四川省典型區(qū)域滑坡泥石流與降水的關(guān)系

劉海知， 馬振峰， 范廣洲

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610225 2.四川省氣候中心， 四川 成都610072)

四川省典型區(qū)域滑坡泥石流與降水的關(guān)系

劉海知1， 馬振峰2， 范廣洲1

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610225 2.四川省氣候中心， 四川 成都610072)

[目的] 對四川典型區(qū)域滑坡泥石流與降水的關(guān)系進(jìn)行研究，為進(jìn)一步分析四川地區(qū)氣候變化與地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律之間的關(guān)系提供基礎(chǔ)。 [方法] 四川滑坡、泥石流災(zāi)害多由降水引發(fā)，在收集整理近15 a滑坡泥石流災(zāi)害事件后，確定出四川滑坡、泥石流的典型區(qū)域，進(jìn)而分析典型區(qū)域滑坡、泥石流與降水氣候特征的關(guān)系。 [結(jié)果] 四川省滑坡典型區(qū)域在川東地區(qū)， 泥石流典型區(qū)域在阿壩州地區(qū)。近年典型區(qū)域滑坡、泥石流近年頻次明顯增加，典型區(qū)域滑坡屬于較長日數(shù)降水誘發(fā)型，與15 d有效降水密切相關(guān)，前期降水中，強(qiáng)降水所占比例較大；典型區(qū)域泥石流屬于較短日數(shù)降水誘發(fā)型，與3 d有效降水密切相關(guān)，前期降水中，中小型降水所占比例較大。 [結(jié)論] 研究區(qū)15 d有效降水量和3 d有效降水與降水氣候特征間的關(guān)系密切，可分別作為典型區(qū)域滑坡、泥石流預(yù)報因子。

滑坡; 泥石流; 降水; 氣候特征

地處我國西南的四川地區(qū)，位于地貌第一階梯向第二階梯的過度帶上，南北大斷裂帶的鮮水河斷裂(龍門山斷裂)—安寧河斷裂—小江斷裂—紅河斷裂縱觀其間，巨大的地形起伏，復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，加上西南季風(fēng)影響形成的獨(dú)特氣候，導(dǎo)致四川地區(qū)歷來是我國滑坡、泥石流的高發(fā)區(qū)。災(zāi)害威脅著山區(qū)的交通干線、農(nóng)田水利等基礎(chǔ)設(shè)施安全，成(都)昆(明)鐵路沿線就分布著3005條泥石流溝，占全國鐵路沿線的30%，為全國之最。如1997年6月5日，四川省美姑縣則租滑坡轉(zhuǎn)化為特大泥石流，造成四個村莊1527人受傷，151人死亡。許多學(xué)者展開了短期和短臨地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)研究，相關(guān)科研機(jī)構(gòu)和業(yè)務(wù)單位也發(fā)展了業(yè)務(wù)化運(yùn)行系統(tǒng)。譚炳炎[1-3]根據(jù)成昆鐵路暴雨泥石流歷史數(shù)據(jù)，大致給出了泥石流爆發(fā)的雨量等級。李軍、周成虎[4]在分析香港地區(qū)滑坡大小與降水關(guān)系時，進(jìn)行了多種周期的前期降水的定量化研究，發(fā)現(xiàn)不同類型的滑坡出現(xiàn)與前期降水有不同的關(guān)聯(lián)。國外研究中，Berruti在通過研究布雷西亞6—18世紀(jì)滑坡與洪水的關(guān)系時，建立了該省地質(zhì)災(zāi)害的歷史分布圖。Keefer等[5]依據(jù)土體滲透能力、含水量變化，采用靜力學(xué)理論推導(dǎo)降雨強(qiáng)度及延時與泥石流發(fā)生的關(guān)系。而目前針對7 d以上的較長時間地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報研究比較缺乏，因而制約了地質(zhì)災(zāi)害中期以上預(yù)報研究和業(yè)務(wù)發(fā)展，難以滿足防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)需求。因此，收集四川地區(qū)歷史上發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害案例記錄，統(tǒng)計四川地區(qū)滑坡、泥石流災(zāi)害的年際分布規(guī)律和年內(nèi)分布規(guī)律，為進(jìn)一步分析四川地區(qū)氣候變化與地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律間的關(guān)系提供基礎(chǔ)，對四川地區(qū)減災(zāi)體系建設(shè)，謀求社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展具有現(xiàn)實意義。

1 資料與方法

1.1 資料處理

(1) 災(zāi)情資料。1999—2013年四川省滑坡、泥石流災(zāi)害歷史資料，考慮到災(zāi)情資料的完整性和客觀性，把1999年作為起始年份，15 a災(zāi)情資料主要來自于中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研

究所、四川省國土廳，少部分由四川省民政廳和四川省救災(zāi)年鑒補(bǔ)充。統(tǒng)計時，以“縣”和“天”為單位，即：同一天某縣多地發(fā)生滑坡、泥石流災(zāi)害記為該縣當(dāng)天發(fā)生災(zāi)情一次[6]。最終得到四川省1999—2013年時間精確到日，地點精確到縣的滑坡災(zāi)害個例2746個，泥石流災(zāi)害個例960個。

(2) 降水資料。四川省156個觀測站的逐日降水資料；來自于四川省氣候中心，剔除峨眉、新都、郫縣3個在1999—2013年間無滑坡、泥石流發(fā)生的縣的測站，最終得到153個站點的降水資料。災(zāi)害點密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣象站個數(shù)，確定災(zāi)害點最近的氣象站，其降水作為該災(zāi)害點的雨量。

1.2 研究方法

主要采用相關(guān)分析、線性回歸的方法[7]，確定四川滑坡泥石流典型區(qū)域，研究典型地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與降水氣候特征的關(guān)系，探求時空分布規(guī)律，分析典型區(qū)域災(zāi)害—?dú)夂蛞伛詈详P(guān)系。

2 典型區(qū)域滑坡、泥石流災(zāi)害分析

2.1 滑坡、泥石流典型區(qū)域

圖1分別為四川滑坡、泥石流多年平均分布圖，空心點表示氣象站位置。由圖1可以看出，滑坡災(zāi)害多出現(xiàn)在四川東部，高頻區(qū)在巴山地區(qū)，巴中、達(dá)州部分地區(qū)年均滑坡發(fā)生頻次在4次以上；泥石流災(zāi)害主要發(fā)生于四川西部，高頻區(qū)在川西以北的阿壩地區(qū)，阿壩州部分縣年均泥石流爆發(fā)頻次達(dá)到3次以上。因此將滑坡年均發(fā)生頻次在3次及其以上的廣元(市區(qū))、南江縣、萬源縣、儀隴縣、宣漢縣、達(dá)州(市區(qū))、南充(市區(qū))7個區(qū)縣作為四川滑坡典型區(qū)域，將泥石流年均發(fā)生頻次在2次及其以上的壤塘縣、金川縣、馬爾康縣、汶川縣、理縣、黑水縣6個縣作為四川泥石流典型區(qū)域。

圖1 四川省地區(qū)滑坡、泥石流多年平均分布圖

2.2 滑坡、泥石流災(zāi)害時空變化

圖2為典型區(qū)域滑坡、泥石流災(zāi)害時空分布，滑坡頻次在2003年出現(xiàn)極大值，泥石流頻次在2010年出現(xiàn)極大值。兩類災(zāi)害數(shù)量近年都明顯增加，一是因為該地區(qū)人類活動的增強(qiáng)，二是由于地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計工作的更加客觀全面。兩類災(zāi)害在月際分布上大致呈現(xiàn)正態(tài)分布，都主要集中在夏季爆發(fā)，夏季發(fā)生的次數(shù)明顯多于其他季節(jié)，最高值月份出現(xiàn)在7月，與降雨在月際分布上吻合。在空間分布上，滑坡災(zāi)害頻次在前三的區(qū)縣依次是達(dá)州(市區(qū))、宣漢縣、南江縣，其中達(dá)州(市區(qū))滑坡爆發(fā)頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他代表區(qū)縣。泥石流發(fā)生頻次在前三的區(qū)縣依次為理縣、汶川縣和金川縣，各個區(qū)縣的災(zāi)害頻次相差不大。

圖2 典型區(qū)域滑坡泥石流災(zāi)害時空分布

3 降水誘發(fā)滑坡、泥石流災(zāi)害分析

3.1 滑坡、泥石流災(zāi)害與前期降水的關(guān)系

為探究前期累計雨量與滑坡、泥石流發(fā)生的關(guān)系，以典型區(qū)域近6年中(2008—2013年)發(fā)生滑坡、泥石流災(zāi)害次數(shù)與其前期降雨量因子做相關(guān)性分析，結(jié)合災(zāi)害滯后于降雨的時間，選定前期累計雨量有效時段為15 d。各站點所在區(qū)域氣候條件不同；地表徑流的產(chǎn)生、水分的蒸發(fā)等過程，使得進(jìn)入巖土體的雨量小于實際記錄雨量；且一次降雨不一定會導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，每次降雨中也只有部分降雨量對災(zāi)害的發(fā)生起作用，因此用有效降雨量來表示前期累計雨[8-9]，前期有效降雨量是指災(zāi)害發(fā)生前的降雨過程中對巖土體穩(wěn)定性產(chǎn)生作用的雨量[9]，地形陡峭，土壤吸水能力較好，有效雨量則較大，反之則較小。以災(zāi)害典型區(qū)域各區(qū)縣的逐日降水量計算其各次災(zāi)害前期的有效降水量﹝公式(1)﹞，計算得出滑坡、泥石流災(zāi)害與不同累計降雨量的相關(guān)系數(shù)(表1)。因為滑坡、泥石流災(zāi)害典型區(qū)域地形地貌條件復(fù)雜，前期有效降水量對各區(qū)縣地質(zhì)災(zāi)害的影響程度不完全一致[11]，需要分別確定各區(qū)縣的最佳有效降水系數(shù)﹝如公式(2)﹞。

(1)

式中：α——有效降水系數(shù)(0<α<1)，表示巖土體對雨水滯留能力的大小，它由區(qū)域內(nèi)巖土體總體性質(zhì)決定[10]；Rc——有效降雨量(mm)；R0——災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天的降雨量(mm)；Rn——災(zāi)害發(fā)生前n天的降水量(mm)；α——典型區(qū)縣的最佳有效降水系數(shù)。

(2)

式中：σ——該處有效降雨量標(biāo)準(zhǔn)差。

由表1可知，典型區(qū)域滑坡與前15d有效降雨量相關(guān)系數(shù)最大，后續(xù)依次是前10d有效雨量和前1d有效雨量；可見誘發(fā)滑坡的動態(tài)因子多為長時間降水；典型區(qū)域泥石流與前3d有效降雨量相關(guān)系數(shù)最大，后續(xù)依次是前2d有效雨量和前1d有效雨量，可以看出泥石流由相對較短時間降水激發(fā)。

3.2 不同級別降水與滑坡、泥石流的關(guān)系

分別選取與滑坡相關(guān)性最高的前15d有效雨量和與泥石流相關(guān)性最高的前3d有效雨量作為分析對象，按照每25mm一個量級對有滑坡前15d的進(jìn)行分組，每5mm一個量級對有泥石流前3d的進(jìn)行分組，得到兩類災(zāi)害頻次在各個量級有效雨量的分布(圖3)。

由圖3可以看出，在兩類災(zāi)害在各個有效降雨量級的分布上都比較離散，沒有明顯規(guī)律性；即在很高雨量和很低雨量的情況下均有滑坡、泥石流災(zāi)害發(fā)生；這符合實際，因為降雨量很少的條件下，若地表水沿優(yōu)勢通道滲入地下，也能誘發(fā)滑坡、泥石流[12]。

表1 典型區(qū)域滑坡、泥石流發(fā)生前15 d內(nèi) 降雨量因子與災(zāi)害次數(shù)的相關(guān)性分析

滑坡次數(shù)泥石流次數(shù)X44MM?時間/d 相關(guān)系數(shù) 排序X40MM?相關(guān)系數(shù) 排序 0123456789101112131415074807820751075607630768076807720773077507830778077907810780078816315141311111098276451084908530854088908400837083008270824082108230822082608250824082343215678111615149101113

為避免造成有效雨量越大，災(zāi)害爆發(fā)率越低的直觀誤解，圖3分別給出了滑坡、泥石流頻次以及頻次累計百分比與前期有效降降雨的關(guān)系；典型區(qū)域滑坡頻次累計百分比25%,50%,75%對應(yīng)的前15 d有效降雨量級分別是[25 mm，50 mm),[100 mm，125 mm),[150 mm，175 mm)，即前15 d有效降雨達(dá)

到[25 mm，50 mm)時已有25%的滑坡發(fā)生；達(dá)到[100 mm，125 mm)時已有50%的滑坡發(fā)生；達(dá)到[150 mm，175 mm)時已有75%的滑坡發(fā)生。典型區(qū)域泥石流頻次累計百分比25%，50%，75%對應(yīng)的前3 d有效降雨量級分別是[10 mm，15 mm)，[20 mm，25 mm)，[30 mm，35 mm)，即前3 d有效雨量達(dá)到[10 mm，15 mm)時已有25%的泥石流發(fā)生；達(dá)到[20 mm，25 mm)時已有50%的泥石流發(fā)生；達(dá)到[30 mm，35 mm)時已有75%的泥石流發(fā)生。

將滑坡、泥石流前期降雨中有1 d及其以上日降水量≥50 mm(暴雨)，25 mm<日降水量≤50 mm(大雨)和日降水量<25 mm(中、小雨)的災(zāi)情個例分為3組，[25 mm,50 mm)個例組中不包含≥50 mm的情況，<25 mm個例組中不包含≥50 mm和[25 mm,50 mm)的情況。從典型區(qū)域滑坡前15 d降水情況來看(表2)，日降水量≥50 mm條件下發(fā)生災(zāi)害的次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他雨量下的災(zāi)害次數(shù)，前15 d平均有效降水為226.7 mm；典型區(qū)域泥石流前3 d降水中日降水量<25 mm條件下誘發(fā)災(zāi)害的次數(shù)明顯大于其他雨量下的災(zāi)害次數(shù)，日降水量≥50 mm條件下誘發(fā)泥石流個例數(shù)為0，前3 d平均有效降水為26.7 mm。這與實況相符，阿壩州大部分地區(qū)極少出現(xiàn)日降雨量≥50 mm的強(qiáng)降水天氣，滑坡典型區(qū)川東多低山丘陵，水汽條件好，地形抬升作用對強(qiáng)降水天氣系統(tǒng)(如西南渦)有加強(qiáng)作用，易造成強(qiáng)降水。

表2 滑坡泥石流發(fā)生前期降水情況

4 滑坡、泥石流與降水氣候特征的關(guān)系

滑坡、泥石流災(zāi)害多由異常降水引發(fā)，為探究異常降水與多年平均降水的關(guān)系，利用典型區(qū)域269個滑坡個例和175個泥石流個例的降水特征數(shù)據(jù)，分析滑坡發(fā)生前15 d有效降水量、泥石流發(fā)生前3 d有效降水量與多年平均降水量、雨季降水量間的關(guān)系。分析結(jié)果顯示，滑坡前15 d有效降雨量與年降雨量、雨季降雨量線性相關(guān)；泥石流發(fā)生前3 d有效雨量與年降雨量無明顯相關(guān)性，與雨季降水量線性相關(guān)，相關(guān)性用函數(shù)關(guān)系式描述詳見表3—4。在對滑坡的前15 d有效降水和泥石流的前3 d有效降水分別與年暴雨雨量、年大雨雨量間關(guān)系進(jìn)行分析后得出，15 d有效雨量與年暴雨雨量線性相關(guān)，與大雨以及以下的雨量不存在相關(guān)性；誘發(fā)泥石流前3 d雨量與大雨雨量存在一定線性關(guān)系，與其他雨量不具有明顯關(guān)系，相關(guān)性用函數(shù)關(guān)系式描述詳見表3—4。根據(jù)以上分析結(jié)果可見，滑坡前15 d降水與區(qū)域降水氣候背景間表現(xiàn)出較強(qiáng)規(guī)律性，可作為典型區(qū)域滑坡預(yù)報因子，泥石流前3 d降水同區(qū)域降水氣候背景間有較強(qiáng)相關(guān)，可作為典型區(qū)域泥石流預(yù)報因子。

表3 滑坡前15 d雨量擬合結(jié)果

圖3 典型區(qū)域滑坡泥石流與前期降水關(guān)系

降水函數(shù)類型R2常數(shù)項一次項雨季降水量線性031033570035大雨雨量線性0340194250126

5 結(jié) 論

(1) 四川滑坡典型區(qū)域在川東地區(qū)；廣元(市區(qū))、南江縣、萬源縣、儀隴縣、宣漢縣、達(dá)州(市區(qū))、南充(市區(qū))7個區(qū)縣年均滑坡爆發(fā)頻次在3次及其以上；四川泥石流典型區(qū)域在阿壩州地區(qū)，壤塘縣、金川縣、馬爾康縣、汶川縣、理縣、黑水縣年均泥石流爆發(fā)頻次達(dá)到2次及其以上。

(2) 典型區(qū)域滑坡、泥石流近年頻次明顯增加，主要在夏季爆發(fā)。

(3) 典型區(qū)域滑坡與前15 d有效雨量相關(guān)性最大，屬于長時間降水誘發(fā)型，典型區(qū)域滑坡發(fā)生的前期降水中強(qiáng)降水所占比例較大；典型區(qū)域泥石流與前3 d有效雨量相關(guān)性最大，屬于較短時間降水誘發(fā)型，典型區(qū)域泥石流發(fā)生的前期降水當(dāng)中中小型降水所占比例較大。

(4) 與滑坡發(fā)生密切相關(guān)的15 d降水量與年降水量、雨季降水量、暴雨雨量線性相關(guān)，與小于50 mm雨量線性無關(guān)，與泥石流發(fā)生密切相關(guān)的3 d降水量與雨季降水量、大雨雨量線性相關(guān)，與年降水量和暴雨雨量線性無關(guān)。

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Relationship Between Landslide/Debris Flow and Rainfall in Typical Region of Sichuan Province

LIU Haizhi1， MA Zhenfeng2， FAN Guangzhou1

(1.SchoolofAtmosphericSciences,ChengduUniversityofInformationTechnology,Chengdu,Sichuan610225,China; 2.SichuanClimatCenter,Chengdu,Sichuan610072,China)

[Objective] We studied the relationship between climatic characteristics of rainfalls and geological disasters in typical regions of Sichuan Province to provide basis for analyzing the relation between climatic variation and geological disasters distribution in Sichuan Province. [Methods] Disaster cases were collected in recent 15 years and the typical regions of landslide and debris flow in Sichuan Province were marked out to analyze the relationship between geological disasters and the climatic characteristics of rainfalls. [Results] Landslides mainly occurred in the east of Sichuan Province, while debris flows mainly occurred in the west of Sichuan Province. The frequencies of the two kinds of disasters increased in recent years. Landslides in typical regions were caused by days precipitation, and specifically 15 days effective precipitation was responsible for it. Beside that, heavy rains were ordinarily found in early stage of the collected landslide cases. Debris flows in typical regions were caused by few-day rainfall, and was closely related to 3 days effective precipitation. Moderate rain and light rain were frequently observed in 3 days effective precipitation before debris flow outbreaks. [Conclusion] 15 days effective precipitation and 3 days effective precipitation were both associated closely to climate characteristics of rainfalls: the former can be the factor for landslide forecast, and the latter can be the factor for debris flow forecast.

landslide; debris flow; rainfall; climatic characteristics

2016-05-05

2016-05-25

國家自然科學(xué)基金項目“華西秋雨年際變化規(guī)律及其形成機(jī)理研究”(41275097)； 四川省科技支撐計劃項目(15C0098)

劉海知(1991—)，男(漢族)，四川省榮縣人，碩士研究生，研究方向為短期氣候診斷。E-mail:lhz1012@aliyun.com。

馬振峰(1961—)，男(漢族)，內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗人，碩士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事氣候預(yù)測，氣候變化及生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:mzf616@aliyun.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.013

A

1000-288X(2016)06-0073-05

X43, P64

文獻(xiàn)參數(shù)： 劉海知， 馬振峰， 范廣洲, 等.四川省典型區(qū)域滑坡泥石流與降水的關(guān)系[J].水土保持通報，2016,36(6)：073-077.