降雨對廣西碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響研究*

許英姿　盧玉南　范　廣　范皓然

降雨對廣西碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響研究*

許英姿①②盧玉南③范廣①范皓然①

(①廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院南寧530004)

(②廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室南寧530004)

(③廣西華藍巖土工程有限公司南寧530001)

摘要廣西碎屑巖區(qū)分布廣泛，巖石風(fēng)化作用強烈，節(jié)理裂隙發(fā)育，覆蓋層厚薄不一，降雨作用下易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。本文采用統(tǒng)計方法分析了降雨天數(shù)、降雨強度、有效降雨量等降雨要素對廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響。結(jié)果表明，廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與災(zāi)害發(fā)生前5d降雨相關(guān)性較好，當(dāng)降雨強度大于50mm·d-1(即暴雨)或前期累積降雨量超過230mm時，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大大增加，并由此確定出廣西碎屑巖區(qū)降雨量危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，為該區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞廣西碎屑巖分布區(qū)降雨地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計分析

(①College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004)

(②Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Nanning 530004)

(③Guangxi Hualan Geotechnical Engineering Co．，Ltd．，Nanning 530001)

0引言

我國是地質(zhì)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生由兩方面決定：一方面是斜坡的基礎(chǔ)地質(zhì)條件，另一方面是各種外界因素的誘因。在眾多誘發(fā)因素中，降雨尤其是強降雨是最重要因素之一。國內(nèi)外很多學(xué)者對降雨與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系進行了研究：Gupta et al.(1997)通過對巴西9個地區(qū)滑坡記錄的統(tǒng)計，研究得出降雨與滑坡事件之間的統(tǒng)計關(guān)系。 Corominas et al.(1999)研究 Llobregat 的河盆地區(qū)的降水與滑坡的關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，在沒有前期降水的情況下，當(dāng)一天的降水量達到 30mm 時，該區(qū)可能誘發(fā)大面積的滑坡災(zāi)害； 當(dāng)降雨強度中等、持續(xù)時間較長，每天的降水量達到 40mm 時，該地區(qū)可能誘發(fā)泥石流災(zāi)害； 當(dāng)降雨持續(xù)幾周且降水量達到 200mm 時，該地區(qū)最有可能誘發(fā)滑坡災(zāi)害。Lumb(1975)研究發(fā)現(xiàn)滑坡與前期降水有明顯的聯(lián)系。陳麗霞等(2008)統(tǒng)計分析江西地區(qū)滑坡與降雨的關(guān)系后指出，江西6月份最易發(fā)生滑坡。林孝松(2001)研究重慶市滑坡與降雨之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，滑坡災(zāi)害的發(fā)生與降雨量、降雨歷時、降雨強度和降雨形式關(guān)系密切。吳正華(2001)通過研究北京地區(qū)泥石流與降雨的關(guān)系，揭示了前期降水量是泥石流發(fā)生的潛在因素。崔云等(2011)以重慶黔江流水灣滑坡為例，提出強降雨對滑坡的關(guān)鍵控制作用。王滔等(2012)研究山陽縣的地質(zhì)災(zāi)害后發(fā)現(xiàn)當(dāng)日降雨量大于60mm時，將會發(fā)生大范圍、大規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，泥石流災(zāi)害也將進入高發(fā)期。

廣西碎屑巖區(qū)廣泛分布在桂北、桂東、桂南和桂西的大部分縣、市，面積為129283.67km2，占全區(qū)總面積的54.78%，主要分布在桂林市、百色市大部地區(qū)； 河池市西北部、柳州市西北部、南寧市區(qū)的東部、橫縣東部、賓陽縣西北部、上林縣北部； 崇左市的天等縣、大新縣、崇左市區(qū)北部； 梧州市的藤縣、蒙山縣； 賀州市的昭平縣； 玉林市的博白縣東北部； 貴港市的港南區(qū)、桂平市等縣。主要地貌類型有中山山地、低山山地和丘陵山地。其中中山山地主要分布于桂東北、桂西及桂北區(qū)域； 低山山地和丘陵山地主要分布于桂東南地區(qū)。分布區(qū)內(nèi)復(fù)雜的地質(zhì)條件，強烈的風(fēng)化侵蝕，充沛的降雨，造成碎屑巖地區(qū)邊坡頻繁地失穩(wěn)、誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，對當(dāng)?shù)鼐用裾５纳a(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響。如2008年6月12日一場暴雨在桂林市永?？h一帶就誘發(fā)了多處地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。研究降雨對廣西碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的規(guī)律十分必要。

1碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的類型和主要誘發(fā)因素

在收集整理2006～2013年間廣西碎屑巖地區(qū)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的基礎(chǔ)上，將所有的碎屑巖區(qū)的歷史災(zāi)害點按坐標(biāo)投影到廣西行政區(qū)劃圖上(圖1)。

圖1　廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害分布圖Fig. 1　Geological hazard map of clastic rock areas in Guangxi Province

廣西碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要類型為滑坡、崩塌、泥石流等，統(tǒng)計2006～2013年間各類型突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量，結(jié)果如表1所示。統(tǒng)計結(jié)果表明：滑坡和崩塌占92%以上，是廣西碎屑巖地區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害類型，其中滑坡占54.24%，是最主要的災(zāi)害類型。

表1　廣西碎屑巖地區(qū)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害類型統(tǒng)計

誘發(fā)災(zāi)害因素的統(tǒng)計結(jié)果表明， 2006～2013年間的1261場突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害中以降雨為主要誘發(fā)因素的有798處，以降雨和開挖邊坡兩者為主要誘發(fā)因素的有945處，可見降雨和人類工程活動為碎屑巖分布地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最主要的誘發(fā)因素。

統(tǒng)計還表明不少區(qū)域災(zāi)害發(fā)生有群發(fā)性，群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育區(qū)與強降雨關(guān)系密切，當(dāng)降雨強度達到地質(zhì)災(zāi)害臨界降雨量后易出現(xiàn)群發(fā)性災(zāi)害，因此降雨尤其是強降雨是碎屑巖分布地區(qū)誘發(fā)群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的最重要的因素。

2降雨對廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的影響

降雨在不同地區(qū)、不同的地質(zhì)條件下對地質(zhì)災(zāi)害的影響程度有所不同，災(zāi)害發(fā)生前的降雨天數(shù)、降雨持續(xù)時間、降雨強度、有效降雨量等都可能對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生產(chǎn)生影響。本文收集整理2006～2013年間廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前后的降雨資料，用統(tǒng)計方法分別從災(zāi)害發(fā)生前的降雨天數(shù)、降雨強度、有效降雨量等幾個方面來研究降雨對地質(zhì)災(zāi)害的影響。

2.1降雨天數(shù)與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

由于地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和降雨天數(shù)都是數(shù)值型樣本，本次研究采用SPSS軟件中的Person相關(guān)分析功能(孫逸敏， 2007)來分析廣西碎屑巖分布地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與降雨天數(shù)之間的相關(guān)性，其相關(guān)性公式為：

(1)

首先統(tǒng)計分析廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前的降雨天數(shù)與地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的關(guān)系，式(1)中變量x為2006～2013年間廣西碎屑巖分布地區(qū)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量，變量y為災(zāi)害發(fā)生前的降雨天數(shù)，分析結(jié)果(表2)。結(jié)果顯示，廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與1～5d的降雨的相關(guān)系數(shù)均在0.8以上，表明地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與災(zāi)害發(fā)生前5d降雨相關(guān)性較好。

表2　廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨天數(shù)的相關(guān)性

2.2降雨強度與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

降雨強度是指單位時段內(nèi)的降雨量。國家氣象局按照24h降雨強度劃分的降雨強度等級為：小雨(0～9.9mm·d-1)、中雨(10～24.9mm·d-1)、大雨(25～49.9mm·d-1)和暴雨(≥50mm·d-1)，其中暴雨還可以細分為暴雨(50～99.9mm·d-1)、大暴雨(100～249.9mm·d-1)和特大暴雨(≥250mm·d-1)3級。

2006～2013年廣西碎屑巖區(qū)有詳細降雨記錄的地質(zhì)災(zāi)害有945次，按照降雨強度等級的劃分來統(tǒng)計不同降雨強度下碎屑巖分布區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)(圖2)。結(jié)果顯示，當(dāng)降雨強度達到暴雨級別時地質(zhì)災(zāi)害大量發(fā)生，暴雨及暴雨以上時發(fā)生的災(zāi)害有739次，占發(fā)生災(zāi)害總次數(shù)的78.2%，其中特大暴雨時發(fā)生災(zāi)害達40次?？梢?，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨強度關(guān)系密切，且與暴雨有很大的相關(guān)性。

圖2　廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與降雨強度關(guān)系Fig. 2　The relationship between rainfall intensity and geological hazards in Guangxi clastic rock areas

進一步進行詳細統(tǒng)計分析，統(tǒng)計不同日降雨強度引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量，進而確定不同雨強下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，繪出廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害累積發(fā)生概率與降雨強度的關(guān)系曲線(圖3)。統(tǒng)計結(jié)果表明，隨著降雨強度的增加，災(zāi)害點數(shù)量逐漸增加。當(dāng)降雨強度小于80mm·d-1時地質(zhì)災(zāi)害累積發(fā)生概率有一個較快的增長過程，這是因為降雨初期土層還處于較干燥階段，土層孔隙率較大，降雨容易滲入土層，隨著降雨的持續(xù)，土體含水量不斷增大，土體的強度有個急劇降低的過程，所以容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害； 當(dāng)降雨強度在80～210mm·d-1時災(zāi)害點數(shù)的增加相對緩慢些，但還是不斷地增加； 當(dāng)降雨強度大于210mm·d-1地質(zhì)災(zāi)害累積發(fā)生概率又出現(xiàn)了跳躍，災(zāi)害點的數(shù)量又進入快速增長的階段。

圖3　地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率與日降雨強度的關(guān)系曲線Fig. 3　The relationship curve between daily rainfall intensity and geological disasters probability

2.3有效降雨量與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不但和災(zāi)害發(fā)生當(dāng)前的降雨有關(guān)，還和災(zāi)害發(fā)生前一段時間的降雨有關(guān)，有效降雨量模型既能反映前期降雨又能突出當(dāng)前降雨作用，可以用來分析對地質(zhì)災(zāi)害的影響。本次研究采用前期有效降雨量模型來統(tǒng)計分析廣西碎屑巖區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的有效降雨量。前期有效降雨量模型的公式(Glade， 2000)為：

(2)

式中，Rc為有效降雨量； R0為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天降雨量； Ri為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前第i天降雨量； n為所考慮的前期降雨天數(shù)； α為有效降雨系數(shù)。

本文2.1節(jié)分析表明廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與災(zāi)害發(fā)生前的5d降雨相關(guān)性較好，確定n=5； 有效降雨系數(shù)α的取值綜合廣西碎屑巖區(qū)具體情況，結(jié)合殷坤龍(2003)、高華喜等(2007)、李鐵峰等(2006)、單九生等(2004)的研究成果，確定α=0.8。對不同有效降雨量引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量進行統(tǒng)計，進而統(tǒng)計相應(yīng)有效降雨量下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，得出廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害累積發(fā)生概率與有效降雨量的關(guān)系曲線(圖4)。統(tǒng)計結(jié)果表明，地質(zhì)災(zāi)害累積發(fā)生的概率隨著有效降雨量的增加而逐漸增加，有效降雨量超過230mm后，曲線變陡，斜率增加，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率大大增加，這也進一步說明碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與有效降雨量緊密相關(guān)。

圖4　地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率與有效降雨量的關(guān)系曲線Fig. 4　The relationship curve between effective rainfall and geological disasters probability

3降雨量危險性等級劃分

為了方便地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報，可以將降雨對災(zāi)害的危險程度劃分為低危險性、中危險性、高危險性和極高危險性4個等級。根據(jù)本文第2節(jié)得出地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)與不同日降雨量和有效降雨量所對應(yīng)的特征日降雨量和特征有效降雨量的研究結(jié)果，分別按照災(zāi)害發(fā)生概率為15%、30%和50%的降雨量來確定其危險性閥值(高華喜， 2007)。分析表明廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險程度與降雨強度和有效降雨量都有密切關(guān)系，因此降雨強度或有效降雨量只要其中一個達到某個危險性閥值即可確定其危險等級。根據(jù)圖3 可以確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率為15%、30%、50%的降雨強度分別為35mm·d-1、60mm·d-1、100mm·d-1，由圖4 可以確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率為15%、30%、50%的有效降雨量分別為60mm、100mm、160mm，由此可以確定出根據(jù)降雨量確定廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的危險等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表3)。

表3　廣西碎屑巖區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨量危險等級劃分

4結(jié)論

(1)廣西碎屑巖分布區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘發(fā)因素為降雨與人類工程活動，考慮到區(qū)域災(zāi)害的群發(fā)性，則降雨為廣西碎屑巖區(qū)誘發(fā)群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的最重要因素。

(2)通過對2006～2013年間廣西碎屑巖分布地區(qū)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與降雨之間的關(guān)系研究得出：①地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與災(zāi)害發(fā)生前的5d降雨相關(guān)性較好； ②廣西碎屑巖區(qū)降雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害中暴雨及暴雨以上發(fā)生的災(zāi)害數(shù)占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的76.8%，其中特大暴雨時發(fā)生的災(zāi)害占總數(shù)的34.1%。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨的強度關(guān)系密切，特別是暴雨及以上強度的降雨極易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害； ③廣西碎屑巖區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率隨著前期有效降雨量的增加而逐漸增加，特別是當(dāng)有效降雨量超過230mm時，災(zāi)害數(shù)量明顯增加。

(3)根據(jù)日降雨強度和有效降雨量可以確定誘發(fā)廣西碎屑巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的降雨量危險等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。

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RAINFALL INFLUENCE ON GEOLOGICAL DISASTER IN CLASTIC ROCK AREAS OF GUANGXI PROVINCE

XU Yingzi①②LU Yunan③FAN Guang①FAN Haoran①

AbstractThe clastic rock areas in Guangxi province are distributed widely. There are many geological disasters in these areas. Statistical methods are used to analyze rainfall influence to geological disasters in the clastic rock areas. The factors include the number of rainfall days, rainfall intensity and effective rainfall. Results show that the relation is good between the geological disasters in the clastic rock areas and the rainfall five days before the disaster. The probability of geological disaster is increased greatly when the rainfall intensity is greater than 50mm·d-1(rainstorm) or the previous cumulative rainfall is greater than 230mm. The rainfall risk grading standards in the clastic rock areas are determined for warning and forecasting system of geological disasters in Guangxi province．

Key wordsGuangxi clastic rock areas， Rainfall， Geological disaster， Statistical analysis

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.002

* 收稿日期：2015-03-17; 收到修改稿日期： 2015-04-16.

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51178124)，廣西壯族自治區(qū)國土資源廳重大科研課題(GXZC2015-G3-3917-KLGB)資助.

第一作者簡介：許英姿(1969-)，女，博士，教授，主要從事巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害防治等方面的研究工作. Email: xuyingzi@gxu.edu.cn

中圖分類號：TU42

文獻標(biāo)識碼：A