鄂西山地降雨-滑坡關(guān)系研究

□王元鋒（中國水利水電第十三工程局有限公司）

鄂西山地降雨-滑坡關(guān)系研究

□王元鋒（中國水利水電第十三工程局有限公司）

降雨是觸發(fā)斜坡失穩(wěn)的重要因素。鄂西山地90%的滑坡是降雨引起的，對(duì)埋藏較淺的輸氣管道威脅巨大，為了最大限度的保證管道安全，實(shí)現(xiàn)管道沿線滑坡的早期預(yù)警，降雨和滑坡之間關(guān)系的研究極其必要。文章根據(jù)歷史滑坡和歷史氣象數(shù)據(jù)，分別研究了前期累計(jì)降雨量和降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間(ID)對(duì)滑坡的控制，得到了鄂西降雨觸發(fā)型滑坡的閾值函數(shù)，土滑：I=22.14D-0.22，巖滑：I=60.07D-0.48，其中I是降雨強(qiáng)度，D是降雨持續(xù)時(shí)間，這一經(jīng)驗(yàn)降雨閾值將用于以后的預(yù)警模型中。

累計(jì)降雨量；降雨強(qiáng)度；降雨持續(xù)時(shí)間；滑坡；鄂西

0 引言

誘發(fā)滑坡發(fā)生的因素很多，包括地震、降雨、融雪、人類工程破壞等，眾多因素中，降雨是一個(gè)已經(jīng)被肯定的最主要、最常見的滑坡觸發(fā)因子。雨水下滲大幅降低滑帶土的粘聚力（c），降低土石的抗剪強(qiáng)度，最終導(dǎo)致坡體失穩(wěn)。一直以來，研究人員都在嘗試確定降雨和斜坡失穩(wěn)之間的關(guān)系，這不僅是一個(gè)科學(xué)問題，也是一個(gè)社會(huì)問題。目前，研究降雨與滑坡關(guān)系的方法很多，用到了不同的降雨和氣候變量，文章著重研究滑坡前期的累積降雨量和降雨強(qiáng)度，建立了滑坡的降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間（ID）閾值曲線，該閾值將應(yīng)用于以后的滑坡預(yù)警系統(tǒng)。

1 研究區(qū)概況

鄂西山區(qū)地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害種類繁多、分布廣、頻發(fā)次數(shù)高，是湖北省地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)之一，嚴(yán)重制約著地方經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。區(qū)內(nèi)古生界至新生界地層均有出露，分布大體可以劃分為兩段，齊耀山以西地層主要為侏羅系及其以上的內(nèi)陸盆地相堆積，以碎屑巖及泥質(zhì)巖為主；齊耀山以東主要分布地層為古生界-三疊系，為海相沉積巖系，以碳酸鹽巖為主，此外有碎屑巖和泥質(zhì)巖；在局部的山間斷陷盆地中堆積有中新生界碎屑巖和松散堆積物。其中以碳酸鹽巖占主體地段，廣泛發(fā)育溶蝕地貌，溝谷深切，地形陡峻，同時(shí)該地層不同程度的夾雜有泥質(zhì)軟弱層，使其成為滑坡的多發(fā)地段。

該區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，多年平均雨量在1 100～1 600 mm，日降雨量100～188 mm，最大暴雨量超過200 mm/d，降雨主要分布在5-9月，占年降水量的68.40%。春秋季陰雨連綿，延續(xù)時(shí)間一般5-10 d，長者可達(dá)15-20 d。由于地處中緯度，季風(fēng)盛行，南北天氣系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，災(zāi)害性天氣時(shí)有發(fā)生詳見圖1。

根據(jù)歷史滑坡數(shù)據(jù)和雨量數(shù)據(jù)，1949-2002年期間，有記錄的滑坡就達(dá)上千起。精確記錄到月份的滑坡有801起，其中7月份最多，占了總歷史滑坡數(shù)的51.40%。而7月份的月平均雨量，也是全年最大的。圖1是表示月平均降雨量和滑坡次數(shù)的時(shí)間分布特征，滑坡個(gè)數(shù)隨著降雨量的變化而變化，呈現(xiàn)出以7月份為對(duì)稱軸的分布規(guī)律，降雨量大時(shí)滑坡數(shù)量也最多。圖1也表明研究區(qū)滑坡和降雨量關(guān)系非常密切。

圖1 鄂西山區(qū)月降雨量和滑坡個(gè)數(shù)分布圖

2 降雨-滑坡閾值

閾值就是一個(gè)事件的發(fā)生或者一個(gè)狀態(tài)的改變所需最小或者最大量。最小閾值確定是最低水平，低于它事件就不會(huì)發(fā)生。最大閾值表示的級(jí)別是大于它事件常常發(fā)生。對(duì)于滑坡，其閾值可以是降雨、土壤濕度或者水文地質(zhì)環(huán)境，達(dá)到或者超過它，就可能誘發(fā)滑坡。降雨閾值的確定，可以是物理（基于過程的，概念的）或者經(jīng)驗(yàn)的（歷史的，統(tǒng)計(jì)的）。經(jīng)驗(yàn)降雨閾值的確定，是通過研究引起滑坡的降雨事件。閾值的獲取經(jīng)常通過在笛卡兒坐標(biāo)、半對(duì)數(shù)或者對(duì)數(shù)坐標(biāo)上繪制誘發(fā)滑坡的最低降雨臨界線。大多數(shù)情況下，閾值確定是目視的，也就是說沒有任何嚴(yán)格的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)或者物理標(biāo)準(zhǔn)?；仡櫸墨I(xiàn)，誘發(fā)斜坡失穩(wěn)還沒有一個(gè)統(tǒng)一的降雨標(biāo)準(zhǔn)。

Caine在1980年首次提出的淺層滑坡和泥石流發(fā)生的全球降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間（ID）閾值。根據(jù)他的開創(chuàng)性工作，全世界很多地區(qū)都對(duì)導(dǎo)致斜坡失穩(wěn)的降雨ID條件進(jìn)行了收集，提出了局部、區(qū)域和全球尺度不同的降雨ID閾值曲線，它們具有如下的一般形式：

式中：I是降雨強(qiáng)度，D是降雨持續(xù)時(shí)間，c≥0，α和β是參數(shù)。

這一類型閾值跨了相當(dāng)大的降雨持續(xù)時(shí)間，最長統(tǒng)計(jì)到1 000 h。大多數(shù)ID閾值計(jì)算時(shí)，C=0。當(dāng)c=0時(shí)，等式1就是一個(gè)簡(jiǎn)單的冪率方程。由于冪律函數(shù)的指數(shù)都是負(fù)值（β的范圍是-1.13到-0.39），參數(shù)α的范圍是4～85.54。其中局域尺度的閾值比區(qū)域的稍微高一些，比全球尺度的高很多。

3 鄂西降雨-滑坡閾值

3.1 鄂西歷史降雨誘發(fā)滑坡事件

通過部分滑坡發(fā)生前的降雨特征，可以看出有些滑坡發(fā)生在降雨當(dāng)天，有些滑坡發(fā)生在降雨結(jié)束后幾天，有明顯的滯后性。滯后期的長短受眾多因素控制，包括滑坡體本身的地質(zhì)地貌特征、降雨量的大小、降雨強(qiáng)度和降雨前坡體的穩(wěn)定性等。

雖然滑坡體發(fā)生滑動(dòng)的具體時(shí)間一般事先很難做出判斷，但可以根據(jù)滑坡前降雨特征判斷滑坡發(fā)生的可能性和大致時(shí)間范圍。

3.2 前期累積降雨閾值

收集的歷史滑坡資料，一部分來自于國家氣象局，一部分來自于發(fā)表的科技文章。最后，選擇了24個(gè)有準(zhǔn)確時(shí)間和滑坡規(guī)模的滑坡事件進(jìn)行研究。

累積絕對(duì)降雨的計(jì)算分析，是從發(fā)生滑坡當(dāng)天開始往前算，1、2、3、5、10、15、30、40、60、75和90d的降雨量。計(jì)算公式如下：

式中：P是累積降雨量；p1是滑坡當(dāng)天日降雨量；pn是滑坡當(dāng)天起往前第n天的降雨量。

對(duì)于同一規(guī)模的不同類型滑坡來說，基巖滑坡所需的降雨量（累積降雨量和日降雨量）要大于土層碎屑滑坡；而對(duì)于同一類型不同規(guī)模的滑坡來說，規(guī)模大的滑坡需要較大的降雨量。這里分別對(duì)土滑和巖滑兩類滑坡分別進(jìn)行雨量統(tǒng)計(jì)，并分別計(jì)算了土滑和巖滑的累積雨量均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)對(duì)已知滑坡滑前雨量的統(tǒng)計(jì)情況，如果僅考慮降雨量對(duì)滑坡的控制，那么就是達(dá)到這樣的雨量，就有可能發(fā)生滑坡。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)方面來考慮，計(jì)算了不同累積時(shí)間累積雨量的均值（M）和標(biāo)準(zhǔn)差（STD）。分別以M-STD、M和M+STD作為分界，確定滑坡風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。低于M-STD為安全區(qū)；M-STD到M之間為滑坡危險(xiǎn)區(qū)；M到M+STD之間定位滑坡高發(fā)區(qū)；大于M+ STD定位滑坡區(qū)，其中M-STD值為負(fù)數(shù)者都將其歸為零。

當(dāng)某天的M-STD值都為負(fù)數(shù)，這種情況是滑坡當(dāng)天和前幾天很少或者沒有降雨，前期降雨才是滑坡的主因，因而這種類型滑坡更應(yīng)該參考前期降雨量，來確定預(yù)警還是不預(yù)警。當(dāng)然，M-STD為界有可能是過度預(yù)警，也可以以M-1/2STD作為預(yù)警下限，這就要考慮確定的安全區(qū)中歷史滑坡的個(gè)數(shù)和規(guī)模。

3.3 降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間（ID）閾值

區(qū)內(nèi)24個(gè)有準(zhǔn)確時(shí)間記錄的滑坡事件，降雨強(qiáng)度是累計(jì)降雨量除以累積天數(shù)，降雨持續(xù)時(shí)間就是降雨量累積的天數(shù)，應(yīng)用origin 8首先制作散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖的分布情況，選擇非線性曲線擬合，給定擬合方程I=αDβ，計(jì)算參數(shù)α和β。這里采用降雨強(qiáng)度的均值，來進(jìn)行曲線擬合，最后得到降雨強(qiáng)度和降雨持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系。

這2種類型滑坡的均值曲線可以用如下等式描述：

式中：I是降雨強(qiáng)度，D是降雨持續(xù)時(shí)間。

同時(shí)，考慮不同的預(yù)警級(jí)別，選擇M-STD、M和M+STD作為分界線，確定安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、高發(fā)區(qū)和滑坡區(qū)，可以用圖2和圖3來表示。

圖2 土滑類型閾值曲線圖

圖3 巖滑類型閾值曲線圖

圖2和圖3中，中間曲線為均值，上面的曲線為均值+標(biāo)準(zhǔn)差，下方曲線為均值-標(biāo)準(zhǔn)差。圖中不同符號(hào)表示不同規(guī)模的滑坡，方塊表示特大型，三角表示大型，五星表示中型，圓圈表示小型滑坡，劃分依據(jù)滑坡分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2和圖3都中，安全區(qū)，就是不會(huì)發(fā)生滑坡的降雨強(qiáng)度范圍，這一區(qū)域，滑坡幾乎不發(fā)生，或者也就是存在一些小型滑坡；危險(xiǎn)區(qū)，就是降雨強(qiáng)度超過M-STD，這一區(qū)域，多是發(fā)生中小型滑坡；降雨強(qiáng)度超過均值，則多發(fā)生大中型滑坡；超過M+ STD，是肯定發(fā)生滑坡的區(qū)域，一些超大型、大型，多位于該區(qū)域。進(jìn)行滑坡預(yù)警，就是計(jì)算當(dāng)天的前期不同時(shí)間段的降雨強(qiáng)度，結(jié)果落在哪個(gè)區(qū)域，就進(jìn)行哪個(gè)級(jí)別的預(yù)警。

發(fā)生滑坡前五天，仍有降雨強(qiáng)度位于預(yù)警閾值曲線下方，這些點(diǎn)都是滑坡當(dāng)天或者前幾天降雨為零或者很小，更早時(shí)間的大型降雨，才是斜坡失穩(wěn)的主因，這種類型滑坡的預(yù)警，應(yīng)該著重考慮5d之前的降雨強(qiáng)度。

目前，還沒有一個(gè)絕對(duì)確定的、完全有效的滑坡閾值，無論累計(jì)降雨量還是降雨強(qiáng)度，都是對(duì)降雨-滑坡關(guān)系的一個(gè)方面，具體到滑坡預(yù)警，則需要對(duì)不同類型閾值進(jìn)行綜合考慮。

4 結(jié)論

①歷史滑坡記錄顯示，降雨誘發(fā)型滑坡在鄂西山區(qū)是頻發(fā)的，對(duì)油氣管道、公路交通和人民生命財(cái)產(chǎn)的威脅是巨大的?；掳l(fā)生時(shí)間主要集中在6、7月和8月份，這三個(gè)月的管線巡查力度要加大。②研究滑坡與降雨的關(guān)系，不能只考慮滑坡當(dāng)天的雨量，更多滑坡的主因，都是前期降雨，因而，前期累計(jì)降雨量統(tǒng)計(jì)，是十分必要的。前期累計(jì)降雨量曲線，可以用來進(jìn)行滑坡預(yù)警。③降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間閾值目前應(yīng)用較多，已經(jīng)建立了多個(gè)全球、區(qū)域和局域閾值曲線，鄂西地區(qū)回歸分析顯示，降雨強(qiáng)度隨著降雨時(shí)間冪數(shù)級(jí)增長，根據(jù)研究區(qū)數(shù)據(jù)，對(duì)土滑和巖滑分別處理，得到兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)等式，土滑：I=22.14D-0.221，巖滑：I=64.07D-0.48表示，其中I是降雨強(qiáng)度，D是降雨持續(xù)時(shí)間。這兩個(gè)曲線可以作為鄂西降雨的降雨強(qiáng)度-持續(xù)時(shí)間的預(yù)警閾值，超過了這個(gè)值，就會(huì)發(fā)生滑坡。同時(shí)，根據(jù)均值和標(biāo)準(zhǔn)差，確定了安全區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)、高發(fā)區(qū)和滑坡區(qū)四個(gè)預(yù)警級(jí)別。④國外更多的是小時(shí)級(jí)別的雨量-滑坡關(guān)系研究，這樣滑坡的預(yù)報(bào)更為及時(shí)和準(zhǔn)確。隨著國家對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)的日益重視，2007年開始，鄂西部分地區(qū)已經(jīng)開始小時(shí)級(jí)雨量的收集，精確的降雨閾值曲線的確立將有望實(shí)現(xiàn)。

［1］朱文俊.鄂西山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治對(duì)策研究［J］.黑龍江科技信息，2009（6）.

［2］魏來.降雨誘發(fā)滑坡預(yù)測(cè)模型研究［J］.重慶交通大學(xué)，2013.

編輯：劉長垠 邢博輝

P642.22

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1673-8853（2017）06-0023-03

2017-05-16