降雨誘發(fā)滑坡在長輸管道監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用

聶肖虎，謝璐瑤，楊冬，劉新，劉青

(1.中國石化銷售股份有限公司華中分公司, 湖北 武漢 430023； 2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司, 北京 100084)

0 引言

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害分布最嚴(yán)重的國家之一，據(jù)2019年的地質(zhì)災(zāi)害累計數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國共分布約25萬多個地質(zhì)災(zāi)害點，包括滑坡、斜坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降等(李媛等，2004)，其中滑坡斜坡類地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比最大，可達(dá)60%，其次為崩塌，約22%，我國地質(zhì)災(zāi)害類型數(shù)量占比見圖1。廣義的滑坡是指各種類型的巖土體沿斜坡向下運動的過程，通常包括泥石流和崩塌，我國學(xué)者多采用狹義滑坡定義，多指斜坡土層或堅硬的巖層，在重力作用下沿一個或多個滑動面向下移動的過程?；碌鹊刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生一方面取決于基礎(chǔ)地質(zhì)條件，比如地層巖性、坡度、高程、土壤等；另一方面又受到多種外界因素的誘發(fā)影響，如氣象、人類工程活動等(丁繼新等，2004；李長江等，2008)。在各種因素誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害中，以降雨誘發(fā)的滑坡是分布最廣、頻次最高的地質(zhì)災(zāi)害(劉廣潤等，2002；張玉成等，2007)(以下簡稱降雨型滑坡)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國已發(fā)生的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、崩塌、泥石流)中，降雨誘發(fā)的災(zāi)害數(shù)量可達(dá)90%。有學(xué)者對重慶地區(qū)滑坡災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計，近50年來重慶地區(qū)由降雨誘發(fā)的滑坡數(shù)量約147個，占總滑坡數(shù)量的97%，且多數(shù)滑坡的發(fā)生與24小時內(nèi)的降雨量有極大相關(guān)性(周國兵等，2003)，因此開展降雨型滑坡地質(zhì)災(zāi)害的研究對于國家開展防災(zāi)減災(zāi)工作具有十分重要的意義(文海家等，2018)。

降雨型滑坡一直以來都是國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害研究的熱點領(lǐng)域，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其研究成果十分豐碩。從探索降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)理，到研究與滑坡是否發(fā)生相關(guān)的具體臨界閾值，并將相關(guān)閾值模型用于滑坡預(yù)報預(yù)警實踐中，以及近些年來隨著RS、GIS技術(shù)的融入，使滑坡的早期識別和區(qū)域分級預(yù)警得以實現(xiàn)。降雨型滑坡研究內(nèi)容見圖2。降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在水體下滲過程中造成斜坡巖土體的物理性質(zhì)及內(nèi)部孔隙壓力的變化，使巖土體的抗剪切強(qiáng)度降低(李長江等，2008)。雨水在坡體中的入滲規(guī)律研究多是針對單體滑坡進(jìn)行模型試驗及數(shù)值模擬，旨在揭示滑坡發(fā)生的內(nèi)在規(guī)律，為不同滑坡的關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)提供參考，更偏于理論性質(zhì)的研究，但其也是制定滑坡監(jiān)測方案的第一步。適用于報警的閾值研究采用的閾值參數(shù)根據(jù)不同區(qū)域的滑坡特點有所不同，暴雨頻次、降雨的周期變化、降雨歷時、降雨量以及降雨雨型與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在著密切的聯(lián)系(馬力等，2002)，該類研究通常對降雨滑坡歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析(高華喜和殷坤龍，2007)，采用相應(yīng)的模型進(jìn)行閾值確定，也有部分學(xué)者將地質(zhì)因素加入到閾值計算的模型中(劉艷輝和劉麗楠，2016)，總的來說，閾值研究仍是降雨型滑坡的一個研究難點。但是目前這兩項研究一般是割裂進(jìn)行的，未能共同作用于最終的預(yù)警預(yù)報工作中，如何將二者研究結(jié)合進(jìn)行預(yù)警是今后降雨型滑坡研究的一個突破點。不論是單體滑坡的誘發(fā)機(jī)制研究還是區(qū)域性的降雨閾值研究，兩者在空間上的預(yù)測都略顯劣勢，但GIS技術(shù)的發(fā)展使得具有空間性質(zhì)的柵格單元內(nèi)的滑坡預(yù)測研究也隨之加強(qiáng)(彭令等，2010)，為了進(jìn)行更加精細(xì)化的空間地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，GIS是不可缺少的重要工具。

本文首先介紹降雨型滑坡的發(fā)育特征、雨水入滲滑坡的內(nèi)在規(guī)律和相關(guān)模型，進(jìn)而說明不同的降雨特征與滑坡之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上對目前的降雨型滑坡閾值研究進(jìn)行論述和總結(jié)，并提出適合長輸管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作的降雨閾值計算模型，最后指出降雨型滑坡研究目前存在的問題，并對今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 降雨型滑坡發(fā)育特征

現(xiàn)有的研究多通過兩種方式探討降雨與滑坡之間的關(guān)系，一是研究滑坡內(nèi)在的規(guī)律及穩(wěn)定性，利用各類監(jiān)測設(shè)備(水位計、孔壓計等)獲取滑坡體內(nèi)各項參數(shù)在降雨條件下的變化情況，以此來建立雨水入滲模型及滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制；二是從外在的降雨特征著手，在收集充足的歷史降雨數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將滑坡發(fā)生的時間點與之一一對應(yīng)，研究滑坡發(fā)生時的不同降雨參數(shù)(雨量、雨強(qiáng)、歷時、雨型)的特征及閾值，并以此來對滑坡進(jìn)行預(yù)報。

1.1 誘發(fā)機(jī)制

降雨誘發(fā)滑坡的實質(zhì)是滲入斜坡的雨水通過與巖土體的相互作用，軟化滑面處的巖土體，降低巖土體的抗剪切強(qiáng)度，從而破壞邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)巖土體的強(qiáng)度不能抵抗剪切力時，滑坡就發(fā)生了(楊文東，2006；李長江等，2008)。兩者相互作用的結(jié)果就是導(dǎo)致巖土體的內(nèi)聚力和摩擦力下降(徐則民等，2005)，具體誘發(fā)機(jī)理可分為四種：雨水入滲到斜坡巖土體內(nèi)，使巖土體的強(qiáng)度減小而重量不斷增加，致使巖土體下滑力隨之增加；降雨入滲降低斜坡非飽和區(qū)域的基質(zhì)吸力，致使構(gòu)成斜坡的土體抗剪強(qiáng)度也隨之降低；降雨使得巖土體干濕交替，產(chǎn)生大量裂隙，為雨水入滲提供了更多的通道，加速了滑坡的發(fā)生；降雨抬升了地下水位，增加了對巖土體的浮托力(盛玲，2015)。

降雨觸發(fā)滑坡的內(nèi)在因素包括構(gòu)成斜坡體的物質(zhì)條件(如巖質(zhì)滑坡與土質(zhì)滑坡)、斜坡體的坡度以及地質(zhì)構(gòu)造等(吳仁銑，2013)，而雨水進(jìn)入邊坡體的入滲率取決于降雨的方式、降雨強(qiáng)度以及斜坡巖土體的滲水物理屬性。不同物質(zhì)組成的斜坡滲流過程也不相同，土質(zhì)邊坡表現(xiàn)為由非飽和到飽和的變化過程，形成浸潤區(qū)，抗剪強(qiáng)度降低；節(jié)理較發(fā)育、孔隙較大的巖質(zhì)邊坡因雨水滲流在地下水位以上的區(qū)域形成上層滯水區(qū)，孔隙壓力增大，降低抗滑力，降雨入滲下伏基巖類斜坡和土質(zhì)斜坡示意見圖3。

國內(nèi)外學(xué)者對于降雨入滲過程及機(jī)理進(jìn)行了許多研究，提出了多種不同形式的入滲模型(朱文彬和劉寶琛，2002；謝劍明，2004)、過程模擬方法(楊文東，2006)及斜坡穩(wěn)定性評價方法(陳祖煜，2003)。降雨入滲實質(zhì)上是水分在土壤飽氣帶中的運動(吳仁銑，2013)，雨水滲入邊坡到達(dá)潛水面經(jīng)歷了一個飽和—非飽和的滲流過程，從物理學(xué)角度得出邊坡入滲過程的非飽和滲流控制方程如下：

(1)

式(1)中：h在飽和區(qū)，為壓力水頭，在非飽和區(qū)，為基質(zhì)吸力(非飽和帶中空氣壓力與水壓力之間的差值)的勢函數(shù)，稱為基質(zhì)勢；k(h)ij為滲透系數(shù)，在非飽和區(qū)為基質(zhì)勢h的函數(shù)；S為貯水系數(shù)；β在飽和區(qū)，β=0，在非飽和區(qū)，β=1；R為源匯項，為降雨入滲的供水強(qiáng)度；x1,x2,x3分別表示笛卡爾坐標(biāo)系中的x(x1)軸，y(x2)軸，z(x3)軸為正向向上的鉛直軸。

Green-Ampt模型是一種簡化的入滲模型，用來確定瞬態(tài)入滲鋒面所到達(dá)的位置，可以看作是入滲問題的近似解，應(yīng)用較為廣泛。但實際發(fā)生的滑坡機(jī)制是十分復(fù)雜的，Mein and Larson(1973)在該模型上根據(jù)降雨強(qiáng)度與土體入滲能力的關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)，將雨水入滲分為2個階段，即自由入滲階段和積水入滲階段。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)試驗表明，雨水入滲過程中還需考慮坡度因子，目前比較符合實際入滲情況的模型由楊文東(2006)提出，該模型在Green-Ampt模型的基礎(chǔ)上增加了入滲過程及斜坡效應(yīng)。此外，楊文東(2006)除了對入滲機(jī)理和穩(wěn)定性進(jìn)行分析外，還建立了模擬滑坡發(fā)生過程的模型，可以重現(xiàn)邊坡滑坡的動態(tài)破壞過程。

雨水改變了邊坡內(nèi)的孔隙水壓力，從而降低邊坡穩(wěn)定性，在了解雨水入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)而研究邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性。滑坡穩(wěn)定性評價的方法包括極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法(銀曉鵬，2008)、模糊綜合評價(楊文東，2006)以及概率分析方法。降雨型滑坡穩(wěn)定性分析中，土體含水量和孔隙水壓力是兩個基本參數(shù)，這是因為邊坡里有水的滲流作用，土的含水量增加，抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡極不穩(wěn)定。滲透力因素是否加入到穩(wěn)定性分析中則取決于研究對象的選擇，毛昶熙和段祥寶(2012)對地震和降雨等多個因素作用下的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計算時，為了更好地結(jié)合有限元法一次完成計算，加入了滲透力概念。陳祖煜(2003)考慮到滑裂面上的孔壓與坡面上的水壓力，認(rèn)為不需要計算滲透力。在運用現(xiàn)場實測的土體含水量和孔隙水壓力對降雨型滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價時，不僅僅需要討論穩(wěn)定性分析物理模型的適用性，還需要對穩(wěn)定性分析輸入?yún)?shù)的合理性及其對研究目標(biāo)的敏感性進(jìn)行研究(Bordoni et al.，2015)。

1.2 降雨與滑坡關(guān)系

1.2.1 時空分布特性

因降雨導(dǎo)致的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害在空間分布上具有一定的區(qū)域性和同時性，且往往突發(fā)性強(qiáng)，災(zāi)害程度大。國內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者對降雨與滑坡等地質(zhì)災(zāi)害之間的時空分布關(guān)系進(jìn)行了深入研究，并取得了非常多的成果。陳正洪和孟斌(1995)從幾十個典型事例出發(fā)，分析了湖北省降雨型滑坡的時空分布特征，并且與降雨的時空分布規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析，該研究促進(jìn)了對二者之間對應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識。劉艷輝等(2009)通過統(tǒng)計分析2006—2007年汛期全國地質(zhì)害的實際發(fā)生情況得出地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育密度與年均雨量呈正比，在時間分布上與月降雨量、月暴雨日數(shù)的分布總體上具備一定的對應(yīng)關(guān)系，且主要受典型強(qiáng)降雨過程的落區(qū)控制。林孝松和郭躍(2001)用統(tǒng)計分析的方法研究了滑坡與降雨的耦合關(guān)系，暴雨與滑坡的發(fā)生在時間上具有很好的一致性，通常也伴隨著一定的滯后效應(yīng)，即滑坡發(fā)生于降雨之后的一段時間內(nèi)，這就證實了滑坡的發(fā)生與降雨之間存在不穩(wěn)定周期性，且其規(guī)模與雨量之間存在一定的正相關(guān)。中國地質(zhì)災(zāi)害分布及中國年平均降雨量見圖4、圖5，年均降雨量大的區(qū)域也正是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害分布密集區(qū)域。

1.2.2 降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時、雨型對滑坡的影響

國內(nèi)外學(xué)者對降雨量與滑坡地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明滑坡地質(zhì)災(zāi)害除了受降雨在空間和時間上的分布影響外，降雨的雨量、雨強(qiáng)、歷時、雨型等特征也控制影響著滑坡的變形過程。

鐘蔭乾(1998)發(fā)現(xiàn)滑坡變形的過程與變形階段間的降雨強(qiáng)度變化的相關(guān)性較大，雨量越大的區(qū)域滑坡越發(fā)育，以新灘滑坡和黃臘石滑坡為例，說明滑坡的變形和劇滑與降雨的間斷性、時間性相關(guān)性較高。也有較多研究通過滑坡位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)研究滑坡與降雨量之間的相關(guān)性，楊順泉(2002)對福建某滑坡體進(jìn)行為期三年的監(jiān)測，將水平位移數(shù)據(jù)、垂直位移數(shù)據(jù)與降雨量進(jìn)行回歸運算分析，結(jié)果顯示滑坡體各方位的位移量與降雨量相關(guān)性顯著，存在降雨量越大，位移變形越大的趨勢。

降雨強(qiáng)度指在一個給定時段內(nèi)的累積降雨量或降雨速率(麻土華等，2011)，暴雨引發(fā)的滑坡往往比長時間降雨型的臨界降雨量低，以降雨強(qiáng)度較大的深圳為例(高華喜和殷坤龍，2007)，將滑坡發(fā)生次數(shù)分別與降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨時間進(jìn)行耦合分析，結(jié)果表明，滑坡與1～2天的降雨量(大暴雨)、 1～4天及一次降雨過程的累計降雨量的相關(guān)性系數(shù)均在0.8以上；在降雨時間上，暴雨發(fā)生的當(dāng)天，便有45.3%的滑坡出現(xiàn)，僅有13.3%的滑坡滯后于暴雨的3天以后，最晚在4天左右。

張勇等(2020)在分析降雨強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)降雨的過程特征和降雨時間，對巴中市2007—2016年間降雨事件進(jìn)行了細(xì)分，共劃分為6類降雨雨型，并分別統(tǒng)計不同雨型下發(fā)生的滑坡次數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遞增型降雨下的滑坡占比最大，可達(dá)46.9%；單峰型降雨次之，約占25.02%。此外，對這兩類雨型下的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析得知，其滑坡穩(wěn)定性在降雨后出現(xiàn)明顯降低，表明降雨雨型因子也對滑坡有著顯著影響。

2 降雨型滑坡預(yù)報模型研究

降雨引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害過程是含有多個相互作用的復(fù)雜非線性關(guān)系系統(tǒng)，我們將該過程看作一個系統(tǒng)，影響滑坡的各類因素(降雨、巖土體、地形等)看作是該系統(tǒng)的輸入變量，那么滑坡的發(fā)生與否(發(fā)生與不發(fā)生)則是該系統(tǒng)的輸出變量，對輸入變量和輸出變量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行研究便是滑坡的預(yù)報模型(Crozier and Eyles，1980)。目前對于滑坡的預(yù)報模型研究主要分為兩類，一是與滑坡發(fā)生有關(guān)的閾值研究，分區(qū)域預(yù)測滑坡發(fā)生的時間段，偏時間預(yù)測；二是根據(jù)已知滑坡點繪制滑坡敏感性圖，一般不考慮誘發(fā)因素的影響，偏空間預(yù)測，因此，本文主要對前者進(jìn)行介紹。根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)斜坡巖土體的孔隙壓力到達(dá)失穩(wěn)狀態(tài)的臨界條件時，滑坡才能發(fā)生，而孔隙壓力與地下水的狀態(tài)相關(guān)，雨水下滲又增加了地下水的補(bǔ)給，從而誘發(fā)滑坡，因此，這是通過對降雨量的研究預(yù)報滑坡的理論基礎(chǔ)。通過閾值計算對滑坡進(jìn)行預(yù)報是目前地質(zhì)災(zāi)害研究的熱點，現(xiàn)階段的閾值研究通常采用降雨、土壤含水量；或者其他水文地質(zhì)參數(shù)，這些參數(shù)往往具有區(qū)域性，因而降雨型滑坡預(yù)報幾乎都是根據(jù)區(qū)域特點計算降雨閾值而建立的。

2.1 降雨閾值

降雨閾值是研究引發(fā)滑坡的降雨下限或臨界降雨，通過對誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的歷史降雨事件進(jìn)行統(tǒng)計，以降雨時間為橫坐標(biāo)，降雨量為縱坐標(biāo)，將兩項數(shù)據(jù)繪制在笛卡爾坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)或者雙對數(shù)坐標(biāo)中，然后利用相關(guān)的統(tǒng)計分析軟件(如R語言、SPSS軟件)，對這些數(shù)據(jù)點的下限水平線進(jìn)行擬合，即可得到該區(qū)域的降雨閾值示意圖(圖6)。該曲線中前期降雨強(qiáng)度小，從“0點”開始，降雨強(qiáng)度明顯增大直到滑坡發(fā)生。臨界降雨量則是指這段時間內(nèi)的累計降雨量，閾值研究則是想通過降雨量變化的曲線來推斷滑坡發(fā)生的時間，建立一個經(jīng)驗公式，可以用來作為滑坡啟動的降雨判據(jù)(陳洪凱等，2012)，是目前降雨型滑坡還未得到標(biāo)準(zhǔn)答案的難點問題，通常采用過程降雨閾值模型、前期降雨閾值模型或者其他類型的組合模型進(jìn)行研究。

2.1.1 過程降雨閾值

過程降雨閾值是對引發(fā)滑坡的降雨強(qiáng)度的閾值進(jìn)行研究，通過對降雨歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其滑坡發(fā)生時所需要的降雨強(qiáng)度，即一定時間內(nèi)的降雨速率，該時間段可以是短時，小時降雨量、日降雨量等；也可以是長時間觀測，以該階段的降雨量平均值進(jìn)行表示。不同的時間尺度上，過程降雨閾值模型的確定也就相對復(fù)雜，且在不同的空間尺度上，閾值也不盡相同。目前包括四種模型：降雨強(qiáng)度—歷時(ID)；使用年均降雨量(MAP)或其他參數(shù)；過程累積雨量—歷時(ED)；過程累積雨量—降雨強(qiáng)度(EI)。其中，降雨強(qiáng)度—歷時關(guān)系在世界各地降雨預(yù)報中使用頻率最高。

(1)降雨強(qiáng)度—歷時(ID)

該模型最早由Caine(1980)提出，可用下式表示：

I=C+∝×Dβ

(2)

式(2)中：I為誘發(fā)滑坡體等地質(zhì)災(zāi)害的降雨強(qiáng)度，短歷時取整個降雨事件的峰值數(shù)據(jù)，長歷時則取平均值/(mm/h)；D為誘發(fā)滑坡的降雨事件歷時/h；α、β均為統(tǒng)計參數(shù)；C≥0。

該模型中的降雨歷時D取值范圍為1～100 h，全球各區(qū)域的ID模型閾值可通過意大利的水文地質(zhì)研究保護(hù)所的降雨閾值庫進(jìn)行查詢。國內(nèi)外地區(qū)的ID模型參數(shù)統(tǒng)計見表1。

(2)年均降雨量閾值(MAP)或其他參數(shù)

不同區(qū)域之間引發(fā)滑坡的降雨閾值是不同的，一些學(xué)者則根據(jù)研究區(qū)的氣候特點采用當(dāng)?shù)氐慕涤炅刻卣鲾?shù)據(jù)進(jìn)行閾值計算，較為少用，偏經(jīng)驗性與區(qū)域性。

(3)累積降雨量—歷時關(guān)系閾值(ED)

滑坡的發(fā)生在一定程度上與一個降雨事件的相關(guān)性較大，因此有些學(xué)者將累計雨量與降雨歷時進(jìn)行分析，具體表達(dá)式如下：

E=C+∝×Dβ

(3)

式(3)中：E為累積降雨量/mm；D、α、β、C意義單位同上。

(4)累積降雨量—平均降雨強(qiáng)度(EI)

使用平均降雨強(qiáng)度I，式(3)中的降雨歷時D：

E=C+∝×Iβ

(4)

2.1.2 前期有效降雨量模型

降雨誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害是一個過程性問題，前期降雨量會直接影響到地下水水位和土壤含水量的變化，這也是誘發(fā)滑坡的重要因素。意大利東北部的滑坡研究表明，當(dāng)前15天的累計降雨超過200 mm時，滑坡的發(fā)生與2天內(nèi)降雨量是否大于200 mm有很大的相關(guān)性，當(dāng)大于200 mm時，總會發(fā)生滑坡(Kohler and Linsley,1951)，也就是說前期降雨量較大時，即便在較低的降雨強(qiáng)度下，滑坡也有可能發(fā)生，但前期降雨量會隨著時間增大而衰減，前期降雨量示意見圖7。如何界定有效的前期降雨量也是重要的研究問題。

Kohler and Linsley(1951)采用獲取的水文數(shù)據(jù)來測定地表徑流，確定降雨對徑流的影響；Crozier(1999)則將其引入降雨誘發(fā)滑坡預(yù)報研究，用于計算前期降雨量指數(shù)API(A ntecedent Precipitation Index),該指數(shù)計算公式如下：

Pa0=KR1+K2R2+…+KnRn,0

(5)

式(5)中：Pa0為相對0d的經(jīng)校正的前期有效降雨量；R1為滑坡發(fā)生前一天的降雨量；Rn為滑坡發(fā)生前第n天的降雨量，K為土層中水流出的衰減系數(shù)。

許多研究者主要采用上式或者對其略做修改后作為計算前期有效降雨量的方法，根據(jù)研究區(qū)特點選擇合適的n和K。下表為一些研究學(xué)者的計算公式，現(xiàn)有各種前期有效降雨量計算方法見表2。

在公式(5)中，滑坡發(fā)生前的每天降雨衰減都獨立的，但事實中并不以天為單位遞減，每天的降雨衰減速度與其前一天的降雨事件相關(guān)，在此基礎(chǔ)上，李長江等(2011)學(xué)者建立了基于降雨—滑坡分形關(guān)系的前期有效降雨量模型：

(6)

式(6)中：PEa為相對滑坡發(fā)生時(0 d)的前期有效降雨量；α為標(biāo)度指數(shù)；Pi為0 d前第i天的降雨量

筆者對國內(nèi)以前期降雨量為參數(shù)的降雨臨界閾值確定進(jìn)行了統(tǒng)計，國內(nèi)一些地區(qū)的降雨量閾值研究方法見表3。

2.2 前期土壤含水量模型(ASWM)

除了考慮降雨閾值與滑坡的關(guān)系外，降雨導(dǎo)致的土壤含水量和潛在蒸發(fā)量變化也會直接導(dǎo)致滑坡的發(fā)生，因此可以通過建立土壤含水量與滑坡是否發(fā)生之間的關(guān)系對滑坡進(jìn)行預(yù)報(廖忠湞等，2019)。土壤含水量一方面可以通過布設(shè)監(jiān)測設(shè)備獲取，另一方面可以根據(jù)收集到的降雨、氣溫和潛在蒸發(fā)量與土壤屬性進(jìn)行計算。該模型在已知降雨數(shù)據(jù)和土體含水量數(shù)據(jù)的條件下，計算滑坡發(fā)生的概率，采用土體含水量指數(shù)進(jìn)行表示。土體水狀態(tài)指數(shù)有兩種表達(dá)形式：土體含水量不足量(DS<0)和日降雨過剩量(EP≥0)。

DS0=DS1-(P0-PE0)

(7)

式(7)中：DS0是土體含水量不足量；DS1是第0天的前一天土體含水量不足量；P0是第0天的降雨量；PE0是第0天潛在蒸發(fā)量。當(dāng)DS0≥0時，土體飽和，過剩雨量出現(xiàn)，土體具有正的孔隙水壓力的特征，其作用是滑坡發(fā)生的前期因素。

日降雨過剩量EP的表達(dá)式為：

EP0=(P0-PE0)-DS1

(8)

式(8)中：EP0是第0天的降雨過剩量。將經(jīng)過衰減計算后的過剩降雨量進(jìn)行累計后，就構(gòu)成了正的土壤含水量指數(shù)。

EPa0=KEP1+K2EP2+…+KnEPn

(9)

該模型可以通過氣象站提供的日蒸發(fā)量和降雨量對土壤含水量進(jìn)行校正，結(jié)合上式計算出每天的前期土壤含水量，根據(jù)歷時滑坡數(shù)據(jù)建立的回歸方程計算出下一天達(dá)到滑坡條件下的土壤含水量閾值的所需的日降雨量，然后進(jìn)行預(yù)報(譚萬沛和韓慶玉，1992)。

2.3 水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性模型

前兩個模型均需要收集研究區(qū)歷時滑坡發(fā)生時間及對應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)才能開展閾值計算，對于歷史數(shù)據(jù)不充分的區(qū)域便無法運用。水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性則是通過物理模型，考慮滑坡體本身的力學(xué)特性、土層厚度等特征，將研究區(qū)按評價單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)提取坡度等地形數(shù)據(jù)，對斜坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行計算，從而確定失穩(wěn)時對應(yīng)的臨界降雨量。該模型所需的物理參數(shù)較多，因空間差異使得較難大范圍地應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

(10)

式(10)中：k為滲透系數(shù)，由斜坡的巖土性質(zhì)決定；t為潛在滑體厚度/m；b為斜坡體的過水寬度；θ為潛在滑面傾角，近似取斜坡坡度；A為區(qū)域柵格匯水面積；γ為斜坡坡體物質(zhì)的重度；γw為地下水的重度；c為有效內(nèi)聚力；φ為有效內(nèi)摩擦角。

國內(nèi)學(xué)者崔鵬等(2011)以汶川為研究區(qū)，在收集其地形數(shù)據(jù)、巖土體物理屬性的基礎(chǔ)上，采用該模型對其降雨閾值進(jìn)行計算，研究滑坡啟動的臨界降雨條件，并統(tǒng)計不同海拔、坡度內(nèi)的閾值柵格數(shù)量。國外學(xué)者(Wilkinson et al.，2002)在歷史數(shù)據(jù)不充分的情況下，將坡地水文模型與斜坡穩(wěn)定性相結(jié)合，并結(jié)合GIS技術(shù)，實現(xiàn)區(qū)域的滑坡降雨閾值區(qū)劃，對降雨型滑坡災(zāi)害預(yù)警有重要借鑒意義。

3 長輸管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用

張洪奎(2020)指出，模型研究與監(jiān)測數(shù)據(jù)都是為了最終的預(yù)報預(yù)警。目前預(yù)報預(yù)警的研究區(qū)域多為地質(zhì)地貌、氣象水文環(huán)境相對一致的區(qū)域，而長輸管道線路的研究較少。由于長輸管道沿線所跨區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境及氣候條件差異很大，很難以一個通用的閾值模型對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報，因此在管道沿線地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作中，必須結(jié)合管道沿線的地質(zhì)環(huán)境、氣象水文進(jìn)行分區(qū)域的模型研究。

冼國棟等(2019)對蘭成原油管道途經(jīng)區(qū)域劃分為黃土高原區(qū)、秦嶺大巴山高中山區(qū)和四川盆地區(qū)三個地貌單元，分別構(gòu)建相應(yīng)的評價指標(biāo)體系進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性評估，利用GIS因子疊加技術(shù)，采用綜合模型將三段線路的危險性劃分為五個等級，但其研究成果偏向于空間上評估預(yù)測，未能從時間上及時對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報。也有學(xué)者在對管道沿線區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)實時的氣象信息計算前期有效降雨量，當(dāng)降雨數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定好的閾值時便發(fā)出預(yù)警信息(白利平等，2007)，該監(jiān)測預(yù)警工作首先采用遙感技術(shù)對全線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行普查和識別，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管道沿線區(qū)域的易發(fā)性評估，分重點地布設(shè)北斗微位移監(jiān)測設(shè)備，并且采用前期有效降雨量模型和臨界降雨閾值設(shè)定了四個預(yù)警等級，對管道類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測起到一定的借鑒參考意義，但其臨界降雨閾值是通用的，并未結(jié)合其易發(fā)性分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。徐輝和海知(2019)通過北斗微位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，與降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，建立了北斗系統(tǒng)與氣象預(yù)報融合的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可以很好的在線路工程中應(yīng)用。

如何將空間上的評估結(jié)果和降雨閾值結(jié)合起來進(jìn)行預(yù)報是管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的研究重點和難點，加之管道一般遠(yuǎn)離居住區(qū)，其地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)在很多情況是缺失的，無法構(gòu)成降雨與滑坡發(fā)生之間的統(tǒng)計關(guān)系，這也說明通過統(tǒng)計分析的方法進(jìn)行臨界降雨閾值的計算在多數(shù)情況下是不可行的。在上述的預(yù)報模型研究介紹中，水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性模型可能是管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測一個比較好的解決方案，該模型通過計算斜坡穩(wěn)定性來確定臨界降雨量閾值，計算公式(10)中滑體厚度t一般需要現(xiàn)場踏勘測量潛在滑坡點進(jìn)而獲得，其他參數(shù)可通過查閱《工程地質(zhì)手冊》及利用ArcGIS軟件分析獲得，且其臨界降雨量的計算結(jié)果具有空間性，并非整個區(qū)域的通用閾值。綜上，長輸管道等行業(yè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測可首先采用遙感技術(shù)(SAR、高分影像)進(jìn)行潛在災(zāi)害點的識別，若歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)充分，可采用降雨閾值的方法計算臨界降雨量，對沿線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實時監(jiān)測及預(yù)報，若歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)不充分，可對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查并采集潛在滑坡體厚度數(shù)據(jù)，結(jié)合斜坡不穩(wěn)定模型計算降雨閾值，從而進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報。

4 總結(jié)與展望

降雨與滑坡發(fā)生之間存在著非常緊密的關(guān)系，有關(guān)的研究也非常之多，但其發(fā)生啟動機(jī)理以及預(yù)警預(yù)報工作仍有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展。首先應(yīng)立足于滑坡本體的研究，聚焦于坡體結(jié)構(gòu)、地層巖性、水文條件等基礎(chǔ)地質(zhì)條件，探究滲流、水壓力、抗剪強(qiáng)度等內(nèi)部參數(shù)對滑坡啟動之間的關(guān)系，總結(jié)降雨型滑坡的啟動機(jī)制理論研究。同時著重于工程應(yīng)用，對于降雨等氣象條件在滑坡預(yù)警預(yù)報中的規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下降雨與滑坡發(fā)生之間的關(guān)系。總結(jié)降雨與滑坡之間的預(yù)警預(yù)報模型，提出降雨強(qiáng)度的計算方法以及預(yù)警閾值等參數(shù)。

目前利用GPS、GIS、北斗定位等技術(shù)，聯(lián)合地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對滑坡體進(jìn)行實時監(jiān)測，通過對其巖土體形變位移的研究，評估其所處的狀態(tài)以及預(yù)測未來的發(fā)展趨勢?；诨掳l(fā)生發(fā)展的一般規(guī)律，以物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為其發(fā)展階段的標(biāo)志。并結(jié)合降雨模型及閾值的研究，建立二者互相驗證、互相校核的預(yù)警預(yù)報體系。近些年出現(xiàn)的InSAR監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警當(dāng)中，其高精度、高分辨率、全天候、范圍廣等特點，在災(zāi)害和地表形變監(jiān)測中逐步成為一個新興方向，其良好的應(yīng)用前景可結(jié)合常規(guī)的降雨、含水率、物聯(lián)網(wǎng)等參數(shù)組成一個可靠的驗證體系，搭建一個基于上述多手段、多數(shù)據(jù)的災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為工程安全和人民生命安全服務(wù)。