湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害降雨特征分析

鄭逢春，張丹丹，石燕清，朱國光，劉寶光 (湖南省湘西自治州氣象局，湖南吉首 416000)

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湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害降雨特征分析

鄭逢春，張丹丹，石燕清，朱國光，劉寶光 (湖南省湘西自治州氣象局，湖南吉首 416000)

利用1981—2010年湘西自治州歷次山洪地質(zhì)災(zāi)害的降雨資料，對山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的降雨特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，近30年湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害的空間分布呈現(xiàn)中北部大于南部，5—7月出現(xiàn)山洪地質(zhì)災(zāi)害的概率非常大。降雨強度、降雨持續(xù)時間和降雨量與山洪地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生密切相關(guān)，小時雨強越大，累計雨量越大，發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險越高。6 h降雨量對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的指示性更好，可以作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的一個參考指標(biāo)。

山洪地質(zhì)災(zāi)害；暴雨；短時強降水；變化特征

湘西自治州總面積15 486 km2，其中山地山原占81.5%，丘陵占10.3%，平原占4.1%，水域占1.6%，其他面積占2.5%，是湖南省內(nèi)山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、多發(fā)且危害比較嚴(yán)重的地區(qū)。每年由于降水而引發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害均造成一定的人員傷亡和財產(chǎn)損失，一定程度上制約著湘西社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

山洪地質(zhì)災(zāi)害形成的因素很多[1-2]，但可歸并為自然因素和人為因素兩大部分。脆弱的地質(zhì)結(jié)構(gòu)在強降雨的作用下，極易引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害。近年來，許多學(xué)者對山洪地質(zhì)災(zāi)害的成因、特征、預(yù)報預(yù)警和防治進(jìn)行了研究[3-7]，但對于湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害的研究很少。筆者選取1981—2010年州內(nèi)有記載的山洪地質(zhì)災(zāi)害個例的降雨資料，對山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的降雨特征進(jìn)行分析，為今后開展山洪地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)提供參考。

1 資料與方法

選取湘西自治州8縣(市)水利水文及國土部門收集、調(diào)查的山洪地質(zhì)災(zāi)害個例125次，資料時間跨度為1981—2010年。降雨量資料分別來源于湘西自治州8縣(市)氣象臺站1981—2010年逐日雨量資料。

山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生地統(tǒng)計到縣，即同一天發(fā)生在同一縣不同鄉(xiāng)鎮(zhèn)的山洪地質(zhì)災(zāi)害個例日均計作為一次個例，不同縣的個例則分別計算。降雨強度則用24、6、3 h和任意1 h 4個級別的雨量來表征。

2 湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害類型

由于州內(nèi)巖石以火成巖、沉積巖、復(fù)質(zhì)巖居多，巖石結(jié)構(gòu)較為疏松、含鹽分較多，加上山地坡度大，強降雨過程易引發(fā)山洪、泥石流和滑坡。同時，由于近年來州內(nèi)建設(shè)步伐的加快，尤其是山地、礦產(chǎn)開發(fā)和高速公路的快速發(fā)展，使州內(nèi)的生態(tài)和原始植被遭到一定程度的破壞，增大了引發(fā)洪澇、泥石流及滑坡等災(zāi)害的風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，州內(nèi)目前有地質(zhì)災(zāi)害隱患點708處，直接威脅著全州8個縣(市)、12萬人口的安全。同時，由于地處山區(qū)，境內(nèi)河流大多彎曲狹窄，泄洪能力較差，暴雨發(fā)生后易形成洪水、泥沙混合流，堵塞橋涵、沖毀公路河堤和房屋，淹沒村莊房屋和農(nóng)作物。加之湘西自治州暴雨多發(fā)生在夜晚，是人們警惕性最低的時候，在這種情況下，一旦發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害極易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失。

圖1 湘西自治州內(nèi)山洪及各種類型地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)概率

根據(jù)多年資料統(tǒng)計，確定湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害類型主要有山洪、泥石流、滑坡、崩塌、地裂縫、地面塌陷和變形斜坡類型等，其中山洪在暴雨過程中出現(xiàn)的概率最高，為61.68%，其次是滑坡，在強降雨過程中出現(xiàn)概率為27.11%，地面塌陷占5.61%，崩塌占3.73%，地裂縫、變形斜坡等則占1.87%(圖1)。除了暴雨引發(fā)的山洪災(zāi)害外，地質(zhì)災(zāi)害類型多樣性是湘西自治州地質(zhì)災(zāi)害主要特點之一，其中滑坡所占比例最大。據(jù)統(tǒng)計(圖2)，在已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害中滑坡占72.8%，在地質(zhì)災(zāi)害隱患點中滑坡占77.4%，滑坡已成為自治州的常態(tài)自然災(zāi)害；其次為崩塌、地面塌陷和變形斜坡；地裂縫和泥石流最少。

圖2 湘西自治州內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型(a)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點類型(b)及所占比例

2.1 山洪地質(zhì)災(zāi)害時間分布特征湘西自治州由于特殊的地理位置和地形條件，是省內(nèi)山洪地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)地區(qū)之一。一年中，4—11月州內(nèi)均有山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能，主要出現(xiàn)時段是5—7月。據(jù)統(tǒng)計，1981—2010年全州共發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害125次，其中暴雨引發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害121次。5—7月山洪地質(zhì)災(zāi)害的日數(shù)為113次，占總數(shù)的90.4%。其中7月次數(shù)最多，達(dá)55次，6月次之，為37次(圖3)。5—7月湘西自治州出現(xiàn)山洪地質(zhì)災(zāi)害的概率非常大，此時正值主汛期，頻繁出現(xiàn)的暴雨誘發(fā)山洪及山體滑坡、泥石流等次生災(zāi)害，其中大暴雨是山洪地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因；其他各月山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率較小，尤其是12月—次年3月州內(nèi)基本沒有山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生；而8—9月出現(xiàn)的次數(shù)也較少，這期間為湘西自治州盛夏時期，強降雨頻率明顯低于5—7月，相對而言發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害的概率也較小，從州國土資源局的統(tǒng)計資料來看，此期間山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的范圍或強度較小，能達(dá)到統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)的個例也相對較少。

圖3 1981—2010年湘西自治州各月山洪地質(zhì)災(zāi)害累計出現(xiàn)次數(shù)

2.2 山洪和地質(zhì)災(zāi)害空間分布特征湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害在空間上多數(shù)分布在河流兩岸第四系覆蓋層較厚地段、風(fēng)化作用強烈且?guī)r層傾向與坡向一致或含軟弱夾層的高邊坡部位、區(qū)域性斷裂沿線、碳酸鹽巖卡斯特地貌發(fā)育區(qū)以及礦山和鐵路公路沿線等人類工程活動強烈地區(qū)。崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害在州域大部分地區(qū)均有分布，是最常見的地質(zhì)災(zāi)害。地面塌陷中的地面(巖溶)塌陷主要分布在吉首市馬頸坳—吉首城區(qū)—吉鳳工業(yè)園—鳳凰縣三拱橋—阿拉一線碳酸鹽巖分布區(qū)，該地面(巖溶)塌陷區(qū)呈帶狀，地處鳳凰—吉首—古丈區(qū)域性斷裂帶上；地面(采空區(qū))塌陷地質(zhì)災(zāi)害主要分布在花垣縣鉛鋅礦區(qū)、鳳凰縣鉛鋅礦區(qū)、古丈縣爛泥田錳礦區(qū)。泥石流、地裂縫、變形斜坡分布在州域大部分地區(qū)，明顯受地形地貌、地層巖性及構(gòu)造控制。

從1981—2010年全州8縣(市)累計山洪地質(zhì)災(zāi)害個例統(tǒng)計來看，湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害無論從隱患點分布密度還是災(zāi)害發(fā)生頻次上，均是中北部大于南部。中北部不僅滑坡、泥石流多發(fā)區(qū)面積大，數(shù)量多，且多發(fā)區(qū)內(nèi)的崩塌、滑坡、泥石流密度也大于東南部，尤其是北部的永順縣幾乎每年雨季均有多次滑坡、泥石流災(zāi)害出現(xiàn)。從1981—2010年山洪地質(zhì)災(zāi)害分縣發(fā)生的次數(shù)(圖4)來看，湘西自治州東北部(永順、古丈)較為嚴(yán)重，龍山、保靖、吉首、鳳凰較輕，西部和東南部(花垣、瀘溪)出現(xiàn)次數(shù)最少。

圖4 1981—2010年湘西自治州各縣山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)分布

3 暴雨及短時強降水與山洪地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系

3.1 暴雨與山洪地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)分析綜上所述，1981—2010年由暴雨引發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害121次，占全州山洪地質(zhì)災(zāi)害的96.8%，可見山洪及其誘發(fā)的泥石流、滑坡災(zāi)害的發(fā)生與降雨關(guān)系密切。降雨是誘發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害的重要因素，但山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與否除與降雨關(guān)系密切外，還與地形、地質(zhì)及礦產(chǎn)開發(fā)、地下水汲取、邊坡開挖等人為因素有關(guān)。在此僅從降雨角度研究降雨與山洪地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)關(guān)系。

3.1.1降雨量與山洪地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)分析。降雨量大，多數(shù)情況下意味著降雨強度高、激發(fā)力強，在一定的下墊面條件下，易產(chǎn)生溪河洪水災(zāi)害、泥石流災(zāi)害或激發(fā)滑坡災(zāi)害[8]。在相同的條件下，暴雨歷時越長，則累計雨量越大，產(chǎn)生的徑流量大，山洪災(zāi)害損失也越嚴(yán)重。在溪河洪水、泥石流、滑坡3種山洪災(zāi)害類型中，溪河洪水災(zāi)害和泥石流災(zāi)害相似，在下墊面條件滿足的情況下，只要有足夠大的降雨強度和降雨量，溪河洪水和泥石流災(zāi)害就可發(fā)生，降雨歷時越長，所產(chǎn)生的洪量越大，災(zāi)害損失越大?；聻?zāi)害與降雨歷時的關(guān)系明顯，一般而言，滑坡和降雨并不是同時發(fā)生，滑坡一般滯后于降雨。同一類型滑坡中深層滑坡較淺層滑坡滯后時間長。由溪河洪水誘發(fā)的滑坡災(zāi)害會隨著降雨歷時而增長，洪流對坡腳的沖刷，滑坡也會越來越多，甚至可能導(dǎo)致堰塞湖體的出現(xiàn)，進(jìn)一步加重山洪災(zāi)害。

研究湘西自治州已發(fā)生的山洪地質(zhì)災(zāi)害與降雨量的關(guān)系表明，絕大多數(shù)山洪地質(zhì)災(zāi)害都是在強降雨過程中或稍后發(fā)生的，滑坡、崩塌與降雨之間存在顯著的因果關(guān)系。大部分情況下，一次降雨過程的累計降雨量>60 mm、日降雨量>20 mm時，就能誘發(fā)小型滑坡和崩塌；一次降雨過程的累計降雨量>100 mm、日降雨量>80 mm時，能誘發(fā)山洪、大型滑坡和崩塌，同時降雨量越大，誘發(fā)機率也越高(表1)。但在花垣縣鉛鋅礦區(qū)，由于開采強度大、范圍廣，已形成大面積的地裂縫，降雨強度不大時也可能導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。因此，湘西自治州氣象臺在累計雨量達(dá)100、150、200 mm及以上時，通過移動MAS短信平臺編發(fā)特別提醒短信，對影響鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村(組)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點開展精細(xì)化的服務(wù)，提醒特別注意防范山洪地質(zhì)災(zāi)害，在2010年發(fā)生的多起山體滑坡地質(zhì)災(zāi)害中指導(dǎo)影響區(qū)內(nèi)居民成功避險，避免了群死群傷事件的發(fā)生。

表1 1981—2010年8縣(市)不同級別地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的降雨特征

3.1.2降雨強度與山洪地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)分析。高強度的降雨是引起山洪災(zāi)害最主要的原因之一。溪河洪水災(zāi)害的發(fā)生主要是局地短歷時強降雨迅速匯聚成地表徑流而引發(fā)溪溝水位暴漲所致。泥石流的發(fā)生與前期降雨，特別是與1 h短時雨強關(guān)系密切[9-12]。根據(jù)歷史觀測資料，將前期降雨分為直接前期降雨、間接前期降雨以及短歷時雨強3類，并根據(jù)主因素分析法確定了間接前期降雨量和直接前期降雨量作為第1主成分對泥石流形成的貢獻(xiàn)較大(44.326%)，最大1 h雨強作為第2主成分在泥石流形成中的激發(fā)作用也不可忽視(36.509%)[13]。具有相當(dāng)大的降雨量和降雨強度才能發(fā)生泥石流，降雨量和雨強越大，形成泥石流的機率越高，規(guī)模也越大。山洪、滑坡災(zāi)害的發(fā)生也與降雨強度密切相關(guān)。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害日短時強降雨的特征分析分析1981—2010年湘西自治州66個地質(zhì)災(zāi)害個例發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害并不全部是由強降雨引發(fā)的，有4個個例地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前1個月內(nèi)(包括地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日)均無強降雨發(fā)生，可以排除降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能性，而其余的62個個例地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日或之前均有強降雨發(fā)生?？梢姡刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生日及發(fā)生前期強降雨的特征，對及時開展地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警服務(wù)有明顯的指示作用。

3.2.1日降雨量與山洪地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。在由強降雨引發(fā)的62個地質(zhì)災(zāi)害個例中(圖5)，有40個個例發(fā)生當(dāng)日出現(xiàn)大雨以上強降雨，且前期也有強降雨發(fā)生(15 d內(nèi)降雨總量超過100 mm)，占總個例數(shù)的64%，有19個個例雖然地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日沒有出現(xiàn)強降雨，但前期均有強降雨發(fā)生(15 d內(nèi)降雨總量超過100 mm)，占總個例數(shù)的31%，有3個個例雖然地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日出現(xiàn)強降雨，但前期降雨不明顯(15 d內(nèi)降雨總量少于100 mm)，占總個例數(shù)的5%。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害日降雨類型分布

降雨誘發(fā)滑坡在時間上存在2種情況[14]：一種發(fā)生在降雨過程中，特別是在降雨強度最大時，如2003年7月9日永順縣永茂鎮(zhèn)日降雨量達(dá)237.7 mm，誘發(fā)了1萬m3滑坡；另一種是在降雨后一段時間才發(fā)生滑坡，如2007年7月22—26日湘西自治州連降暴雨，南部瀘溪縣過程累計雨量188.1 mm，雨后第2天該縣潭溪鎮(zhèn)朱雀洞村發(fā)生特大山體滑坡。3.2.21、6 h降雨量與山洪地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系。62個地質(zhì)災(zāi)害個例中，有30個1 h最大降雨量超過25 mm，占總數(shù)的48%;有8個1 h最大降雨量為10～25 mm;1 h最大降雨量極值為110.3 mm。62個地質(zhì)災(zāi)害個例中，有35個6 h最大降雨量超過50 mm，占總數(shù)的56%;有12個6 h最大降雨量為10～50 mm，占總數(shù)的19%;兩者共占總數(shù)的75%。因此，6 h降雨量接近或超過50 mm對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的指示性更好，可以作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的一個參考指標(biāo)。

湘西自治州1981—2010年山洪、泥石流共計發(fā)生63起，88.89%的過程日中3 h最大降雨量≥25 mm，68.25%過程日的6 h最大降雨量≥50 mm，而一般降雨型山洪、泥石流僅占發(fā)生總次數(shù)的11.1%。短時強降雨型山洪、泥石流災(zāi)害日之前有持續(xù)性降雨的占80%，可見，山洪、泥石流災(zāi)害的發(fā)生不僅與當(dāng)日的短時強降雨有關(guān)，也與前期持續(xù)性降雨有關(guān)。因此，誘發(fā)山洪、泥石流災(zāi)害發(fā)生的降雨條件主要有2個：前期持續(xù)性強降雨[15]；當(dāng)日3 h降雨量≥25 mm、6 h降雨量≥50 mm。湘西自治州出現(xiàn)雨強≥50 mm/h的短時暴雨，也極易引發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害。因此，當(dāng)雨強≥50 mm/h，湘西自治州氣象臺也會通過移動MAS短信平臺編發(fā)特別提醒短信，對影響鄉(xiāng)鎮(zhèn)、村(組)、地質(zhì)災(zāi)害隱患點開展精細(xì)化的服務(wù)，提醒公眾避險自救。

根據(jù)實地調(diào)查地山洪地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的環(huán)境條件，結(jié)合湘西自治州國土部門提供的全州山洪地質(zhì)災(zāi)害隱患分布情況，得出湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)多發(fā)區(qū)域分布圖。從圖6可看出，湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害隱患點主要位于中北部縣(市)，南部瀘溪、鳳凰最少，且大多位于其南部。

圖6 湘西自治州山洪地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)多發(fā)區(qū)域分布

4 結(jié)論

(1)5—7月湘西自治州出現(xiàn)山洪地質(zhì)災(zāi)害的概率非常大，此時正值主汛期，頻繁出現(xiàn)的暴雨易誘發(fā)山洪地質(zhì)災(zāi)害。山洪地質(zhì)災(zāi)害空間分布上呈現(xiàn)中北部大于南部。

(2)降雨強度、降雨持續(xù)時間和降雨量與山洪地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有密切關(guān)系。小時雨強越大，累計雨量越大，發(fā)生山洪地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險越高。

(3)6 h降雨量對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率的指示性更好，可以作為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的一個參考指標(biāo)。

(4)地質(zhì)災(zāi)害隱患點是動態(tài)的，開礦、修路、建房等人為因素對地質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，也是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的因素之一。在暴雨前及暴雨結(jié)束后要及時進(jìn)行排查，在地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報中要將新的隱患點因素考慮進(jìn)去。

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Analysis of Rainfall Characteristics of Flash Flood and Geological Disastar in Xiangxi Autonomous Prefecture

ZHENG Feng-chun, ZHANG Dan-dan, SHI Yan-qing et al (Hunan Xiangxi Autonomous Prefecture Meteorological Bureau, Jishou, Hunan 416000)

Based on the rainfall data of flash flood and geological disasters in Xiangxi Autonomous Prefecture from 1981 to 2010, the precipitation characteristics of flash flood and geological disasters were analyzed. The results showed that the distribution of flash floods and geological disasters in the central north was larger than that in the southe, mainly occurred during May-July. Rainfall intensity, rainfall duration and rainfall quantity were closely related to the occurrence of flash folld and geological disasters. 6 hours precipitation can be used as a reference index for the prediction of geological disasters.

Flash food and geological disaster; Rainstorm; Short-time heavy precipitation; Variation characteristics

鄭逢春(1978- )，男，湖南平江人，工程師，從事短期預(yù)報、決策氣象服務(wù)等工作。

2016-09-12

S 16

A

0517-6611(2016)30-0172-04