暴雨與高溫對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響研究

劉長(zhǎng)林，王 莉,渠群英

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務(wù)中心，山東 濟(jì)南 250100；2.山東調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心東營(yíng)分中心，山東 東營(yíng) 257300)

現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)研究表明，大多數(shù)降水型邊坡的失穩(wěn)往往發(fā)生在暴雨階段或者暴雨結(jié)束一段時(shí)間內(nèi)，此外，很多地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生長(zhǎng)期處于高溫氣候狀態(tài)，強(qiáng)降水以及高溫天氣耦合極易形成地質(zhì)災(zāi)害，引發(fā)滑坡、泥石流等。通常，研究表明，地質(zhì)災(zāi)害是自然因素及人為活動(dòng)共同引起的，地質(zhì)災(zāi)害一旦發(fā)生，往往會(huì)帶來(lái)巨大的人員財(cái)產(chǎn)損失。此外，研究表明，溫度升高會(huì)導(dǎo)致降水增多，冰雪融化加速，進(jìn)而導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率增大，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地災(zāi)災(zāi)害問(wèn)題引發(fā)了越來(lái)越多的關(guān)注，因此需加強(qiáng)該方面的預(yù)報(bào)預(yù)警。

許英姿等[1]以某碎石巖地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害報(bào)告為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法分析了暴雨導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)制，系統(tǒng)研究了降水歷時(shí)、降雨量以及降雨強(qiáng)度等敏感參數(shù)的影響。并得到了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前5d之內(nèi)的降水量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響水平。代貞偉等[2]基于三峽某堆積層滑坡的失穩(wěn)破壞，研究了地理環(huán)境因素和自然因素對(duì)該滑坡的影響，并采用非穩(wěn)態(tài)非飽和滲流方法研究了該滑坡的失穩(wěn)破壞過(guò)程，但未能考慮高溫暴雨的耦合影響，結(jié)果不準(zhǔn)確。陳才等[3]基于觀測(cè)數(shù)據(jù)綜合考慮了暴雨及高溫對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，該方法對(duì)于合理對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)具有重要意義。

考慮目前研究的不足，本文提出暴雨和高溫耦合因素對(duì)于地質(zhì)災(zāi)害的影響，全面分析地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理，本文的研究具有重要科學(xué)意義。

1 地質(zhì)災(zāi)害的影響機(jī)理研究方法

1.1 暴雨高溫誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)

根據(jù)目前的研究成果，日降水量可描述日降水量對(duì)地災(zāi)的影響，日溫度值可描述溫度對(duì)地災(zāi)的影響[4]。本文引入降水和溫度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，以及其致災(zāi)機(jī)理。其中，日綜合降水這一物理量代表強(qiáng)降雨過(guò)程的影響，進(jìn)一步引入日綜合溫度這一物理量代表高溫過(guò)程的影響：

(1)

(2)

式中，Pc、Cc—某地的日降水量和溫度值；P0、C0—發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害時(shí)的降水量和溫度；d—災(zāi)害發(fā)生前的時(shí)間，d；ηd、λd—降水量和溫度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響隨時(shí)間變化的因子；e—觀測(cè)點(diǎn)降水雨量觀測(cè)站點(diǎn)個(gè)數(shù)；i、j—表示坐標(biāo)。

1.2 降水量和溫度對(duì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)

研究表明，將地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)頻率設(shè)為15%，其對(duì)應(yīng)的日綜合溫度和降雨量作預(yù)報(bào)狀態(tài)的溫度和降雨值，將地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)頻率設(shè)為30%，其對(duì)應(yīng)的日綜合溫度和降雨量作臨報(bào)狀態(tài)的溫度和降雨值，將地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)頻率設(shè)為50%，其對(duì)應(yīng)的日綜合溫度和降雨量作警報(bào)狀態(tài)的溫度和降雨值，這可有效為減少地災(zāi)的漏報(bào)率[5]，本文按此方法進(jìn)行研究。表1給出了不同狀態(tài)下的日綜合溫度和降雨量。

表1 滑坡災(zāi)害預(yù)警等級(jí)的日綜合降雨量和溫度關(guān)系

1.3 地質(zhì)災(zāi)害影響機(jī)理模型

本文除了考慮溫度和降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，還考慮了地貌與生態(tài)因素[6]對(duì)災(zāi)害影響，并進(jìn)一步得到到泥石流、坍塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害影響機(jī)理模型：

Gf(e)=α(e)×[Pc(e)+Pf(e)]

(3)

Gw(e)=α(e)×Pc(e)

(4)

Hf(e)=β(e)×[Cc(e)+Cf(e)]

(5)

Hw(e)=β(e)×Cc(e)

(6)

式中，α(e)—某點(diǎn)的降雨影響系數(shù)；β(e)—某點(diǎn)的溫度影響系數(shù)，與該區(qū)地形地貌相關(guān)[7]；Pc(e)、Cc(e)—災(zāi)害發(fā)生前期的降水以及日溫度值，可通過(guò)降雨觀測(cè)站和氣象觀測(cè)站得到；Pf(e)、Cf(e)—觀測(cè)點(diǎn)的未來(lái)降水量和溫度值；Gf(e)、Gw(e)—對(duì)地災(zāi)的影響程度；Hf(e)、Hw(e)—預(yù)警等級(jí)。

1.4 地質(zhì)災(zāi)害氣象監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)預(yù)警

如果已知降水量及高溫具體數(shù)值，可采用軟件監(jiān)管溫度、降雨實(shí)況，通過(guò)日綜合溫度、降水量預(yù)報(bào)發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)或預(yù)警。圖1匯總得到了預(yù)報(bào)預(yù)警流程，該圖表示6、12、24h地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)。進(jìn)一步表明，如果某站點(diǎn)的6、12、24h可能會(huì)發(fā)生3級(jí)及以上的降水和高溫時(shí)，便可立即啟動(dòng)預(yù)警警報(bào)，并采取響應(yīng)防護(hù)措施。另一方面，如果將氣象站和溫度站點(diǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)更新，那么可以大大提高預(yù)警信息的準(zhǔn)確度[8- 9]。

通常在計(jì)算某地區(qū)的日綜合降水量和溫度時(shí)乘以降水衰減系數(shù)作為結(jié)果，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警的結(jié)果應(yīng)為數(shù)值模型預(yù)報(bào)結(jié)合衛(wèi)星云圖分析、降水為雷達(dá)回波、當(dāng)日溫度的研究結(jié)果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為例驗(yàn)證本文所提方法的有效性，本文對(duì)試驗(yàn)地區(qū)用所提方法進(jìn)行驗(yàn)證。獲取得到我國(guó)某個(gè)地區(qū)降水對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響機(jī)理。

2.1 地質(zhì)災(zāi)害與日降水的關(guān)系

表2匯總得到了降雨強(qiáng)度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，包括泥石流、滑坡等發(fā)生次數(shù)及比例。結(jié)果表明，當(dāng)日降水量大于200mm時(shí)和日降水量大于150mm時(shí)，發(fā)生降水型滑坡的概率分別為32.1%和30.3%，當(dāng)日降水量大于100mm時(shí)，發(fā)生降水型滑坡的概率為16.9%；當(dāng)日降水量大于200mm時(shí)，發(fā)生泥石流的概率為39.5%。該數(shù)據(jù)證明，泥石流、滑坡發(fā)生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨條件的影響。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警流程

表2 降雨強(qiáng)度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響

2.2 地質(zhì)災(zāi)害與高溫天氣的關(guān)系

雖然降水是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要因素之一，但是通常地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生時(shí)受多種因素控制的，一般如果降水量比較少，說(shuō)明該地處于高溫干旱狀態(tài)，土體強(qiáng)度較低，降水可能導(dǎo)致土體劣化，誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

為研究高溫氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的影響，表3統(tǒng)計(jì)了地質(zhì)災(zāi)害與高溫天氣的相關(guān)關(guān)系。本文主要統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的前10d結(jié)果。結(jié)果表明，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前3d，累計(jì)高溫天數(shù)與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性都比較大，其相關(guān)系數(shù)均大于0.5，最大相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.57；另一方面，隨著時(shí)間的增多，在地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的前4d和前8d，兩者的相關(guān)系數(shù)明顯降低，到發(fā)生前第10d時(shí)，相關(guān)系數(shù)僅為0.36，證明累計(jì)高溫天氣與地質(zhì)災(zāi)害的相關(guān)性較差。也即超過(guò)10d時(shí)，高溫天氣對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度很弱。表4匯總得到了后10d高溫天氣的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)，結(jié)果表明，累計(jì)災(zāi)害發(fā)生的次數(shù)合計(jì)186次，占后10d高溫天氣總地災(zāi)發(fā)生次數(shù)比例為44.7%，高溫發(fā)生第2天出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的次數(shù)為115次，占總地災(zāi)發(fā)生次數(shù)比例為27.6%，合計(jì)高溫發(fā)生當(dāng)前和第2天的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率為72.2%，這結(jié)果表明，后1d和后2d時(shí)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高峰期。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格對(duì)該時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

2.3 滑坡坍塌與小時(shí)降水量分析

基于目前研究成果，分析短時(shí)強(qiáng)降水類型A，連續(xù)性降水B和持續(xù)強(qiáng)降水C型對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，圖2和圖3匯總得到研究區(qū)A和B型降水在地質(zhì)災(zāi)害36h的逐時(shí)和累計(jì)降水量。圖2表明，如果研究區(qū)的降雨類型為A型，地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象通常發(fā)生在最大降雨時(shí)或降雨后幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。

表3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)與高溫天氣累計(jì)時(shí)長(zhǎng)

表4 高溫天氣10d內(nèi)每日地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)

圖2 崩滑災(zāi)害前36h逐時(shí)和累積降雨量(A型)

圖3 崩滑災(zāi)害前36h逐時(shí)和累積降雨量(B型)

圖3為連續(xù)降雨類型結(jié)果，結(jié)果表明，兩次或多次的B型降雨，當(dāng)降水峰值大于30mm時(shí)，在第二次強(qiáng)降雨后，該區(qū)域可能發(fā)生滑坡等地災(zāi)。

表5 本文方法的專家評(píng)價(jià)結(jié)果(100分制)

2.4 方法評(píng)價(jià)

采用專家評(píng)價(jià)法和非飽和滲流兩種研究手段對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響機(jī)理分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)估表明(見(jiàn)表5—6)，表5表明，專家評(píng)價(jià)法對(duì)短時(shí)強(qiáng)降雨A型、連續(xù)降雨B型、持續(xù)強(qiáng)降雨C型、短時(shí)高溫D型的平均得分均大于96分，僅對(duì)持續(xù)高溫E型得分為95.8分，證明本文結(jié)果對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響效果評(píng)價(jià)結(jié)果較好。表6表明，專家評(píng)價(jià)法得到的非穩(wěn)態(tài)飽和滲流對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響評(píng)分均在70分以下，相對(duì)來(lái)說(shuō)結(jié)果低于表5結(jié)果。通過(guò)與試驗(yàn)的對(duì)比證明，本文所提出的方法可很好的研究暴雨和高溫的影響，也證明了本文方法的有效性。

表6 非飽和滲流地質(zhì)災(zāi)害的影響機(jī)理的專家評(píng)價(jià)結(jié)果(100分制)

3 結(jié)語(yǔ)

本文提出了引入綜合日降水量和日綜合高溫對(duì)暴雨和高溫下的地質(zhì)災(zāi)害的影響程度進(jìn)行分析及預(yù)警，得到以下結(jié)論：

(1)泥石流、滑坡發(fā)生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨條件的影響，并能實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警。

(2)降水和高溫發(fā)生的后1d和后2d時(shí)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的高峰期。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)嚴(yán)格對(duì)該時(shí)段進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

(3)結(jié)果表明，在高溫發(fā)生當(dāng)前和第2d的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率為72.2%，因此除暴雨外，高溫也是導(dǎo)致滑坡、泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵因素。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)在該時(shí)段加強(qiáng)監(jiān)測(cè)及設(shè)置防范措施。