羅守敬，王珊珊，劉才偉，姚 康，宋慶偉

（1. 北京市地質(zhì)研究所，北京 100120；2. 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081）

泥石流是北京山區(qū)最嚴重、最具破壞性的地質(zhì)災(zāi)害，曾造成500余人傷亡和重大財產(chǎn)損失，具有暴發(fā)突然、危害大等特點（趙忠海，2009；齊干等，2019）。懷柔區(qū)位于北京市東北部，山地占據(jù)全區(qū)面積的88.7%，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，其中泥石流是主要的地質(zhì)災(zāi)害，共計212處（北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院等，2020），約占全區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的29.86%，泥石流流域面積占該區(qū)山地面積的13.23%。懷柔區(qū)近現(xiàn)代泥石流活動十分活躍，自1949年以來，1969年、1972年、1989年、1991年及2018年，懷柔區(qū)均發(fā)生了十分嚴重的泥石流災(zāi)害，導(dǎo)致170多人死亡、數(shù)十人受傷，大量的農(nóng)田和房屋受損，造成了重大的經(jīng)濟損失（北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局等，2008；北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院等，2020）。

琉璃廟鎮(zhèn)位于懷柔區(qū)中北部，轄區(qū)面積206.3 km2，共有泥石流72處，約占全區(qū)泥石流總數(shù)的三分之一。該鎮(zhèn)歷史上曾發(fā)生多次泥石流災(zāi)害，造成了嚴重的人員傷亡和財產(chǎn)損失，是懷柔區(qū)泥石流發(fā)育數(shù)量最多的鎮(zhèn)。本文在對懷柔區(qū)琉璃廟鎮(zhèn)泥石流地質(zhì)災(zāi)害資料全面搜集的基礎(chǔ)上，對琉璃廟鎮(zhèn)72條泥石流溝的發(fā)育特征、易發(fā)性及成因進行分析研究，并結(jié)合現(xiàn)有地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警內(nèi)容，提出開展重要泥石流溝單溝預(yù)警，加強預(yù)警閾值研究，提高泥石流災(zāi)害預(yù)警的精度，實現(xiàn)精準(zhǔn)有效的預(yù)防。

1 泥石流概況

琉璃廟鎮(zhèn)泥石流非常發(fā)育，近代多次發(fā)生泥石流災(zāi)害，不僅造成重大人員傷亡，還損毀了大量土地、房屋等。1969年8月10日，云蒙山周邊日雨量達200～350 mm，琉璃廟、崎峰茶等地區(qū)36條溝谷暴發(fā)泥石流，共造成88人死亡；1972年7月26—28日，黑坨山地區(qū)日雨量為200～400 mm，崎峰茶、琉璃廟等地區(qū)28條溝谷暴發(fā)泥石流，死亡39人；2018年7月16日，北京懷柔區(qū)突發(fā)強降雨天氣，琉璃廟鎮(zhèn)龍泉峪村偏條溝及后山鋪村七道溝發(fā)生泥石流災(zāi)害，導(dǎo)致公路中斷，輸電輸水管線損毀（北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院等，2020）。

目前，琉璃廟鎮(zhèn)25個行政村中共有17個行政村發(fā)育泥石流（圖1），占村莊總數(shù)的68%，其中尤以得田溝村、龍泉峪村及孫胡溝村數(shù)量眾多。泥石流威脅對象主要為居民點、道路及景區(qū)。

圖1 琉璃廟鎮(zhèn)泥石流現(xiàn)狀分布示意圖Fig. 1 Distribution map of debris flow in LIULIMIAO town

2 泥石流發(fā)育特征

琉璃廟鎮(zhèn)共有泥石流溝72條，泥石流溝流域總面積為72.91 km2，約占鎮(zhèn)域面積的35.34%；泥石流均為暴雨-溝谷型泥石流，規(guī)模主要為中型和小型。

（1）流域面積

流域面積是泥石流溝地貌形態(tài)的重要表現(xiàn)，一般對流域內(nèi)松散物質(zhì)的分布、降雨匯集等產(chǎn)生影響（姚振國等，2019）。琉璃廟鎮(zhèn)以小流域面積的泥石流溝為主，一般形成區(qū)面積較大，流通區(qū)以溝道為主，現(xiàn)場調(diào)查堆積區(qū)扇形地一般不明顯，面積相對較小（圖2）。據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)流域面積小于2 km2的泥石流溝有64條，占總數(shù)的88.89%，其中有44條面積小于0.5 km2；面積≥2 km2且＜5 km2的泥石流溝有6條，占總數(shù)的8.33%；面積≥5 km2的泥石流溝有2條，占總數(shù)的2.78%。依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，琉璃廟鎮(zhèn)97.22%的泥石流溝流域面積易發(fā)性評價量級打分均為最高，非常利于泥石流的發(fā)生。

圖2 小魯澗溝泥石流流域平面分布圖Fig. 2 Plane distribution of xiaolujian gully debris flow basin

（2）相對高差

相對高差是泥石流流域的地形起伏程度和切割侵蝕強度的重要體現(xiàn)（劉德玉等，2019；張書豪等，2019），一般相對高差越大，泥石流形成時的動力越強。琉璃廟鎮(zhèn)泥石流隱患流域相對高差主要集中在200～500 m，共計有49條，占總數(shù)的68.06%，其中相對高差為300～500 m的泥石流溝共有34條，相對高差量化級別為中等的約占泥石流溝總數(shù)的一半。此外，相對高差大于500 m的泥石流溝共有14條，依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝相對高差易發(fā)性評價量級打分中等偏上，有利于泥石流的發(fā)生。

（3）主溝長度

主溝道是泥石流匯流、運動、堆積的主要場所（圖2、圖3），主溝長度決定著泥石流的運動長度和物源參與程度，泥石流運動長度越遠表明其能量和破壞力越大（黃成等，2019；北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院等，2020）。根據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)主溝曲線長度小于1 km的有25條溝，占34.72%；1～2 km的泥石流溝有29條，占40.28%；2～3 km的泥石流溝有9條，占12.5%；大于3 km的泥石流溝有9條，占12.5%。其中轉(zhuǎn)洼溝泥石流隱患主溝最長，達8.355 km。琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝主溝曲線長度相對較小，能量匯集程度相對較低，不利于泥石流的發(fā)展擴大。

圖3 梧桐豪東溝泥石流主溝溝道工程地質(zhì)剖面圖Fig. 3 Engineering geological section of main gully of Wutong gully debris flow

（4）主溝彎曲系數(shù)

主溝彎曲系數(shù)是指主溝曲線長度（實際長度）與主溝直線長度的比值，比值一般大于1。它反映溝道泄流、堵塞程度，影響泥石流的爬高、沖起高度，從而間接影響泥石流的固體沖出物方量及規(guī)模（王英杰等，2014）。一般彎曲系數(shù)越大，表明溝道地形起伏越大，泥石流運動時彎道超高等特征越明顯，泥石流的運動能量相對越大。據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)72條泥石流溝的主溝彎曲系數(shù)為1.02～1.51，依據(jù)劉希林等（2004）對影響泥石流危險性的重要流域因子劃分等級標(biāo)準(zhǔn)，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝的彎曲系數(shù)等級主要為小級及中級（表1），其中中級的共有32條，占總數(shù)的44.44%，小級的共有30處，占總數(shù)的41.67%。琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝主溝彎曲系數(shù)中等偏下，不利于泥石流的發(fā)展，最終影響泥石流的災(zāi)害規(guī)模。

表1 琉璃廟鎮(zhèn)泥石流隱患主溝彎曲系數(shù)統(tǒng)計表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溝流域范圍內(nèi)溝道的總長度與流域面積的比值，劉希林自1988年研究泥石流危險度開始，就將泥石流的流域切割密度作為影響泥石流危險性的5個次要影響因子之一。流域的切割密度主要反映了流域的主溝、支溝發(fā)育情況，進而關(guān)聯(lián)溝道降雨匯集、流動、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、物源分布等（圖4）。一般來說，流域切割密度越大，支溝越發(fā)育，降雨匯流越大，物源分布更多更廣，泥石流潛在破壞力就越大（北京市地質(zhì)工程設(shè)計研究院等，2020）。

圖4 梧桐豪東溝泥石流流域內(nèi)溝道發(fā)育分布圖Fig. 4 Distribution of gully in Wutong gully debris flow basin

據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)72條泥石流溝流域切割密度為6.21～17.01 km·km-2，無切割密度小的泥石流溝。據(jù)統(tǒng)計，中等切割密度6～10 km·km-2的泥石流溝數(shù)量最多，達到57條，占總數(shù)的79.17%，與懷柔區(qū)中等切割密度泥石流溝占懷柔區(qū)泥石流溝總數(shù)的81.7%相當(dāng)；切割密度大于10 km·km-2的泥石流溝數(shù)量為15條，占總數(shù)的20.83%。琉璃廟鎮(zhèn)流域切割密度中等偏上，有利于降雨匯集及物源分布堆積，有利于泥石流的發(fā)生。

（6）主溝縱坡

主溝縱坡是泥石流溝溝源與溝口高程之差與主溝長度的分段加權(quán)平均值，其直接影響流域匯水及泥石流運動速度，主溝縱坡越大，運動速度越快，且與泥石流的破壞力密切相關(guān)（劉德玉等，2019）。據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝的主溝縱坡為82.16‰～488.41‰，依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，量化等級為嚴重，主溝縱坡＞213‰的泥石流溝共有55條，占總數(shù)76.39%，非常有利于泥石流的發(fā)生（圖3）。

（7）山坡平均坡度

山坡平均坡度反映流域坡面匯流速度和攜帶固體物質(zhì)的能力（劉德玉等，2019）。一般來說泥石流溝內(nèi)山坡平均坡度越大，發(fā)生泥石流的動力條件越大；同時坡體的穩(wěn)定性相對越差，崩塌、滑坡等不良地質(zhì)現(xiàn)象相對更發(fā)育，泥石流的物源相對更多。據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)72條泥石流溝山坡平均坡度為20.45°～35.30°（圖5）。依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，53條山坡坡度≥25°且＜32°的泥石流溝量化等級為中等，占總數(shù)的73.61%，10條山坡坡度≥25°的泥石流溝量化等級為嚴重，占總數(shù)的13.89%。因此，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝的山坡平均坡度有利于泥石流的發(fā)生。

圖5 梧桐豪北溝泥石流流通區(qū)溝道橫斷面圖Fig. 5 Debris flow channel cross section of Wutong ditch, Wutong County

（8）物源量

物源是泥石流發(fā)生的一個重要影響因素，根據(jù)成因不同，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流的物源主要由沖洪積物源、崩滑塌物源、殘坡積物源及人工堆積物源組成。沖洪積物源主要由塊石、卵石、砂和黏土等組成，主要分布在溝道沿線及兩側(cè)（圖6）；崩滑塌物源主要為崩塌堆積體，由塊石組成，主要分布在溝道中上游坡面及坡腳處；殘坡積物源主要為碎石土、黏土，分布在相對較緩的坡面；人工堆積物源是修路切坡、采礦等人類工程活動留下的棄渣，分布相對較少（圖7）。據(jù)統(tǒng)計，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流的物源總方量為1409.63×104m3。據(jù)統(tǒng)計，72條泥石流溝沿溝松散物貯量5.39×104～75.92×104m3·km-2（圖8），其中大于10×104m3·km-2的泥石流溝共計69條，依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，量級打分級別最高，非常利于泥石流的發(fā)生。

圖6 泥石流溝道內(nèi)松散沖洪積物源Fig. 6 Source of loose alluvial proluvial material in debris flow gully

圖7 采礦遺留的松散堆積物Fig. 7 Loose deposits left by mining

圖8 泥石流溝沿溝松散物貯量分布直方圖Fig. 8 Distribution histogram of source volume of debris flow gully

（9）易發(fā)性

泥石流的易發(fā)性是開展泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價的基礎(chǔ)，同時也是開展泥石流防治工作的重要依據(jù)。依據(jù)DD 2019－08地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求（1∶50000）附錄c.8，對影響泥石流的15個評價因子進行量化打分并綜合判定易發(fā)性。據(jù)統(tǒng)計，受溝口泥石流堆積活動不明顯、植被覆蓋率高、河溝近期一次變幅等主要打分因素偏低影響，琉璃廟鎮(zhèn)無高易發(fā)泥石流溝，易發(fā)性為中易發(fā)的泥石流溝14條，占總數(shù)的19.44%，易發(fā)性為低易發(fā)的泥石流溝58條，占總數(shù)的80.56%。這與懷柔區(qū)泥石流低易發(fā)、中易發(fā)比例分別為25.94%、74.06%是基本一致的，與北京市泥石流易發(fā)性主要為低易發(fā)也是相符合的（北京市地質(zhì)研究所，2014）。相比低易發(fā)泥石流溝，中易發(fā)的泥石流溝在泥沙沿程補給長度比、主溝縱坡、溝岸山坡坡度等因素上量化打分相對要高，提升了易發(fā)性級別，打分結(jié)果與上述統(tǒng)計分析也是相對應(yīng)的。

3 泥石流成因

泥石流的發(fā)生，需要滿足3個最基本的條件，即有利的地形、充足的物源及突發(fā)的水力條件，三者缺一不可。

（1）地形

琉璃廟鎮(zhèn)地處燕山山脈，地貌類型為中山及低山，地勢西北高、東南低。受地質(zhì)構(gòu)造影響，琉璃廟鎮(zhèn)中山地區(qū)形成了溝谷切割深、地形起伏大、巖體相對堅硬的溝谷，低山地區(qū)形成了溝谷切割較深、地形起伏較大、沖洪積物及殘坡積物分布較廣的溝谷。據(jù)統(tǒng)計，72條泥石流溝中，有39條泥石流溝發(fā)育在低山區(qū)，占總數(shù)的54.17%；中山區(qū)發(fā)育18條泥石流溝，占總數(shù)的25%；剩余的15條泥石流溝形成區(qū)主要在中山區(qū)，流通區(qū)及堆積區(qū)在低山區(qū)，占總數(shù)的20.83%。琉璃廟鎮(zhèn)流域面積較小、流域切割密度較大、主溝縱坡大、山坡平均坡度較大，既利于降雨的匯集及流動，又利于溝內(nèi)邊坡上的松散物質(zhì)被水力侵蝕向溝谷內(nèi)聚積及溝道沖刷，為泥石流的形成提供了有利的地形條件。

（2）物源

琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝內(nèi)物源豐富，總方量達1409.63×104m3，單溝物源平均方量達19.58×104m3。泥石流溝內(nèi)物源以塊石、卵石、砂、黏土為主，結(jié)構(gòu)松散，主要分布在溝道及其兩側(cè)；此外，崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象、修路切坡、采礦等也為泥石流的發(fā)生提供了物源。據(jù)統(tǒng)計泥石流沿溝松散物貯量5.39×104～75.92×104m3·km-2，泥石流溝物源充足。

（3）降雨

豐富的降雨為泥石流的形成提供了充足的動力條件，有利于泥石流的形成（羅守敬等，2016；王海芝，2019）。琉璃廟鎮(zhèn)多年平均降水量約為450 mm，相對較少，但降雨具有以下特點：第一，降雨集中在每年的6—8月，累計降水量300 mm左右，占全年總降水量的60%～80%；第二，短時降雨強度較大，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）的短時強降雨造成琉璃廟鎮(zhèn)內(nèi)多次發(fā)生泥石流、山洪。

綜合所述，地質(zhì)構(gòu)造運動形成了相對高差大、山坡陡的溝谷地貌，有利于降水的匯集，為泥石流的發(fā)生提供了基本的動力條件（申健等，2018）；溝道堆積、崩滑塌及人類工程活動形成的物源，為泥石流的發(fā)生提供了充足的物源；暴雨則是泥石流發(fā)生的促發(fā)因素。一旦滿足上述3個基本條件，溝谷即存在發(fā)生泥石流的可能。

4 監(jiān)測預(yù)警

泥石流是最具破壞性的地質(zhì)災(zāi)害，一旦發(fā)生，可能會造成較大的人員傷亡及財產(chǎn)損失，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測群防、應(yīng)急避險、工程治理、搬遷避讓、監(jiān)測預(yù)警等（劉連剛，2015；黃來源，2020）。相對于工程治理、搬遷避讓的經(jīng)濟花費高、群測群防人員需求量大等特點，泥石流專業(yè)監(jiān)測預(yù)警具有經(jīng)濟花費相對較低、專業(yè)性強、全天候?qū)崟r、遠程可視等特點。

2013年至今，北京市針對山區(qū)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害逐步開展專業(yè)監(jiān)測預(yù)警工作（張亮等，2015；南等，2020），在全市431處泥石流構(gòu)建了專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。目前，琉璃廟共有23處泥石流開展專業(yè)監(jiān)測，監(jiān)測儀器包括雨量計、含水率儀、次生儀、流速儀、泥位計、視頻等，共計57臺套（航天科工慣性技術(shù)有限公司，2018）。通過專業(yè)儀器監(jiān)測，實時采集雨量、含水率、泥位、流速、泥石流發(fā)生信號等數(shù)據(jù)，實時查看溝道內(nèi)流水情況，為地質(zhì)災(zāi)害防治主管部門及時發(fā)布災(zāi)害預(yù)警信息提供有效的科學(xué)依據(jù)。在2018年“7·16”暴雨、2019年“8·5”暴雨、2020年“8·12”暴雨及2021年“7·12”暴雨等強降雨期間，北京市突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)實時快速地提供了山區(qū)降雨、土壤含水率飽和情況、溝道流水等數(shù)據(jù)信息，為地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急避險、后續(xù)調(diào)查及防治工作提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

但目前北京地區(qū)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警主要是區(qū)域性的，預(yù)警的精度仍需進一步地提升（南等，2020）。受預(yù)警精度偏低的限制，預(yù)警發(fā)布后，后續(xù)類似避險轉(zhuǎn)移等應(yīng)急防治工作可能會浪費一定的人力物力，影響預(yù)警效果。因此區(qū)域性的預(yù)警是地質(zhì)災(zāi)害專業(yè)監(jiān)測預(yù)警的最初階段，尤其對于泥石流而言，開展單溝的預(yù)警方能實現(xiàn)利用專業(yè)儀器開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的目的（路璐等，2016；丁桂伶等，2017）。

建議在北京地區(qū)逐步、準(zhǔn)確、動態(tài)開展泥石流單溝預(yù)警工作：①由于泥石流溝數(shù)量相對較多，開展每一條溝的預(yù)警，工作多，任務(wù)重，建議在區(qū)域預(yù)警的基礎(chǔ)上，對威脅人員及財產(chǎn)較多、危害程度較大的泥石流溝開展有效的單溝預(yù)警工作；②依據(jù)北京市泥石流精細調(diào)查成果，全面搜集泥石流溝周邊臨近雨量站歷史雨量數(shù)據(jù)，不能以區(qū)代鎮(zhèn)，以域代點，做到雨量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，加強閾值研究，做到單溝預(yù)警更加符合實際；③加強泥石流溝內(nèi)物源動儲量研究，為單溝預(yù)警提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)；④加強對泥石流動態(tài)變化特征的調(diào)查及分析，及時調(diào)整單溝預(yù)警成果，以保障預(yù)警的精準(zhǔn)度。

5 結(jié)論

（1）琉璃廟鎮(zhèn)位于懷柔區(qū)中北部山區(qū)，共有泥石流72處，約占懷柔區(qū)泥石流總數(shù)的三分之一，是懷柔區(qū)泥石流數(shù)量最多的鄉(xiāng)鎮(zhèn)。孫胡溝、七道溝等多條泥石流溝曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害，造成人員傷亡及財產(chǎn)損失，選取琉璃廟鎮(zhèn)作為研究對象具有代表意義。

（2）通過分析泥石流溝的特征參數(shù)，琉璃廟鎮(zhèn)泥石流具有單溝流域面積小、相對高差較大、主溝長度小、主溝縱坡大、主溝彎曲系數(shù)較小、切割密度中等偏上、沿溝松散物貯量大、易發(fā)性低的特點。

（3）從地形、物源和降雨條件3方面分析了琉璃廟鎮(zhèn)泥石流的成因，地質(zhì)構(gòu)造運動形成的溝谷高差大、山坡陡，為泥石流的發(fā)育提供了地形條件；溝道及山坡堆積的天然物源及人類工程活動形成的松散堆積物不斷向溝底匯集，為泥石流提供了豐富的物源；高強度的集中降雨為泥石流的形成提供了水力條件。三者共同作用造就了琉璃廟鎮(zhèn)泥石流溝數(shù)量眾多的現(xiàn)狀。

（4）從2014開始，琉璃廟鎮(zhèn)陸續(xù)對23處泥石流開展了專業(yè)監(jiān)測，安裝了57臺套監(jiān)測設(shè)備，實時傳送降雨、土壤含水率等數(shù)據(jù)信息，在汛期的地質(zhì)災(zāi)害防治工作中發(fā)揮了重要作用。但目前區(qū)域性預(yù)警的精度難以滿足泥石流預(yù)警的需求，建議加強預(yù)警閾值研究，并開展重要泥石流溝的單溝預(yù)警。