遵義市不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡臨界雨量研究

李忠燕, 田其博, 張東海, 嚴(yán)小冬

(1.貴州省氣候中心, 貴州 貴陽 550002; 2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽 550002; 3.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 貴州 貴陽 550004)

滑坡地質(zhì)災(zāi)害所造成的危害已不容忽視，尤其是強(qiáng)降雨導(dǎo)致的滑坡，它不僅威脅著道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施及環(huán)境的安全，更帶來巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。國內(nèi)外大量研究表明：降雨是滑坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘因，由強(qiáng)降雨導(dǎo)致的滑坡占九成以上。對(duì)滑坡的臨界雨量進(jìn)行研究為滑坡的預(yù)測預(yù)報(bào)預(yù)防提供指導(dǎo)，進(jìn)而減輕和避免滑坡災(zāi)害發(fā)生[1-3]。目前滑坡降雨閾值大致分為物理性降雨閾值[4-7]和經(jīng)驗(yàn)性降雨閾值[8-10]兩大類，前者主要是從物理力學(xué)的角度得到水力條件與斜坡失穩(wěn)過程模型確定降雨閾值，后者基于客觀災(zāi)情數(shù)據(jù)和降雨數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型確定降雨閾值，由于其不需要數(shù)學(xué)和物理理論推導(dǎo)且數(shù)據(jù)易得因此發(fā)展迅速，并在降雨型滑坡預(yù)報(bào)中作用明顯。中國西南地區(qū)的滑坡基本為堆積層滑坡和基巖滑坡[11]，而造成這類型滑坡的誘發(fā)因素大多是短歷時(shí)強(qiáng)降雨[12-15]。

遵義市位于貴州北部，處于云貴高原向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，地形起伏大，地貌類型復(fù)雜，海拔高度一般在800～1 300 m，在全國地勢第二級(jí)階梯上。遵義市屬亞熱帶季風(fēng)氣候，每年4月，當(dāng)來自孟加拉灣和印度洋的西南氣流北上致使水汽大量增加，遵義市中到大雨天氣常常出現(xiàn)，于4月中旬前后進(jìn)入雨季。遵義市地區(qū)降雨充沛，年降雨量為1 084 mm，其中汛期(4—9月)降雨量占全年總量77%以上。進(jìn)入雨季后，隨著強(qiáng)降雨事件的頻繁發(fā)生，對(duì)巖土體不斷進(jìn)行沖蝕，迫使斜坡失穩(wěn)誘發(fā)滑坡發(fā)生。從貴州省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)圖來看，遵義市西北部和北部地區(qū)屬于高易發(fā)區(qū)，而其它地區(qū)屬于中易發(fā)區(qū)。陳洪凱等[11]認(rèn)為不同的地質(zhì)條件、不同的滑坡類型其臨界雨量也有所不同，這是因?yàn)榛驴梢园凑諑r土性質(zhì)、滑動(dòng)面深度和滑坡體積大小分為不同類別的滑坡，其降雨閾值也有所不同。上述關(guān)于滑坡臨界雨量的研究大多都基于某一種類型，對(duì)同一個(gè)地區(qū)不同地質(zhì)條件下滑坡臨界雨量的研究卻很少。不同等級(jí)的地質(zhì)條件下，其降雨型滑坡致災(zāi)臨界雨量是不同的，簡單地說，高易發(fā)區(qū)的致災(zāi)臨界雨量低于不易發(fā)生區(qū)的致災(zāi)臨界雨量，因此需要在不同的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)建立不同致災(zāi)臨界雨量的預(yù)測模型，并且對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，以此探尋不同地質(zhì)區(qū)強(qiáng)降雨型滑坡災(zāi)害的規(guī)律，為滑坡預(yù)測預(yù)報(bào)提供科學(xué)指導(dǎo)，推進(jìn)氣象災(zāi)害防御服務(wù)工作。本文根據(jù)貴州省遵義市地區(qū)2010—2016年地質(zhì)災(zāi)害明細(xì)統(tǒng)計(jì)表，將發(fā)生在不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)條件下的滑坡進(jìn)行分類，利用2010—2014年的不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)災(zāi)害樣本和降雨建立不同的致災(zāi)臨界雨量的統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型，再利用2015—2016的地質(zhì)災(zāi)害和降雨對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，獲取遵義市地區(qū)不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡的臨界雨量，利用這個(gè)臨界雨量結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)及時(shí)發(fā)出滑坡預(yù)警，在地質(zhì)災(zāi)害防御中起到重要作用。

1 資料與方法

1.1 資 料

采用的數(shù)據(jù)資料有貴州省國土資源廳提供的2010—2016年遵義地區(qū)滑坡災(zāi)情資料(圖1)和貴州省遵義市460個(gè)區(qū)域站對(duì)應(yīng)時(shí)段的逐小時(shí)降雨資料。

圖1 遵義地區(qū)滑坡發(fā)生點(diǎn)分布

1.2 方 法

根據(jù)貴州省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)分區(qū)圖來看，遵義市分為兩種地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，其中西北部和北部地區(qū)屬于高易發(fā)區(qū)，而其他大部地區(qū)屬于中易發(fā)區(qū)。因此首先將不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)2010—2014年的滑坡樣本(表1)與該地區(qū)降雨數(shù)據(jù)建立滑坡致災(zāi)統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型，再利用不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)2015—2016年的滑坡災(zāi)害樣本和降雨對(duì)預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，訂正已建立的滑坡致災(zāi)統(tǒng)計(jì)預(yù)測模型。主要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法完成對(duì)遵義市不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡臨界雨量的分析研究。

表1遵義市不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡樣本個(gè)數(shù)個(gè)

不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)2010—2014年2015—2016年高易區(qū)251中易區(qū)294

影響滑坡的降雨分為前期有效雨量、當(dāng)日雨量、臨界雨量[16-19]。其中前期有效雨量是指滑坡發(fā)生前 天的累積有效，其計(jì)算公式為：

Rn=R0+KP1+K2R2+K3R3+…+KnRn

(n=1,2,…,n)

(1)

式中：Rn——為滑坡暴發(fā)前n+1 d的逐日降雨量；K——一個(gè)衰減系數(shù)，通常取0.8；n——滑坡發(fā)生前

天數(shù)。前期有效降雨量對(duì)觸發(fā)滑坡的作用隨著時(shí)間的增長而減少，對(duì)于這59次滑坡來說，滑坡發(fā)生前2 d的有效雨量平均83%來自當(dāng)日雨量，有效雨量的累積雨量日數(shù)為3 d，可以說當(dāng)日降雨量和滑坡之間有明顯的相關(guān)關(guān)系，n因此取2。

當(dāng)日雨量是指滑坡發(fā)生當(dāng)天24 h降雨量，氣象上是指前一天20:00到次日晚上20:00的24 h累積降雨量。而臨界雨量是指導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定度改變的降雨量。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

隨著前期雨量滲入土壤中，改變斜坡的穩(wěn)定度，減弱了滑坡體與土體之間的摩擦力，而在一定強(qiáng)度短時(shí)強(qiáng)降雨的作用下，斜坡的穩(wěn)定度從量變發(fā)生質(zhì)變從而激發(fā)滑坡發(fā)生。因此對(duì)不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡前2 d至滑坡當(dāng)天不同強(qiáng)度的短時(shí)強(qiáng)降雨歷時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖2)。

圖2 滑坡前2 d至滑坡當(dāng)天不同降雨強(qiáng)度歷時(shí)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：無論是高易區(qū)的滑坡還是中易區(qū)的滑坡，大于10和20 mm/h降雨絕大多數(shù)來自滑坡發(fā)生當(dāng)天；位于高易區(qū)的滑坡，滑坡當(dāng)天大于10 mm/h的降雨歷時(shí)從1～8 h不等，平均2.6 h，而位于中易區(qū)的滑坡，滑坡當(dāng)天大于10 mm/h的降雨歷時(shí)從2～6 h不等，平均3.9 h；高易區(qū)滑坡當(dāng)天大于20 mm/h的降雨歷時(shí)從0～5 h不等，平均1.1 h，而中易區(qū)滑坡當(dāng)天大于20 mm/h的降雨歷時(shí)從0～3 h不等，平均1.3 h。由此可見，無論是中易區(qū)還是高易區(qū)，小時(shí)雨量大于10 mm是遵義市地區(qū)滑坡的起報(bào)條件；無論是大于20 mm/h還是10 mm/h的降雨，中易區(qū)的降雨歷時(shí)都長于高易區(qū)的降雨歷時(shí)。

不同的降雨類型對(duì)激發(fā)滑坡的發(fā)生也有不同的影響，有研究表明[20-21]，可將相同降雨總量的不同降雨類型按小時(shí)降雨量大小細(xì)分為平均型、中鋒型、遞增型和遞減型4種類型。其中按照洪峰流量的大小來看，遞減型最大，其次是遞增型、中鋒型，最小的是平均型，按照洪峰流量到達(dá)的時(shí)間來看，遞增型最短，其次是中鋒型和平均型，最長的是遞減型，按照激發(fā)雨量閾值來看，遞增型最大，其次是中鋒型和平均型，最小的是遞減型。根據(jù)這4種分類，分別統(tǒng)計(jì)高易區(qū)和中易區(qū)滑坡的降雨類型(表2)，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：無論是高易區(qū)還是中易區(qū)，中鋒型所占比重最大，表明這是降雨的主要類型。高易區(qū)遞減型比重大于中易區(qū)，這可能是因?yàn)檫f減型所需的激發(fā)雨量閾值最小，因此該類型的降雨易出現(xiàn)在高易區(qū)。

表2 不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡的降雨類型統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.2 滑坡臨界雨量閾值模型

研究表明[2]，以滑坡當(dāng)天、滑坡前3 d有效雨量(滑坡前期2 d至滑坡當(dāng)天)與滑坡當(dāng)天1 h最大雨量、3 h最大雨量的4種不同組合來建立滑坡臨界雨量預(yù)報(bào)模型，可確定出不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。具體方法是以滑坡當(dāng)天或滑坡前3 d有效雨量為橫坐標(biāo)，以滑坡當(dāng)天1 h最大雨量或3 h最大雨量作為縱坐標(biāo)，將不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)滑坡的雨量樣本、未發(fā)生滑坡的雨量樣本以點(diǎn)聚圖的形式進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)點(diǎn)聚圖的分布形勢確定臨界雨量判別線，將發(fā)生滑坡的樣本與未發(fā)生滑坡的樣本進(jìn)行最大限度地區(qū)分開來，得到4種不同組合下臨界雨量閾值(圖3—4)。

注：“*多次”表示發(fā)生滑坡數(shù)在兩次或以上。下同。

假設(shè)臨界雨量判別線以上發(fā)生滑坡和未發(fā)生滑坡樣本均為預(yù)測樣本，其中發(fā)生滑坡的樣本為預(yù)測正確的樣本，而未發(fā)生滑坡的樣本為空?qǐng)?bào)的樣本即預(yù)測錯(cuò)誤的樣本。因此根據(jù)遵義市不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)4種不同雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型，分別統(tǒng)計(jì)不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)各預(yù)測模型中滑坡預(yù)測正確率(表3)。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，對(duì)于高易區(qū)來說，滑坡當(dāng)日1 h最大雨量與前期3 d的有效雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大，且滑坡當(dāng)日1 h最大雨量與滑坡當(dāng)天24 h雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也大于另外兩種組合，因此可將滑坡當(dāng)天1 h最大雨量作為遵義市地區(qū)高易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。而對(duì)于中易區(qū)來說，滑坡當(dāng)日3 h最大雨量與滑坡當(dāng)天24 h雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大，且滑坡當(dāng)日3 h最大雨量與前期3 d的有效雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也大于另外兩種組合，因此可將滑坡當(dāng)天3 h最大雨量作為遵義市地區(qū)中易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。

圖4 中易區(qū)4種不同的雨量組合的閾值模型

區(qū) 域有效雨量與激發(fā)雨量組合3 d和3 h_max3 d和1 h_max24 h和3 h_max24 h和1 h_max高易區(qū)30.551.031.642.4中易區(qū)49.232.652.734.5

2.3 臨界雨量閾值模型檢驗(yàn)評(píng)估

利用不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)2015—2016年的滑坡災(zāi)害樣本和降雨對(duì)已經(jīng)確定的滑坡臨界雨量開展質(zhì)量評(píng)估，由于降雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率會(huì)影響臨界雨量的質(zhì)量評(píng)估，因此，本質(zhì)量評(píng)估不考慮預(yù)報(bào)因素，而是采用實(shí)際雨量監(jiān)測值進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。針對(duì)已經(jīng)確定的滑坡臨界雨量模型開展檢驗(yàn)評(píng)估，采用以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行準(zhǔn)確性的判定： ①滑坡評(píng)估和實(shí)際發(fā)生情況不一致，則滑坡臨界雨量不準(zhǔn)確。 ②滑坡評(píng)估和實(shí)際一致，即發(fā)生滑坡，則滑坡臨界雨量準(zhǔn)確。表1給出了2015—2016年遵義市地區(qū)不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)新增滑坡信息，根據(jù)滑坡發(fā)生時(shí)間，統(tǒng)計(jì)前期有效雨量和激發(fā)雨量，根據(jù)已經(jīng)確定的滑坡臨界雨量預(yù)測模型，評(píng)估滑坡是否發(fā)生。

從圖5可以看出，2015—2016新增滑坡點(diǎn)的前期3 d雨量(當(dāng)日24 h雨量)與滑坡當(dāng)天3 h最大雨量的點(diǎn)聚圖均在滑坡判別線以內(nèi)，表明該預(yù)測模型對(duì)這4次滑坡發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確；而滑坡點(diǎn)的前期3 d雨量(當(dāng)日24 h雨量)與滑坡當(dāng)天1 h最大雨量的點(diǎn)聚圖中有2個(gè)滑坡樣本在滑坡判別線以內(nèi)，2個(gè)滑坡樣本在滑坡判別線以外，表明表明該預(yù)測模型對(duì)這4次滑坡發(fā)生預(yù)測不夠準(zhǔn)確，因此需調(diào)整其滑坡判別線，使調(diào)整后的預(yù)測模型對(duì)這4次滑坡發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確。與高易區(qū)類似，采用相同的方法評(píng)估中易區(qū)滑坡臨界雨量閾值模型。從圖6可以看出，2015—2016新增滑坡點(diǎn)的前期3 d雨量(當(dāng)日24 h雨量)與滑坡當(dāng)天3 h最大雨量的點(diǎn)聚圖在滑坡判別線以外，表明表明該預(yù)測模型對(duì)這次滑坡發(fā)生預(yù)測不夠準(zhǔn)確，同樣需調(diào)整其滑坡判別線，使調(diào)整后的預(yù)測模型對(duì)這次滑坡發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確；而滑坡點(diǎn)的前期3 d雨量(當(dāng)日24 h雨量)與滑坡當(dāng)天1 h最大雨量的點(diǎn)聚圖中有2個(gè)滑坡樣本在滑坡判別線以內(nèi)，2個(gè)滑坡樣本在滑坡判別線以內(nèi)，表明該預(yù)測模型對(duì)這次滑坡發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確。與上一節(jié)相類似,分別統(tǒng)計(jì)不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)調(diào)整后的各預(yù)測模型中滑坡預(yù)測正確率(表4)。

圖5 中易區(qū)4種不同的雨量組合的閾值模型

圖6 高易區(qū)4種不同的雨量組合的閾值模型檢驗(yàn)評(píng)估

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，不同地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)調(diào)整后的預(yù)測模型其準(zhǔn)確率均有所變化；對(duì)于高易區(qū)來說，雖然調(diào)整后的滑坡當(dāng)日1 h最大雨量與前期3 d的有效雨量組合滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有所下降，但該滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率依舊最大，且滑坡當(dāng)日1 h最大雨量與滑坡當(dāng)天24 h雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也大于另外兩種組合，因此仍將滑坡當(dāng)天1 h最大雨量作為遵義市地區(qū)高易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。而對(duì)于中易區(qū)來說，滑坡當(dāng)日3 h最大雨量與滑坡當(dāng)天24 h雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也有所下降，但依舊最大，且滑坡當(dāng)日3 h最大雨量與前期3 d的有效雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率也大于另外2種組合，因此仍將滑坡當(dāng)天3 h最大雨量作為遵義市地區(qū)中易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。

3 討論與結(jié)論

(1) 無論是高易區(qū)的滑坡還是中易區(qū)的滑坡，大于10和20 mm/h降雨絕大多數(shù)來自滑坡發(fā)生當(dāng)天，但中易區(qū)大于20和10 mm/h降雨歷時(shí)均長于高易區(qū)的降雨歷時(shí)。

(2) 無論是高易區(qū)還是中易區(qū)，中鋒型所占比重最大，表明這是降雨的主要類型。高易區(qū)遞減型比重大于中易區(qū)，這可能是因?yàn)檫f減型所需的激發(fā)雨量閾值最小，因此該類型的降雨易出現(xiàn)在高易區(qū)。

(3) 對(duì)于高易區(qū)來說，滑坡當(dāng)日1 h最大雨量與前期3 d的有效雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大，可將滑坡當(dāng)天1 h最大雨量作為遵義市地區(qū)高易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。而對(duì)于中易區(qū)來說，滑坡當(dāng)日3 h最大雨量與滑坡當(dāng)天24 h雨量組合的滑坡臨界雨量閾值模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率最大，可將滑坡當(dāng)天3 h最大雨量作為遵義市地區(qū)中易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。

(4) 根據(jù)新增滑坡信息對(duì)已經(jīng)確定的滑坡臨界雨量預(yù)測模型進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估，如果預(yù)測模型對(duì)新增滑坡預(yù)測不準(zhǔn)確，需調(diào)整其滑坡判別線，使調(diào)整后的預(yù)測模型對(duì)這次滑坡發(fā)生預(yù)測準(zhǔn)確。統(tǒng)計(jì)調(diào)整后的各預(yù)測模型中滑坡預(yù)測正確率發(fā)現(xiàn)滑坡當(dāng)天1 h最大雨量仍為遵義市地區(qū)高易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量，而滑坡當(dāng)天3 h最大雨量仍為遵義市地區(qū)中易區(qū)滑坡發(fā)生的激發(fā)雨量。

(5) 由于區(qū)域氣象站分布的空間分辨率不高，加之地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間不夠精確，因此在后期中需要根據(jù)新增滑坡信息對(duì)滑坡閾值模型進(jìn)行不斷的訂正，使其在地質(zhì)災(zāi)害防御中起到關(guān)鍵性的作用。