浙江地區(qū)引發(fā)滑坡的降雨強(qiáng)度－歷時(shí)關(guān)系

麻土華，李長江，孫樂玲，李 煒，何彩芬

（1.浙江省國土資源廳信息中心，浙江 杭州 310007；

2.浙江省國土資源廳地質(zhì)環(huán)境處，浙江 杭州 310007；3.寧波市氣象臺(tái)，浙江 寧波 315012）

0 引言

本文所討論的滑坡主要指降雨型滑坡（土體和巖體滑動(dòng)，也包括泥石流和崩塌等）［1］。引發(fā)滑坡的降 雨 閾 值 概 念 由 Caine（1980）［2］提 出，他 根 據(jù)Campbell（1975）［3］關(guān)于高強(qiáng)度降雨與淺層滑坡發(fā)生關(guān)系的認(rèn)識(shí)以及Starkel（1979）［4］通過降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系判別臨界降雨量的工作提出了這一概念。Campbell（1975）［3］推測當(dāng)強(qiáng)烈的降雨下滲進(jìn)入含水層時(shí)，隨著孔隙壓力增大，導(dǎo)致淺部土層的有效強(qiáng)度減小，從而引發(fā)滑坡。Cain（1980）［2］利用前人發(fā)表的，全球73個(gè)淺層滑坡資料和相關(guān)的降雨強(qiáng)度和歷時(shí)數(shù)據(jù)提出了關(guān)于引發(fā)泥石流的最小降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值。

自Caine（1980）［2］以來，對降雨引發(fā)滑坡的預(yù)報(bào)研究大多圍繞降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系展開，試圖通過各種經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)方法確定與滑坡有關(guān)的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值，以閾值作為實(shí)時(shí)降雨數(shù)據(jù)的參照來識(shí)別可能引發(fā)滑坡的暴雨事件，進(jìn)而按照降雨預(yù)報(bào)或雨量監(jiān)測的區(qū)域范圍預(yù)報(bào)滑坡可能發(fā)生的時(shí)段（如文獻(xiàn)［5-11］等）。

由于獨(dú)特的地理位置，復(fù)雜的地質(zhì)、地形和氣候背景，浙江成為中國降雨型滑坡最頻發(fā)的地區(qū)之一。浙江省水文勘測局在浙江設(shè)有一個(gè)由1257個(gè)雨量站組成的監(jiān)測網(wǎng)，基本覆蓋浙江全部陸地區(qū)域，本文根據(jù)1990年至2003年該雨量監(jiān)測網(wǎng)記錄的小時(shí)雨量數(shù)據(jù)和雨量站附近發(fā)生的可確定發(fā)生時(shí)間的滑坡數(shù)據(jù)，給出了對浙江全省及6個(gè)易于發(fā)生滑坡的縣級(jí)區(qū)域滑坡的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值。

1 方法

對于引發(fā)滑坡的降雨閾值，一般都是通過分析已導(dǎo)致或可能導(dǎo)致滑坡的歷史降雨事件來確定的。通常的作法，是將引發(fā)滑坡的降雨條件（降雨強(qiáng)度與歷時(shí)）標(biāo)繪在笛卡爾坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)或雙對數(shù)坐標(biāo)上，以數(shù)據(jù)分布的下部界線作為閾值，即引發(fā)滑坡的降雨條件下限［11］。在一些英文文獻(xiàn)［11-12］中將現(xiàn)有的通過分析歷史降雨數(shù)據(jù)確定的降雨閾值稱為經(jīng)驗(yàn)性降雨閾值。降雨強(qiáng)度指在一個(gè)給定時(shí)段內(nèi)的累積降雨量或降雨速率。根據(jù)觀測時(shí)段的長短，降雨強(qiáng)度可以用對降雨量的“瞬間”測量，也可以用小時(shí)（小時(shí)強(qiáng)度）、天或者更長時(shí)間段的平均值來表示。通常是以每小時(shí)毫米（mm/h）或英寸（in/h）作為度量單位。對于長的觀測時(shí)段，以“平均”值表示的降雨強(qiáng)度低于觀測時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)的峰值（最大）降雨量。因此，短時(shí)段和長時(shí)段觀測的降雨強(qiáng)度其物理含義有很大區(qū)別。如果以I表示平均降雨強(qiáng)度（單位為mm/h），D表示降雨歷時(shí)（單位為h），在雙對數(shù)坐標(biāo)圖上，I與D之間的關(guān)系可以表示為［11］

這里，c≥0以及b和α為參數(shù)。

圖1給出了現(xiàn)有文獻(xiàn)中幾個(gè)有代表性的降雨引發(fā)滑坡的I-D關(guān)系。

圖1 引發(fā)土體滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系［2，6，7］Fig.1 Rain fall intensity-du ration thresholds for initiation of shallow landslides（soil slides and debris flows）［2，6，7］

2 浙江滑坡的降雨強(qiáng)度與歷時(shí)關(guān)系

浙江省水文勘測局在浙江設(shè)有一個(gè)由1257個(gè)雨量站組成的監(jiān)測網(wǎng)，基本覆蓋浙江全部陸地區(qū)域。由于目前已有的滑坡數(shù)據(jù)中對滑坡發(fā)生時(shí)間的記錄極少有精確到分鐘的，因此在我們的分析中僅考慮小時(shí)降雨。本文根據(jù)1990年至2003年該雨量監(jiān)測網(wǎng)記錄的小時(shí)雨量數(shù)據(jù)和雨量站附近發(fā)生的可確定發(fā)生時(shí)間的滑坡數(shù)據(jù)，分析了滑坡的降雨強(qiáng)度 -歷時(shí)關(guān)系。圖2是對全省范圍內(nèi)滑坡的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（未區(qū)分土體和碎屑滑坡與泥石流），圖3是對全省范圍內(nèi)的土體和碎屑滑坡的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖4表示全省范圍泥石流的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系。對比圖3和圖4，可以發(fā)現(xiàn)土體和碎屑滑坡的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系線的斜率（0.515）要略微高于泥石流發(fā)生時(shí)的降雨強(qiáng)度 -歷時(shí)關(guān)系線的斜率（0.503），而前者的b值為23.75，要明顯低于后者的b值30.39。這里b值的物理意義是D=1時(shí)的降雨量，因此對于1h的歷時(shí)而言，發(fā)生泥石流的最小降雨強(qiáng)度要明顯高于土體和碎屑滑坡。對此可以解釋為：在雨水經(jīng)入滲，進(jìn)入坡面后增加了斜坡巖土體內(nèi)部孔隙壓力及減小有效應(yīng)力，降低了巖土體固體顆粒間的摩擦力與內(nèi)聚力；當(dāng)孔隙壓力超過某一臨界值時(shí)，斜坡上的巖土體就會(huì)沿潛在滑移面發(fā)生滑動(dòng)；當(dāng)斜坡上的巖土體受持續(xù)強(qiáng)降雨、徑流的浸潤滲透和浸泡，含水量不斷增加，孔隙壓力增大使有效應(yīng)力趨近于零時(shí)，潛在滑移面上覆的巖土體將完全喪失內(nèi)聚力而呈現(xiàn)液態(tài)化狀態(tài)，并沿坡面滑動(dòng)或流動(dòng)，經(jīng)過一段時(shí)間和一段距離的混合攪拌，就形成了所謂的泥石流。因此，發(fā)生泥石流的最小降雨強(qiáng)度要明顯高于土體和碎屑滑坡。

圖2 浙江省引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.2 Rainfall intensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flows in Zhejiang Province，China

圖3 浙江省引發(fā)滑坡（土體和碎屑滑坡）的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.3 Rainfall intensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil-debris slides in Zhejiang Province，China

圖4 浙江省引發(fā)泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.4 Rain fall intensity-du ration（ID）th resholds for the initiation of debris flows in Zhejiang Province，China

圖5 浙江淳安縣引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.5 Rain fall intensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flows in Chunan County，Zhejiang Province，China

圖5～圖10是對浙江6個(gè)縣（市）得到的滑坡（包括泥石流）的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系圖。由于受資料限制，目前還難以對全省所有地處丘陵山區(qū)的縣（市）都進(jìn)行降雨強(qiáng)度 -歷時(shí)關(guān)系分析，但是從這些結(jié)果（表1）仍然可以得出一些很有意義的啟示：（1）在浙江區(qū)域引發(fā)滑坡（包括泥石流）所需的平均最小小時(shí)降雨量為26mm，即當(dāng)小時(shí)降雨量達(dá)到26mm時(shí)，就可能引發(fā)土體或碎屑滑坡和泥石流。（2）從浙西南的沿海地區(qū)向西北和北，引發(fā)滑坡（包括泥石流）的平均最小小時(shí)降雨量有逐漸降低的趨勢，樂清市和永嘉縣為30～34mm，到龍泉市為25 mm，再往西北到淳安縣則下降至22mm；位于樂清市和永嘉縣北面的臨海市和寧?？h為19～26mm。造成這個(gè)現(xiàn)象的原因，除了地形、植被以及地層巖石的風(fēng)化和破碎程度等因素外，可能與地理位置有關(guān)。東臨樂清灣的樂清市和永嘉縣受臺(tái)風(fēng)暴雨影響的頻度和強(qiáng)度往往要大于其它地區(qū)，斜坡上覆的松散堆積物往往易于被雨水沖蝕掉，滑坡（泥石流）可能主要源于斜坡體的全或強(qiáng)風(fēng)化層，這些全或強(qiáng)風(fēng)化層的內(nèi)聚力（抗剪切強(qiáng)度）一般要大于松散堆積物，因此相對其它地區(qū)可能需要更高的降雨強(qiáng)度才能引發(fā)滑坡（泥石流）。

圖6 浙江永嘉縣引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.6 Rainfall in tensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flows in Yongjia County，Zhejiang Province，China

圖7 浙江樂清市引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.7 Rain fall in tensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flows in Yueqing City，Zhejiang Province，China

圖8 浙江寧?？h引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.8 Rain fall in tensity-du ration（ID）th resholds initiation of soil slides and debris flows in Linhai City，Zhejiang Province，China

圖9 浙江臨海市引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.9 Rain fall intensity-duration（ID）thresholds for the for the initiation of soil slides and debris flow s in Ninghai County，Zhejiang Province，China

圖10 浙江龍泉市引發(fā)土體－碎屑滑坡和泥石流的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Fig.10 Rain fall intensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flow s in Longquan City，Zhejiang Province，China

3 討論與結(jié)論

目前，人們已提出的引發(fā)滑坡的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值可以大致地分為全球、區(qū)域和地區(qū)的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值［11］。在一些國家和地區(qū)的降雨型滑坡（泥石流）預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)主要是以降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值為基礎(chǔ)建立的［13-14］，如：美國加利福尼亞州的舊金山海灣區(qū)，中國香港，日本以及巴西里約熱內(nèi)盧等地的滑坡（泥石流）預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)。

但是，在確定降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值時(shí)，一般都沒有或很少考慮地質(zhì)、地形、地貌等環(huán)境因素的影響。在一個(gè)區(qū)域內(nèi)，地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、植被土壤等因素在空間上是變化的，降雨引發(fā)的滑坡、泥石流是水與這些環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，只有在這些環(huán)境因素滿足一定條件的地方，降雨才會(huì)引起滑坡、泥石流，因此，在一個(gè)降雨區(qū)域內(nèi)，不同的地方滑坡、泥石流的發(fā)生概率不同［1，14］。也正因?yàn)槿绱?，基于降雨?qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值的預(yù)報(bào)系統(tǒng)難以實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)地指示滑坡（泥石流）最可能在降雨區(qū)域的哪里發(fā)生，在這種情況下，即使對一個(gè)區(qū)域發(fā)布了預(yù)報(bào)，這個(gè)預(yù)報(bào)也是難以實(shí)施的［1，12，14］。

然而，對于一個(gè)尺度相對較小的區(qū)域，例如一個(gè)縣級(jí)區(qū)域，可以通過建立引發(fā)滑坡、泥石流的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值和編制大比例尺滑坡、泥石流敏感度（易發(fā)程度）區(qū)劃圖，在降雨期間，以降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值作為參照與來自降雨監(jiān)測站（網(wǎng)）的實(shí)時(shí)降雨信息進(jìn)行比對，根據(jù)兩者的接近程度，預(yù)測該區(qū)域內(nèi)可能引發(fā)滑坡、泥石流的暴雨事件，并與該區(qū)域的滑坡、泥石流敏感度圖進(jìn)行比對，進(jìn)而預(yù)測滑坡最可能發(fā)生的地段，這對于建立縣級(jí)滑坡、泥石流預(yù)報(bào)系統(tǒng)是很有意義的。這里的關(guān)鍵是如何在降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值與滑坡、泥石流敏感度圖之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)。

表1 浙江省不同區(qū)域范圍引發(fā)滑坡（泥石流）的降雨強(qiáng)度―歷時(shí)關(guān)系Table 1 Rain fall intensity-duration（ID）thresholds for the initiation of soil slides and debris flows in several regional extents，Zhejiang Province，China

根據(jù)浙江已有的滑坡數(shù)據(jù)和相關(guān)的降雨觀測記錄，我們對浙江全省及6個(gè)易于發(fā)生滑坡、泥石流的縣確定了引發(fā)滑坡、泥石流的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值。關(guān)于在降雨強(qiáng)度-歷時(shí)關(guān)系閾值與滑坡、泥石流敏感度圖之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)的問題，我們將另文論述。

致謝：本項(xiàng)目研究得到浙江省重大科技專項(xiàng)（浙江省地質(zhì)災(zāi)害隱患監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，計(jì)劃編號(hào)：2006C13024）的支持，特此致謝。

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