石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究

李忠燕，田其博，張東海

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550004；3.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究

李忠燕1,2，田其博1，張東海2

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，貴州 貴陽(yáng) 550004；3.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽(yáng) 550002)

利用石阡縣2010—2014年18起降雨型滑坡事件對(duì)應(yīng)的區(qū)域氣象站以及氣象臺(tái)站逐小時(shí)降水資料，采用統(tǒng)計(jì)分析的方法分析了滑坡發(fā)生前后的降水類型，建立了臨界雨量的預(yù)報(bào)模型。結(jié)果表明滑坡對(duì)應(yīng)的暴雨類型均屬于尖峰型降水，強(qiáng)降雨時(shí)間都較短?；碌慕涤炅慷扰c歷時(shí)關(guān)系的分析表明可以將小時(shí)雨量大于10 mm作為石阡縣滑坡的起報(bào)必要條件?；趨^(qū)域氣象站資料建立的滑坡預(yù)報(bào)模型表明24 h雨量(前期3d雨量)與1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相關(guān)關(guān)系。在滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)中可以根據(jù)氣象臺(tái)的24 h雨量預(yù)報(bào)值(或前期3 d有效雨量)及1 h最大雨量(或3 h最大雨量)預(yù)報(bào)值就可以及時(shí)發(fā)出滑坡預(yù)警，從而在地質(zhì)災(zāi)害防御中起到重要作用。

臨界雨量；區(qū)域站；滑坡；預(yù)報(bào)模型

1 引言

降水是滑坡這一地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要誘導(dǎo)因素，可以說(shuō)降水尤其是降雨強(qiáng)度大的降水或者歷時(shí)時(shí)間較長(zhǎng)的降水與滑坡災(zāi)害的發(fā)生有著緊密的聯(lián)系，這是因?yàn)榻涤甑陌l(fā)生一方面增加了土壤的含水量，另一方面降低巖土自身的物理性能，從而改變斜坡周邊的土壤條件，導(dǎo)致斜坡穩(wěn)固性降低，從而發(fā)生滑坡[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害70%以上發(fā)生在雨季[2-5]。近幾年中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)研究表明，持續(xù)性降水誘發(fā)的滑坡約占總量的65%，其中局部地區(qū)的強(qiáng)降水導(dǎo)致的滑坡約占總量的43%，占持續(xù)性降水誘發(fā)滑坡總量的66%[6]。降雨誘發(fā)的滑坡和泥石流因其觸發(fā)機(jī)制具有發(fā)生時(shí)間短且大多發(fā)生在夜間的特點(diǎn)，每年都會(huì)給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失。因此，研究降雨型滑坡發(fā)生的臨界雨量再結(jié)合氣象部門的臨近預(yù)報(bào)日益成為目前滑坡預(yù)報(bào)工作的有效途徑，也是目前技術(shù)條件下有效的預(yù)報(bào)方法。

目前確定誘發(fā)滑坡的降雨閾值的研究一方面是通過(guò)基于邊坡穩(wěn)固性分析的力學(xué)方法進(jìn)行確定，另一方面是基于滑坡發(fā)生時(shí)的降雨數(shù)據(jù)建立統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型的分析方法來(lái)確定[7]。降雨誘發(fā)滑坡閾值的概念首先由Caine[8]提出來(lái)。它是基于滑坡發(fā)生時(shí)的降雨數(shù)據(jù)的客觀統(tǒng)計(jì)事實(shí)得到的經(jīng)驗(yàn)型降雨閾值，之后大量研究中將這種經(jīng)驗(yàn)型降雨閾值作為預(yù)測(cè)滑坡災(zāi)害發(fā)生的判據(jù)。經(jīng)驗(yàn)型降雨閾值不需要嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理規(guī)律，是一種基于滑坡發(fā)生時(shí)的降雨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)模型，因降水?dāng)?shù)據(jù)客觀易得，因此相對(duì)于邊坡穩(wěn)固性分析的力學(xué)方法而言，經(jīng)驗(yàn)型降雨閾值發(fā)展較為成熟。

考慮到區(qū)域氣象站的建站時(shí)間，選取2010以來(lái)石阡發(fā)生的18起由于強(qiáng)降水導(dǎo)致的滑坡，利用石阡縣氣象觀測(cè)站以及區(qū)域氣象站逐小時(shí)雨量資料，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式確定出發(fā)生滑坡的致災(zāi)臨界雨量。利用這個(gè)臨界雨量結(jié)合臨近天氣預(yù)報(bào)就有可能及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、及時(shí)發(fā)出預(yù)警，起到防災(zāi)減災(zāi)及氣象保障服務(wù)工作的作用，從而有力地推進(jìn)貴州省氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理工作。

2 資料

考慮到貴州自動(dòng)氣象站建立時(shí)間因素的影響，以石阡縣近幾年以來(lái)18起滑坡事件(表1)作為石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究對(duì)象，根據(jù)滑坡發(fā)生點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)信息，選取滑坡發(fā)生點(diǎn)最近的區(qū)域氣象站或氣象觀測(cè)站(圖1)小時(shí)雨量數(shù)據(jù)作為滑坡臨界雨量研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

表1 石阡縣滑坡事件統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistical table of 18 landslides occurred at Shiqian

圖1 氣象觀測(cè)站及區(qū)域氣象站的分布圖Fig.1 Distribution of meteorological observation stations and automatic meteorological stations

3 降雨型滑坡臨界雨量分析

3.1 降雨類型分析

利用石阡縣18起滑坡事件對(duì)應(yīng)的逐小時(shí)降水資料，分析其滑坡發(fā)生前48 h至滑坡發(fā)生當(dāng)日降水類型。降雨型滑坡的降水類型根據(jù)降雨峰值的形態(tài)可劃分成2種類型[9]，即尖峰型(降水強(qiáng)度出現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)峰值)和波動(dòng)降水型(降水強(qiáng)度較均勻，其峰值不明顯)，其中尖峰型又分為單峰型、雙峰型和多峰型。石阡縣18起降雨型滑坡的降水類型都屬于尖峰型降水，可以說(shuō)這18起均屬于降雨型滑坡事件。圖2～圖3給出了石阡縣2種尖峰型的逐小時(shí)降雨量度情況。可以看出，這2次滑坡的降雨特征具有相同點(diǎn)，也存在不同之處。對(duì)于貴州石阡縣2014年5月25日滑坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)R6818站的雨量過(guò)程線來(lái)說(shuō)，前期48 h降水量很小，甚至沒(méi)有降水，但在滑坡發(fā)生當(dāng)日，雨量過(guò)程線存在明顯的峰值，即降雨量突然增大，而其它時(shí)間降雨量較小，此種降雨類型為尖峰型中的單峰型。有研究表明，引起泥石流滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的暴雨類型主要是以尖峰型為主[10-12]。這是因?yàn)?，比較均勻的強(qiáng)降雨整體降雨量很大，但不能使滑坡產(chǎn)生破壞，此類滑坡的啟動(dòng)關(guān)鍵需要達(dá)到一定的降雨量度。而對(duì)于石阡縣2014年6月4日這次滑坡來(lái)說(shuō)，前期48 h降水量較大(69.6mm)，達(dá)到大雨量級(jí)，并且滑坡當(dāng)日的雨量過(guò)程線也同樣存在明顯的峰值(最大小時(shí)雨量為100.1mm)。因此在這一次的降水過(guò)程中，出現(xiàn)了多個(gè)峰值，一個(gè)出現(xiàn)在滑坡發(fā)生之前，一個(gè)在滑坡暴發(fā)期，這也是導(dǎo)致2014年6月4日發(fā)生大型滑坡事件的原因。

圖2 單峰型降水(貴州石阡縣2014年5月25日滑坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)R6818站逐小時(shí)降水量時(shí)間序列)Fig.2 Single-peaked type rainfall (time series of hourly precipitation at R6818 station where landslide occurred at Shiqian of Guizhou on May 25,2014)

圖3 雙峰型降水(貴州石阡縣2014年6月4日滑坡點(diǎn)對(duì)應(yīng)57734站逐小時(shí)降水量時(shí)間序列)Fig.3 Double-peaked type rainfall (time series of hourly precipitation at 57734 station where landslide occurred at Shiqian of Guizhou on June 4,2014)

3.2 降雨強(qiáng)度、歷時(shí)分析

利用石阡縣18起滑坡發(fā)生點(diǎn)對(duì)應(yīng)的逐小時(shí)降水資料，統(tǒng)計(jì)滑坡發(fā)生前48 h至滑坡發(fā)生當(dāng)日小時(shí)雨量>10 mm和20 mm的降雨的歷時(shí)情況(圖4、圖5)?？梢钥闯觯瑢?duì)于石阡縣這18次滑坡來(lái)說(shuō)(圖4)，小時(shí)雨量>10 mm和20 mm的降雨都主要集中在滑坡發(fā)生當(dāng)天，不同的是歷時(shí)不同?；掳l(fā)生當(dāng)日小時(shí)雨量>10 mm的歷時(shí)為2～8 h，平均歷時(shí)為4.8 h，而滑坡發(fā)生當(dāng)天小時(shí)雨量>20 mm的歷時(shí)為0～5 h，這表明在前期累積降水量較大的情況下，后期降雨強(qiáng)度雖然<20 mm/h，但>10 mm/h的情況下也有可能發(fā)生滑坡。可以看出，造成石阡的18起滑坡具有強(qiáng)降雨歷時(shí)較短，且主要集中在滑坡發(fā)生當(dāng)日的特點(diǎn)，且激發(fā)雨量>10 mm/h。因此，可以將小時(shí)雨量>10 mm/h作為石阡縣滑坡暴發(fā)的必要條件，即當(dāng)小時(shí)雨量>10 mm/h時(shí)，石阡縣才有可能發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

圖4 滑坡前期48 h至滑坡當(dāng)天小時(shí)雨量>10 mm降水的歷時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.4 Duration statistic of hourly precipitation more than 10 mm/h in one day from 48 hours before to the day landslide occurred

圖5 滑坡前期48 h至滑坡當(dāng)天小時(shí)雨量>20 mm降水的歷時(shí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.5 Duration statistic of hourly precipitation more than 20 mm/h in one day from 48 hours before to the day landslide occurred

3.3 降雨型滑坡預(yù)報(bào)模型的建立

由于下墊面因素的復(fù)雜性，基于邊坡穩(wěn)定性分析的力學(xué)方法尚沒(méi)成熟，但多數(shù)人認(rèn)為滑坡的暴發(fā)與短時(shí)強(qiáng)降水以及前期有雨量都有著密切的聯(lián)系[13-16]。因此，在現(xiàn)在區(qū)域氣象站雨量資料豐富的情況下，以滑坡暴發(fā)與當(dāng)日1 h最大雨量、3 h最大雨量與24 h雨量和前期3 d雨量?jī)蓛山M合確定不同時(shí)效的臨界雨量閾值，對(duì)于滑坡預(yù)報(bào)具有一定的實(shí)際意義。這種方法可以借助氣象臺(tái)的臨近天氣預(yù)報(bào)，對(duì)滑坡的發(fā)生和發(fā)展做出提前的預(yù)報(bào)，有效地起到抵制氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的作用。

前期有效雨量R是指滑坡暴發(fā)前對(duì)含水狀況仍起作用的降雨量，它受時(shí)空的變化、輻射強(qiáng)度、蒸發(fā)量以及土壤滲透能力等多種因素的影響，為了正確表示含水率的實(shí)際情況，可采用下式：

Rn=R0+KR1+K2R2+K3R3+…+KnRn

(1)

n=0,1,2…，n

因?yàn)檫@18次滑坡存在強(qiáng)降雨歷時(shí)時(shí)間都較短的相似性，所以我們將這18次滑坡樣本結(jié)合在一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)我們選取石阡縣對(duì)應(yīng)時(shí)間段內(nèi)未發(fā)生滑坡降水樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

具體方法是以滑坡發(fā)生當(dāng)日24 h雨量(或前期3 d雨量)作為橫坐標(biāo)，以當(dāng)日1 h最大雨量(或3 h最大雨量)作為縱坐標(biāo)，將發(fā)生滑坡和未發(fā)生滑坡的兩組數(shù)據(jù)以不同的類型標(biāo)注上，以發(fā)生滑坡的最低雨量為基值，以數(shù)據(jù)整體分布趨勢(shì)為斜率做出警戒臨界雨量線；以未發(fā)生滑坡的最大雨量點(diǎn)為基值，以數(shù)據(jù)整體分布趨勢(shì)為斜率做出避難臨界雨量線，從而建立滑坡發(fā)生的24 h雨量(或前期3 d雨量)與1 h最大雨量(或3 h最大雨量)的預(yù)報(bào)模型。根據(jù)石阡縣區(qū)域氣象站、氣象臺(tái)站的逐小時(shí)降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用上述方法制作出預(yù)報(bào)模型圖，見圖6、圖7。其中臨界線1和臨界線2之間的區(qū)域是兩組數(shù)據(jù)的落區(qū)。以預(yù)報(bào)模型為依據(jù)，根據(jù)不同的前期雨量條件對(duì)預(yù)報(bào)級(jí)別進(jìn)行界定，即得到3個(gè)級(jí)別的預(yù)警閾值，分別為Ⅲ級(jí)預(yù)警(警戒臨界線以下)、Ⅱ級(jí)預(yù)警(警戒臨界線與避難臨界線之間)和Ⅰ級(jí)預(yù)警(避難臨界線之上)。對(duì)比之前的研究，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)前期有效雨量或者是前期1 h(3 h)最大雨強(qiáng)的大小，結(jié)合氣象臺(tái)的臨近天氣預(yù)報(bào)，來(lái)確定未來(lái)滑坡發(fā)生的可能性大小，從而對(duì)滑坡的發(fā)生和發(fā)展做出提前的預(yù)報(bào)。表2給出了不同的24 h雨量對(duì)應(yīng)的1 h最大雨量的預(yù)警預(yù)報(bào)值(對(duì)應(yīng)的3 h最大雨量的預(yù)警預(yù)報(bào)值省略)，可作為各級(jí)預(yù)報(bào)的參考值。當(dāng)從預(yù)報(bào)值來(lái)看，24 h雨量與1 h最大雨量呈反相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)24 h雨量越大，激發(fā)滑坡發(fā)生所需的1 h最大雨量越小，而24 h雨量越小，1 h最大雨量越大。

從已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的調(diào)查實(shí)例來(lái)看，最大雨量出現(xiàn)到災(zāi)害的暴發(fā)一般至少有0.5～2 h的時(shí)間間隔[17]，如果預(yù)警信息能在這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)布，就能起到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

圖6 發(fā)生滑坡的24 h雨量與1 h最大雨量的預(yù)報(bào)模型Fig.6 Prediction model of cumulative rainfall of the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 1 hour of the day landslide occurred

圖7 發(fā)生滑坡的24 h雨量與3 h最大雨量的預(yù)報(bào)模型Fig.7 Prediction model of cumulative rainfall of the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 3 hour of the day landslide occurred

預(yù)警等級(jí)R24=50R24=100R24=120Ⅲ級(jí)預(yù)警 2．1R1>70．5120>R1>46．9

圖8、圖9建立的是前期3 d的雨量與1 h最大雨量和3 h最大雨量的預(yù)報(bào)模型，表3給出的是前期3 d雨量與3 h最大雨量的預(yù)警預(yù)報(bào)值。從預(yù)警預(yù)報(bào)值來(lái)看，3 h最大雨量與前期3 d雨量也呈反相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)榍捌谕寥篮慷?，發(fā)生滑坡的激發(fā)雨量就低一些，反之，如果前期土壤含水量少，激發(fā)滑坡的雨量就高一些?；骂A(yù)報(bào)模型的建立，需要多次滑坡的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行疊加計(jì)算，這樣得到的預(yù)警預(yù)報(bào)值越客觀準(zhǔn)確，所以，在以后的工作中需要不斷更新滑坡災(zāi)害的數(shù)據(jù)庫(kù)，得到更為準(zhǔn)確和客觀的預(yù)警預(yù)報(bào)值，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情、及時(shí)發(fā)出預(yù)警，起到防災(zāi)減災(zāi)，氣象保障服務(wù)工作的作用，從而有力地推進(jìn)貴州省氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管理工作。

圖8 前期3 d的雨量與1 h最大雨量的預(yù)報(bào)模型Fig.8 Prediction model of cumulative rainfall from two days before to the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 1 hour of the day landslide occurred

圖9 前期3 d的雨量與3 h最大雨量的預(yù)報(bào)模型Fig.9 Prediction model of cumulative rainfall from two days before to the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 3 hour of the day landslide occurred

預(yù)警等級(jí)R3d=80R3d=100R3d=200Ⅲ級(jí)預(yù)警1．1R3>39．82．8>R3>22Ⅱ級(jí)預(yù)警46．9≤R3≤8039．8≤R3≤98．622≤R3≤77．9Ⅰ級(jí)預(yù)警不能出現(xiàn)100>x>98．6200>x>77．9

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)石阡縣2010—2014年18起降水型滑坡事件對(duì)應(yīng)的逐小時(shí)降水的各種分析，得到以下結(jié)論：

①滑坡對(duì)應(yīng)的暴雨類型均屬于尖峰型降水，強(qiáng)降雨時(shí)間都較短；不同之處在于有的屬于單峰型，有的屬于雙峰型。

②滑坡的降雨量度與歷時(shí)關(guān)系的分析表明可以將小時(shí)雨量>10 mm作為石阡縣滑坡的必要條件，即小時(shí)雨量>10 mm時(shí)，石阡縣才有可能發(fā)生滑坡。

③基于區(qū)域氣象站資料的建立的滑坡預(yù)報(bào)模型表明24 h雨量(前期3 d雨量)與1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相關(guān)關(guān)系，即當(dāng)24 h雨量(前期3 d雨量)越大，激發(fā)滑坡發(fā)生所需的1 h最大雨量(3 h最大雨量)越小，而24 h雨量(前期3 d雨量)越小，激發(fā)滑坡發(fā)生所需的1 h最大雨量(3 h最大雨量)越大。

④就石阡縣而言，利用建立的滑坡臨界雨量模型和24 h雨量預(yù)報(bào)，同時(shí)借助氣象臺(tái)的臨近天氣預(yù)報(bào)，對(duì)滑坡的發(fā)生和發(fā)展做出提前的預(yù)報(bào)，有效地起到抵制氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的作用。

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PreliminaryStudyofCriticalRainfallofLandslidesatShiqian

LI Zhongyan1,2,TIAN Qibo3,ZHANG Donghai1

(1.Guizhou Climate Center,Guiyang 550002,China;2.Key Laboratory of Mountainous Climate and Resources of Guizhou Province,Guiyang 550002,China;3.Guizhou Institute of Geo-environment Monitoring,Guiyang 550004,China)

Using hourly precipitation data from automatic meteorological stations and meteorological observation stations according to 18 landslides from 2010 in Shiqian,the types of rainfall of the landslide were analyzed by using statistical analysis.The results show that the characteristics of the precipitation corresponding to the landslide have one or more peaked values.And the time of the heavy rainfall is short.Analysis of the relationship between the intensity and time of the rainfall indicates that the hour rainfall of landslide must be greater than 10mm at least in Shiqian.The model based on information from automatic meteorological stations indicates that a negative correlation between 24h rainfall (cumulative rainfall of the day landslide occurred) and 1h maximum rainfall (3h maximum rainfall) occurred.Finally the prediction method of landslide in this area was discussed by using the predicted value of 24h rainfall (cumulative rainfall of the day landslide occurred) and 1h maximum rainfall (3h maximum rainfall).And the landslide warning can be issued promptly which can play an important role in the prevention of geological disasters.

critical rainfall; automatic meteorological stations landslide; predicted model

1003-6598(2017)05-0033-06

2017-01-21

李忠燕(1986-)，女，工程師，主要從事短期氣候預(yù)測(cè)及氣候變化研究工作，E-mail:523257762@qq.com。

中國(guó)氣象局山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程項(xiàng)目：山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃和影響預(yù)評(píng)估能力建設(shè)；中國(guó)清潔發(fā)展機(jī)制基金贈(zèng)款項(xiàng)目2013031：貴州省氣候變化影響評(píng)估及應(yīng)對(duì)服務(wù)；貴州省氣象局青年基金項(xiàng)目(黔氣科合QN[2017]04號(hào))。

P426.62

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