北京市暴雨-突发地质灾害量化关系分析

王 海 芝,许 冰,翟 淑 花,张 翊 超

(1.北京市地质灾害防治研究所,北京 100120; 2.中国科学院大学,北京 100049; 3.中国科学院 地质与地球物理研究所,北京 100029)

0 引 言

北京作为中国首都,具有人口密度大与基础设施发达的特点,因此,地质灾害往往会造成巨大损失。据不完全统计,自2003年以来,北京市共发生各类突发地质灾害568起,造成各类经济损失数百万元[1]。强降雨是突发地质灾害的主要触发因素,80%以上的突发地质灾害是由暴雨激发的[2]。因此,暴雨与突发地质灾害关系的研究是突发地质灾害的重要研究内容。相关学者通过数值统计、实验分析等方法研究了各个时段降雨量、雨强对突发地质灾害发生的影响[2-5],提出了泥石流发生的临界阈值[6-8]。

临界雨量是触发地质灾害的最小降雨量或降雨强度,高于这一值时,就可能触发地质灾害,而低于这一值时,地质灾害就不可能发生[2,5]。临界雨量的确定方法概括起来可分为两类:① 基于物理模式估计,② 基于经验雨量模式估计。目前,国际通用的经验模式是基于Caine[2]提出的降雨强度-持续时间模型建立和衍生而来的,即I=c+αDβ(I为降雨强度,D为降雨持续时间,c、α和β为常数)。该模型是目前应用最广泛、研究最深入的临界雨量厘定方法,应用范围几乎涵盖了全球的各个大陆和地区[5,9-12]。此外,不同学者采用的临界雨量降雨指标存在较大差异,常用的降雨指标可分为四大类型:① 结合具体降水事件获得的降水测量值的临界雨量;② 包含前期降水的临界雨量[13-17];③ 其它临界雨量,包括水文条件阈值[18-19];④ 降水事件-强度临界阈值[5,20-23]。国际上多数研究和预警系统中应用的是基于降水事件获得降水量的降雨强度-持续时间临界雨量模型[9]。

上述研究从多个角度研究了触发突发地质灾害降雨阈值,但是对于降雨量与突发地质灾害数量之间的关系研究较少。研究者在进行降雨量与突发地质灾害数量统计时发现,降雨强度越大,灾害次数就越多[24]。由于数据记录缺乏完整性,对于降雨与突发地质灾害之间的定量关系,目前尚未深入研究。地质灾害数量是部署防灾减灾工作的重要依据,因此,关于降雨量与突发灾害之间量的关系探讨成为防灾减灾工作的重要突破口。

近年来,随着突发地质灾害管理工作专业化、规范化发展,降雨与突发地质灾害数据完整保存了下来,为研究降雨与突发地质灾害的数量关系提供了良好的基础数据。本文以近10 a来北京市发生于2012年7月21日、2016年7月20日及2018年7月16日(以下分别简称“7·21”“7·20”“7·16”)3场特大暴雨及其激发的突发地质灾害为研究对象,采用典型案例对比分析的方法,系统分析了3场暴雨及其激发的突发地质灾害特点,初步探讨了暴雨的致灾能力、突发地质灾害对暴雨的响应能力,建立了暴雨强度与突发地质灾害数量的关系式,探索用暴雨强度指数-突发地质灾害响应指数为分级依据,进行有效的防灾减灾部署工作。

1 研究区概况

北京市由西北部山地和东南部平原两大地貌单元组成。山地面积10 317.5 km2,占北京市总面积的62.87%。以昌平关口为界,山区分为西部山区和北部山区。其中,西部山区属太行山脉,是新构造运动强烈上升区,经外力长期侵蚀切割形成起伏山峦,主要由中生界、古生界和中新元古界地层组成,岩性以碳酸盐岩、各类碎屑岩及火山岩为主,岩性坚硬,节理裂隙发育。北部山区大部分区域属燕山山脉,以近东西向的山地为主体,主要由中上元古界沉积岩、中生界侵入岩组成,山体具有块状分散、地势陡峻、起伏较大的特点。

中、低山区是突发地质灾害高易发区,丘陵是中低易发区。其中,中山区主要分布于北京市北部与西部山区的边缘地带,面积1 041 km2,海拔高程大于1 000 m,地形高差一般在500 m以上,山势险峻,地形坡度多大于35°。中山区山高坡陡,山体高大,阻碍气流云团移动,迫使云团沿地形抬升,导致局部地区强暴雨的形成,是大型崩塌、滑坡及泥石流形成的重要地段。低山区广布于北京市山区,面积4 648.1 km2,海拔500～1 000 m,地形起伏较大,平均坡度在25°左右。地形切割强烈,松散物质丰富,是突发地质灾害发生的主要区域。

北京地区位于中纬度季风气候区,多年平均降水量为420～660 mm[25](见图1)。北京市年降水量自1951年以来整体呈减少的趋势[26-27],但是在大气候变暖的大背景下,极端降水事件明显增多[28],局地或全市暴雨、特大暴雨事件时有发生。受地形影响,西部及北部山前迎风坡(密云区、怀柔区及房山区)降水明显多于其他地区[29-30],复杂的地形地貌叠加强降雨,导致多起突发地质灾害发生[31-32]。

图1 北京市多年平均降雨量分布(单位:mm)

2 典型特大暴雨过程与激发地质灾害特征

2.1 暴雨过程

2010年以来北京市发生了3场特大暴雨,分别出现在2012年7月21日,2016年7月20日与2018年7月16日。这3场暴雨均发生在“七下八上”的主汛期时段,为全市性降雨,均出现局部暴雨或特大暴雨(见图2～5),降雨时长分别为19,55 h和58 h;场次平均降雨量分别为190.0,212.6 mm和102.9 mm(见表1)。“7·21”“7·16”对流性阵雨较“7·20”显著,其中,“7·21”对流性最强,强降雨持续时间最长(见图2)。“7·21”最高小时雨强为100.3 mm/h(平谷挂甲峪,2012年7月21日20:00～21:00),“7·20” 最高小时雨强56.8 mm/h(昌平花塔,2016年7月19日08:00～09:00),“7·16”最高小时雨强117 mm/h(西白莲峪,2018年7月16日02:00～03:00)。3场降雨的降雨中心均位于山前,其中“7·21”“7·20”降雨中心位于房山区,“7·16”降雨中心位于密云区。

表1 3场特大暴雨基本特征对比

图2 3场降雨过程雨量分布

图5 “7·16”北京市降雨及激发突发地质灾害分布示意

2012年7月21日,北京地区出现了历史罕见的强降雨过程。主要降雨过程从7月21日10:00自西南向东北方向影响北京,结束于22日凌晨06:00,持续19 h。此次降雨过程具有雨量大、强度高、范围广等特点。全市平均降雨190.0 mm,城区平均降雨215.0 mm。最大累积降雨出现在房山区河北镇,降雨量达541.0 mm,突破1951年以来气象历史记录。全市累积降雨量超过100 mm的雨量站达211个,超过200 mm的雨量站96个,超过300 mm的雨量站12个。除延庆外,全市大部分地区都出现140～330 mm的大暴雨-特大暴雨,小时雨强普遍达到40～80 mm/h,峰值降雨持续时间达3～4 h。

2016年7月19日凌晨至20日夜间的强降雨过程中,主要降雨出现在19日白天和20日凌晨至夜间两个时段,持续时间约55 h,是3场暴雨中平均降雨量最大的降雨,全市平均降雨量212.6 mm,城区平均降雨量291.0 mm,也是1963年以来场次降雨量最大的降雨过程,降雨总量超过“7·21”暴雨[33]。降雨总量的空间分布大致由西南向东北递减。暴雨极值点均位于海拔200～400 m范围内的山前地带。暴雨中心出现在房山区、门头沟区和昌平区,东偏北方向呈带状分布,长度近60 km。中心降雨总量350 mm以上,此次降雨过程有125个雨量站累积雨量超过250 mm,362个雨量站累积雨量超过100 mm,4个雨量站雨量超过400 mm。“7·20”暴雨呈“一小一大”双峰雨型[34],第二个雨峰过程是主降雨过程,降雨总量达184.7 mm。

2018年7月16日的暴雨是3场降雨中持续时间最长的一次,开始于7月15日15:00,结束于18日06:00,持续时间达58 h。尽管此次降雨持续时间长,但其平均雨量是3场中最小的,全市平均降雨量为102.9 mm。最强降雨出现在15日夜间至16日上午,伴有明显的短时强降水,暴雨区雨带长约200 km,宽度20～70 km,最大单站累积降水量与“7·20”暴雨中心降雨量相当,为351.3 mm,出现在密云西白莲峪。全市雨量站累积降水量超过200 mm的16个。降水主要集中在3个时段:16日凌晨至上午(00:00～05:00),16日午后至前半夜(14:00～20:00),17日早晨至上午(07:00～11:00);整体呈“三波峰”的特征,单次强降水的持续时间约4～5 h,过程两两间隔约13～15 h。

2.2 典型暴雨激发的突发地质灾害

3场暴雨均出现了24 h降雨量超过200 mm大暴雨过程,但激发的突发地质灾害类型、数量及空间分布却存在极大的差别(见表2)。

3场暴雨激发的突发地质灾害均发生于暴雨或以上落区范围,其中,“7·21”共激发5类161处突发地质灾害,数量从多到少依次为:崩塌(99处),泥石流(24处),不稳定斜坡(18处),滑坡(13处),地面塌陷(7处),其中,比较典型的有房山区河北镇的西区沟泥石流和房山区霞云岭乡的鱼骨寺黄台滑坡(见图6、7)。“7·20”激发了3类35处突发地质灾害,数量从多到少依次为:崩塌(29处),泥石流(5处),滑坡(1处),其中比较典型的有房山区108国道复线崩塌和怀柔区河北镇公路崩塌(见图8、9)。“7·16”激发了3类23处突发地质灾害,数量从多到少依次为:崩塌(18处)、不稳定斜坡(4处)、滑坡(1处)。

图6 “7·21”房山区河北镇西区沟泥石流

图7 “7·21”房山区霞云岭乡黄台滑坡

图9 “7·20”怀柔区渤海镇公路崩塌

3场暴雨激发的突发地质灾害数量及类型有较大的差别,其中,“7·21”激发的突发地质灾害的数量是“7·20”激发突发地质灾害数量的4.6倍,是“7·16”地质灾害数量的7倍。“7·21”激发了5类突发地质灾害,囊括了北京市5类突发地质灾害类型;“7·20”“7·16”各激发了3类突发地质灾害,其中,“7·20”期间未发生地面塌陷和不稳定斜坡,“7·16”期间未发生泥石流和地面塌陷。

3场暴雨激发的突发地质灾害的类型、数量与降雨量及降雨强度的空间分布高度一致(见图3～5),均出现在降雨中心,而且随降雨量的降低,灾害类型和数量逐渐减少,表明降雨是触发地质灾害的主控因子。

各类突发地质灾害发生的雨量范围具有清晰的界线,泥石流均发生在特大暴雨落区内,滑坡、地面塌陷发生在大暴雨及以上级别的降雨落区内,崩塌、不稳定斜坡发生在暴雨及以上级别的降雨落区内,各类突发地质灾害激发雨量的大小排序为:泥石流>滑坡、地面塌陷>崩塌、不稳定斜坡(见图10～12)。

图11 “7·20”特大暴雨激发突发地质灾害分区数量柱状统计图

图12 “7·16”特大暴雨激发突发地质灾害分区数量柱状统计图

上述分析进一步表明,降雨量与突发地质灾害数量高度相关,与前人的分析结果一致[26]。

3 暴雨强度与突发地质灾害定量分析

3.1 暴雨强度与突发地质灾害数量关系

尽管区域地质环境背景,如表层土壤类型、植被覆盖程度以及地质地貌特征对地质灾害的发生具有一定的影响,但研究表明,降水是北京地区地质灾害发生的主要控制因素[35]。本次研究的数据也支持了这一结论,如房山区是“7·21”“7·20”的暴雨中心,区平均降雨量基本相同,分别为301.0 mm和301.3 mm,但2场降雨激发的突发地质灾害的类型、数量却有极大的差别(见表3),指示降水特征是地质灾害发生的主要控制因子。

表3 房山区两场降雨激发的突发地质灾害统计

由表3可知,房山区2场降雨触发的地质灾害数量及类型均有较大的差别。 “7·21”激发的突发地质灾害的数量是“7·20”激发突发地质灾害数量的15倍,灾害类型是“7·20”激发灾害类型的2.5倍。对比“7·21”与“7·20”两场降雨,整体历时有较大差别,其中,“7·21”特大暴雨整体历时19 h,“7·20”特大暴雨整体历时55 h。“7·21”特大暴雨是单峰雨型,“7·20”特大暴雨是“一小一大双峰雨型”。两场降雨平均小时雨强分别为28.47 mm/h和7.67 mm/h,前者是后者的3.71倍(表4)。两场降雨的主峰时段均持续7 h,主峰时段的累积降雨量分别是336 mm和242 mm(见图13～14),分别占整场降雨量的63.98%和57.16%,平均小时雨强分别为48.0 mm/h和34.6 mm/h,前者是后者的1.39倍。两场降雨在主峰时段均有一个3 h的强峰值时段,其中,“7·21”的强峰值时段累积降雨量为241 mm,“7·20”特大暴雨强峰值时段累积降雨量为127 mm(见图13～14),平均小时雨强分别为80.3 mm/h和42.3 mm/h。前者是后者的1.90倍。2012～2016年的5 a间,房山区地质环境基本没有发生变化,因此导致两场突发地质灾害巨大差别的主要原因是降雨特征。鉴于两场降雨的总降雨量基本相同,平均雨强却相差近4倍,进一步支持了降雨强度是触发突发地质灾害主要控制因素的判断。

图13 “7·21”特大暴雨强降雨时段及峰值降雨时段过程雨量分布

图14 “7·20”特大暴雨强降雨时段及峰值降雨时段过程雨量分布

根据前人的研究,真正产生激发效应的是短历时的雨强[20-21]。因此,“7·21”“7·20”两场降雨激发效应最高的时段是强降雨峰值时段。 “7·21”激发的突发地质灾害数量是“7·20”激发突发地质灾害的15倍,佐证了场次降雨中强降雨时段的激发效应理论,而且,降雨强度与突发地质灾害之间存在数量关系。

3.2 暴雨强度与突发地质灾害量化方法

对于同等级暴雨,由于降雨历时、雨型、雨强不同,激发突发地质灾害的类型、数量有极大差别,应该用一个指标衡量暴雨致灾能力。引入反映暴雨致灾能力的概念——暴雨强度指数,由相当暴雨日数[29]与暴雨实际日数比值乘以场次降雨量:

暴雨强度指数的意义是:量化暴雨的致灾能力,即暴雨强度指数越高,暴雨的致灾能力就越强,激发的突发地质灾害的类型以及数量就越多。根据上述概念,计算出3场暴雨的暴雨强度指数分别为:5.775,1.832,1.006。

突发地质灾害对场次暴雨响应的最直观体现是突发地质灾害的数量,即突发地质灾害的数量越多,表明暴雨的致灾能力越强。为了量化体现突发地质灾害对场次暴雨的响应能力,引入地质灾害响应指数概念,将场次暴雨激发的突发地质灾害的数量无量纲化处理之后的数值,定义为该场暴雨的地质灾害响应指数。该指数越高,表明该场降雨激发的灾害数量越多。根据上述定义,3场暴雨激发的突发地质灾害的响应指数分别为:161,35,23。

3.3 暴雨强度与突发地质灾害数量关系

由于暴雨强度与突发地质灾害之间是正相关关系,即暴雨强度越大,突发地质灾害数量就越高。为了明确二者之间具体的数量关系,将上述暴雨强度指数与突发地质灾害指数在数值软件中进行了回归分析(见图15)。

图15 暴雨强度指数与突发地质灾害响应指数关系曲线

综上所述,暴雨强度指数能量化反映暴雨致灾能力,突发地质灾害响应指数能量化反映突发地质灾害对场次暴雨响应能力。这两个概念的引入,初步实现了暴雨强度-突发地质灾害的量化表达,在暴雨-突发地质灾害强度关系的研究上做出了新的探索。鉴于目前关于降雨与突发地质灾害数量完整信息相对较少,上述关系式需在以后工作中继续完善、修正。

3.4 暴雨-突发地质灾害定量预警模式

目前,多利用临界雨量阈值进行突发地质灾害预警,该方法从降雨的多个角度对激发突发地质灾害的阈值进行了界定[2-8],在实践中得到了广泛的应用。这种方法的优点是给出了突发地质灾害发生的雨量激发条件,但是并未涉及到可能激发的突发地质灾害数量。而突发地质灾害数量通常是进行防灾减灾部署工作中需要参考的重要技术指标:某一地区发灾数量多,则需部署的技术人员及相应的物资数量就多;反之,需要部署的人员及物资数量就少。采用暴雨强度指数作为防灾减灾部署依据能够进一步提高防灾减灾的效率。

基于本次研究得到的暴雨强度指数以及对应的灾害数量,提出了采用暴雨强度指数-突发地质灾响应指数参照表(见表5)作为防灾减灾部署的技术参数。当预报暴雨强度指数为1,突发地质灾害响应指数为20时,应急调度指数为10,此时应急部署可安排10个应急小组开展现场应急工作,每组负责2处。以此类推,有序开展现场应急工作,实现了应急部署的量化目标,大大地提高了应急工作的效率。

表5 暴雨强度指数、突发地质灾害响应指数、应急调度指数对应表

4 结 论

(1) 在总雨量一致的前提下,高雨强及高雨强持续的时间是激发突发地质灾害类型、数量的关键因素。

(2) 各类突发地质灾害的激发阈值具有清晰的界线:泥石流发生在特大暴雨落区内(≥250 mm),滑坡、地面塌陷发生在大暴雨及以上级别的降雨落区内(≥100 mm),崩塌、不稳定斜坡发生在暴雨及以上级别的降雨落区内(≥50 mm),各类突发地质灾害激发雨量的顺序为:泥石流>滑坡、地面塌陷>崩塌、不稳定斜坡。

(3) 暴雨强度指数是量化暴雨致灾能力的指标,突发地质灾害指数是量化突发地质灾害对暴雨响应能力的指标,暴雨强度与突发地质灾害数量之间呈指数关系。

(4) 采用暴雨强度指数-突发地质灾害强度指数表部署防灾减灾工作,能进一步提高防灾减灾效率。

提高防灾减灾效率是现代化城市安全发展的需求,本文在防灾减灾部署方面的量化探索,对于提高防灾减灾效率具有现实意义。但是由于突发地质灾害规范化管理的时间较短,目前可用于量化研究的数据较少,量化的准确度和深度需要在今后的工作中进一步加强和深入。