降雨对广西碎屑岩地区地质灾害的影响研究*

许英姿　卢玉南　范　广　范皓然

降雨对广西碎屑岩地区地质灾害的影响研究*

许英姿①②卢玉南③范广①范皓然①

(①广西大学土木建筑工程学院南宁530004)

(②广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁530004)

(③广西华蓝岩土工程有限公司南宁530001)

摘要广西碎屑岩区分布广泛，岩石风化作用强烈，节理裂隙发育，覆盖层厚薄不一，降雨作用下易发生地质灾害。本文采用统计方法分析了降雨天数、降雨强度、有效降雨量等降雨要素对广西碎屑岩区地质灾害的影响。结果表明，广西碎屑岩区地质灾害与灾害发生前5d降雨相关性较好，当降雨强度大于50mm·d-1(即暴雨)或前期累积降雨量超过230mm时，地质灾害发生的概率大大增加，并由此确定出广西碎屑岩区降雨量危险等级划分标准，为该区域地质灾害预警预报提供理论依据。

关键词广西碎屑岩分布区降雨地质灾害统计分析

(①College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004)

(②Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety，Nanning 530004)

(③Guangxi Hualan Geotechnical Engineering Co．，Ltd．，Nanning 530001)

0引言

我国是地质灾害最严重的国家之一，地质灾害的发生由两方面决定：一方面是斜坡的基础地质条件，另一方面是各种外界因素的诱因。在众多诱发因素中，降雨尤其是强降雨是最重要因素之一。国内外很多学者对降雨与地质灾害的关系进行了研究：Gupta et al.(1997)通过对巴西9个地区滑坡记录的统计，研究得出降雨与滑坡事件之间的统计关系。 Corominas et al.(1999)研究 Llobregat 的河盆地区的降水与滑坡的关系时发现，在没有前期降水的情况下，当一天的降水量达到 30mm 时，该区可能诱发大面积的滑坡灾害； 当降雨强度中等、持续时间较长，每天的降水量达到 40mm 时，该地区可能诱发泥石流灾害； 当降雨持续几周且降水量达到 200mm 时，该地区最有可能诱发滑坡灾害。Lumb(1975)研究发现滑坡与前期降水有明显的联系。陈丽霞等(2008)统计分析江西地区滑坡与降雨的关系后指出，江西6月份最易发生滑坡。林孝松(2001)研究重庆市滑坡与降雨之间的关系发现，滑坡灾害的发生与降雨量、降雨历时、降雨强度和降雨形式关系密切。吴正华(2001)通过研究北京地区泥石流与降雨的关系，揭示了前期降水量是泥石流发生的潜在因素。崔云等(2011)以重庆黔江流水湾滑坡为例，提出强降雨对滑坡的关键控制作用。王滔等(2012)研究山阳县的地质灾害后发现当日降雨量大于60mm时，将会发生大范围、大规模的地质灾害，泥石流灾害也将进入高发期。

广西碎屑岩区广泛分布在桂北、桂东、桂南和桂西的大部分县、市，面积为129283.67km2，占全区总面积的54.78%，主要分布在桂林市、百色市大部地区； 河池市西北部、柳州市西北部、南宁市区的东部、横县东部、宾阳县西北部、上林县北部； 崇左市的天等县、大新县、崇左市区北部； 梧州市的藤县、蒙山县； 贺州市的昭平县； 玉林市的博白县东北部； 贵港市的港南区、桂平市等县。主要地貌类型有中山山地、低山山地和丘陵山地。其中中山山地主要分布于桂东北、桂西及桂北区域； 低山山地和丘陵山地主要分布于桂东南地区。分布区内复杂的地质条件，强烈的风化侵蚀，充沛的降雨，造成碎屑岩地区边坡频繁地失稳、诱发地质灾害，对当地居民正常的生产生活造成了严重的影响。如2008年6月12日一场暴雨在桂林市永福县一带就诱发了多处地质灾害，造成严重的经济损失。研究降雨对广西碎屑岩地区地质灾害发育的规律十分必要。

1碎屑岩地区地质灾害的类型和主要诱发因素

在收集整理2006～2013年间广西碎屑岩地区突发地质灾害的基础上，将所有的碎屑岩区的历史灾害点按坐标投影到广西行政区划图上(图1)。

图1　广西碎屑岩区地质灾害分布图Fig. 1　Geological hazard map of clastic rock areas in Guangxi Province

广西碎屑岩地区地质灾害的主要类型为滑坡、崩塌、泥石流等，统计2006～2013年间各类型突发地质灾害数量，结果如表1所示。统计结果表明：滑坡和崩塌占92%以上，是广西碎屑岩地区的主要地质灾害类型，其中滑坡占54.24%，是最主要的灾害类型。

表1　广西碎屑岩地区突发性地质灾害类型统计

诱发灾害因素的统计结果表明， 2006～2013年间的1261场突发地质灾害中以降雨为主要诱发因素的有798处，以降雨和开挖边坡两者为主要诱发因素的有945处，可见降雨和人类工程活动为碎屑岩分布地区地质灾害发生的最主要的诱发因素。

统计还表明不少区域灾害发生有群发性，群发性地质灾害发育区与强降雨关系密切，当降雨强度达到地质灾害临界降雨量后易出现群发性灾害，因此降雨尤其是强降雨是碎屑岩分布地区诱发群发性地质灾害发生的最重要的因素。

2降雨对广西碎屑岩区地质灾害的影响

降雨在不同地区、不同的地质条件下对地质灾害的影响程度有所不同，灾害发生前的降雨天数、降雨持续时间、降雨强度、有效降雨量等都可能对地质灾害的发生产生影响。本文收集整理2006～2013年间广西碎屑岩区地质灾害发生前后的降雨资料，用统计方法分别从灾害发生前的降雨天数、降雨强度、有效降雨量等几个方面来研究降雨对地质灾害的影响。

2.1降雨天数与地质灾害的关系

由于地质灾害的数量和降雨天数都是数值型样本，本次研究采用SPSS软件中的Person相关分析功能(孙逸敏， 2007)来分析广西碎屑岩分布地区地质灾害与降雨天数之间的相关性，其相关性公式为：

(1)

首先统计分析广西碎屑岩区地质灾害发生前的降雨天数与地质灾害数量的关系，式(1)中变量x为2006～2013年间广西碎屑岩分布地区发生的地质灾害数量，变量y为灾害发生前的降雨天数，分析结果(表2)。结果显示，广西碎屑岩区地质灾害与1～5d的降雨的相关系数均在0.8以上，表明地质灾害发生与灾害发生前5d降雨相关性较好。

表2　广西碎屑岩区地质灾害的发生与降雨天数的相关性

2.2降雨强度与地质灾害的关系

降雨强度是指单位时段内的降雨量。国家气象局按照24h降雨强度划分的降雨强度等级为：小雨(0～9.9mm·d-1)、中雨(10～24.9mm·d-1)、大雨(25～49.9mm·d-1)和暴雨(≥50mm·d-1)，其中暴雨还可以细分为暴雨(50～99.9mm·d-1)、大暴雨(100～249.9mm·d-1)和特大暴雨(≥250mm·d-1)3级。

2006～2013年广西碎屑岩区有详细降雨记录的地质灾害有945次，按照降雨强度等级的划分来统计不同降雨强度下碎屑岩分布区地质灾害发生的次数(图2)。结果显示，当降雨强度达到暴雨级别时地质灾害大量发生，暴雨及暴雨以上时发生的灾害有739次，占发生灾害总次数的78.2%，其中特大暴雨时发生灾害达40次。可见，地质灾害的发生与降雨强度关系密切，且与暴雨有很大的相关性。

图2　广西碎屑岩区地质灾害与降雨强度关系Fig. 2　The relationship between rainfall intensity and geological hazards in Guangxi clastic rock areas

进一步进行详细统计分析，统计不同日降雨强度引发地质灾害数量，进而确定不同雨强下地质灾害发生概率，绘出广西碎屑岩区地质灾害累积发生概率与降雨强度的关系曲线(图3)。统计结果表明，随着降雨强度的增加，灾害点数量逐渐增加。当降雨强度小于80mm·d-1时地质灾害累积发生概率有一个较快的增长过程，这是因为降雨初期土层还处于较干燥阶段，土层孔隙率较大，降雨容易渗入土层，随着降雨的持续，土体含水量不断增大，土体的强度有个急剧降低的过程，所以容易发生地质灾害； 当降雨强度在80～210mm·d-1时灾害点数的增加相对缓慢些，但还是不断地增加； 当降雨强度大于210mm·d-1地质灾害累积发生概率又出现了跳跃，灾害点的数量又进入快速增长的阶段。

图3　地质灾害发生概率与日降雨强度的关系曲线Fig. 3　The relationship curve between daily rainfall intensity and geological disasters probability

2.3有效降雨量与地质灾害的关系

地质灾害的发生不但和灾害发生当前的降雨有关，还和灾害发生前一段时间的降雨有关，有效降雨量模型既能反映前期降雨又能突出当前降雨作用，可以用来分析对地质灾害的影响。本次研究采用前期有效降雨量模型来统计分析广西碎屑岩区发生地质灾害的有效降雨量。前期有效降雨量模型的公式(Glade， 2000)为：

(2)

式中，Rc为有效降雨量； R0为地质灾害发生当天降雨量； Ri为地质灾害发生前第i天降雨量； n为所考虑的前期降雨天数； α为有效降雨系数。

本文2.1节分析表明广西碎屑岩区地质灾害与灾害发生前的5d降雨相关性较好，确定n=5； 有效降雨系数α的取值综合广西碎屑岩区具体情况，结合殷坤龙(2003)、高华喜等(2007)、李铁峰等(2006)、单九生等(2004)的研究成果，确定α=0.8。对不同有效降雨量引发地质灾害数量进行统计，进而统计相应有效降雨量下地质灾害发生概率，得出广西碎屑岩区地质灾害累积发生概率与有效降雨量的关系曲线(图4)。统计结果表明，地质灾害累积发生的概率随着有效降雨量的增加而逐渐增加，有效降雨量超过230mm后，曲线变陡，斜率增加，地质灾害发生的概率大大增加，这也进一步说明碎屑岩地区地质灾害的发生与有效降雨量紧密相关。

图4　地质灾害发生概率与有效降雨量的关系曲线Fig. 4　The relationship curve between effective rainfall and geological disasters probability

3降雨量危险性等级划分

为了方便地质灾害预警预报，可以将降雨对灾害的危险程度划分为低危险性、中危险性、高危险性和极高危险性4个等级。根据本文第2节得出地质灾害发生次数与不同日降雨量和有效降雨量所对应的特征日降雨量和特征有效降雨量的研究结果，分别按照灾害发生概率为15%、30%和50%的降雨量来确定其危险性阀值(高华喜， 2007)。分析表明广西碎屑岩区地质灾害发生的危险程度与降雨强度和有效降雨量都有密切关系，因此降雨强度或有效降雨量只要其中一个达到某个危险性阀值即可确定其危险等级。根据图3 可以确定地质灾害发生概率为15%、30%、50%的降雨强度分别为35mm·d-1、60mm·d-1、100mm·d-1，由图4 可以确定地质灾害发生概率为15%、30%、50%的有效降雨量分别为60mm、100mm、160mm，由此可以确定出根据降雨量确定广西碎屑岩区地质灾害发生的危险等级的划分标准(表3)。

表3　广西碎屑岩区诱发地质灾害的降雨量危险等级划分

4结论

(1)广西碎屑岩分布区的地质灾害发生的主要诱发因素为降雨与人类工程活动，考虑到区域灾害的群发性，则降雨为广西碎屑岩区诱发群发性地质灾害的最重要因素。

(2)通过对2006～2013年间广西碎屑岩分布地区发生的地质灾害数量与降雨之间的关系研究得出：①地质灾害发生与灾害发生前的5d降雨相关性较好； ②广西碎屑岩区降雨诱发的地质灾害中暴雨及暴雨以上发生的灾害数占地质灾害总数的76.8%，其中特大暴雨时发生的灾害占总数的34.1%。地质灾害的发生与降雨的强度关系密切，特别是暴雨及以上强度的降雨极易产生地质灾害； ③广西碎屑岩区地质灾害发生的概率随着前期有效降雨量的增加而逐渐增加，特别是当有效降雨量超过230mm时，灾害数量明显增加。

(3)根据日降雨强度和有效降雨量可以确定诱发广西碎屑岩地区地质灾害的降雨量危险等级划分标准。

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RAINFALL INFLUENCE ON GEOLOGICAL DISASTER IN CLASTIC ROCK AREAS OF GUANGXI PROVINCE

XU Yingzi①②LU Yunan③FAN Guang①FAN Haoran①

AbstractThe clastic rock areas in Guangxi province are distributed widely. There are many geological disasters in these areas. Statistical methods are used to analyze rainfall influence to geological disasters in the clastic rock areas. The factors include the number of rainfall days, rainfall intensity and effective rainfall. Results show that the relation is good between the geological disasters in the clastic rock areas and the rainfall five days before the disaster. The probability of geological disaster is increased greatly when the rainfall intensity is greater than 50mm·d-1(rainstorm) or the previous cumulative rainfall is greater than 230mm. The rainfall risk grading standards in the clastic rock areas are determined for warning and forecasting system of geological disasters in Guangxi province．

Key wordsGuangxi clastic rock areas， Rainfall， Geological disaster， Statistical analysis

DOI:10.13544/j.cnki.jeg.2016.02.002

* 收稿日期：2015-03-17; 收到修改稿日期： 2015-04-16.

基金项目：国家自然科学基金(51178124)，广西壮族自治区国土资源厅重大科研课题(GXZC2015-G3-3917-KLGB)资助.

第一作者简介：许英姿(1969-)，女，博士，教授，主要从事岩土工程、地质灾害防治等方面的研究工作. Email: xuyingzi@gxu.edu.cn

中图分类号：TU42

文献标识码：A