陜北黃土粱峁溝壑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系淺析
——以陜北延安地區(qū)2013年強(qiáng)降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為例

滕宏泉，范立民， 向茂西，賀衛(wèi)中，何意平，張新宇

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054)

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陜北黃土粱峁溝壑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與降雨關(guān)系淺析
——以陜北延安地區(qū)2013年強(qiáng)降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為例

滕宏泉，范立民， 向茂西，賀衛(wèi)中，何意平，張新宇

(陜西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，陜西 西安 710054)

[摘要]陜北黃土高原區(qū)，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣， 2013年7月份陜北尤其是延安地區(qū)遭受強(qiáng)降雨襲擊，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，倒塌房屋(窯洞)約4.5萬間(孔)，損毀房屋(窯洞)26.6萬間(孔)，造成154.5萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡42人(含山洪及塌窯遇難者)，直接經(jīng)濟(jì)損失115億元。其中，引發(fā)滑坡、崩塌、泥流等地質(zhì)災(zāi)害8 000余處，有人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失的災(zāi)情近300起，因地質(zhì)災(zāi)害死亡近30人，分析在持續(xù)強(qiáng)降雨條件下，黃土高原地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的特點(diǎn)及形成原因，并對(duì)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界降雨值進(jìn)行了初步探討。

[關(guān)鍵詞]強(qiáng)降雨；黃土高原；地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生特點(diǎn)及成因；臨界降雨量分析；

陜北黃土高原區(qū)梁峁溝壑發(fā)育，植被覆蓋率低，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣，尤其是在雨季，黃土滑坡、崩塌及泥石流等地質(zhì)災(zāi)害成為威脅居民安全的主要災(zāi)害類型，據(jù)調(diào)查，黃土高原地區(qū)自然條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，除與地質(zhì)地貌及人為不合理工程活動(dòng)有關(guān)外，降雨成為主要誘發(fā)因素[1-4]，尤其是局地強(qiáng)降雨或持續(xù)強(qiáng)降雨往往會(huì)導(dǎo)致大范圍的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。研究地質(zhì)災(zāi)害與降雨之間的關(guān)系對(duì)于開展地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警具有十分重要的意義。目前，國內(nèi)外對(duì)此問題的研究主要是采用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)某一地區(qū)歷史地質(zhì)災(zāi)害和降雨資料進(jìn)行對(duì)比分析，從統(tǒng)計(jì)角度尋求降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的臨界值[5]，從而建立日降雨量(或降雨強(qiáng)度)和前期降雨量模型。

2013年7月，榆林東南部、延安北部地區(qū)遭受罕見連續(xù)強(qiáng)降雨，延川、延長、寶塔、安塞、志丹、吳旗六縣(區(qū))發(fā)生崩塌、滑坡、坡面型泥流等地質(zhì)災(zāi)害，造成房屋及窯洞受損，多處公路路堤塌方，大范圍山坡植被遭到破壞，經(jīng)濟(jì)損失巨大。本文以此次上述地區(qū)強(qiáng)將降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害為例，在定性分析其發(fā)生特點(diǎn)及成因基礎(chǔ)上，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害和降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，初步探討陜北黃土粱峁溝壑區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與降雨臨界值或預(yù)警值，從而為該地區(qū)開展降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的防范提供參考。

1陜北2013年降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)及成因

2013年7月份，陜北地區(qū)尤其是榆林東南部及延安北部地區(qū)遭遇多年一遇的持續(xù)強(qiáng)降雨，引發(fā)了大量次生地質(zhì)災(zāi)害，此次強(qiáng)降雨有兩個(gè)特點(diǎn)比較突出。

(1)引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)多面廣，數(shù)量大。據(jù)陜北延安、榆林兩市25個(gè)區(qū)縣有人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情統(tǒng)計(jì)，有16個(gè)區(qū)縣發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，共發(fā)生災(zāi)情278起，其中以延安北部吳起、志丹、安塞、寶塔、延川、延長以及榆林東南部清澗、綏德最為嚴(yán)重(見圖1)。

(2)類型主要以坡面型泥流為主，黃土崩塌、黃土滑坡次之，破壞嚴(yán)重。如延川縣及延長縣交界處的交口鎮(zhèn)一帶，由于強(qiáng)降雨導(dǎo)致90%以上山體發(fā)生坡面泥流，造成植被破壞，道路被泥流掩埋(見圖2)，延川縣新建溝后溝泥流將坡體中部房屋沖毀，造成5人死亡，6間房屋毀壞(見圖3)。同時(shí)，強(qiáng)降雨加劇了原有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)不同程度發(fā)生變形，裂縫增大增多，局部出現(xiàn)垮塌。如延安市寶塔區(qū)萬花鄉(xiāng)前鎖崖滑坡為一處原有地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)，滑坡體長150 m，寬300 m，厚度3～10 m，體積約27×104，此次強(qiáng)降雨，滑坡體中部出現(xiàn)裂縫，前緣地面鼓起(見圖4)，坡面房屋開裂，道路塌陷，變形跡象十分明顯。

圖1　陜北地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情分布圖

圖2　延長縣交口鎮(zhèn)坡面泥流

(3)發(fā)生時(shí)間集中。7月份陜北榆林東南部、延安北部地區(qū)遭受多次強(qiáng)降雨過程，尤其是7月7日至17日持續(xù)降雨過程中，引發(fā)了大量的地質(zhì)災(zāi)害，根據(jù)對(duì)7月份延安市有經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)(見圖5)，此次降雨過程引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)占7月份總數(shù)的87.2%。7日-11日晚上期間尚未發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重災(zāi)險(xiǎn)情，7月12日清晨，各地幾乎同步出現(xiàn)大范圍地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

圖3　延川縣新建溝坡面泥流掩埋房屋

圖4　前鎖崖滑坡前緣鼓起

圖5　7月份陜北榆林、延安地區(qū)強(qiáng)降雨

通過現(xiàn)場應(yīng)急調(diào)查，認(rèn)為此次造成嚴(yán)重地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情有以下三個(gè)因素。(1)地質(zhì)地貌因素。延安市地處陜北黃土梁峁溝壑區(qū)，地表破碎，溝壑發(fā)育，地形陡峻，山體斜坡坡度一般在40°以上，第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土廣泛分布，土體結(jié)構(gòu)疏松多孔，垂直節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化強(qiáng)烈，是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的基礎(chǔ)條件。根據(jù)延長縣地形原始坡度與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系統(tǒng)計(jì)，斜坡坡度在30°～50°為滑坡的高易發(fā)范圍，斜坡坡度>60°時(shí)，易發(fā)生崩塌災(zāi)害，表明斜坡坡度越大，臨空面越充分，邊坡內(nèi)應(yīng)力約集中于坡腳或軟弱坡面部位，易形成地質(zhì)災(zāi)害[7]。(2)持續(xù)強(qiáng)降雨成為致災(zāi)觸發(fā)因素，2013年7月1日-7月17日，陜北總降水量100～500 mm，比常年同期偏多1～3倍以上，為1961年以來降雨量最多年份。尤其是7月7日8時(shí)～12日8時(shí)持續(xù)強(qiáng)降雨期間，延川縣累計(jì)降雨量達(dá)到322.7 mm安塞縣累計(jì)降雨量超過210.9 mm，寶塔區(qū)累計(jì)降雨量達(dá)到189.5 mm，延長縣累計(jì)降雨量達(dá)128.1 mm，吳旗縣累計(jì)降雨量達(dá)146.4 mm，均達(dá)到或超過該地區(qū)年均降雨量一半以上(圖6)，是該地區(qū)自1945年有氣象記載以來降雨過程最長、強(qiáng)度最大的一次降雨。持續(xù)強(qiáng)降雨造成土體含水量增大，土體重量也隨之增大，土體粘聚力及內(nèi)摩擦角也迅速降低，抗剪強(qiáng)度減小[8]，是引發(fā)此次大范圍地質(zhì)災(zāi)害的主要因素。(3)不合理工程活動(dòng)加劇地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。延安地區(qū)溝壑發(fā)育，溝道狹窄，土地資源十分有限，隨著近年經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)建設(shè)向沖溝及附近斜坡地帶擴(kuò)展的趨勢(shì)愈加明顯，群眾建房建窯多緊鄰斜坡分級(jí)開挖建房、切坡修路，且未對(duì)房前屋后斜坡或公路邊坡進(jìn)行科學(xué)有效治理，坡體排水系統(tǒng)不暢，避讓距離不足，是造成此次房屋受損或公路邊坡垮塌嚴(yán)重的主要因素。加之，受人為不合理的削坡、堆載等工程活動(dòng)影響，原有斜坡的平衡狀態(tài)遭到破壞，從而產(chǎn)生卸荷、拉張和風(fēng)化裂隙，在強(qiáng)降雨條件下極易發(fā)生滑坡和崩塌地質(zhì)災(zāi)害。根據(jù)FLAC3D模擬軟件對(duì)黃土邊坡進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，在40 m坡高條件下，30°及45°邊坡的坡腳處強(qiáng)度折減最為顯著，從力學(xué)機(jī)制上也證明了，削坡是加劇滑坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害的重要因素。

圖6　2013年7月份降雨量與年均降雨量對(duì)比圖

2地質(zhì)災(zāi)害與降雨量關(guān)系分析

2.1前3日累計(jì)降雨量引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)分析

取2013年汛期陜北榆林延安地區(qū)298起地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)分析，以當(dāng)日及前3日總累計(jì)降雨量Ra作為分析對(duì)象，按每10.0 mm 一個(gè)量級(jí)對(duì)R總進(jìn)行分組，共分為0.0～ 10.0 mm、10.1～ 20.0 mm，……，260.1～ 270.0 mm等27個(gè)量級(jí)，以每個(gè)量級(jí)內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害頻次為縱軸，降雨量級(jí)大小為橫軸作柱形圖，可發(fā)現(xiàn)10.1～ 20. 0mm和140.1～ 150. 0 mm兩個(gè)量級(jí)發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)最多，而各量級(jí)的地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)均看不出規(guī)律性(見圖7)。因此，為了尋求地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與降雨的關(guān)系，進(jìn)一步做總累計(jì)降雨量量級(jí)所占百分?jǐn)?shù)的累積曲線(見圖8)，從圖中可以看出，對(duì)應(yīng)累計(jì)百分比25%、50%、75%的量級(jí)分別為50.1～ 60. 0 mm、90.1～ 100. 0 mm和140.1～ 150. 0 mm，說明到達(dá)50.1～ 60. 0 mm量級(jí)時(shí)已有25%的滑塌發(fā)生了；到達(dá)90.1～ 100. 0 mm量級(jí)時(shí)有50%的滑塌發(fā)生；而到達(dá)140.1～ 150. 0 mm時(shí)將有75%的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。取25%百分位統(tǒng)計(jì)量作為該組的降雨預(yù)警值，即RH=50.1～60. 0 mm，這個(gè)預(yù)警值意味著當(dāng)日及前3日累計(jì)雨量達(dá)到50.1～60. 0 mm量級(jí)時(shí)，將會(huì)有相當(dāng)數(shù)量(25%)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。

圖7　總累計(jì)降雨量量級(jí)與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻次柱形圖

2.2當(dāng)日降雨量引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)分析

取清澗縣2013年5月1日至9月26日148天發(fā)生的136起地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)(前第2日降雨為0)，分析當(dāng)日降雨量對(duì)與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生關(guān)系。但從136個(gè)案例來看，數(shù)據(jù)分布仍很離散。因此按每10.0 mm 一個(gè)量級(jí)對(duì)當(dāng)日降雨量進(jìn)行分組，共分為0.0～0.0、0.0～10. 0 mm. 10.1- 20. 0 mm,……,120.1～130. 0 mm、130.1～140.0 mm等15個(gè)量級(jí)，將148個(gè)地質(zhì)災(zāi)害的當(dāng)日降雨量歸并入相應(yīng)的量級(jí)中去，得到各量級(jí)下滑塌的發(fā)生次數(shù)(表1)。

圖8　總累計(jì)降雨量量級(jí)所占百分比累積曲線

當(dāng)日降雨量級(jí)(mm)天數(shù)(次)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)(次)00.0～0.075910.1～10.03830210.1～20.0126320.1～30.082430.1～40.020540.1～50.038650.1～60.0240760.1～70.000870.1～80.0414980.1～90.02251090.1～100.01211100.1～110.00012110.1～120.00013120.1～130.00014130.1～140.000合計(jì)148136

分析發(fā)現(xiàn)，最多的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在50.1 ～ 60.0 mm的降雨量級(jí)中，有40個(gè)；其次是0.1～ 10. 0 mm量級(jí)，有30個(gè)；80.1～ 90. 0 mm量級(jí)中各有25個(gè)，70.1～ 80. 0 mm量級(jí)，有14個(gè)，40.1～ 50. 0 mm量級(jí)，有8個(gè)，其余量級(jí)中次數(shù)較少。從統(tǒng)計(jì)規(guī)律看，50.1～ 60. 0 mm量級(jí)的降雨量下發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)最多，0.1 ～ 10.0 mm量級(jí)的降雨量下發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)次之。

將降雨的天數(shù)視為次數(shù)，則在不同的日降雨量量級(jí)下有著不同的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)和降雨次數(shù)，依據(jù)表1做兩種次數(shù)的對(duì)比柱圖(見圖9)。如圖左起第二條柱狀說明：下38次0.1 ～ 10.0 mm的小雨，有30次能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。左起第六條柱狀說明：下2次50.1～60.0的大雨，就可引發(fā)40次地質(zhì)災(zāi)害。通過兩個(gè)柱形的對(duì)比可以看到，即使在很小的降雨量級(jí)下也有地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生(只不過地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)比降雨次數(shù)少得多而已)，說明在較少的雨量條件下，若斜坡體內(nèi)部裂隙洞穴發(fā)育并且貫通性好，斜坡體處于臨界平衡狀態(tài)，此時(shí)若有一定的雨水下滲即會(huì)引發(fā)坡體失穩(wěn)，因此最小臨界值可從開始有滑塌發(fā)生的最小降雨量級(jí)開始，即0.1～10.0 mm。往后觀察各量級(jí)情況，發(fā)現(xiàn)從30.1 ～40. 0 mm開始，降雨次數(shù)與滑塌次數(shù)基本持平，這說明在該量級(jí)下降雨一定會(huì)誘發(fā)滑塌，因此，取30.1 ～40. 0 mm作為當(dāng)日降雨可能誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的最大臨界值，其含義是：日降雨量超過此臨界值，則在研究區(qū)范圍內(nèi)至少有1個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。觀察更高量級(jí)的降雨，50.1～60.0 mm，滑塌次數(shù)大于降雨次數(shù)，說明該降雨量可能誘發(fā)多個(gè)地質(zhì)災(zāi)害。

圖9　日降雨量量級(jí)下的降雨次數(shù)和滑塌次數(shù)對(duì)比柱形圖

3結(jié)語

(1)陜北地處黃土粱峁溝壑區(qū)，地形破碎，地質(zhì)環(huán)境條件脆弱，地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)多，植被覆蓋率較低，加之，人類工程活動(dòng)(削坡建窯、修路等)形成了大量的高邊坡，在極端強(qiáng)降雨條件下，極易誘發(fā)大面積坡面泥流、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，2013年7月份陜北地區(qū)強(qiáng)降雨及其引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡，據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，倒塌房屋(窯洞)約4.5萬間(孔)，損毀房屋(窯洞)26.6萬間(孔)，造成154.5萬人受災(zāi)，因?yàn)?zāi)死亡42人(含山洪及塌窯遇難者)，直接經(jīng)濟(jì)損失115億元。其中，引發(fā)有人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的滑坡、崩塌、泥流等地質(zhì)災(zāi)害近300起，因地質(zhì)災(zāi)害死亡近30人。

(2)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在既定的地質(zhì)地貌條件下，與降雨關(guān)系密切，即與單日降雨強(qiáng)度有關(guān)，還與前期累積降水量有關(guān)，單日的大到暴雨可引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，持續(xù)性降雨也可以引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

(3)針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)降雨引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)，定量確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與降雨的關(guān)系，對(duì)于提高地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警精細(xì)化水平具有十分重要意義。

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[收稿日期]2015-09-02

[基金項(xiàng)目]山東省自然科學(xué)基金(ZR2010DM016)

[作者簡介]滕宏泉(1974-)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查和防治工作。

[中圖分類號(hào)]TV122+.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

[文章編號(hào)]1004-1184(2015)01-0155-03