基于TRMM降雨數(shù)據(jù)的四川省地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值分析*

沈玲玲，劉連友，楊文濤，許　沖，王靜璞

(1.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；2.中國地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

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基于TRMM降雨數(shù)據(jù)的四川省地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值分析*

沈玲玲1，劉連友1，楊文濤1，許沖2，王靜璞1

(1.環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院，北京 100875；2.中國地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

摘要:降雨與地震是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的兩個(gè)主要原因，尤其在地震區(qū)，地震導(dǎo)致了大量的滑坡松散堆積物與不穩(wěn)定斜坡，在后續(xù)降雨條件下極易產(chǎn)生新的地質(zhì)災(zāi)害。另一方面，高精度降雨數(shù)據(jù)的缺乏一直是由降雨導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的瓶頸。因此，該文嘗試應(yīng)用業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)較好，精度較高的TRMM降雨數(shù)據(jù)來獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前期降雨量。應(yīng)用2000-2012年間的3 h分辨率的TRMM 3B42數(shù)據(jù)，結(jié)合2000-2012年間四川發(fā)生的重大滑坡泥石流災(zāi)害，提取出每次地質(zhì)氣象災(zāi)害發(fā)生前30 d，15 d，3 d和當(dāng)天的降雨數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合收集來的歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害的臨界降雨過程雨量和歷時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用主成分分析法，將五組數(shù)據(jù)劃分為兩大主成分，并進(jìn)行分析；繪制四川省地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨強(qiáng)度—?dú)v時(shí)閾值曲線，并以汶川地震為分界點(diǎn)，比較分析了地震前后的閾值變化情況。結(jié)果表明，在四川地區(qū)，滑坡泥石流災(zāi)害的發(fā)生同時(shí)受到降雨和汶川地震的影響。以災(zāi)害發(fā)生前30 d，前15 d，前3 d有效降雨量因子組成的前期降雨這一主成分在滑坡泥石流災(zāi)害中貢獻(xiàn)率較高，其次是以當(dāng)天降雨和臨界降雨過程組成的短歷時(shí)降雨；通過對(duì)比地震前后的閾值曲線變化發(fā)現(xiàn)地震后的閾值更低，表明強(qiáng)地震后坡面穩(wěn)定性降低，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨條件降低。

關(guān)鍵詞:TRMM降雨數(shù)據(jù)；地質(zhì)災(zāi)害；降雨閾值；汶川地震

降雨是四川省常見地質(zhì)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素。由降雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害又稱地質(zhì)氣象災(zāi)害[1]。地質(zhì)氣象災(zāi)害主要類型包括滑坡、泥石流。由局部暴雨引發(fā)的滑坡、泥石流等災(zāi)害占地質(zhì)災(zāi)害的90%以上。我國每年夏季汛期，由降水誘發(fā)的滑坡、泥石流等突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的80%以上，且大多數(shù)分布在西南、西北地區(qū)[2]，在降雨較多的月份，滑坡和泥石流經(jīng)常相伴發(fā)生。

降雨和地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系一直是研究的熱點(diǎn)問題[3]，通過對(duì)二者之間關(guān)系的研究，可以對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。根據(jù)降雨觀測(cè)進(jìn)行滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)，也是地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)的主要方法[4-6]。一般的研究集中在兩個(gè)問題上：①引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨閾值問題；②前期降雨和臨界降雨的主導(dǎo)作用。降雨閾值一般是通過觀測(cè)災(zāi)害發(fā)生前前期累積降雨數(shù)據(jù)和臨界降雨數(shù)據(jù)推測(cè)得出。由于地質(zhì)氣象災(zāi)害發(fā)生地區(qū)一般地形起伏較大，位置偏僻，且降雨是一個(gè)不連續(xù)的過程，空間上一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量不可能代表較大范圍的降水分布[7]，從縣城氣象站點(diǎn)監(jiān)測(cè)得到的降雨數(shù)據(jù)并不能真實(shí)地反映出災(zāi)害發(fā)生地區(qū)的降雨值。

雖然政府和科研機(jī)構(gòu)在一些頻繁發(fā)生地質(zhì)氣象災(zāi)害的地區(qū)安置了自動(dòng)監(jiān)測(cè)降雨的設(shè)施，直接獲取高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)的雨量信息，避免利用氣象站點(diǎn)降水?dāng)?shù)據(jù)插值所帶來的誤差，但是對(duì)大范圍區(qū)域來說，這些設(shè)施是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。應(yīng)用多普勒天氣雷達(dá)可以對(duì)未來的降雨進(jìn)行預(yù)報(bào)[8]，但是雷達(dá)估測(cè)降水空間覆蓋范圍小，時(shí)間序列短[9-11]。

現(xiàn)階段降雨資料的稀疏使在地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)上的降雨估計(jì)產(chǎn)生很大的偏差，如何在大范圍上獲得高精度高準(zhǔn)確率的降雨數(shù)據(jù)是一個(gè)普遍存在的問題。本文嘗試應(yīng)用精度較高的TRMM數(shù)據(jù)作為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)前期降雨量數(shù)據(jù)的來源。

TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)衛(wèi)星是由美國NASA(National Aeronautical and Space Administration) 和日本NASDA (National Space Development Agency) 共同研制的試驗(yàn)衛(wèi)星，于1997 年11 月27 日發(fā)射成功。TRMM 衛(wèi)星資料在熱帶降水的測(cè)量、降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高、暴雨研究、預(yù)報(bào)模式的數(shù)據(jù)同化、熱帶海面溫度反演、熱帶氣旋的觀測(cè)等方面的均有較好應(yīng)用。因而可以充分地利用TRMM的數(shù)據(jù)資源來改進(jìn)天氣、氣候預(yù)報(bào)的精度。

國內(nèi)外對(duì)TRMM降雨數(shù)據(jù)的驗(yàn)證分析表明TRMM 數(shù)據(jù)質(zhì)量總體比較可靠，雖然在有些地區(qū)和季節(jié)具有一定的偏差，但大都與雨強(qiáng)有關(guān)，且隨著時(shí)間尺度的增加，TRMM 數(shù)據(jù)的精度逐漸提高，因而可有效支持大范圍或長尺度的氣候模擬預(yù)報(bào)和降水時(shí)空特征分析等[12-23]。

本文利用2000-2012年間的3 h分辨率的TRMM 3B42數(shù)據(jù)，在IDL中將3 h分辨率的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，在ArcGIS里結(jié)合每次災(zāi)害發(fā)生的地點(diǎn)和時(shí)間信息，提取出歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害發(fā)生前30 d，15 d，3 d和當(dāng)天的降雨量。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合收集來的歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害的臨界降雨過程雨量和歷時(shí)數(shù)據(jù)，以前30 d、前15 d、前3 d、當(dāng)天、臨界的降雨數(shù)據(jù)為參數(shù)，應(yīng)用主成分分析法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。應(yīng)用降雨過程數(shù)據(jù)得到四川省地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨—?dú)v時(shí)閾值曲線，并與其他學(xué)者繪制的閾值曲線進(jìn)行比較分析，最后以汶川地震為分界點(diǎn)，比較分析了地震前后的閾值變化情況。

1數(shù)據(jù)處理與方法

2008年汶川地震觸發(fā)了大量的滑坡[24-25]，這些滑坡產(chǎn)生了大約60 Gm3的松散堆積物質(zhì)[26]。此外，根據(jù)汶川地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果[27-30]，在一些沒有發(fā)生滑坡但是處于高危險(xiǎn)的地方，在地震中經(jīng)歷的強(qiáng)烈震動(dòng)，往往會(huì)導(dǎo)致斜坡巖土體強(qiáng)度降低。這些滑坡松散堆積物質(zhì)與不穩(wěn)定斜坡，在后續(xù)強(qiáng)降雨的條件下，極易產(chǎn)生新的滑坡災(zāi)害與泥石流災(zāi)害[31-33]。本文從2000-2012年間四川省發(fā)生的滑坡泥石流災(zāi)害原始記錄中篩選出有具體發(fā)生地點(diǎn)、時(shí)間等信息的災(zāi)害56次，數(shù)據(jù)來源為中科院成都山地所和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，見表1。

前期降雨數(shù)據(jù)來源于TRMM 3B42(http://pmm.nasa.gov/data-access/downloads/trmm)。在ENVI中進(jìn)行簡單的預(yù)處理后在IDL中將其合并為一天分辨率的，方便查找。所用到的四川省多年平均暴雨日數(shù)等值線圖是用四川省156個(gè)地面氣象站建站以來的有效日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得來，在ArcGIS中繪制成等值線圖。所用到的主要方法是主成分分析。主成分分析的主要思想就是通過降維，在最大程度地保留原指標(biāo)信息的條件下，將原本有相關(guān)關(guān)系的多個(gè)指標(biāo)合并為少量的幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。這幾個(gè)綜合指標(biāo)就是原來指標(biāo)的主要成分。具體步驟如下。

假設(shè)某個(gè)地理樣本X有P個(gè)變量描述：

X={x1,x2,…,xp}。

(1)

計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣：

(2)

在式(2)中，rij(i,j=1,2,…,p)為變量xi與xj的相關(guān)系數(shù)，其計(jì)算公式為：

(3)

然后解特征方程求出特征值λi(i=1,2，…，p)，按照大小順序排列，分別求出對(duì)應(yīng)于特征值的λi的特征向量ei(i=1,2，…，p)。

記主成分為zi，則其貢獻(xiàn)率為：

(4)

一般取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到70%以上的特征值作為主成分，或者是特征根大于1的。

再計(jì)算主成分載荷：

(5)

則主成分得分為：

(6)

2結(jié)果

2.1滑坡泥石流災(zāi)害分布與暴雨關(guān)系

從圖1中可以看出滑坡泥石流災(zāi)害點(diǎn)主要分布四川省中部和東部地區(qū)，沿四川盆地邊緣分布，在龍門山一帶較為密集。大多數(shù)位于年均暴雨日數(shù)2～4 d這一區(qū)間內(nèi)。其中約有77%的災(zāi)害發(fā)生在2～4 d這一區(qū)間內(nèi)，50%分布在3～4 d區(qū)間內(nèi)，而這一區(qū)間的災(zāi)害點(diǎn)又呈線狀沿龍門山斷裂帶分布，位于四川盆地與川西高原的交界處。這一片區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害都是發(fā)生在汶川地震之后，且處于汶川地震X度區(qū)內(nèi)，這種分布特征顯示了滑坡泥石流災(zāi)害同時(shí)受降雨與地震烈度的影響。由此可見，滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生不僅與暴雨有關(guān)還與地震有關(guān)。

圖1　滑坡泥石流災(zāi)害點(diǎn)分布與四川省年均暴雨日數(shù)等值線圖

地點(diǎn)緯度/(°)經(jīng)度/(°)時(shí)間/yyyy-mm-dd當(dāng)天/mm前3d/mm前15d/mm前30d/mm瀘州市古藺縣28.04105.822000-06-06130.7038.7045.7855.09涼山州普格縣五道箐鄉(xiāng)采阿咀溝27.63102.412003-06-2075.1318.4735.6746.74合江縣榕山鎮(zhèn)金桂村羊子巖28.89105.942003-06-2483.1448.9760.9776.11甘孜州丹巴縣岳扎鄉(xiāng)鵝狼溝30.93101.962003-06-2625.0932.6157.4368.25黃崩溜溝29.66102.122003-07-262.128.2531.5748.70阿壩藏族羌族自治州汶川縣克枯鄉(xiāng)下莊村茶園溝31.53103.532003-08-0926.2127.4156.9268.64興文縣兩龍鄉(xiāng)三村油坪嘴28.28105.092004-06-307.2115.2632.6038.69儀隴縣大寅鎮(zhèn)街場鎮(zhèn)豬兒梁坎下商貿(mào)街31.36106.632004-09-044.60165.66178.15209.01宣漢縣天臺(tái)鄉(xiāng)義和村1～9社31.42108.072004-09-05190.00176.90191.12220.84美姑縣大橋區(qū)馬洛村史祖溝和側(cè)木洛溝28.09103.042005-05-3123.456.4916.2218.38宜賓縣橫江鎮(zhèn)內(nèi)昆鐵路橫江段28.55104.352005-07-19107.000.000.000.00古藺縣龍山鎮(zhèn)天堂村10社27.97105.822006-06-2987.009.9525.3136.87鹽源縣平川鎮(zhèn)騾馬村二組27.70102.212006-07-145.0915.5360.1381.34青川縣紅光集鎮(zhèn)32.40105.132006-08-2814.1739.4154.8561.81涼山州雷波縣莫紅鄉(xiāng)千拖村28.05103.332007-05-2015.300.9525.8531.62九龍縣煙袋鄉(xiāng)28.47101.752007-05-242.7038.9560.5168.49甘孜州九龍縣烏拉溪鄉(xiāng)河壩村廟子溝31.61100.012007-05-243.802.849.4212.32達(dá)縣青寧鄉(xiāng)巖門村31.51107.462007-07-071.25126.84224.07265.19屏山縣新市鎮(zhèn)龍尾社區(qū)28.67103.842007-08-25267.000.000.000.00寧南縣新華鄉(xiāng)巫土村26.91102.692008-11-0113.7344.9651.8765.75陳家壩原場鎮(zhèn)下游約1km處31.92104.582008-09-2434.02153.28155.76177.64綿陽市安縣桑棗鎮(zhèn)三清村31.62104.322008-09-2514.49139.06142.59161.87寧南縣竹壽鎮(zhèn)長征村2組、6組26.97102.702009-06-2129.2151.9261.0670.37北川縣陳家壩鄉(xiāng)31.93104.582009-07-1411.372.1720.5027.80宣漢縣樊噲鎮(zhèn)大風(fēng)灘古鳳村3社31.64108.242009-07-160.000.2874.3593.97都江堰市虹口鄉(xiāng)31.09103.632009-07-1738.3655.0864.3673.46甘孜州康定縣舍聯(lián)鄉(xiāng)干溝村響水溝30.28102.182009-07-230.7223.3844.4851.42涼山彝族自治州金陽縣地洛電站廠房標(biāo)段鋼筋場27.65103.052009-07-3118.2335.3649.7459.53漢源縣順河鄉(xiāng)境內(nèi)省道306線K73+000～K73+30029.28102.822009-08-060.000.0050.6859.13國道318線天全段小河鄉(xiāng)沙灣村水洞溪30.08102.742010-05-270.004.6910.2616.23滎經(jīng)縣花灘鎮(zhèn)石橋村陽光組29.77102.752010-07-17210.6035.2945.7955.57漢源縣萬工鄉(xiāng)雙合村一組萬工集鎮(zhèn)后背山29.32102.742010-07-270.7044.8675.0185.54雨城區(qū)大興鎮(zhèn)高家村3組29.99103.042010-07-031.331.3619.0027.12安縣高川鄉(xiāng)31.63104.202010-08-12116.394.8552.4566.65安縣茶坪鄉(xiāng)31.69104.282010-08-12118.505.5260.6680.48都江堰市龍池鎮(zhèn)31.06103.552010-08-1370.2645.6280.9397.34綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝31.56104.132010-08-1311.7289.21132.05154.26汶川縣映秀鎮(zhèn)紅椿溝31.06103.492010-08-1360.8365.5277.2491.93寧南縣新村鄉(xiāng)新竹村27.18102.602010-09-104.9657.4370.1685.60寧南縣新村鄉(xiāng)鹽巴坪村27.19102.602010-09-104.9657.4370.1685.60成昆鐵路白果至普雄區(qū)段28.71102.622011-06-1717.7248.6769.3883.28綿竹市清平鄉(xiāng)31.54104.122011-06-305.770.0025.6131.60綿陽市北川縣陳家壩老場村雷家溝31.90104.572011-08-17119.0018.6223.7838.01巴中市南江縣沙河鎮(zhèn)將營村石板溝32.23106.752011-09-1822.85101.46159.86182.40巴中市南江縣關(guān)門鄉(xiāng)寶峰村4社32.25106.882011-09-1824.89109.26176.48199.71通江縣毛裕鄉(xiāng)藥鋪街道31.96107.322011-09-1821.81101.52185.60210.03甘孜縣東谷區(qū)四通達(dá)鄉(xiāng)則衣村則衣溝31.73100.222012-06-0217.423.3710.3315.27寧南縣白鶴灘電站施工區(qū)附近矮子溝26.91102.922012-06-2831.4120.5761.9674.68內(nèi)江市威遠(yuǎn)縣連界鎮(zhèn)土河溝村、連界村29.74104.482012-07-2217.6189.59111.14132.65四川石棉縣草科鄉(xiāng)29.40102.122012-08-1434.3824.5430.0039.56安縣高川31.63104.202012-08-17111.6717.4930.7236.32彭州龍門山鎮(zhèn)白水河上游31.23103.792012-08-187.3568.7296.72114.35汶川震區(qū)的銀廠溝區(qū)域31.28103.852012-08-181.3366.3384.0198.31雅安寶興縣冷木溝30.39102.782012-08-1819.0442.0150.4160.27德陽什邡市紅白鎮(zhèn)五桂坪村5組31.36104.012012-08-184.1782.48108.71125.24

2.2降雨指標(biāo)主成分分析

基于TRMM數(shù)據(jù)提取出災(zāi)害發(fā)生前30 d的降雨量，前15 d的降雨量，前3 d的降雨量和當(dāng)天降雨量，應(yīng)用Crozier在1986年提出的有效降前期降雨量公式來計(jì)算有效前期降雨量：

CARx=KP1+K2P2+…+KnPn。

(7)

CARx表示第x天的有效前期降雨量；P1表示x天前一天的日降雨量；Pn表示x天前n天的降雨量。K為衰減參數(shù)，是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般在[0.8,0.9]這一區(qū)間取值。在本文中，參考前人的研究經(jīng)驗(yàn)取K值為0.8[34-35]。一般來說，有效前期降雨量的時(shí)長尺度可以選擇3,5,10,15,30d[36]，也有學(xué)者根據(jù)研究區(qū)的不同而選擇其他類型的時(shí)長尺度。本文選擇了30d、15d、3d這三個(gè)前期降雨時(shí)長為指標(biāo)。

以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、以及臨界降雨過程雨量為參數(shù)，五個(gè)因子的相關(guān)系數(shù)矩陣(CorrelationMatrix)經(jīng)Bartlett檢驗(yàn)結(jié)果為：Bartlett值等于372.950，P<0.0001，表明相關(guān)系數(shù)矩陣不是一個(gè)單位矩陣，故可以進(jìn)行因子分析。應(yīng)用主成分分析，結(jié)果如表2所示。

表2　主成分載荷矩陣

KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗(yàn)是用于比較觀測(cè)相關(guān)系數(shù)值與偏相關(guān)系數(shù)值的一個(gè)指標(biāo)，其值愈逼近1，表明對(duì)這些變量進(jìn)行因子分析的效果愈好。本文中的KMO值約等于0.7，表示因子分析的結(jié)果一般，處于可接受的水平。

在解釋的總方差中，第一主成分和第二主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到84.714%，且第一主成分和第二主成分的特征值都大于1，即可以用這兩個(gè)主成分來解釋滑坡泥石流災(zāi)害。從表2中可以很明顯地看出，以前30d、前15d、前3d為代表的前期有效累積降雨量對(duì)滑坡泥石流的作用影響較大。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可將滑坡泥石流的主要影響因素分成兩類：前期降雨和短歷時(shí)降雨。在影響滑坡的降雨因素中，短歷時(shí)降雨和前期累積降雨量都是重要影響因素，對(duì)不同的地區(qū)而言，兩個(gè)因素的主導(dǎo)地位也是不一樣的。崔鵬等的研究表明，前期降雨是影響云南省昆明市東川區(qū)蔣家溝泥石流發(fā)生的最重要的因素，在所有降雨指標(biāo)中貢獻(xiàn)超過80%[37]。馬超等通過對(duì)比汶川地震后泥石流和臺(tái)灣集集地震地震后泥石流的特征，將強(qiáng)震后泥石流分為前期雨量控制型和短歷時(shí)降雨控制型[38]。

從圖2中可以看出，滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生的當(dāng)天和前期降雨之間的關(guān)系可分為兩類：①是前期雨量少，當(dāng)天降雨量高；②是當(dāng)天降雨量少而前期累積的降雨量多；其中第二類的占了絕大多數(shù)。這表明了前期降雨充足的情況下，只需要不多的當(dāng)天降雨就能引發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害，也說明了對(duì)滑坡泥石流災(zāi)害來說，前期降雨的影響作用是相當(dāng)大的。這與主成分分析的結(jié)果一致。

圖2　滑坡泥石流事件各降水指標(biāo)值

2.3降雨閾值分析

1980年NelCaine列舉了世界范圍內(nèi)73次導(dǎo)致淺層滑坡和泥石流的降雨持續(xù)時(shí)間和強(qiáng)度。率先提出淺層滑坡和泥石流的全球降雨強(qiáng)度——?dú)v時(shí)(ID)閾值[39]。此后學(xué)術(shù)界陸續(xù)提出了不同范圍尺度(地區(qū)、區(qū)域、全球)的降雨閾值[40-43]。降雨閾值可以通過研究降雨作用于邊坡的物理過程或基于歷史資料或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)性公式得到。以滑坡為例，研究降雨引發(fā)的滑坡一般有兩種途徑：①是基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析方法，研究降雨和滑坡的相關(guān)性規(guī)律；②是研究降雨入滲引發(fā)滑坡的物理過程，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析并建立相應(yīng)的分析模型[44]。基于統(tǒng)計(jì)資料的滑坡降雨閾值研究，數(shù)據(jù)客觀易得，不需要復(fù)雜嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理過程研究，分析結(jié)果簡單直觀，應(yīng)用方便，因而發(fā)展較為成熟；而就第二種途徑來說，降雨引發(fā)的邊坡失穩(wěn)，過程復(fù)雜涉及的參數(shù)眾多，降雨過程中產(chǎn)生的地表水滲透到巖土體中增加了坡體的自重，增大了孔隙水壓力，使處于極限平衡狀態(tài)的坡體發(fā)生滑動(dòng)；地表水進(jìn)入地下轉(zhuǎn)變成地下水會(huì)浸泡軟化滑動(dòng)面，降低坡體的抗剪強(qiáng)度[45]。模型需要的參數(shù)眾多，當(dāng)研究區(qū)范圍較大時(shí)，很難得到精確的數(shù)據(jù)；而且模型在研究區(qū)之外的其他地區(qū)應(yīng)用也具有局限性。經(jīng)驗(yàn)型降雨閾值一般是在笛卡爾坐標(biāo)，半對(duì)數(shù)或?qū)?shù)坐標(biāo)里，以導(dǎo)致滑坡發(fā)生的降雨條件作為橫縱軸參數(shù)，以數(shù)據(jù)分布的下部界線作為閾值[46]，結(jié)果直觀易懂。

基于過程降雨分析，得到的可能或不可能引發(fā)滑坡降雨的閾值主要有四種類型：①降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值(ID)；②使用平均年降雨量(MAP)，全年雨天平均降水量(RDN)或其他參數(shù)進(jìn)行規(guī)格化的閾值；③過程累積雨量-歷時(shí)(ED)閾值；④過程累積雨量-降雨強(qiáng)度(EI)閾值[47]。其中第一種類型是應(yīng)用最多的一種。

本文利用歷次災(zāi)害發(fā)生的降雨過程雨量和雨強(qiáng)，對(duì)56次地質(zhì)氣象災(zāi)害進(jìn)行了降雨閾值歷時(shí)分析，并與其他學(xué)者所做的其他區(qū)域閾值進(jìn)行對(duì)比。為了減少地區(qū)間的差異，方便作對(duì)比，用各地區(qū)的年平均降雨量(MAP)對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)格化，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　引發(fā)四川省滑坡泥石流災(zāi)害的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(ID)閾值

圖4　經(jīng)規(guī)格化后的引發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(ID)閾值

地區(qū)ID擬合方程D值區(qū)間全球(Caine,1980)[39]I=14.82×D-0.390.167

從圖5中可以看出，四川省的閾值曲線高于鄂西地區(qū)和全球的，但是低于福建、臺(tái)灣省和文家溝地區(qū)的，與浙江省的近似但是略低于。浙江、福建、臺(tái)灣地處東南丘陵沿?；驆u嶼，年降雨量和年極端降雨量均比較大，又時(shí)常遭受臺(tái)風(fēng)影響；而鄂西地區(qū)以及全球的降雨量相對(duì)來說比較小。由此可見，年降雨量和年極端降雨量大的地區(qū)觸發(fā)滑坡的降雨閾值高。文家溝地區(qū)在整個(gè)四川省來說，年降雨量，年均暴雨特大暴雨日數(shù)并不突出，降雨閾值數(shù)據(jù)來源于地震后的五次泥石流事件，因而此閾值的高低直接反映了地震對(duì)滑坡泥石流的影響。

圖5　四川省閾值曲線與其他地區(qū)閾值曲線的比較

2.4地震前后閾值對(duì)比

從圖6、圖7中可以明顯地看出地震后的閾值低于地震前的降雨閾值。強(qiáng)地震對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響是長期的，主要表現(xiàn)在地震會(huì)造成區(qū)域內(nèi)固體松散物質(zhì)增多，山體穩(wěn)定性變差。地震后地理環(huán)境因素的變化會(huì)導(dǎo)致震后區(qū)域更脆弱，更易受到地質(zhì)災(zāi)害的威脅。因而，較低的降雨量或降雨強(qiáng)度就可能引發(fā)更嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。以汶川強(qiáng)震區(qū)為例，研究認(rèn)為至少在近10年內(nèi)，滑坡和泥石流活動(dòng)趨勢(shì)是強(qiáng)烈的，之后地質(zhì)條件將逐漸趨于穩(wěn)定[53]；也有學(xué)者認(rèn)為汶川地震對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害的影響將持續(xù)20～25年[54]；雖然一些研究結(jié)論所得到的汶川地震后地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長短有別[55-57]，但是毫無爭議的一點(diǎn)是汶川地震后，地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)將在一段時(shí)間內(nèi)處于活躍時(shí)期，長期的總體趨勢(shì)是回歸正常水平。對(duì)1923年關(guān)東大地震和1997年的集集地震的研究同樣也得到類似結(jié)論[58-59]。謝正倫和范正成的研究則認(rèn)為由于地震影響，震后泥石流的激發(fā)雨量有一個(gè)先降低后逐步回升至接近正常水平的趨勢(shì)[60-61]。

圖6　地震前后滑坡泥石流災(zāi)害的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(ID)閾值對(duì)比

圖7　經(jīng)規(guī)格化后的地震前后滑坡泥石流災(zāi)害的降雨強(qiáng)度-歷時(shí)(ID)閾值對(duì)比

地震后地質(zhì)災(zāi)害活躍度提高主要體現(xiàn)在滑坡泥石流所需的降雨條件降低。以都江堰龍池地區(qū)為例，該地區(qū)在汶川地震前，幾乎沒有過泥石流的記錄；然而在2010年8月13日該地區(qū)暴發(fā)了大規(guī)模的群發(fā)性泥石流。對(duì)氣象資料分析顯示，2010年8月13日的1h降雨強(qiáng)度為20年一遇型[62]。臺(tái)灣集集地震后，陳有蘭流域的泥石流爆發(fā)臨界雨量相對(duì)于震前降低了2/3[63]，而汶川地震后，北川縣泥石流暴發(fā)的前期累積雨量降低約14.8%～22.1%，小時(shí)雨強(qiáng)降低了約25.4%～31.6%[64]。汶川地震后，綿竹清平鄉(xiāng)的地質(zhì)災(zāi)害群發(fā)的降雨閾值降低了59.15%[65]，泥石流暴發(fā)所需的強(qiáng)降雨時(shí)間縮短，啟動(dòng)泥石流的臨界雨量降低[66]。

3結(jié)論與討論

近些年來，全球氣候變暖造成的降雨異常，使得地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。高精度降雨數(shù)據(jù)的缺乏一直是由降雨導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的瓶頸。本文嘗試應(yīng)用業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)較好，精度較高的TRMM降雨數(shù)據(jù)來獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前期降雨量。應(yīng)用2000-2012年間的3h分辨率的TRMM3B42數(shù)據(jù)，結(jié)合2000年以來四川發(fā)生的重大滑坡泥石流災(zāi)害，提取出每次地質(zhì)氣象災(zāi)害發(fā)生前30d、15d、3d和當(dāng)天的降雨數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合收集來的歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨過程雨量和歷時(shí)數(shù)據(jù)，以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、臨界降雨過程的降雨數(shù)據(jù)為參數(shù)，應(yīng)用主成分分析法，將五組數(shù)據(jù)劃分為兩大主成分，并進(jìn)行分析；應(yīng)用降雨過程數(shù)據(jù)得到四川省地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨歷時(shí)-閾值曲線；將降雨強(qiáng)度用各地區(qū)的年均降雨量進(jìn)行規(guī)格化，并以汶川地震為分界點(diǎn)，比較分析了地震前后的閾值變化情況。

結(jié)果表明，在四川地區(qū)，滑坡泥石流災(zāi)害的發(fā)生同時(shí)受到降雨和汶川地震的影響，從災(zāi)害點(diǎn)的空間分布上可以很明顯的看到這一點(diǎn)。以前30d、前15d、前3d前期有效降雨量組成的前期降雨這一主成分在滑坡泥石流災(zāi)害中貢獻(xiàn)率較高，其次是以當(dāng)天降雨和臨界降雨過程組成的短歷時(shí)降雨。將建立的四川省地質(zhì)災(zāi)害降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值(ID)曲線與其他學(xué)者所做的曲線相對(duì)比，從側(cè)面說明了降雨量大的地方閾值一般比較高。通過對(duì)比地震前后的閾值曲線變化發(fā)現(xiàn)地震后的閾值更低，表明強(qiáng)地震后坡面穩(wěn)定性降低，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨條件降低。

2000-2012年間，四川省發(fā)生的有記錄的地質(zhì)災(zāi)害達(dá)四百多條，絕大多數(shù)沒有準(zhǔn)確的發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間，也沒有造成重大損失和人員傷亡。本文從中挑選出56次具有代表意義的造成重要傷亡的，且有準(zhǔn)確發(fā)生時(shí)間和地點(diǎn)的地質(zhì)災(zāi)害，主要以淺層滑坡和泥石流為主。但作為經(jīng)驗(yàn)性的統(tǒng)計(jì)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，原始數(shù)據(jù)還是顯得不夠充分。

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Rainfall Threshold Analysis for the Initiation of Geological Disasters in Sichuan Province Based on TRMM Data

Shen Lingling1, Liu Lianyou1, Yang Wentao1, Xu Chong2and Wang Jingpu1

(1.KeyLaboratoryofEnvironmentChangeandNaturalDisaster,MOE,StateKeyLabofEarthSurface

ProcessesandResourceEcology,AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormal

University,Beijing100875,China; 2.KeyLaboratoryofActiveTectonicsandVolcano,InstituteofGeology,

ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100029,China)

Abstract:Rainfall and earthquake are the two main triggers of geological disasters. In earthquake zones, earthquake could cause a lot of loose deposits and unstable slopes, which are prone to generate new geological disasters under the subsequent rainfall after earthquake. On the other hand, the lack of high resolution rainfall data is the bottleneck of rainfall induced geological disasters forecasting. Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) data is accorded a high opinion due to its good accuracy. Therefore, the early rainfall data of geological disasters are attempted to be gotten by TRMM data. Based on the inventory of major geological disasters occurred in Sichuan Province since 2000, by using 3 hours resolution TRMM 3B42 data during 2000-2012, the rainfall data of each geological meteorological disasters before 30 days, 15 days, 3 days and the day are extracted. Then, combined with the critical rainfall and duration data included on the inventory, by applying the principal component analysis, the five data sets are divided into two main components. At last, the rainfall duration-threshold curves of geological meteorological disasters in Sichuan are drawn, and the threshold changes before and after Wenchuan earthquake are analyzed comparatively. Results show that in Sichuan Province, the occurrence and distribution of landslide disaster are affected by rainfall and Wenchuan earthquake. The effective rainfall data of 30 days, 15 days and 3 days before disasters have a higher contribution rate on landslide, which composed the early rainfall factor and regarded as the first main ingredient. Followed by the second main ingredient, which is the short duration rainfall factor composes of the day’s rainfall data and the critical rainfall data. By comparing the rainfall threshold curves before and after the earthquake, it reveals that the threshold is lower after earthquake, indicating an unstable state of slope after strong earthquakes which cause low rainfall condition to initiate geological disasters.

Key words:TRMM data; geological disaster; rainfall threshold; Wenchuan earthquake

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2015.02.041

中圖分類號(hào)：X4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-811X(2015)02-0220-08

作者簡介：沈玲玲(1988-)，女，安徽合肥人，博士研究生，主要研究方向?yàn)榈刭|(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與應(yīng)急管理.E-mail:garfield1988@mail.bnu.edu.cn通訊作者：劉連友(1962-)，男，河北保定人，教授，主要從事地貌過程與災(zāi)害防治. E-mail:lyliu@bnu.edu.cn

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAK10B03)

收稿日期：2014-08-27修改日期：2014-10-11