陕北黄土粱峁沟壑区地质灾害与降雨关系浅析<br/>——以陕北延安地区2013年强降雨引发地质灾害为例

陕北黄土粱峁沟壑区地质灾害与降雨关系浅析
——以陕北延安地区2013年强降雨引发地质灾害为例

2016-06-15滕宏泉范立民向茂西贺卫中何意平张新宇

地下水 2016年1期

关键词：量级强降雨降雨量

滕宏泉，范立民，向茂西，贺卫中，何意平，张新宇

(陕西省地质环境监测总站，陕西西安 710054)

陕北黄土粱峁沟壑区地质灾害与降雨关系浅析
——以陕北延安地区2013年强降雨引发地质灾害为例

滕宏泉，范立民，向茂西，贺卫中，何意平，张新宇

(陕西省地质环境监测总站，陕西西安 710054)

[摘要]陕北黄土高原区，地质环境条件脆弱，地质灾害点多面广， 2013年7月份陕北尤其是延安地区遭受强降雨袭击，造成严重经济损失及人员伤亡，据初步统计，倒塌房屋(窑洞)约4.5万间(孔)，损毁房屋(窑洞)26.6万间(孔)，造成154.5万人受灾，因灾死亡42人(含山洪及塌窑遇难者)，直接经济损失115亿元。其中，引发滑坡、崩塌、泥流等地质灾害8 000余处，有人员伤亡及经济损失的灾情近300起，因地质灾害死亡近30人，分析在持续强降雨条件下，黄土高原地区地质灾害发生的特点及形成原因，并对引发地质灾害的临界降雨值进行了初步探讨。

[关键词]强降雨；黄土高原；地质灾害发生特点及成因；临界降雨量分析；

陕北黄土高原区梁峁沟壑发育，植被覆盖率低，地质环境条件脆弱，地质灾害点多面广，尤其是在雨季，黄土滑坡、崩塌及泥石流等地质灾害成为威胁居民安全的主要灾害类型，据调查，黄土高原地区自然条件下地质灾害发育，除与地质地貌及人为不合理工程活动有关外，降雨成为主要诱发因素[1-4]，尤其是局地强降雨或持续强降雨往往会导致大范围的地质灾害发生。研究地质灾害与降雨之间的关系对于开展地质灾害监测预警具有十分重要的意义。目前，国内外对此问题的研究主要是采用统计方法对某一地区历史地质灾害和降雨资料进行对比分析，从统计角度寻求降雨引发地质灾害的临界值[5]，从而建立日降雨量(或降雨强度)和前期降雨量模型。

2013年7月，榆林东南部、延安北部地区遭受罕见连续强降雨，延川、延长、宝塔、安塞、志丹、吴旗六县(区)发生崩塌、滑坡、坡面型泥流等地质灾害，造成房屋及窑洞受损，多处公路路堤塌方，大范围山坡植被遭到破坏，经济损失巨大。本文以此次上述地区强将降雨引发地质灾害为例，在定性分析其发生特点及成因基础上，运用统计学的方法，对地质灾害和降雨数据进行比较分析，初步探讨陕北黄土粱峁沟壑区地质灾害发生与降雨临界值或预警值，从而为该地区开展降雨引发地质灾害的防范提供参考。

1陕北2013年降雨引发地质灾害的特点及成因

2013年7月份，陕北地区尤其是榆林东南部及延安北部地区遭遇多年一遇的持续强降雨，引发了大量次生地质灾害，此次强降雨有两个特点比较突出。

(1)引发地质灾害点多面广，数量大。据陕北延安、榆林两市25个区县有人员伤亡和财产损失的地质灾害灾情统计，有16个区县发生地质灾害，共发生灾情278起，其中以延安北部吴起、志丹、安塞、宝塔、延川、延长以及榆林东南部清涧、绥德最为严重(见图1)。

(2)类型主要以坡面型泥流为主，黄土崩塌、黄土滑坡次之，破坏严重。如延川县及延长县交界处的交口镇一带，由于强降雨导致90%以上山体发生坡面泥流，造成植被破坏，道路被泥流掩埋(见图2)，延川县新建沟后沟泥流将坡体中部房屋冲毁，造成5人死亡，6间房屋毁坏(见图3)。同时，强降雨加剧了原有地质灾害隐患点不同程度发生变形，裂缝增大增多，局部出现垮塌。如延安市宝塔区万花乡前锁崖滑坡为一处原有地质灾害隐患点，滑坡体长150 m，宽300 m，厚度3～10 m，体积约27×104，此次强降雨，滑坡体中部出现裂缝，前缘地面鼓起(见图4)，坡面房屋开裂，道路塌陷，变形迹象十分明显。

图1　陕北地区地质灾害灾情分布图

图2　延长县交口镇坡面泥流

(3)发生时间集中。7月份陕北榆林东南部、延安北部地区遭受多次强降雨过程，尤其是7月7日至17日持续降雨过程中，引发了大量的地质灾害，根据对7月份延安市有经济损失及人员伤亡的地质灾害发生时间统计(见图5)，此次降雨过程引发的地质灾害数占7月份总数的87.2%。7日-11日晚上期间尚未发现较为严重灾险情，7月12日清晨，各地几乎同步出现大范围地质灾害，造成严重经济损失和人员伤亡。

图3　延川县新建沟坡面泥流掩埋房屋

图4　前锁崖滑坡前缘鼓起

图5　7月份陕北榆林、延安地区强降雨

通过现场应急调查，认为此次造成严重地质灾害灾情有以下三个因素。(1)地质地貌因素。延安市地处陕北黄土梁峁沟壑区，地表破碎，沟壑发育，地形陡峻，山体斜坡坡度一般在40°以上，第四系上更新统马兰黄土广泛分布，土体结构疏松多孔，垂直节理裂隙发育，风化强烈，是地质灾害多发的基础条件。根据延长县地形原始坡度与地质灾害关系统计，斜坡坡度在30°～50°为滑坡的高易发范围，斜坡坡度>60°时，易发生崩塌灾害，表明斜坡坡度越大，临空面越充分，边坡内应力约集中于坡脚或软弱坡面部位，易形成地质灾害[7]。(2)持续强降雨成为致灾触发因素，2013年7月1日-7月17日，陕北总降水量100～500 mm，比常年同期偏多1～3倍以上，为1961年以来降雨量最多年份。尤其是7月7日8时～12日8时持续强降雨期间，延川县累计降雨量达到322.7 mm安塞县累计降雨量超过210.9 mm，宝塔区累计降雨量达到189.5 mm，延长县累计降雨量达128.1 mm，吴旗县累计降雨量达146.4 mm，均达到或超过该地区年均降雨量一半以上(图6)，是该地区自1945年有气象记载以来降雨过程最长、强度最大的一次降雨。持续强降雨造成土体含水量增大，土体重量也随之增大，土体粘聚力及内摩擦角也迅速降低，抗剪强度减小[8]，是引发此次大范围地质灾害的主要因素。(3)不合理工程活动加剧地质灾害发生。延安地区沟壑发育，沟道狭窄，土地资源十分有限，随着近年经济快速发展，城镇建设向冲沟及附近斜坡地带扩展的趋势愈加明显，群众建房建窑多紧邻斜坡分级开挖建房、切坡修路，且未对房前屋后斜坡或公路边坡进行科学有效治理，坡体排水系统不畅，避让距离不足，是造成此次房屋受损或公路边坡垮塌严重的主要因素。加之，受人为不合理的削坡、堆载等工程活动影响，原有斜坡的平衡状态遭到破坏，从而产生卸荷、拉张和风化裂隙，在强降雨条件下极易发生滑坡和崩塌地质灾害。根据FLAC3D模拟软件对黄土边坡进行模拟，结果表明，在40 m坡高条件下，30°及45°边坡的坡脚处强度折减最为显著，从力学机制上也证明了，削坡是加剧滑坡崩塌地质灾害的重要因素。

图6　2013年7月份降雨量与年均降雨量对比图

2地质灾害与降雨量关系分析

2.1前3日累计降雨量引发地质灾害统计分析

取2013年汛期陕北榆林延安地区298起地质灾害数据分析，以当日及前3日总累计降雨量Ra作为分析对象，按每10.0 mm 一个量级对R总进行分组，共分为0.0～ 10.0 mm、10.1～ 20.0 mm，……，260.1～ 270.0 mm等27个量级，以每个量级内的地质灾害频次为纵轴，降雨量级大小为横轴作柱形图，可发现10.1～ 20. 0mm和140.1～ 150. 0 mm两个量级发生的地质灾害次数最多，而各量级的地质灾害次数均看不出规律性(见图7)。因此，为了寻求地质灾害发生与降雨的关系，进一步做总累计降雨量量级所占百分数的累积曲线(见图8)，从图中可以看出，对应累计百分比25%、50%、75%的量级分别为50.1～ 60. 0 mm、90.1～ 100. 0 mm和140.1～ 150. 0 mm，说明到达50.1～ 60. 0 mm量级时已有25%的滑塌发生了；到达90.1～ 100. 0 mm量级时有50%的滑塌发生；而到达140.1～ 150. 0 mm时将有75%的地质灾害发生。取25%百分位统计量作为该组的降雨预警值，即RH=50.1～60. 0 mm，这个预警值意味着当日及前3日累计雨量达到50.1～60. 0 mm量级时，将会有相当数量(25%)的地质灾害发生。

图7　总累计降雨量量级与地质灾害发生频次柱形图

2.2当日降雨量引发地质灾害的统计分析

取清涧县2013年5月1日至9月26日148天发生的136起地质灾害数据(前第2日降雨为0)，分析当日降雨量对与地质灾害发生关系。但从136个案例来看，数据分布仍很离散。因此按每10.0 mm 一个量级对当日降雨量进行分组，共分为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个量级，将148个地质灾害的当日降雨量归并入相应的量级中去，得到各量级下滑塌的发生次数(表1)。

图8　总累计降雨量量级所占百分比累积曲线

当日降雨量级(mm)天数(次)地质灾害发生数(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合计148136

分析发现，最多的地质灾害发生在50.1 ～ 60.0 mm的降雨量级中，有40个；其次是0.1～ 10. 0 mm量级，有30个；80.1～ 90. 0 mm量级中各有25个，70.1～ 80. 0 mm量级，有14个，40.1～ 50. 0 mm量级，有8个，其余量级中次数较少。从统计规律看，50.1～ 60. 0 mm量级的降雨量下发生的地质灾害次数最多，0.1 ～ 10.0 mm量级的降雨量下发生的地质灾害次数次之。

将降雨的天数视为次数，则在不同的日降雨量量级下有着不同的地质灾害发生次数和降雨次数，依据表1做两种次数的对比柱图(见图9)。如图左起第二条柱状说明：下38次0.1 ～ 10.0 mm的小雨，有30次能引发地质灾害。左起第六条柱状说明：下2次50.1～60.0的大雨，就可引发40次地质灾害。通过两个柱形的对比可以看到，即使在很小的降雨量级下也有地质灾害发生(只不过地质灾害发生次数比降雨次数少得多而已)，说明在较少的雨量条件下，若斜坡体内部裂隙洞穴发育并且贯通性好，斜坡体处于临界平衡状态，此时若有一定的雨水下渗即会引发坡体失稳，因此最小临界值可从开始有滑塌发生的最小降雨量级开始，即0.1～10.0 mm。往后观察各量级情况，发现从30.1 ～40. 0 mm开始，降雨次数与滑塌次数基本持平，这说明在该量级下降雨一定会诱发滑塌，因此，取30.1 ～40. 0 mm作为当日降雨可能诱发地质灾害的最大临界值，其含义是：日降雨量超过此临界值，则在研究区范围内至少有1个地质灾害发生。观察更高量级的降雨，50.1～60.0 mm，滑塌次数大于降雨次数，说明该降雨量可能诱发多个地质灾害。

图9　日降雨量量级下的降雨次数和滑塌次数对比柱形图

3结语

(1)陕北地处黄土粱峁沟壑区，地形破碎，地质环境条件脆弱，地质灾害隐患点多，植被覆盖率较低，加之，人类工程活动(削坡建窑、修路等)形成了大量的高边坡，在极端强降雨条件下，极易诱发大面积坡面泥流、滑坡、崩塌等地质灾害，2013年7月份陕北地区强降雨及其引发的地质灾害，造成严重经济损失及人员伤亡，据初步统计，倒塌房屋(窑洞)约4.5万间(孔)，损毁房屋(窑洞)26.6万间(孔)，造成154.5万人受灾，因灾死亡42人(含山洪及塌窑遇难者)，直接经济损失115亿元。其中，引发有人员伤亡和经济损失的滑坡、崩塌、泥流等地质灾害近300起，因地质灾害死亡近30人。

(2)地质灾害的发生在既定的地质地貌条件下，与降雨关系密切，即与单日降雨强度有关，还与前期累积降水量有关，单日的大到暴雨可引发地质灾害，持续性降雨也可以引发地质灾害。

(3)针对黄土丘陵沟壑区降雨引发地质灾害的特点，定量确定地质灾害发生与降雨的关系，对于提高地质灾害监测预报预警精细化水平具有十分重要意义。

参考文献

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[收稿日期]2015-09-02