高原滑坡變形與氣象因素相關性研究

尹繼鑫，何永晴，姚永順，楊世超，陳興芳，高桂明

(1.西寧市測繪院，青海 西寧 810001； 2.西寧市氣象局，青海 西寧 810003)

1 前 言

西寧是青海省省會，地處青藏高原強震密度較高的河湟谷地，南北兩山對峙，整體地勢西北高、東南低，平均海拔約 2 261 m，東西狹長，是青藏高原和黃土高原過渡地帶，屬于大陸性高原半干旱氣候，特點是氣壓低、日照長、雨水少、蒸發(fā)量大、太陽輻射強、日夜溫差大、無霜期短、冰凍期長。西寧在地質構造上位于祁連山褶皺系中間隆起帶南部，地貌類型包括湟水河及其支流南川河、北川河等河谷階地。該區(qū)域地質構造環(huán)境復雜，新構造運動活躍，受構造隆升和流水侵蝕作用的影響，在湟水谷地兩側低山丘陵前緣形成了高差300余米，坡度達60°～90°的高陡斜坡。并且由于構成斜坡巖體為第四系黃土與新近系紅色碎屑巖，結構松散，強度低，遇水易崩解、軟化，加之該區(qū)域降水集中，多災害性暴雨天氣，使得地質災害數(shù)量多并集中發(fā)育。截至2015年底，西寧市境內(nèi)地質災害點 1 206個，其中滑坡420處，崩塌111處，泥石流183處，不穩(wěn)定斜坡486處，地面塌陷6處，滑坡、不穩(wěn)定斜坡是西寧市境內(nèi)最主要的地質災害，占比高達75.1%。

滑坡是指斜坡上的土體或巖體，受河流沖刷、地下水活動、雨水浸泡、地震及人工切坡等因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面或者軟弱帶，整體地或者分散地順坡向下滑動的自然現(xiàn)象。產(chǎn)生滑坡的基本條件主要有兩個方面，從空間來說，斜坡體前有滑動空間，兩側有切割面；從斜坡的物質組成來看，具有松散土層、碎石土、風化殼和半成巖土層的斜坡抗剪強度低，容易產(chǎn)生變形面下滑。

綜合滑坡的影響因素，主要包括地質構造、地形地貌、氣象條件、人工活動及地殼運動等。本文從氣象對地質災害的影響角度來分析降水、風力、溫度、濕度和氣壓對高原地區(qū)滑坡變形的影響。風力、溫度、濕度和氣壓在軟化斜坡體、降低坡體強度方面有著重要影響，助推滑坡災害發(fā)育；降水對滑坡的影響最大也最直接，主要表現(xiàn)為，雨水的大量下滲，導致斜坡上的土石層飽和，甚至在斜坡下部的隔水層上積水，從而增加滑體的重量，降低土石層的抗剪強度，導致滑坡災害產(chǎn)生[1～4]。

2 監(jiān)測概況

2.1 監(jiān)測點位布設

為緩解城區(qū)交通壓力，西寧市規(guī)劃設計了鳳凰山快速路，該路需穿越南山、西山兩端山體，其中南山隧道六一橋出口邊坡為不穩(wěn)定滑坡體，為保證隧道貫通工程和周邊人群生命財產(chǎn)安全，對南山西坡進行滑坡體變形監(jiān)測。根據(jù)該區(qū)域滑坡變形特點、主滑方向，共布設3條觀測斷面，總體呈5橫3縱網(wǎng)絡分布格局，共布置各類監(jiān)測點20個，其中12個點設在抗滑樁頂上，第一排抗滑樁設置4個，第二排抗滑樁設置8個，其他8個點中，7個分兩排設置在抗滑樁上部，另外1個放置在第一排抗滑樁一側，如圖1所示。

圖1 點位布設示意圖

圖1為南山西坡滑坡體變形自動化監(jiān)測點位布設示意圖。圖中編號JC的點即為地表位移監(jiān)測點。

2.2 監(jiān)測原理

監(jiān)測系統(tǒng)采用GNSS自動化監(jiān)測方式對滑坡體表面位移進行實時監(jiān)測，工作原理為：各GNSS監(jiān)測點與參考點接收機實時接收GNSS信號(信號頻率為1個/秒)，并通過數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡實時發(fā)送到控制中心，控制中心服務器GNSS數(shù)據(jù)處理軟件實時差分解算出各監(jiān)測點三維坐標，數(shù)據(jù)分析軟件獲取各監(jiān)測點實時三維坐標，并與初始坐標進行對比而獲得該監(jiān)測點變化量。同時分析軟件根據(jù)事先設定的預警值進行報警，監(jiān)測預警值參照《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB50497-2009)執(zhí)行，防滑樁上監(jiān)測點的預警值按照深基坑樁頂位移預警值執(zhí)行，預警值為 30 mm，山坡上監(jiān)測點位移預警值按照二級基坑坡頂預警值執(zhí)行，預警值為 60 mm，如監(jiān)測位移量超過預警值的75%，將以短信、現(xiàn)場廣播、聲光報警燈多種形式預警[5]。

3 資料來源

在統(tǒng)計分析時，為降低監(jiān)測數(shù)據(jù)粗差帶來的大幅波動影響，同時為突顯階段性氣象因素對滑坡變形的影響特點，以每10日為1個計數(shù)時間區(qū)段進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，樣本時間區(qū)間為2016年9月～2018年2月，共計51個時間區(qū)段。

3.1 地表位移數(shù)據(jù)

南山西坡滑坡體變形監(jiān)測系統(tǒng)于2016年9月建成運行，監(jiān)測類型主要包括地表位移、裂縫、測斜等，本文選取2號～7號監(jiān)測點地表位移數(shù)據(jù)進行研究，6個監(jiān)測點中，JC03、JC07兩站位移數(shù)據(jù)因通信網(wǎng)絡升級改造原因出現(xiàn)個別日期數(shù)據(jù)缺失情況，對此，利用線性內(nèi)插方法求得T日(即當日)缺測位移數(shù)據(jù)，并根據(jù)前后日期單日位移量和累計位移量數(shù)據(jù)進行計算驗證，修正T日及T+1日相對位移數(shù)據(jù)。各監(jiān)測站總體累計量如表1所示。

位移累積量統(tǒng)計表 表1

表1為滑坡體變形地表位移累積量統(tǒng)計表。WGS84-X水平方向：正值為向北位移，負值為向南位移；WGS84-Y水平方向：正值為向東位移，負值為向西位移；WGS84-H高程方向：正值為上升，負值為下沉。

根據(jù)各監(jiān)測站水平位移X值和Y值計算出平面位移量(mm)。計算公式如下所示：

(1)

式(1)中：|P|為平面位移量，x1、y1為起點坐標，x2、y2為終點坐標。根據(jù)式(1)計算出各站平面位移累計值，如圖2所示。

圖2 平面位移累計值

圖2為平面位移累計值，據(jù)圖可知JC02和JC06兩站平面位移較為明顯，在樣本時間內(nèi)，累積量分別約為 54.2 mm和 100.6 mm，平均量分別約為 0.11 mm和 0.19 mm，兩站均位于隧道口上方，JC06距離隧道口較近，平面位移已超過預警值，其下沉表現(xiàn)也較為突出。此外，6個監(jiān)測站主要位移方向均為西向，符合監(jiān)測區(qū)地形特點。

根據(jù)總體平面位移和高程方向沉降累計值，繪制出各監(jiān)測站平面位移和沉降變化趨勢圖，如圖3所示。

圖3為位移變化趨勢圖，上趨勢線為平面位移，下趨勢線為高程沉降。圖中上排從左至右依次為JC02、03、04號監(jiān)測點，下排從左至右依次為JC05、06、07號監(jiān)測點。各監(jiān)測站點個別日期因受通信影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大粗差。

從趨勢圖分析，各監(jiān)測站平面位移均處于持續(xù)增大狀態(tài)；從趨勢線斜率變化而言，JC-06在樣本時間后期處于明顯上升趨勢。

圖3 位移變化趨勢圖

3.2 氣象數(shù)據(jù)

來自西寧市中心城區(qū)氣象觀測站，該站位于北緯36.7°、東經(jīng)101.7°，測站高度 2 295.2 m，距離滑坡監(jiān)測區(qū)約 1.8 km，主要包括降水量(毫米mm)、最大風速(米/秒m/s)、溫度(攝氏度℃)、濕度(百分率%)和氣壓(帕Pa)等數(shù)據(jù)，并計算相應的區(qū)段平均量和區(qū)段累計量等數(shù)值，其中將風速轉化為風壓(N/m2)。風壓即垂直于氣流方向的平面所受到風的壓力，根據(jù)伯努利方程推出風壓計算公式，如下所示：

(2)

式(2)中：wp為風壓，r為空氣重度，v為風速，g為重力加速度。

4 相關分析

相關分析用于研究現(xiàn)象之間是否存在某種依存關系，并探討具體有依存關系現(xiàn)象的相關方向以及相關程度。在進行相關分析、計算監(jiān)測站平均位移量時，需考慮人工活動對滑坡位移的影響，故應以除JC06站外的其他監(jiān)測站的平均位移值來修正JC06站數(shù)值，修正后數(shù)值約為 31.46 mm，以此參與其后計算分析。

4.1 散點分析

為保證相關分析有必要和有意義，可先通過制作散點圖來初步觀察滑坡位移和降水、風壓、溫度、濕度、氣壓等氣象因素是否存在相關趨勢，如圖4所示。

圖4為位移-氣象散點圖，縱軸為滑坡位移量，橫軸從左至右依次為降水、風壓、溫度、濕度和氣壓，各散點圖通過Loess局部加權回歸散點平滑法擬合出回歸曲線，并推算出相應的線性方程。據(jù)圖4可知，滑坡位移與降水呈正相關趨勢，即降水量越大，滑坡位移量越大；滑坡位移同樣受風壓、溫度、濕度影響，其關系近似對數(shù)函數(shù)曲線，即受此類氣象因素影響至一定程度后不再明顯增大，而是接近一個極限值；滑坡位移受氣壓影響較弱，曲線斜率較小，這與氣壓在高原地區(qū)較平原地區(qū)對物體作用較小相符。

圖4位移-氣象散點圖

4.2 偏相關分析

前文4.1中，雖然進行了滑坡位移量與各氣象因素的散點分析，但其結果實際仍受其他氣象因素影響，而非單一氣象因素對滑坡位移量的絕對影響，其相關分析結果如表2所示。因此，為消除其他氣象因素對滑坡位移的影響，需利用偏相關分析對數(shù)據(jù)進行凈化研究，同時利用偏相關分析，可剔除對滑坡位移影響相對弱小的氣象因子，簡化后續(xù)分析[6～9]。偏相關分析結果如表3所示。

相關分析結果 表2

表2為滑坡位移與氣象因素相關分析結果，觀察可知，滑坡位移與降水相關性最為密切，其值約為0.663；其次為風壓、溫度、濕度；氣壓相關性最小，為0.038。

偏相關分析結果 表3

表3為滑坡位移與氣象因素偏相關分析結果，在控制了其他氣象因素對滑坡位移影響后發(fā)現(xiàn)，各氣象因子相關系數(shù)均有不同程度下降。其中，降水相關系數(shù)下降最小，其值約為0.629，對滑坡位移影響仍然最大；風壓、溫度、濕度、氣壓相關系數(shù)下降較大，下降率均超過50%，氣壓相關系數(shù)僅為0.008。

通過偏相關分析，暫時剔除相關系數(shù)小于0.1的溫度、濕度和氣壓3個氣象因素，保留降水和風壓來建立與滑坡位移量相關的模型方程，并以此來預測滑坡災害。

5 滑坡模型

通常，利用回歸分析來確定現(xiàn)象和影響因子之間的數(shù)學關系，建立回歸模型，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)來求解模型的各個參數(shù)，然后評價回歸模型是否能夠很好地擬合實測數(shù)據(jù)[10～12]。

5.1 回歸方程

本文所述滑坡位移模型涉及降水和風壓兩個自變量，故為多元線性回歸，模型形式如下：

Y=β0+β1X1+β2X2+ε

(3)

式(3)中：Y為因變量滑坡位移，X1、X2為自變量降水、風壓，β0、β1、β2為待解參數(shù)，ε為回歸方程隨機誤差，其中ε～N(0，σ2)。經(jīng)回歸分析，其結果如表4所示。

回歸分析結果 表4

表4為回歸分析結果，包含回歸系數(shù)估值和模型排除變量P值。據(jù)表4可知，常量β0估值為1.018，降水量參數(shù)β1估值為0.035，在t檢驗中，降水量和常數(shù)項的顯著性P值都為0.000，均有顯著意義；風壓變量t檢驗的顯著性概率P值遠大于0.05，故未引入模型。所以回歸分析后的模型方程修正為：

Y=1.018+0.035*X1

(4)

式(4)中：Y為因變量滑坡位移，X1為自變量降水。

5.2 模型假設檢驗

經(jīng)過5.1回歸分析后，得出降水變量參數(shù)估計值，并建立了滑坡位移線性回歸模型，同時也滿足了式(3)中隨機誤差ε是正態(tài)性的假設。在確定滑坡回歸模型過程中，通過建立標準殘差直方圖的方法檢驗得出ε屬于正態(tài)分布，結果如圖5所示。

圖5 回歸殘差直方圖

圖5為回歸殘差直方圖，標準殘差服從正態(tài)分布N(0，1)，殘差正負占比為1∶1，絕大多數(shù)落在-2與+2之間，所以滿足ε是正態(tài)性的假設，因此從一定程度上證明了式(4)中降水量參數(shù)和常數(shù)項兩者的估計值合理，滑坡模型方程有效[13，14]。

6 結 論

影響滑坡災害的因素是多樣的，有內(nèi)在地質結構作用，也有外在人工、氣象影響，而且災害的發(fā)育和產(chǎn)生是通過時間的積累形成的[15]。

(1)通過散點分析得知，高原區(qū)域的滑坡位移與降水關系密切，呈正相關趨勢；其余氣象因素影響相對偏弱，符合高海拔地區(qū)氣象特點。

(2)通過相關性分析，量化了氣象因子與滑坡變形之間的關聯(lián)程度，分析結果為降水因子與滑坡變形相關程度最高，為0.629。剔除分析結果中相關系數(shù)較低的溫度、濕度、氣壓因子來建立回歸模型，最終模型為一元線性方程，即Y=1.018+0.035X降水。

(3)建立滑坡多元回歸預模型，通過回歸分析估算氣象因子參數(shù)，修正回歸方程并檢驗其合理性?；履Ｐ驮诳紤]殘差前提下，對氣象單一條件下的滑坡位移具有較好的適用性，既可以反映氣象因子與滑坡變形的內(nèi)在聯(lián)系，又能較好地預測滑坡變形，對于滑坡災害研究和預測具有重要價值。