黃土地質(zhì)區(qū)域降水規(guī)律分析與氣象預(yù)警研究

代永江

(沈陽市水利規(guī)劃院，遼寧 沈陽 110044)

1 引言

黃土地質(zhì)因其地質(zhì)條件的特殊性而易產(chǎn)生不同于一般地質(zhì)的災(zāi)害特點，加之我國幅員遼闊，不乏具有黃土地質(zhì)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，由此引起諸多學(xué)者對黃土地質(zhì)災(zāi)害破壞模式的重點關(guān)注[1-5]。隨著研究內(nèi)容的深入，黃土地質(zhì)災(zāi)害的破壞模式和機理有了長足的進步，目前諸多研究轉(zhuǎn)向黃土地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報研究[6-8]。許強[9]結(jié)合近年來在滑坡監(jiān)測預(yù)警實踐中的研究成果和經(jīng)驗教訓(xùn)，重點就滑坡監(jiān)測和預(yù)警方面的一些問題提出了自己的認(rèn)識。但目前鮮見針對黃土地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究，因此本文以豫西黃土為研究區(qū)域，對黃土地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究進行重點研究。

2 項目概況

豫西黃土主要分布于三門峽、洛陽區(qū)域，靈寶—三門峽盆地—伊洛盆地間除河灘之外的廣大地區(qū)，分布面積約1.1萬平方公里。豫西黃土主要分布于三門峽、洛陽區(qū)域，靈寶—三門峽盆地—伊洛盆地間除河灘之外的廣大地區(qū)。豫西西接關(guān)中，東靠中原，北臨黃河，南接蜀漢，區(qū)位優(yōu)勢明顯。豫西地區(qū)處于我國地勢第二級階梯向第三級階梯的過渡地帶，地形千差萬別，落差大，較大的河流有洛河、伊河等，均是黃河支流。鄭西客運專線、隴海鐵路橫貫東西，310國道、209國道、連霍高速公路、鄭盧高速公路、洛(寧)—三(門峽)公路穿境而過，黃河三門峽公路大橋連接南北，與省道314(鄭三線)、省道318(洛陜線)、省道249(三洛線)共同構(gòu)成骨干交通網(wǎng)絡(luò)，交通較為便利。

3 區(qū)域降水規(guī)律分析

3.1 區(qū)域降水規(guī)律分析

隨著現(xiàn)代氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)的完善，目前研究區(qū)共計分布81個自動氣象雨量監(jiān)測站點(見圖1)。根據(jù)研究要求以及雨量監(jiān)測站點資料的可靠性、完整性，選取位于三門峽、靈寶、盧氏以及澠池等四個國家站點開展區(qū)域降水規(guī)律分析。所收集整理的數(shù)據(jù)來自于氣象部門整編資料，1961年～2014年共54年三門峽、靈寶、盧氏、澠池等四個站點單站日降水資料。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布圖

3.2 降水規(guī)律統(tǒng)計分析方法

(1)線性趨勢法

計算氣象要素的線性傾向值b和氣象要素的時間序列與自然數(shù)數(shù)列之間的相關(guān)系數(shù)r(稱為趨勢系數(shù))，用xi表示樣本量為n的氣候變量，用ti表示所對應(yīng)的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸(見式1)，即：

xi=a+btii=1，2，3，4，…，n

(1)

(2)累積距平法

研究過程中采用累積距平法(見式2)對三門峽地區(qū)年降水趨勢變化進行分析，分析方法如下：

(2)

3.3 三門峽降水時空分布特征

根據(jù)三門峽市以及周邊地區(qū)多年平均降水資料繪制分析了三門峽地區(qū)多年平均降水空間分布特征圖(圖2)，降水空間上總體由南至北呈減少趨勢，多年平均降水約為540 mm～840 mm之間。

圖2 豫西地區(qū)多年平均降水空間分布特征圖

4 地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警研究

4.1 降水誘發(fā)崩塌災(zāi)害統(tǒng)計預(yù)報模型

國內(nèi)相關(guān)研究表明，誘發(fā)崩塌的內(nèi)因是地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型，外因是自然因素和人為因素，降雨是導(dǎo)致崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要外在誘發(fā)因子。此次研究過程中突出降水這一主要誘發(fā)因素，在不考慮地質(zhì)因素等內(nèi)因的基礎(chǔ)上結(jié)合收集到降水資料以及崩塌發(fā)生時間，開展降水誘發(fā)崩塌災(zāi)害的統(tǒng)計預(yù)報模型的建立。

(1)數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)收集整理的崩塌地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，共計收集整理崩塌災(zāi)害數(shù)據(jù)102處，其中災(zāi)害發(fā)生詳細(xì)時間等信息齊全的崩塌災(zāi)害共計37處。本次崩塌災(zāi)害預(yù)報統(tǒng)計模型圍繞著37處崩塌展開，并收集整理崩塌發(fā)生前30日的日降水資料。

(2)有效降水量的引入及其權(quán)重系數(shù)

有效降水量指對當(dāng)日滑坡、泥石流、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時的臨界降雨量，其值等于前期各日降雨量與其影響系數(shù)乘積之和，見式3。

(3)

式中：ai為影響系數(shù)；Ri為每日降水量；R′為有效降水量；i為天數(shù)，i=0表示當(dāng)天，i=1表示前1 d，以此類推。

Ri為已知量，若能確定出影響系數(shù)ai，便能算出有效降水量R。結(jié)合豫西地區(qū)37個崩塌個例、降水?dāng)?shù)據(jù)，對崩塌時間、降水量、崩塌發(fā)生次數(shù)三者之間的關(guān)系進行統(tǒng)計分析(見表1)。

在此，采用指數(shù)函數(shù)對(見式4)表1中的崩塌發(fā)生頻次-崩塌發(fā)生前天數(shù)進行擬合，可以得到前期降水對崩塌災(zāi)害發(fā)生的影響系數(shù)，其擬合率可達(dá)到99%。

表1 崩塌時間、降水量、發(fā)生次數(shù)三者之間的關(guān)系

a(x)=45.75e-1.13x+2.845

(4)

式中：x為崩塌發(fā)生前第幾天，如崩塌當(dāng)天，x=0；崩塌前1 d，x=1；a(x)是崩塌前第x天的降水權(quán)重系數(shù)。

降水隨時間對崩塌發(fā)生的貢獻(xiàn)變化曲線見圖3。

圖3 降水隨時間對崩塌發(fā)生的貢獻(xiàn)變化圖

結(jié)合式3和式4，可得到誘發(fā)崩塌災(zāi)害發(fā)生的有效降水量可用如下關(guān)系表示(式5)：

(5)

式中：R′為有效降水量；Rx為每日降水量；x為天數(shù)，x=0表示當(dāng)天，x=1表示前1 d，以此類推。

(3)有效降水量的計算及與預(yù)報模型建立

強降水不僅對當(dāng)日崩塌有顯著影響，而且在連續(xù)降水時各日的降水量對崩塌有著不同大小的影響。引入的有效降水量的概念，考慮了災(zāi)害之前各日的降水量對本次災(zāi)害貢獻(xiàn)的累積降水量，其計算公式應(yīng)是災(zāi)害之前各天降水量對本次災(zāi)害的貢獻(xiàn)率乘以其對應(yīng)時間的日降水量的總和。顯然離崩塌發(fā)生時間越近的降水量對本次崩塌的貢獻(xiàn)率越大。

依次利用公式(5)計算分別計算本次參與建模的37個崩塌災(zāi)害的有效降水量，計算崩塌災(zāi)害發(fā)生的概率，統(tǒng)計分析有效降水量-崩塌災(zāi)害發(fā)生概率關(guān)系(見圖4)。

圖4 有效降水量與崩塌災(zāi)害發(fā)生概率關(guān)系圖

對圖4采用3次多項式函數(shù)進行擬合，見公式(6)：

P(R′)=3.1×10-3R′3-0.2669R′2+8.0363R′+0.4349

(6)

式中：P(R′)是在有效降水量為R的情況下，崩塌災(zāi)害發(fā)生的概率。

圖4中的光滑曲線是式(6)的函數(shù)曲線，和實際資料擬合很好，擬合率達(dá)到99.35%，而圖中的點是根據(jù)37個崩塌資料計算得出的。從圖4還可看出，隨著有效降水量的增加，災(zāi)害發(fā)生概率在迅速增加，當(dāng)有效降水量大于10 mm時，崩塌災(zāi)害發(fā)生的可能性就達(dá)到了50%左右，當(dāng)有效降水量達(dá)40 mm時，崩塌災(zāi)害發(fā)生概率達(dá)90%左右。

4.2 降水誘發(fā)滑坡災(zāi)害統(tǒng)計預(yù)報模型

4.2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

根據(jù)收集整理的研究區(qū)滑坡地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，共計收集整理滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)114處，通過對比滑坡發(fā)生時間降水情況，可發(fā)現(xiàn)：114處滑坡中有105處因降水誘發(fā)(見表2)，體現(xiàn)了“十滑九水”這一經(jīng)驗統(tǒng)計。在此基礎(chǔ)上整理了105處發(fā)生前30日的日降水資料，開展滑坡統(tǒng)計預(yù)報模型的建立。

表2 滑坡誘發(fā)因素統(tǒng)計分析

4.2.2 降水權(quán)重系數(shù)的計算

結(jié)合研究區(qū)105個滑坡個例、降水?dāng)?shù)據(jù)，對滑坡發(fā)生的時間、降水量、發(fā)生次數(shù)三者之間的關(guān)系進行了統(tǒng)計分析(見表3)。

表3 滑坡發(fā)生時間、降水量、發(fā)生次數(shù)三者之間的關(guān)系

在此，采用指數(shù)函數(shù)對(見式7)，對表3中的滑坡發(fā)生頻次-發(fā)生前天數(shù)進行擬合，可以得到前期降水對滑坡災(zāi)害發(fā)生的影響系數(shù)，其擬合率可達(dá)到99.0%。

a(x)=60.59e-1.16x+1.77

(7)

式中：x為滑坡發(fā)生前第幾天，如滑坡當(dāng)天，x=0；滑坡前1 d，x=1；a(x)是滑坡前第x天的降水權(quán)重系數(shù)。

(3)有效降水量的計算及預(yù)報模型建立

根據(jù)2014年9月14日、2011年7月24發(fā)生的2個滑坡災(zāi)害計算有效降水量的例子，依次利用公式3和7計算分別計算本次參與建模的105個滑坡災(zāi)害的有效降水量，計算滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率，計算過程中發(fā)現(xiàn)2014年9月、2010年7月由于發(fā)生了區(qū)域的強降水，豫西黃土地區(qū)發(fā)生的滑坡災(zāi)害較多，為了減少計算工作量，針對區(qū)域性降水時段內(nèi)發(fā)生的滑坡災(zāi)害，未對每個滑坡進行計算，僅基于區(qū)域性的降水開展滑坡有效降水量計算，統(tǒng)計分析有效降水量-滑坡災(zāi)害發(fā)生概率關(guān)系。

對圖5采用3次多項式函數(shù)進行擬合，見公式(8)：

圖5 有效降水量與滑坡災(zāi)害發(fā)生概率關(guān)系圖

P(R′)=2×10-4R′3-0.0357R′2+2.9199R′+1.589

(8)

式中：P(R′)是在有效降水量為R的情況下滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率。

5 結(jié)論

(1)在前人研究與黃土地區(qū)工程地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，概述了豫西地區(qū)黃土地質(zhì)災(zāi)害的危害現(xiàn)狀，分析了目前黃土地質(zhì)災(zāi)害研究方面存在的關(guān)鍵問題，提出了當(dāng)前應(yīng)重點開展的研究思路和課題，為日后開展黃土地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)研究工作提供重要的參考。

(2)研究了豫西地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警，對區(qū)域的降水規(guī)律進行分析，查明了降水空間、時間的分布特征，建立崩塌、滑坡等降雨型地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報模型。參考河南省地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報預(yù)警分級劃分，將預(yù)警級別劃分為5級。