMiyun(Dachengzi)莊戶峪水庫(kù)河溝、蔡峪南溝等ZhuanghuyuReservoir,CaiyuSouthGully,etc.1.50～4.50

圖2 18次泥石流事件的累積降雨過(guò)程Fig.2 Cumulative rainfall process of 18 triggering debris flow events

日期Date區(qū)域Location3h累積雨量Accumulativerainfallin3hours/mm3h平均降雨強(qiáng)度Meanrainfallintensityin3hours/(mm·h-1)降雨峰值時(shí)長(zhǎng)Peakrainfallduration/h峰值時(shí)段平均降雨強(qiáng)度Meanrainfallintensityatpeakrainfallintensity/(mm·h-1)峰值時(shí)段雨量Cumulativepeakrainfall/mm總累積雨量Totalcumulativerainfall/mm峰值時(shí)段雨量占總雨量比例Percentageofpeakrainfallintotalrainfall/%1989-07-21密云馮家峪鎮(zhèn)FengjiayuinMiyun91.930.6330.691.9143.963.9密云番字牌村PanzipaiinMiyun116.138.7927.9251.2353.871.01991-06-10密云張家墳村ZhangjiafeninMiyun101.533.8823.2185.9219.084.9密云四合堂村SihetanginMiyun79.926.6723.0161.0161.0100.02002-06-24門頭溝區(qū)Mengtougou114.638.2432.0128.1140.091.52002-08-01密云石城鎮(zhèn)ShichenginMiyun190.663.5646.6279.3280.199.72004-07-22密云半北莊鎮(zhèn)BeizhuanginMiyun86.528.8522.6113.0117.096.62005-08-12密云張家墳村ZhangjiafeninMiyun87.629.2524.7123.7145.385.12006-07-09門頭溝區(qū)Mengtougou82.827.6429.8119.0122.597.12011-06-23門頭溝區(qū)Mengtougou99.033.0333.099.0125.878.72011-07-24密云龍?zhí)稖洗錖ongtangouinMiyun85.628.5625.9155.6163.395.3門頭溝國(guó)家站MentougouNationalSta-tion131.944.0437.5149.9200.674.7門頭溝區(qū)Mengtougou132.344.1830.7245.8305.780.42012-07-21房山霞云嶺鄉(xiāng)站XiayunlinginFangshan177.359.1931.6284.4337.584.3房山區(qū)Fangshan178.059.3636.2217.0248.587.3密云區(qū)Miyun118.139.4627.7166.4201.882.5房山河北鎮(zhèn)HebeiTowninFangshan247.982.6750.0350.0535.065.4密云大城子鎮(zhèn)DachengziinMiyun10735.7627.7166185.589.5

圖3 平均降雨強(qiáng)度與降雨歷時(shí)Fig.3 Relationship between mean rainfall intensity and rainfall duration

圖4 累積雨量與降雨歷時(shí)Fig.4 Relationship between cumulative rainfall and rainfall duration

3 密云區(qū)激發(fā)泥石流的雨量條件變化

Ir: The maximum value of mean rainfall intensity determined with successive n hours. Ir1, Ir2, Ir3 indicates 2011—2012, 2004—2005, 1989—1991, respectively. Dr: Rainfall duration determined with successive n hours. The same below. 圖5 密云區(qū)暴雨泥石流發(fā)生所需的平均降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系下限Fig.5 Lower limit of the mean rainfall intensity and duration for debris flows occurring in Miyun between 1989 and 2012

為探討該區(qū)植被恢復(fù)和激發(fā)泥石流發(fā)生的降雨特征值變化的關(guān)系，選取密云區(qū)1989—1991年(植被恢復(fù)前)4次、2004—2005年(植被恢復(fù)中)2次、2011—2012年(植被恢復(fù)后)3次，共9次降雨激發(fā)泥石流事件進(jìn)行分析。由于激發(fā)泥石流的往往是因?yàn)榉逯禃r(shí)段的強(qiáng)降雨而形成徑流沖刷溝床沉積物形成的。采用獲取連續(xù)n(n>1，n為自然數(shù))小時(shí)最大平均降雨強(qiáng)度法，對(duì)圖2中密云區(qū)降雨過(guò)程進(jìn)行處理，將獲得的平均降雨強(qiáng)度/降雨歷時(shí)的數(shù)據(jù)點(diǎn)都繪于雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中(圖5)，分時(shí)段求出暴雨泥石流發(fā)生所需的平均降雨強(qiáng)度/歷時(shí)關(guān)系。從中國(guó)科學(xué)院地理空間數(shù)據(jù)云獲取密云區(qū)1989、2004和2010年3期Landsat數(shù)據(jù)。通過(guò)ENVY5.1、ArcMap10.3進(jìn)行數(shù)據(jù)提取及歸一化植被指數(shù)(Normalized Difference Vegetation Index，N)計(jì)算，將植被蓋度分為0～30%，30%～60%，60%～80%和80%～100%共4個(gè)等級(jí)，以獲取密云區(qū)這3個(gè)年份植被覆蓋的時(shí)空動(dòng)態(tài)(圖6)。通過(guò)像元線性分解模型(式3)，得到植被覆蓋各等級(jí)變化(表3)：

fc=(N-Nsoil)/(Nveg-Nsoil)。

(3)

式中：fc為植被覆蓋度，N為觀測(cè)像元的歸一化植被指數(shù)，Nsoil為裸土的歸一化植被指數(shù)，Nveg為100%覆蓋條件下的歸一化植被指數(shù)。

圖5分別對(duì)2011—2012、2004—2005和1989—1991年中的暴雨泥石流平均降雨強(qiáng)度的下限值進(jìn)行擬合，可以得出密云區(qū)這3個(gè)時(shí)間段泥石流發(fā)生的降雨條件：

(4)

(5)

(6)

式中：Ir1、Ir2和Ir3分別為采用連續(xù)1，2和3 h最大降雨強(qiáng)度法所獲取的平均降雨強(qiáng)度，mm/h；Dr為連續(xù)n小時(shí)最大降雨強(qiáng)度的降雨歷時(shí)，h。式(4)～(6)代表暴雨泥石流發(fā)生所需的平均降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系下限。由于圖5中的雨量數(shù)據(jù)點(diǎn)主要來(lái)源于密云北部山區(qū)，因而代表該區(qū)域中的泥石流激發(fā)雨量條件變化?？梢钥闯觯涸?989—1991、2004—2005和2011—2012這3個(gè)時(shí)間段，泥石流激發(fā)雨量條件有升高的趨勢(shì)。

如表3所示：植被覆蓋度在30%～60%之間的山區(qū)面積占整個(gè)區(qū)域面積比例從1989年的24.82%降低到2010年的8.43%，而植被覆蓋度>80%的山區(qū)面積比例卻增加了。植被覆蓋度<30%和60%～80%之間的比例相對(duì)持平。整體上，這3個(gè)時(shí)期的植被覆蓋度逐漸增加。這說(shuō)明，植被恢復(fù)后，相當(dāng)部分的低覆蓋度地區(qū)植被蓋度增加了。進(jìn)一步對(duì)植被覆蓋度變化較大地區(qū)的分析表明，這些地方集中在密云北部山區(qū)，該地區(qū)白馬關(guān)河流域、張家墳流域等是泥石流的多發(fā)區(qū)。比如：1989和1991年白馬關(guān)河流域內(nèi)番字牌、馮家峪鎮(zhèn)、四合堂村以及小西天流域等爆發(fā)了大規(guī)模泥石流災(zāi)害，這一時(shí)期的植被覆蓋度最低(64.48%)；2002—2005年該區(qū)只有石城鎮(zhèn)、張家墳流域內(nèi)爆發(fā)了泥石流，該時(shí)期植被覆蓋度較1989—1991要稍高(68.57%)；2010—2012年植被覆蓋度最高，只有零星的泥石流災(zāi)害暴發(fā)，規(guī)模相對(duì)于1989和1991年的群發(fā)性泥石流以及2002—2005年石城鎮(zhèn)、張家墳?zāi)嗍鞫?，相?duì)要小。

圖6 密云區(qū)1989、2004和2010植被覆蓋時(shí)空動(dòng)態(tài)(Ⅰ：高覆蓋度；Ⅱ：低覆蓋度)Fig.6 Vegetation variation in 1989, 2004 and 2010 in Miyun (Ⅰ: High vegetation coverage; Ⅱ: Low vegetation coverage)

年份Year植被覆蓋度等級(jí)Vegetationcoveragelevel/%植被覆蓋條件Vegetationcoveragecondition激發(fā)雨量條件Rainfallconditionoftriggeringdebrisflows0～3030～6060～8080～100均值VMean/%歸一化值Normalization表達(dá)式Expression歸一化值Normalization2011—20124.558.4351.5835.44V1=72.481Ir1=37.9D-0.26r12004—20054.5416.9951.9226.55V2=68.570.41Ir2=34.6D-0.38r0.28～0.311989—19915.7824.8250.0919.31V3=64.480Ir3=33.1D-0.41r0

由于在該區(qū)的泥石流孕育環(huán)境中，植被是變化最為明顯的因素。植被能通過(guò)固結(jié)地表土體、削減徑流、截阻泥沙、削減水動(dòng)力條件等抑制泥石流的形成。為定量評(píng)價(jià)植被覆蓋度和泥石流雨量激發(fā)條件二者間的關(guān)系，通過(guò)式(7)將植被覆蓋度及雨量激發(fā)條件進(jìn)行歸一化處理：

(7)

式中：x歸為歸一化值，取值為[0，1]；x為樣本值；xmax為樣本最大值，即Ir1或V1；xmin為樣本最小值，即Ir3或V3。計(jì)算后得到激發(fā)雨量條件及植被覆蓋條件歸一化值(表3)：Ir2歸一化值為0.28～0.31，小于V2的歸一化值0.41。這說(shuō)明，泥石流激發(fā)的雨量條件隨著植被覆蓋度的升高而增高。

4 結(jié)論與討論

1)北京山區(qū)泥石流主要是由于高強(qiáng)度的降雨轉(zhuǎn)化為地表徑流掀揭溝床物質(zhì)形成，激發(fā)泥石流的降雨過(guò)程具有歷時(shí)短、降雨集中、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。筆者研究在分析北京山區(qū)降雨峰值特征的同時(shí)，提出了修正法分割雨場(chǎng)對(duì)雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。采用平均降雨強(qiáng)度-降雨歷時(shí)(I-D)、累積雨量-降雨歷時(shí)(C-D)組合指標(biāo)，用單線法擬合了泥石流發(fā)生的雨量激發(fā)條件：I=35.4D-0.18和C=35.4D0.82，該結(jié)果可為新建地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)提供參考。

2)通過(guò)歸一化植被指數(shù)和像元線性分解模型分析了密云區(qū)泥石流激發(fā)雨量條件和植被蓋度的關(guān)系。1989—1991、2004—2005和2011—2012年植被覆蓋度分為64.48%、68.57%和72.48%。密云北部山區(qū)的覆蓋度變化最為明顯，而這些區(qū)域的泥石流雨量激發(fā)條件也增高了。由于在該區(qū)的泥石流孕育環(huán)境中，植被是變化最為明顯的因素。植被能通過(guò)固結(jié)地表土體、削減徑流、截阻泥沙、削減水動(dòng)力條件等抑制泥石流的形成，在一定程度上能改變泥石流的激發(fā)雨量條件。

3)因本文采取統(tǒng)計(jì)分析的方法分析該區(qū)泥石流激發(fā)的雨量條件，選取的雨量站點(diǎn)雖然多位于泥石流多發(fā)區(qū)，但這些站點(diǎn)多位于泥石流溝溝口；而山區(qū)降雨條件具有非常明顯的時(shí)空不均勻性，泥石流源區(qū)的降雨量、強(qiáng)度多大于中游和下游：因此，實(shí)際泥石流的激發(fā)雨量條件可能要比本研究中的要大。

4)筆者只收集了激發(fā)泥石流的降雨過(guò)程，為準(zhǔn)確界定可能激發(fā)泥石流的雨量條件，應(yīng)收集這些雨量站點(diǎn)中未激發(fā)泥石流的雨量過(guò)程，進(jìn)而獲取較為準(zhǔn)確的泥石流雨量激發(fā)條件，并結(jié)合該區(qū)泥石流形成特征，建立基于泥石流起動(dòng)機(jī)理的預(yù)警預(yù)報(bào)模型，為該區(qū)泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供支撐。

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RainfallconditionoftriggeringdebrisflowsinBeijingmountainregions

TU Jian，MA Chao，YANG Hailong

(1.Key Laboratory of State Forestry Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;2.Beijing Engineering Research Center of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China;3.School of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China)

BackgroundDebris flows are one of the mountain hazards in mountain regions near Beijing, and cause serious threatening to local ecological safety. In recent years, the debris flow events increased a lot than last few decades as a result of the double influence of increasing extreme rainstorm events and human being activities. Researches on the triggering rainfall condition are the basis of early-warning and prediction of debris flows.MethodsUsing the distribution of debris flow sites and rainfall stations, 18 rainfall records were selected to analyze the rainfall characteristics. A rainfall event is defined when the hourly rainfall is greater than 8 mm/h in the beginning and ends in less than 8 mm afterwards. The rainfall records and rainfall events were used to identify the rainfall conditions of triggering debris flows in study area. Two rainfall thresholds, including the mean rainfall intensity-duration (I-D) and the accumulative rainfall-duration (C-D), were developed. The formula of rainfall thresholds with single-line method after analysis of theI-DandC-Dwere built. The Landsat data in year of 1989, 2004 and 2010 in Miyun District from geographic spatial data cloud of Chinese Academy of Sciences were analyzed. Through the ENVY5.1 and ArcMap10.3, the normalized difference vegetation index was calculated. Vegetation coverages in the three periods were obtained with pixel linear decomposition model. The relationship between triggering rainfall condition and vegetation coverage were built by standardized calculation.ResultsThe intensified rainfall duration lasted merely 3 h～9 h, during which the mean rainfall intensity ranged from 22.6 mm/h to 50.0 mm/h. Accumulative rainfall ranged from 91.9 mm to 350.0 mm, accounting for 63.9%～100% of total rainfall. Two functions with expressions asI-DandC-Din Beijing mountain regions were identified. Rainfall conditions of triggering debris flow in Miyun at 2009-2011, 2004-2005 and 1989-1991 were identified respectively. Vegetation coverage in Miyun at 2009, 2004 and 1989 were 72.48%, 68.57% and 64.48% respectively.ConclusionsThe results show that rainstorm in Beijing mountain regions characterizes in short duration, high intensity and high rainfall amount. The formula of rainfall thresholds with single-line method after analysis of theI-DandC-Dcan be used as a reference in forecasting of debris flows. Then, relationship between vegetation cover and the rainfall conditions of triggering debris flows in three stages of Miyun was studied. Results found that the vegetation cover degree in Miyun increased as time went on, corresponding rainfall triggering also increased. This study may provide a suggestion for the debris flow early-warning in the study area.

rainstorm; debris flow; rainfall characteristics; triggering rainfall condition; vegetation coverage; Beijing mountain regions

P642.23

A

2096-2673(2017)05-0103-08

10.16843/j.sswc.2017.05.013

2017-04-07

2017-08-02

項(xiàng)目名稱： 國(guó)家自然科學(xué)基金“北方土石山區(qū)低黏度泥石流起動(dòng)機(jī)理研究”(41702369)

涂劍(1991—)，男，碩士研究生。主要研究方向：山地災(zāi)害預(yù)警。E-mail:tj19911104@126.com

?

馬超(1986—)，男，博士，講師。主要研究方向：山地災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。E-mai:sanguoxumei@163.com