湖北省英山縣地質(zhì)災(zāi)害與降雨的相關(guān)分析

張長(zhǎng)城，李 云，李永輝

(湖北省地質(zhì)局 武漢水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì),湖北 武漢 430051)

由于受地質(zhì)條件復(fù)雜、人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈、降雨豐沛等影響,湖北省地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率高、種類多、分布廣、災(zāi)情重。其發(fā)生不僅由所處斜坡的基礎(chǔ)地質(zhì)條件決定,而且受多種外界因素的誘發(fā)影響。在這些誘發(fā)因素中,降雨是其中最重要的因素之一[1]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從暴雨的頻次、降雨歷時(shí)、降雨量、周期變化、降雨類型等多方面研究地質(zhì)災(zāi)害與降雨之間的相關(guān)性[2-6],從而用于某些地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警研究與服務(wù)中。目前很多研究從省、直轄市和自治區(qū),甚至地級(jí)市尺度對(duì)轄區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害和降雨之間的關(guān)系進(jìn)行分析[7-11],但是縣級(jí)地質(zhì)災(zāi)害和降雨的相關(guān)性研究還相對(duì)比較薄弱,湖北省英山縣地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多、分布廣、危害重,在詳細(xì)調(diào)查基礎(chǔ)上,本文借助數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)手段,通過(guò)分析該縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生量與降雨量的關(guān)系,從而總結(jié)兩者的相關(guān)性規(guī)律,以期為該縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 環(huán)境地質(zhì)背景

英山縣屬長(zhǎng)江中下游北亞熱帶溫潤(rùn)季風(fēng)性氣候?？h域雨量充沛,年降雨量在916.7～2 128.1 mm之間,年平均降水量為1 462.0 mm,降水量逐月分布呈“單峰型”,主要集中在5—8月,月最大降雨量可達(dá)772.9 mm(1991年7月)。在季節(jié)分布上,以夏季最多,春秋次之,冬季最少,春夏季雨水多。受區(qū)域位置和地形地貌控制,災(zāi)害性強(qiáng)降雨和持續(xù)降雨時(shí)有發(fā)生。如2015年“6·17”和2016年“6·19”、“6·30”強(qiáng)降雨,波及全縣11個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn),根據(jù)英山縣雨量觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)資料顯示,這三次強(qiáng)降雨24 h降雨量分別達(dá)170.3 mm、211.1 mm和186.4 mm,均為大暴雨。

英山縣位于湖北省東部的大別山區(qū)。地形北、北東高,南、南西低。北部大別山主峰——天堂寨向東北延伸,構(gòu)成了云峰頂、石鼓寨、五峰山、黃梅尖等一系列山峰,再向西分支為三列山脊,夾著東、西兩條大河,貫穿全境,形成“三山夾兩河”的基本輪廓。地形地貌特征主要由構(gòu)造剝蝕中山區(qū)、構(gòu)造剝蝕低山區(qū)、構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)、河谷地貌區(qū)四種組成,其中以構(gòu)造剝蝕丘陵區(qū)為主。

英山縣域?qū)俅髣e山變質(zhì)巖區(qū),出露地層主要為上太古界—下元古界大別山(巖)群、中元古界紅安巖群七角山(巖)組、塔耳崗(巖)組及上元古界耀嶺河組以及第四系零星分布?？h域內(nèi)侵入巖極為發(fā)育,分布廣泛,巖漿活動(dòng)期主要為早元古代。另外,區(qū)內(nèi)部分地段出露有古生代、中生代侵入巖。英山地質(zhì)構(gòu)造形成年代古老,地質(zhì)變運(yùn)次數(shù)較多。影響最大的是大別—呂梁運(yùn)動(dòng)、印支運(yùn)動(dòng)、燕山運(yùn)動(dòng),因而地殼褶皺強(qiáng)烈,斷層發(fā)育,破碎構(gòu)造較多。全境絕大部分屬于北東向弧形構(gòu)造帶、淮陽(yáng)山字形構(gòu)造—脊柱兩大地質(zhì)構(gòu)造體系。

2 地質(zhì)災(zāi)害概況

2.1 主要類型

英山縣地質(zhì)災(zāi)害廣泛發(fā)育。根據(jù)英山縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果[12],截至2016年12月,發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)399處,災(zāi)害類型主要為滑坡、崩塌、泥石流和不穩(wěn)定斜坡,其中滑坡219處,占54.89%；不穩(wěn)定斜坡134處,占33.58%；崩塌29處,占7.27%；泥石流17處,占4.26%(圖1)。地質(zhì)災(zāi)害類型主要以滑坡為主,不穩(wěn)定斜坡次之。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害類型統(tǒng)計(jì)餅狀圖Fig.1 Statistical pie chart of geological disaster types

2.2 時(shí)間分布特征

(1) 按年份分布。地質(zhì)災(zāi)害在年際分布上差異性明顯,據(jù)對(duì)1957—2016年60年間有時(shí)間記錄的地質(zhì)災(zāi)害分布情況統(tǒng)計(jì),境內(nèi)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害399處,災(zāi)害集中分布在2002—2016年的15年內(nèi),共有災(zāi)害點(diǎn)340處,占85.21%,尤以2016—2014、2012和2003年發(fā)生的災(zāi)害點(diǎn)較多。

(2) 按月份分布。根據(jù)調(diào)查災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生時(shí)間按月份統(tǒng)計(jì)分析,境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害一般集中發(fā)生在6、7月(圖2),其中發(fā)生于6月份的有185處,占46.37%；7月份的有160處,占40.10%,其他10個(gè)月共計(jì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害54處,僅占13.53%。由此可見(jiàn),地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在月份上分布不均。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間分布直方圖Fig.2 Histogram of geological hazard time distribution

3 地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系

3.1 發(fā)生頻率與年降雨量的關(guān)系

英山縣1957—2016年發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害頻次與年降雨量的關(guān)系如圖3。年降雨量在1 400～2 000 mm的區(qū)間范圍內(nèi),共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量314處,表明地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻率周期與年降雨量周期存在一定的相關(guān)性。

圖3 滑坡發(fā)生頻次與年降雨量關(guān)系圖Fig.3 Relationship between landslide frequency and annual rainfall

3.2 發(fā)生頻率與月降雨量的關(guān)系

對(duì)區(qū)內(nèi)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害和降雨情況進(jìn)行分析,暴雨主要集中在4—8月份,占全年的67.97%；多年月平均降雨量也以4—8月最多,占全年的87.78%；而區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要集中在5—8月,尤其以6—7月發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多,占總數(shù)的86.47%。

由上述分析可知,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)段與降雨集中期的時(shí)間非常吻合,說(shuō)明區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害主要集中發(fā)生于雨季。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與月暴雨頻率及月平均降雨量呈正相關(guān)(圖4、圖5)。

圖4 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與月降雨量關(guān)系圖Fig.4 Relationship between the number of geologicaldisasters and monthly rainfall

3.3 發(fā)生頻率與當(dāng)日降雨量的關(guān)系

日降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害特別是群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害起著主導(dǎo)作用,一場(chǎng)降雨強(qiáng)度越大,對(duì)應(yīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的延后時(shí)間越短。按照降雨強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn),可以將降雨分為小雨、中雨、大雨、暴雨4個(gè)等級(jí),其對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度分別為：10 mm/d以下、10～25 mm/d、25～50 mm/d、50 mm/d以上。對(duì)區(qū)內(nèi)399處因降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害與當(dāng)日降雨量進(jìn)行分析，得到表1。由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,有75.69%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日有降雨,說(shuō)明降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生有直接控制影響。有47.88%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天降雨強(qiáng)度為大雨或暴雨,可以看出地質(zhì)災(zāi)害與大雨的關(guān)系十分密切。有97處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天無(wú)任何降雨,但近90%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前10 d內(nèi)至少降過(guò)一次中雨及其以上的雨；降雨使得土體飽水滑體重量增加、下滑力增加、滑帶的抗剪強(qiáng)度減小,導(dǎo)致斜坡穩(wěn)定性降低,存在間接引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能,表現(xiàn)為區(qū)內(nèi)部分地質(zhì)災(zāi)害具有“滯后性”的特點(diǎn)。

圖5 地質(zhì)災(zāi)害頻率與暴雨頻率關(guān)系圖Fig.5 Relationship between geological disaster frequencyand rainstorm frequency

表1 地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與當(dāng)日降雨量關(guān)系表Table 1 Relationship between number of geological disasters and daily rainfall

4 地質(zhì)災(zāi)害與降雨量和降雨強(qiáng)度的相關(guān)分析

本文運(yùn)用相關(guān)性分析方法對(duì)地質(zhì)災(zāi)害與降雨量進(jìn)行分析,通過(guò)計(jì)算相關(guān)系數(shù)反映二者之間的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)是描述兩個(gè)測(cè)量值變量之間的離散程度的指標(biāo)。用于判斷2個(gè)測(cè)量值變量的變化是否相關(guān),即一組數(shù)據(jù)與另一組數(shù)據(jù)的關(guān)系的分析(正相關(guān)、負(fù)相關(guān)、不相關(guān))。設(shè)(X,Y)為二元隨機(jī)變量,那么：

式中:ρ為隨機(jī)變量X和Y的相關(guān)系數(shù),是度量隨機(jī)變量X和Y之間線性相關(guān)密切程度的數(shù)字特征。

4.1 地質(zhì)災(zāi)害與降雨量的相關(guān)性

考慮降雨量導(dǎo)致某種災(zāi)害發(fā)生或復(fù)活,常常是一年之中某次特征參數(shù)最大的降雨,如多日最大降雨、最大一次連續(xù)降雨、最長(zhǎng)一次連續(xù)降雨、最強(qiáng)一次連續(xù)降雨或最大組合降雨等。為了確定哪一個(gè)降雨量與滑坡的發(fā)生關(guān)系更密切,即探討臨界降雨量的值該用什么變量來(lái)確定,對(duì)逐月滑坡的發(fā)生次數(shù)與滑坡發(fā)生前1個(gè)月的降雨量因子進(jìn)行了逐步回歸分析,計(jì)算出滑坡與各降雨量因子的相關(guān)系數(shù)。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 地質(zhì)災(zāi)害與降雨量因子相關(guān)性分析結(jié)果Table 2 Analysis results of correlation between geological disastersand rainfall factors

持續(xù)強(qiáng)降雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,在強(qiáng)降雨過(guò)程中地質(zhì)災(zāi)害具有同步發(fā)生的特點(diǎn),地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與其前1 d降雨量相關(guān)系數(shù)為0.983；在降雨強(qiáng)度不大但連續(xù)降雨過(guò)程中,地質(zhì)災(zāi)害具有一定的滯后效應(yīng),即此時(shí)降雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害需要一定的雨量積累,地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生需要一定的孕育過(guò)程。由表2可知,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與其前1 d、4 d降雨量相關(guān)系數(shù)最高,分別為0.983和0.854；在地質(zhì)災(zāi)害大規(guī)模發(fā)生后,誘發(fā)新的地質(zhì)災(zāi)害雨量閾值提高。

4.2 地質(zhì)災(zāi)害與降雨強(qiáng)度的相關(guān)性

不同的降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡的影響是不同的。按照降雨強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn),可以將降雨分為小雨、中雨、大雨、暴雨和特大暴雨5個(gè)等級(jí),其對(duì)應(yīng)的降雨強(qiáng)度分別為：10 mm/d以下、10～25 mm/d、25～50 mm/d、50～100 mm/d和100 mm/d以上。為了確定哪一種降雨強(qiáng)度與災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)性更大,選取了7項(xiàng)降雨強(qiáng)度因子,分析了滑坡與降雨強(qiáng)度因子的相關(guān)性,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地質(zhì)災(zāi)害與降雨強(qiáng)度因子相關(guān)性分析結(jié)果Table 3 Analysis results of correlation between geological disasters and rainfall intensity factor

由表3可見(jiàn),境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生隨著降雨強(qiáng)度呈正相關(guān),即降雨強(qiáng)度越大則災(zāi)害越易被誘發(fā),其中暴雨和特大暴雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的相關(guān)系數(shù)分別為0.609 和0.835。因此暴雨和特大暴雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害(主要是滑坡災(zāi)害)的影響是極其重大的,甚至直接導(dǎo)致災(zāi)害的發(fā)生。

5 結(jié)論

(1) 從災(zāi)害類型可看出,區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型主要以滑坡為主,占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的55.89%,其次為不穩(wěn)定斜坡,占33.58%；按地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間分布,1957—2016年間,地質(zhì)災(zāi)害主要分布在2016—2014、2012和2003年,這與這些年份降雨集中分布及近年來(lái)人類工程活動(dòng)加劇有關(guān)。

(2) 從災(zāi)害發(fā)生年份分析,年平均降雨量在1 400～2 000 mm的區(qū)間范圍內(nèi),發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多；從災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生月份分析,境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害一般集中發(fā)生在6、7月。日降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害特別是群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害起著主導(dǎo)作用,有75.69%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日有降雨,說(shuō)明降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生有顯著影響,并且主要受暴雨和特大暴雨影響。

(3) 從地質(zhì)災(zāi)害與降雨量的相關(guān)性分析可知,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與其前1 d、4 d的降雨量的相關(guān)性較為顯著,相關(guān)系數(shù)分別為0.983、0.854。從地質(zhì)災(zāi)害與降雨強(qiáng)度相關(guān)性分析可知,英山縣境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生隨著降雨強(qiáng)度呈正相關(guān),即降雨強(qiáng)度越大則災(zāi)害越易被誘發(fā),尤其是暴雨和特大暴雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響較大,相關(guān)系數(shù)分別為0.609和0.835。

(4) 英山縣地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣,雨災(zāi)同期,危害程度大小不一。本文的研究為理解該縣域地質(zhì)災(zāi)害的孕育特征、誘發(fā)條件提供了可靠依據(jù),同時(shí)使得地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和監(jiān)測(cè)工作能夠更加合理有效地開(kāi)展,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域預(yù)警水平和防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐具有重要意義。