北京市北山地区泥石流灾害灾情评估

一、北京北山地区泥石流灾害概况

（一）自然地理及社会经济概况

北京北山地区统称军都山，属燕山山脉。其山体大致呈NEE或NE向，由断块山组成。本次泥石流灾害评估范围是密云县西北部、怀柔县中部和延庆县东南部地区，包括17个乡，面积约1800km2。北山地区山地海拔高度一般为500～1000m，个别达1000m以上，如黑坨山（1534m）、云蒙山（1414m）、大洼尖（1286m）等。地貌类型属中低山，向东南部过渡为丘陵。区内水系有潮河、白河和怀河，均属海河水系。白河和潮河均发源于坝上草原。它们横切燕山山脉，蜿蜒而下，注入密云水库。区内潮河、白河和怀河支流发育，可将其划归于11个流域，即汤河南岸（简称汤河流域）、白马关河、白河北岸、牤牛河、潮河西岸（简称潮河流域）、菜食河、琉璃河、怀沙河、雁栖河及沙河流域。

本区属暖温带半湿润大陆性气候，年平均气温8～10℃，最高月平均气温为25.7℃，最冷为－6℃，年温差32℃。由于区域内地形高差、山脉走向及气候风向不同，造成降水时空分布不均，大部分地区多年平均降水量在550～700mm，局部地区达700～850mm。降水量多集中分布在每年的6～8月份（图12-7）。

图12-7　北京北山地区年平均降水量等值线图

等值线单位/mm

评估区交通比较方便，有沙通铁路从区域东南经过，有密云—古北口，密云—柏碴崖，怀柔—丰宁，琉璃庙—四海等主要公路。此外，各乡（镇）政府所在地都有普通公路通行，各主要村庄有简易公路或大道与乡（镇）政府所在地连接。

本区工农业生产不太发达，收入水平较低。工业主要为一些小型的乡镇企业和加工工业。农业则由于山区土薄地少，大部分耕地为沟道坝地。其质量差，且常有泥石流、洪水、干旱等自然灾害经常发生，所以产量较低。目前，相当一部分村庄的粮食还不能自给，需依靠国家供应返销粮。

（二）泥石流灾害概况

本地区泥石流活动频繁，是我国泥石流灾害最严重的地区之一。其发育历史悠久，最早的灾害记录为1867年发生在怀柔县沙河峪道河、枣树林西沟、黍子峪西沟的泥石流。此后到1991年发生严重泥石流灾害14次，平均9年1次；其中9次为较大范围的群发性泥石流，周期约14年1次。从灾害活动的时间分布看，1959年以前，泥石流平均15年一次，群发性泥石流约30年1次。1959年以后泥石流活动爆发频率增高，平均约4.5年一次，其中以1977年外最为严重，其余均为群发。从灾害活动的地区分布看，区内各流域泥石流活动频率并不相同：白马关河、琉璃河、沙河、白河南岸四个流域泥石流相对活跃，周期属中短期（二年至十几年），其它流域为中长期（十几至五十年），比区域泥石流活动频率低（表12-13）。

表12-13　各流域泥石流活动周期表

自1959年以来的几次泥石流活动，由于受暴雨中心位置和暴雨范围的控制，常成群出现，具有强烈的群发性特征。但几次泥石流爆发区并非在同一地区，而且沿北北东方向不断迁移（图12-8）。历次泥石流活动的规模以中小型为主，一次冲出物质量一般为1×104～5×104m3。

本区频繁发生的泥石流活动给人民生命财产造成了较严重损失。主要直接破坏是造成人员伤亡、冲毁房屋、冲毁农田和林地、阻断交通道路、冲毁电力通讯设施、冲毁和淤埋各种水利工程设施等；此外还有停工停产、农作物减产等间接损失。现将本区主要泥石流灾害事件和损失情况汇总于表12-14。

图12-8　北京北山地区泥石流灾害分布图

1—1959年泥石流爆发区；2—1969年泥石流爆发区；3—1972年泥石流爆发区；4—1976年泥石流爆发区；5—1989年泥石流爆发区；6—1991年泥石流爆发区

表12-14　泥石流灾害损失统计表

续表

注：据韦京莲等资料，略有修改。

二、泥石流灾害的危险性评价

（一）危险性评价的基本方法和步骤

1.首先在众多影响因素中选取与泥石流关系密切的关联因子；然后按小流域分别统计关联因子的原始资料和数据，以便确定等级划分的标准；据此将原始资料和数据进行概化预处理，使其转化成1～10的标示各因子水平的定量化数据。

2.利用灰色关联度分析的方法确定各关联因子的关联度，并依此确定出各关联因子的权重值。

3.用各关联因子的概化标度乘上其权值之积确定各小流域的历史灾害强度和潜在灾害强度；再用历史强度和潜在强度分别乘上其权值就得到各个小流域的危险性指数。

4.依据所得小流域的危险性指数对每个小流域进行泥石流危险性评价。

（二）危险性指数的计算过程

1.选取关联因子及其资料数据

根据泥石流的形成条件，本区均属于暴雨型泥石流。其形成主要与气候条件、地形地貌条件、地质构造条件以及人类经济活动和泥石流活动历史关系密切。由于本次泥石流评价是以小流域为基本单元进行的。所以，我们选取区域性规律特征比较明显，能够代表泥石流的历史形成状况和潜在形成条件的因素作为关联因子；选取泥石流活动规模、发生频次和泥石流的点密度作为代表泥石流历史状况的主要关联因子；选取大于50mm的暴雨日数和年平均降雨量两个气候条件，流域最大高差、沟谷最大高差和沟床平均纵比降等3个地形地貌条件，构造发育程度和松散固体物质储量2个地质构造条件以及植被度1个人类活动条件作为区域泥石流形成的潜在活动因子进行危险性评价。

2.关联因子调查统计及概化处理

北京北山地区11个小流域泥石流原始资料数据调查统计结果见表12-15。其中泥石流规模是按一次泥石流冲出物质量的多少来确定的；岩石风化程度、松散固体物质储量和构造发育程度是区域相比较的结果。

由于表12-15中的统计资料既有定量数据又有定性描述，难以进行量化计算，所以必须将它们进行概化预处理后才能进行灰色关联分析计算。根据本区的泥石流发育规律和特征，并参考有关研究成果，得出本区泥石流各主要关联因子的分级、概化和赋值标准（表12-16）。把所有的关联因子都分成四级，根据分级的概化标准从高级到低级将原值分别用10、6、3、1代替；考虑到植被度越高越不容易发生泥石流，即植被度与泥石流活动呈负相关关系，所以植被度的赋值由高级到低级分别用1、3、6、10代替。

3.计算关联因子的关联度和权值

泥石流的影响因素是多种多样的，其中既有已知的，也有未知和模糊不清的。因此，可以把泥石流的活动过程看成是一个灰色系统，用灰色关联分析的方法来确定各因子间的关联度。

令x（i、j）为灰色关联因子集（i代表样本个数，i=1,2,3…N;j代表各个因子，j=1,2,3…M；且N≥M），其中x（i、j）为对比序列（即主导因子），则关联度的计算步骤如下：

（1）用均值化方法把原始数据做无量纲化处理，得出均值化矩阵x1（i、j）。

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：x1（i,j）——均值化数据；

x（i,j）——原始数据；

——原始数据第j列（j个因子）的平均值。]]

1（i,j）－x（i,j）进行求差序列计算。式中?（i,j）为主导因子与关联因子比较后的绝对差值。

（3）计算最大绝对差值和最小绝对差值。

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：?max——所有差值序列中的最大绝对差值；

表12-15　北京北山地区泥石流基础资料统计表

表12-16　关联因子的分级、概化和赋值标准

（4）计算关联系数

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：ζ（i,j）——关联系数；

k——经验系数，一般取0.5。

（5）计算关联度

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：R（j）——对比序列（主导因子）与其它各因子的关联度；

j——第j列因子。

按上述步骤，用计算机计算得出了主导因子与关联因子间的关联度，进而确定它们之间的关系密切程度和各因子对泥石流所做贡献的大小（即各因子的权重值）。

利用已概化的数据，分别选取泥石流的规模、频次和点密度作为主导因子，其它因子作为关联因子，分别求得主导因子和关联因子的关联度。从关联度的计算结果看，相对于三个不同主导因子的泥石流关联因子的关联度的排序基本上一致。取其平均值得到各潜在形成条件的关联度。同样方法以每个主导因子的三个关联度的平均值作为主导因子的关联度。

由于泥石流的历史条件和潜在条件对泥石流危险性贡献的大小不同，因而泥石流的历史条件（规模、频次和点密度）只能说明泥石流过去的活动程度；今后发展趋势及衰减程度，则取决于泥石流的潜在条件。因此，我们把历史灾害活动程度和潜在灾害活动条件作为评价泥石流灾害危险性的决定因素。在这两方面影响因素中的各个关联因子对泥石流危险性的贡献也不相同。利用前面所进行的关联分析，分别求得历史条件和潜在条件各关联因子的关联度之和及各关联因子的权重值（表12-17）。

另外，我们利用德尔菲法获得了历史灾害活动程度和潜在灾害活动条件对泥石流危险性的权值分别为0.42和0.58。

4.计算各流域泥石流的危险性指数

泥石流危险性指数是表示泥石流活动危险性程度的指标，危险性指数越高，泥石流活动的危险性越大。危险性指数由下式计算获得：

地质灾害灾情评估理论与实践

式中：WZ——泥石流危险性指数；

LD——泥石流的历史活动强度；

QD——泥石流的潜在活动强度；

R1——历史灾害强度的权值，R1=0.42;

R2——潜在灾害强度的权值，R2=0.58;

M=11;

x（i,j）——概化后的数据；

R（j）——各关联因子的权值；

其它符号意义同前。

按上式计算得出每个小流域泥石流的潜在强度、历史强度和危险性指数。计算结果见表12-18。

（三）泥石流灾害危险性评价

从泥石流危险性指数的计算结果看出，北京北山地区11个小流域泥石流活动的危险性程度由高到低的排列顺序为：琉璃河＞沙河＞白河南岸＞白河北岸＞白马关河＞菜食河＞雁栖河＞怀沙河＞潮河＞汤河＞牤牛河。

为了更直观地反映泥石流活动危险性程度的高低，依据各小流域的危险性指数进行分级区划。***划分为4级：其中高度危险（Wz＞6）的有琉璃河、沙河、白河南岸和白河北岸4个小流域；重度危险（Wz,5～6）的有白马关河和菜食河2个小流域；中度危险（Wz,4～5）的有雁栖河和怀沙河2个小流域；轻度危险（Wz，＜4）的有汤河、潮河和牤牛河3个小流域（表12-19、图12-9）。

表12-17　北京北山地区泥石流活动主导因子与关联因子的关联度及权值计算结果表

表12-18　北京北山地区泥石流活动关联因子概化数据及危险性评价计算结果表

表12-19　北京北山地区泥石流危险性分布简表

图12-9　北京北山地区泥石流灾害危险性分布图

1—高度，＞6;2—重度，5～6;3—中度，4～5;4—轻度，＜4;5—泥石流小流域代号

三、泥石流灾害易损性评价

（一）易损性评价的基本方法和步骤

1.以小流域为单元，调查统计社会经济状况、固定资产和土地使用类型；并将所有的社会资产（包括工农副业总产值、固定资产和土地价值三部分）折合成1992年的价值，从而得到各个小流域的社会资产总值和单位面积的资产密度。

2.用各个小流域的单位平均资产和人口密度分别除以整个评价区的单位平均资产和人口密度，二者相乘之积为该流域泥石流易损性指数。

3.根据各小流域的易损性指数对评价区进行泥石流易损性评价。

（二）易损性指数的计算过程

1.调查统计北京北山地区11个小流域的社会经济状况、固定资产和各类用地面积，并核算土地和各类资产价值；然后累加，得到每个小流域的社会总资产（表12-20、12-21）。

表12-20　北京北山地区社会经济和固定资产统计结果表

注：1亩＝0.066km2（下同）。

表12-21　北京北山地区用地类型及其价值统计结果表

2.易损性指数计算

易损性指数是表示灾害区承受泥石流破坏能力的指标。它与社会资产和人口密度密切相关。易损性指数越大，对泥石流活动的敏感程度越高，通常灾害所产生的破坏损失越严重。易损性指数的计算方法和步骤如下：

（1）将各小流域的社会资产除以小流域的面积，得出各小流域的单位平均资产。将各小流域的社会总资产除以整个评价区的面积，得出整个评价区的单位平均资产。

（2）将各小流域的单位平均资产和人口密度分别与整个评价区的单位平均资产和人口密度相比较（相除），然后将其值相乘，就得到每个小流域的易损性指数。即按下式计算：

Yi＝（Ri/Ro）×（Zi/Zo）

式中：Yi——各个小流域的易损性指数；

Ri——各个小流域的人口密度/（人/km2）；

Ro——评价区平均人口密度/（人/km2）；

Zi——各个小流域的单位平均资产/（万元/km2）；

Zo——评价区的单位平均资产/（万元/km2）。

按上述步骤计算所得的各个小流域易损性指数的结果见表12-22。

表12-22　北京北山地区泥石流易损性评价结果表

（三）泥石流灾害易损性评价

根据泥石流易损性指数计算结果，11个小流域易损性指数的排列顺序为：沙河＞潮河＞怀沙河＞雁栖河＞牤牛河＞菜食河＞白马关河＞汤河＞琉璃河＞白河北岸＞白河南岸。

根据各个小流域的易损性指数分布情况，将全评价区的易损性划分为4级：其中极重度易损性（Yi，＞1.5）的有沙河和潮河2个小流域；重度易损性（Yi,1～1.5）的有怀沙河和雁栖河2个小流域；中度易损性（Yi,0.5～1）的有琉璃河、菜食河、汤河、白马关河和牤牛河5个小流域；轻度易损性（Yi，＜0.5）的有白河北岸和白河南岸2个小流域（表12-23、图12-10）。

表12-23　北京北山地区泥石流易损性分级区划结果表

（四）泥石流的危害程度分析

泥石流的危害程度是指在一定的自然条件和社会经济条件下，泥石流灾害对人类生命财产的破坏能力和威胁程度。它包含了泥石流的危险性和易损性两个方面，可以用危害程度指数表示。按下式计算：

WX=Wz·Y

式中：WX——危害程度指数；

Wz——危险性指数；

Y——易损性指数。

图12-10　北京北山地区泥石流灾害易损性分布图

1—极重度，＞1.5;2—重度，1～1.5;3—中度，0.5～1;4—轻度，＜0.5;5—泥石流小流域代号

经计算得出北京北山地区各小流域泥石流的危害程度指数（表12-24）。由高到低的排列顺序为：沙河＞潮河＞怀沙河＞雁栖河＞琉璃河＞菜食河＞白马关河＞白河南岸＞白河北岸＞牤牛河＞汤河。按危害程度指数将本区的泥石流危害程度划分为4级：其中危害程度极高（WX，＞10）的只有沙河流域；危害程度高（WX,5～19）的有潮河、怀沙河和雁栖河三个流域；危害程度中等（WX,3～5）的有琉璃河、菜食河、白马关河和白河南岸4个流域；危害程度较低（WX,＜3）有汤河、白河北岸和牤牛河3个流域（图12-11）。

表12-24　北京北山地区泥石流危害程度指数计算结果表

图12-11　北京北山地区泥石流灾害危害强度分布图

1—极高，＞10;2—高，5～10;3—中等，3～5;4—低，＜3;5—泥石流小流域代号

四、泥石流灾害的破坏损失评价

（一）破坏损失评价的基本方法和步骤

1.对11个小流域的泥石流灾害破坏损失情况进行调查统计，并折合成1992年价值，得到各个小流域的损失总和。

2.将各小流域损失总和分别与社会资产、固定资产和工农业生产总值相比较，得到不同形式的泥石流的破坏损失率。将各小流域的人员死亡数与现今流域人口总数相比较，得到各个小流域的人员死亡率。

3.将破坏损失率乘以人员死亡率，得到各流域破坏损失指数。

4.依据上述各种计算结果对各个小流域进行泥石流破坏损失评价。

调查、统计、计算结果见表12-25～12-29。

（二）泥石流灾害破坏损失评价

北京北山地区各流域泥石流破坏损失由高到低的排列顺序为：白马关河＞白河北岸＞琉璃河＞汤河＞牛河＞雁栖河＞菜食河＞白河南岸＞怀沙河＞潮河＞沙河。根据泥石流破坏损失率计算结果看，虽然由不同方法求得的各种破坏损失率的排序不尽相同（表12-30），但其排列顺序大致相同，而且与破坏损失指数的分布情况基本一致。

表12-25　北京北山地区泥石流发生年次及破坏损失统计结果表

表12-26　北京北山地区泥石流流域破坏损失统计结果表

表12-27　北京北山地区社会经济状况和泥石流损失情况一览表

表12-28　北京北山地区泥石流破坏损失率计算结果表

表12-29　北京北山地区泥石流破坏损失指数计算结果表

表12-30　不同统计计算结果反映泥石流破坏损失程度的排序表

根据泥石流破坏损失指数Ps的计算结果，各个小流域由高到低的排列顺序为：白马关河＞白河北岸＞琉璃河＞牤牛河＞白河南岸＞汤河＞雁栖河＞菜食河＞怀沙河＞潮河＞沙河。可划分成4级：破坏损失程度极高（Ps，＞1）的有白马关河和白河北岸2个小流域；破坏损失程度高（Ps,0.2～1）的有琉璃河、白河南岸和牤牛河3个小流域；破坏损失程度中等（Ps,0.02～0.2）的有汤河、菜食河、怀沙河和雁栖河4个小流域；破坏损失程度低（Ps，＜0.2）的有潮河和沙河2个小流域（表12-31、图12-12）。

表12-31　北京北山地区泥石流破坏损失指数分级表

图12-12　北京北山地区泥石流灾害损失强度分布图

1—极高，＞1;2—高，0.2～1;3—中等，0.02～0.2;4—低，＜0.02;5—泥石流小流域代号

五、泥石流防治工程评价

（一）泥石流防治工程现状

北京北山地区泥石流分布广，其发生的时间、地点难以预测，加之这里自然条件恶劣，经济水平较低，人们对泥石流的潜在危险性认识不足等原因，时至今日，尚未建立起完整的泥石流防治体系，现有的一些防护工程设施，大多是为防治山洪而建造的小型水利工程。此外，本区的森林植被度平均只有23%，因而既难以抑制泥石流活动，更难以抵御泥石流破坏，致使每次发生泥石流都要造成严重损失。

（二）泥石流防治方案及其效益分析

北京市水文地质工程地质大队和北京市地质研究所于1991～1993年曾联合进行过北京北山地区泥石流灾害勘察及其防治方案的调研工作，选取北京北山地区的密云县番字牌西沟（属白马关河流域）和怀柔县柯太沟（属白河北岸流域）两条沟的泥石流进行了勘察规划工作。根据泥石流的形成条件、环境背景、形成过程、类型特点及其发育历史和发展趋势，提出了泥石流的防治方案。其基本措施如下：

工程措施：按一定的设计标准和校核标准建筑工程设施。即保证在发生设计标准内的泥石流和高含沙洪水时，工程设施正常运行，保护对象不受危害；又要保证在发生校核标准内的泥石流和高含沙洪水时，工程设施不被破坏，还能有效地减轻灾害损失。

生物措施：主要是封山育林，以涵养水分，固土固坡，调节地表径流，削弱形成泥石流的水动力条件，抑制泥石流活动。同时还发展干鲜果品经济林、用材林和薪炭林，以繁荣经济。

两方面措施落实后，将有效地防治泥石流灾害。以此为基本依据，进行这些措施的投入与产出分析，并以这两条沟为例，延伸对全评价区泥石流灾害防治工程进行评价。

1.番字牌西沟泥石流防治方案效果分析

工程设施标准按防御50年一遇的高降水量和保证率2%设计；校核标准为100年一遇的高降水量和保证率1%。番字牌西沟小流域内主沟上游（小西天）为大型泥石流沟谷，其余支沟为小型泥石流沟，防治对象为小西天沟和其它二、三级支沟。防治工程规划的要点是：自上游至下游，采取稳固、拦挡、护排相结合的工程措施，以减轻或消除泥石流和高含沙洪水对沟内村庄、耕地和公路设施的危害；同时进行生物防治，从根本上削弱泥石流活动。投资概算和预期效益：总投资361.69万元，其中工程措施投资294.25万元，生物措施投资67.44万元。在工程设施建成后，能基本控制松散固体物质的启动和运移，从而降低泥石流的爆发频率，削弱泥石流的规模，抑制泥石流危害。当小流域的森林生态得以重建之后，它既能抑制泥石流活动，又能使工程设施更充分、更长久地发挥作用；同时，由于干鲜果品经济林和农业的发展，每年可增加收入225.57～248.49万元。

2.怀柔县柯太沟泥石流防治方案效果分析

工程设施设计标准按防御20年一遇的高降水量和保证率5%设计；校核标准为50年一遇的高降水量和保证率2%。防治工程规划的要点是：自上游至下游采取拦、调、蓄、排相结合的工程措施，同时进行生物防治，以减轻或消除泥石流和高含沙洪水对东湾子村及其下游的危害。

投资概算和预期效益：总投资317.28万元，其中工程防治投资251.66万元，生物防治投资65.66万元。在工程设施建成和生态重建之后，其防灾效益和生态效益与番字牌西沟基本相同。同时又促进农业、干鲜果品、水产养殖和采矿业的发展，每年可增加收入70万元左右（用材林收入未计算在内）。

（三）泥石流防治工程评价

根据泥石流灾害发展趋势，不进行有效的防治，所造成的破坏损失将不断增大；相反，如果采取措施进行防治，则泥石流活动的破坏损失就会减小。

假定上述两条沟的泥石流防治方案均于2000年底前完成，其有效使用年限为50年，则上述两条沟谷的投入产出比值分别为：番字牌西沟为225.57×50/361.69≈31；柯太沟为70×50/317.28≈11。

我们在下列假设条件下，对北京北山地区泥石流未采取防治措施和采取防治措施后的破坏损失水平（即年平均损失）和累计损失分别进行预测。

S损＝S平（1+A）αt·（1+B）βt

式中：S损——预测年份的破坏损失水平；

S平——统计的1959～1993年的年平均破坏损失水平；

A——国民经济年均增长速率；

α——随国民经济增长发生的破坏损失增长系数；

B——采取防治工程措施后年均破坏损失降低的速率；

β——防治工程措施对灾害破坏损失的影响系数；

t——预测的年份。

假定条件：北京北山地区的泥石流强度规模、发生频率保持不变；国民经济增长速率（A）为7%；在不采取防治措施，灾害程度保持现状的情况下，由于国民经济增长而形成的破坏损失增长系数（α）为50%；按防治方案实施防治工程措施，并且到2000年底全部完成投入运行后，泥石流的破坏损失率将逐渐降低，其降低速率（B）为10%；防治工程措施对泥石流灾害的有效防治程度（B）为80%。依照上述公式和假设条件以及1959～1993年统计的泥石流灾害的年平均损失，分别计算出在不采取防治措施和采取防治措施两种情况下各小流域不同年份的破坏损失水平和累计损失的预测值（表12-32和表12-33）。

表12-32　未防治情况下北京北山地区泥石流破坏损失水平和累计损失预测结果表

表12-33　防治后的北京北山地区泥石流破坏损失水平和累计损失预测结果表

从损失预测结果看，泥石流在保持已往历史强度规模和频率的情况下，若不进行有效防治，其破坏损失将持续增长，大约20年翻一番；累计损失增长速度更快，平均10年左右就翻一番。如能采取防治工程措施，泥石流的损失水平将明显降低。如果按10%的速率逐渐降低，那么到2030年的损失水平基本趋势近于0，累计损失虽然仍不断增加，但增长速度趋于缓慢（图12-13）。

图12-13　不同条件下泥石流预测损失水平和累计损失曲线图

1—未防治的累计损失曲线；2—防治后的累计损失曲线；3—未防治的损失水平曲线；4—防治后的损失水平曲线