湖南茶陵滑坡空間預(yù)警的降雨臨界值初步分析

黃 雯，方 瓊，王國衛(wèi)，李明波

(湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，湖南長沙 410007)

0 引言

降雨是大部分滑坡主要的誘發(fā)因素。相對于其它影響因子，降雨有兩個突出的特點:一，降雨具有明顯的隨機性，不同時間降雨會不同，而其他物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件則是相對穩(wěn)定的;二，不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，相同降雨量引發(fā)滑坡的概率相差很大［1］。很多國家的學(xué)者都在努力尋找不同條件下降水量與滑坡發(fā)生的關(guān)系，Onodera等以降雨過程總量作為發(fā)生滑坡的依據(jù)，提出日本過程降水量超過150mm時大量滑坡會發(fā)生滑動;Brand等對香港的滑坡與降雨資料進行了統(tǒng)計分析，得出香港絕大多數(shù)滑坡是由短歷時強降雨誘發(fā)的，提出以小時降雨量作為發(fā)生滑坡的臨界值［2］。一個地區(qū)往往有一個臨界降雨量，達到或超過這個強度，就會誘發(fā)大量的滑坡。本文以茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析導(dǎo)致茶陵縣不同區(qū)域滑坡發(fā)生的臨界降雨量，并得出茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖，為防災(zāi)減災(zāi)的實踐提供一定的理論依據(jù)。

1 茶陵縣基本概況

茶陵縣位于湖南東部，湘江支流洣水流域，總面積2507km2。茶陵縣多年平均降水量1467.9mm，降水集中在4～6月，三個月降水量占全年總降水量的46%。日降水量最大為270.7mm。

茶陵縣西北、東南山地矗立，地勢逐漸向中部傾斜，形成一個向西南敞開的丘陵性盆地?？h內(nèi)可分為山地、丘陵、平原三個地貌類型，所占面積比例分別為55.44%、40.44%、4.12%?？h內(nèi)地形切割大、坡陡溝深，小褶皺及其次級斷裂較發(fā)育，巖體較破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，碎屑物質(zhì)豐富，殘坡積、重力堆積、沖洪積等成因類型的松散土體分布較廣。工程地質(zhì)巖組主要為較堅硬-軟質(zhì)的厚層紅層碎屑巖組，堅硬塊狀花崗巖組，堅硬至軟質(zhì)厚層-薄層淺變質(zhì)巖組。

洣水及其大小支流在縣內(nèi)總長969.15km，流域面積2495km2，屬山區(qū)雨源型，80%的流量靠降水補給，季節(jié)性變化大。

隨著茶陵縣社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，縣內(nèi)各類工程建設(shè)日益增多，人類工程經(jīng)濟活動主要為交通建設(shè)、采礦活動、農(nóng)民住房擴改建及水利建設(shè)等。

2 茶陵縣滑坡特征

滑坡是茶陵縣分布最廣、危害最大的地質(zhì)災(zāi)害類型。據(jù)全縣20個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計，縣內(nèi)共有滑坡288處，面密度11.49處/100km2，總體積591.69 ×104m3。

2.1 滑坡基本特征

縣內(nèi)滑坡以規(guī)模小型為主，全縣288處滑坡中，規(guī)模中型9處，小型279處，分別占滑坡總數(shù)的3.12%和96.88%;縣內(nèi)滑坡以土質(zhì)滑坡為主，全縣土質(zhì)滑坡245處，占滑坡總數(shù)的85.07%;碎塊石滑坡29處，占滑坡總數(shù)的10.07%，巖質(zhì)滑坡14處，占滑坡總數(shù)的4.86%。縣內(nèi)滑坡以淺層滑坡為主，厚度一般2～6m，共283處，占滑坡總數(shù)的98.26%;中層滑坡5處，占滑坡總數(shù)的1.74%。

2.2 滑坡的誘發(fā)因素

縣內(nèi)滑坡以綜合因素誘發(fā)為主，共229處，占全縣滑坡的79.51%。綜合因素包括自然因素和人為因素。人類工程活動破壞了斜坡原有的平衡穩(wěn)定條件，在降雨作用尤其是暴雨下斜坡上松散殘坡積土發(fā)生整體下滑［3］。

3 茶陵縣降雨誘發(fā)滑坡的臨界值初步研究

3.1 年平均降水量與滑坡的關(guān)系

從茶陵縣年平均降水等值線與滑坡點的疊加圖(圖1)可以看出，總體上縣年平均降水東南部和北部山地相對較高，中部洣水流域的盆地降水相對較低。茶陵縣有2個降水集中區(qū)。一個分布在北部的火田鎮(zhèn)，年平均降水量在1050～1250mm，另一個分布在東南部的浣溪鎮(zhèn)、湖口鎮(zhèn)和馬江鎮(zhèn)，年平均降雨量在1250～1650mm。據(jù)統(tǒng)計，降水集中區(qū)區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)生數(shù)量較少，僅有59處，占總數(shù)的20.49%;在年均降雨量小于1050mm的降水區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)生數(shù)量較多，達239處，占調(diào)查點總數(shù)的79.51%。這說明多年平均降水量與滑坡發(fā)生的數(shù)量間無明顯的相關(guān)性，突發(fā)性降水或者持續(xù)強降水才是滑坡發(fā)生的主要因素［4］。

圖1 茶陵縣年均降水量等值線與滑坡災(zāi)害點分布的疊加圖Fig.1 The overlay map of average annual rainfall contours and landslide distribution in Chaling county

3.2 月平均降水量與滑坡的關(guān)系

從圖2可以看出，茶陵縣汛期往往是3月下旬或4月中上旬開始，而滑坡數(shù)量也是從3月份或4月份開始增多，至5、6月份降雨量迅速增多達到峰值時，滑坡的數(shù)量也達到最多;7月上、中旬大部分地區(qū)雨季結(jié)束，滑坡數(shù)目減少;受臺風(fēng)影響暴雨增多，8月還是存在一定數(shù)量的滑坡;至9月份以后滑坡數(shù)量明顯減少。這說明茶陵縣滑坡主要發(fā)生在汛期，滑坡與各月的月平均降水量關(guān)系密切，基本上成正比分布，也就是說，縣內(nèi)滑坡的發(fā)生與降雨強度和過程降雨量均有關(guān)。

圖2 茶陵縣滑坡數(shù)目與月均降水量的關(guān)系Fig.2 Relationship of average monthly rainfall and amount of landslides in Chaling county

3.3 降雨引發(fā)滑坡的臨界值分析

茶陵縣的降雨形式主要有持續(xù)性降雨和臺風(fēng)外圍云系引起的暴雨兩種形式，臺風(fēng)影響區(qū)主要分布在茶陵縣東南部，而非臺風(fēng)影響區(qū)主要分布在茶陵縣北部?？h內(nèi)滑坡發(fā)生概率與降雨量的不同指標(biāo)的相關(guān)性差異較大，臺風(fēng)影響區(qū)的滑坡發(fā)生與暴雨的相關(guān)性較大，而非臺風(fēng)影響區(qū)則與持續(xù)性降雨的相關(guān)性較大［5］，所以我們認(rèn)為茶陵縣的臨界降雨量可以分為兩項指標(biāo)進行考慮，一個為降水過程的過程雨量，另一個為短時降雨量，兩項參數(shù)中的某一項超過某個臨界值時，滑坡成災(zāi)的可能性大大增加。

本次研究基于茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，以地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有準(zhǔn)確發(fā)災(zāi)時間的滑坡為樣本，采用回放法，選取離發(fā)災(zāi)點最近的3個自動雨量站，統(tǒng)計災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日的最大小時降雨量以及災(zāi)害發(fā)生前1日或2日的累積降雨量(因降水過程而異)，將數(shù)據(jù)按下述公式計算。

式中，Rij臨界為典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量值的短時降雨量指標(biāo)，Rij為第j個滑坡對應(yīng)的i個發(fā)災(zāi)日的最大小時降雨量。

式中，Lij臨界為典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量值的過程降雨量指標(biāo)，Lij為第j個滑坡對應(yīng)的i次降水過程的最大平均降雨量。

根據(jù)滑坡樣本的相對地理坐標(biāo)值和計算出的臨界降雨量值，經(jīng)Sufer的Grid命令生成網(wǎng)格文件，再利用Sufer軟件的等值線圖功能做出茶陵縣滑坡發(fā)生的短時臨界降雨量圖(圖3)和過程臨界降雨量圖(圖4)。

從圖3可以看出，茶陵縣短時臨界降雨量中心主要分為三塊，北部山地區(qū)花崗巖分布較廣的八團鄉(xiāng)，中部人類工程活動集中的腰陂鎮(zhèn)、思聰鄉(xiāng)、堯水鄉(xiāng)及其洣江鄉(xiāng)，西南部的紅層較為發(fā)育的浣溪鎮(zhèn)，這些地方短時降雨量超過45mm/h就可能引發(fā)滑坡;而縣西部邊緣和東部邊緣的狹長地帶，如界首鎮(zhèn)、棗市鎮(zhèn)和虎踞鎮(zhèn)位于全縣高短時臨界降雨量區(qū)，滑坡不發(fā)育，短時降水量達到85mm/h才可能引發(fā)滑坡。

圖3 茶陵縣滑坡發(fā)生的短時臨界降雨量圖Fig.3 Short-time critical rainfall which causes the landslides in Chaling county

從圖4可以看出，茶陵縣短時臨界降雨量中心和過程臨界降雨量中心基本重合，這些區(qū)域降水與地質(zhì)災(zāi)害聯(lián)系較為密切，過程降雨量超過65mm就可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。而縣西部邊緣和東部邊緣的狹長地帶為高過程臨界降雨量，過程降雨量要超過105mm，才可能引發(fā)滑坡。

圖4 茶陵縣滑坡發(fā)生的過程臨界降雨量圖Fig.4 Process critical rainfall which causes the landslides in Chaling county

4 茶陵縣滑坡氣象預(yù)警區(qū)劃

4.1 滑坡氣象預(yù)警模型的建立

本文采用地質(zhì)-氣象信息耦合的滑坡氣象預(yù)警模型，將地質(zhì)環(huán)境條件與氣象條件結(jié)合起來［6］，基本模型見下式:

其中Gw(k)為第k點滑坡氣象預(yù)警概率量化指標(biāo)，a(k)為第k點滑坡易發(fā)概率量化指標(biāo)，其與地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、人類活動等因素有關(guān);Rc(k)為第k點滑坡降雨信息因素概率量化指標(biāo)，其與臨界降雨量以及汛期(4～9月)平均降雨量和日暴雨發(fā)生頻次有關(guān)。

4.2 滑坡氣象預(yù)警概率量化方法

基于以上的模型，通過ArcGIS進行空間分析，對茶陵縣滑坡氣象預(yù)警進行量化計算，形成滑坡氣象預(yù)警的概率分布圖。然后采用ArcGIS自然斷點法進行分類，完成了滑坡氣象預(yù)警不同等級閾值選?。?］(表1)。

表1 Gw(k)值與預(yù)警等級的對照表Table 1 The standards of different Gw(k)values in early-warning system

4.3 滑坡氣象預(yù)警區(qū)劃

采用單元網(wǎng)格法，在1∶10萬行政區(qū)圖上對全縣進行網(wǎng)格化，每個網(wǎng)格單元面積為1km×1km，面積不足一個單元格的，按標(biāo)準(zhǔn)單元格進行計算處理。將相同級別的最小單元進行合并，并對邊界進行平滑，繪制滑坡氣象預(yù)警分級分區(qū)圖(圖5)。圖5將全縣分為三個大區(qū)，六個小區(qū)域，其中Ja區(qū)為一級預(yù)警區(qū)，位于茶陵縣中南部，東北部，主要為人類工程活動強烈的浣溪鄉(xiāng)、思聰鄉(xiāng)和洣江流域的湖口鄉(xiāng)、舲舫鄉(xiāng)和嚴(yán)塘鎮(zhèn)以及北部花崗巖分布的八團鄉(xiāng)，面積為367.5km2;Jb為二級預(yù)警區(qū)，主要分布在除1級預(yù)警區(qū)外人類工程活動較強烈的馬江鄉(xiāng)、腰陂鎮(zhèn)以及北部的火田鎮(zhèn)，面積為732.4 km2;Jc為三級預(yù)警區(qū)，主要分布在茶陵縣的東部和西部，面積為1407.1km2。

圖5 茶陵縣滑坡氣象預(yù)警分級分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of meteorological-earling warning of landslides in Chaling county

5 結(jié)論

(1)茶陵縣小型滑坡地質(zhì)災(zāi)害常常群集發(fā)生，點多面廣，在集中短時強降雨的誘發(fā)作用下，特別是在地質(zhì)環(huán)境條件脆弱的地區(qū)，往往出現(xiàn)即雨即滑。

(2)將茶陵縣地質(zhì)環(huán)境條件與降雨條件相結(jié)合，將臨界降雨量分為過程降雨量和短時降雨量兩個指標(biāo)考慮，通過分析歷史滑坡和降雨量的關(guān)系，確定了茶陵縣不同區(qū)域滑坡的臨界降雨量值，茶陵北部八團鄉(xiāng)，中部腰陂鎮(zhèn)、思聰鄉(xiāng)、堯水鄉(xiāng)及其洣江鄉(xiāng)，西南部的浣溪鎮(zhèn)短時降雨量超過45mm/h或者過程降雨量超過65mm就可能引發(fā)滑坡;而縣西部東部邊緣地帶的界首鎮(zhèn)、棗市鎮(zhèn)和虎踞鎮(zhèn)等地短時降雨量達到85mm/h或過程降雨量達到105mm才可能引發(fā)滑坡。

(3)利用地質(zhì)和氣象耦合的滑坡預(yù)警預(yù)報方法，實現(xiàn)了茶陵縣滑坡氣象預(yù)警的區(qū)劃，提高了茶陵縣滑坡預(yù)測的空間精度。

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