广西北部湾经济区台风暴雨引发的地质灾害风险评价

曾维刚，吴 福

(广西地质环境监测总站，广西 桂林 541004)

广西北部湾经济区台风暴雨引发的地质灾害风险评价

曾维刚，吴 福

(广西地质环境监测总站，广西 桂林 541004)

台风暴雨是诱发广西北部湾经济区地质灾害的重要因素，通过对影响地质灾害发育程度的地层岩性、力学性质、断裂构造、人类工程活动、降雨、坡度、地形起伏度等因素的量化解析，划分地质灾害易发区。统计分析地质灾害专业监测数据，取得诱发地质灾害的有效雨量、临界有效雨量等参数，以此构建地质灾害风险评价模型。经验证，该模型有一定的时效性，可以在北部湾经济区地质灾害预警预报工作中提供一定的基础及应用。同时可以为经济区工程建设提供部分参考。

量化解析;有效雨量;临界有效雨量;专业监测数据;风险评价

0 引言

广西北部湾经济区(下称经济区)地处北部湾北部，每年都有台风暴雨发生，诱发了数量较多的地质灾害。随着经济区整体定位的提升，经济的快速发展，加剧了经济区地质环境问题和增高地质灾害的发生风险，研究台风暴雨诱发经济区地质灾害发生的规律，进而构建相关风险评价系统，对维护人民生命和财产安全具有一定的意义。

1 经济区基本概况

经济区包括南宁、北海、钦州、防城港等四个地级市所辖行政区划范围，地理坐标：东经107°19′36″～109°51′56″，北纬20°54′16″～24°02′05″，土地面积4.25×104km2。

北部湾经济区依山傍海，总的地势由北向南逐渐降低，从最北面的低中山——丘陵地形逐渐过渡为低山台地进而为滨海平原(地面高程多为0～200 m)。区内有大明山、十万大山、云开大山等山脉。构造上属南华准地台的桂中—桂东台陷、云开台隆、右江再生地槽、钦州残余地槽、北部湾拗陷构造单元，以断裂为主，走向主要为北东-南西向，其次为北西及近东西向。经济区出露了寒武系-第四系的所有地层，以寒武系、志留系、泥盆系、石炭系、三叠系及侏罗系分布最广。

自2003年起，广西地质环境监测总站完成了经济区内所有县(市)1∶10万地质灾害调查与区划工作，2008～2015年，广西地质环境监测总站完成经济区内浦北县、灵山县、宾阳县、横县1∶5万地质灾害详细调查。基本查明了经济区的地质灾害发育现状、规模、分布特征。经统计，经济区内各市地质灾害发生数量：钦州市2 160处，北海市149处， 防城港市300处，南宁市1 194处；其中灾害隐患点2 370处，重大地质灾害隐患179处。

为有效防治地质灾害，在上级主管部门广西区国土资源厅的大力支持下，广西地质环境监测总站2008年启动了地质灾害自动专业监测站建设。在经济区浦北县官垌小学、灵山县丰塘中学等地质灾害隐患点边坡上建立了26处实时雨量、边坡土体含水率监测点。26处监测点当中有10处设立在花岗岩风化层边坡，6处设立在碎屑岩坡残积层边坡，4处设立在红层碎屑岩坡残积层边坡，1处设立在碎屑岩夹碳酸盐岩坡残积层边坡，4处设立在碳酸盐溶余堆积层边坡，1处设立在第四系粘土砾石层当中，覆盖了经济区内主要边坡类型。监测数据通过中国电信GPRS网络发到广西地质环境监测总站中心机房，为地质灾害气象预警预报服务。这些监测数据成为地质灾害成因分析的重要基础(图1)。

图1 广西地质灾害专业监测网络数据平台Fig.1 The professional geological hazards monitoring network data platform of Guangxi

2 地质灾害易发程度分区

地质灾害风险评价的基础首先是划分评价区的地质灾害易发程度。影响经济区地质灾害发育的主要因素有地层岩性、断裂构造、人类工程活动、降雨、坡度、地形起伏度[1]。利用ArcGIS软件平台将地层岩性、断裂构造、坡度、地形起伏度等地质环境背景因素，强降雨、村庄建设、道路建设、采矿活动等地质灾害发生的诱发因素进行解析。

(1)地层岩性

将经济区内花岗岩、石英闪长岩、千枚岩、片岩、砾岩、砂岩、石英砂岩、硅质岩、泥质砂岩、页岩、泥岩、钙质砾岩、砾岩、砂岩、石英砂岩、泥质砂岩、页岩、泥岩、不分类的黏土岩、石灰岩、白云岩、泥灰岩等22种主要岩类划分其在不同地层中的比例，并计算其力学强度及软化系数。

(2)断裂

断裂构造切割、挫动地层，控制岩石节理裂隙的密度与展布，导致岩石的风化破碎，因此是影响地质灾害发生的一个重要因素。北部湾经济区断裂按照其规模分为普通断裂和深大断裂，普通断裂一般影响范围1～5 km，深大断裂一般影响范围5～30 km。根据其分布，取最大影响范围。计算其影响程度及两种断裂加权影响程度及范围。

(3)地形地貌因素

地形坡度、曲率对斜坡应力分布、地表水径流与冲刷、地下水、松散物质堆积及植被分布等具有影响。

(4)人类工程活动解析

人类工程活动是诱发地质灾害的重要因素，其中影响较大的是农村削坡建房、不进行边坡处理的县乡级公路及其等级以下道路建设工程、采矿活动。根据2014年北部湾经济区自然村、矿山及县、乡道路工程现状，分别计算绘制北部湾经济区村密度、矿山密度图、道路密度图。以上数据是进行概化解析，与实际情况有一定的出入。这里引入分辨率为8 m的绿色光谱卫片，作为地表植被破坏，即人类工程活动强弱的指标。

(5)降雨

降雨是诱发滑坡、崩塌地质灾害的主要因素。特别是超常强度降雨最易导致群发性的崩塌、滑坡、泥石流地质灾害。受北部湾经济区南部易受台风暴雨影响，根据经济区各地降雨量数值，计算绘制年均降雨量及月均降雨量分级图 以上图件解析的栅格尺度为15 m×15 m。

将以上各因素分别与崩塌、滑坡、泥石流地质灾害密度进行矩阵相关分析。计算公式：

(1)

式中：r——相关系数；Oi——A栅格单元矩阵样本值O1、O2、O3……On；

Pi——B栅格单元矩阵样本值P1、P2、P3……Pn；

按照公式(1)通过崩塌(危岩)、滑坡、泥石流地质灾害与以上不同因子之间的两两计算，计算结果见表1。

表1 各影响因子与经济区崩塌、滑坡、泥石流地质灾害密度相关系数表

(6)评价因子的综合计算分析

根据表1的计算结果，分人类工程活动、岩性、力学参数、断裂影响、地形地貌等因素，分别计算其影响程度。计算公式为：

RLi=∑(Kct×CTi+Kdl×DLi+Kks×KSi)

(2)

YXi=∑(Kqm×QMi+Kpy×PYi+Khgl×HGLi

+Kly×LYi+Khly×HLYi+Kny×NYi+……+

Khy×HYi+Kysy×YSYi+Khg×HGi)

(3)

YLi=∑(Kgky×GKYi+Ksky×SKYi+Krh×RHi)

(4)

DLi=∑(Kddl×DDLi+Kpdl×PDLi)

(5)

DMi=∑(Kpd×PDi+Kpoq×POQi+Kpiq×PIQi)

(6)

JYi=Kyjy×YJYi

(7)

式中：K为表1当中的相关系数，RLi、CTi、DLi、KSi分别为栅格i人类工程活动强度、村屯密度、道路密度、矿山密度，其余的计算因子见表1。

按照表1中的数据，通过公式(2)～(7)，在ArcGis软件平台，利用栅格加权叠加工具，分别计算出人类工程活动因素、岩性因素、岩石力学因素、断裂影响因素、地貌因素栅格图。

(7)地质灾害易发程度分析计算

地质灾害的发生主要受自然因素及人为因素影响。根据以上计算的人类工程活动强度因素、岩性因素、岩石力学因素、断裂影响因素、地貌因素，以此计算崩塌(危岩)、滑坡泥石流地质灾害的易发程度大小[2]。

计算公式为：

Ri=∑(Rli/Vrlmax×2.5+YXi/Vyxmax×1.5

+YLi/Vylmax×1.5+DLi/Vdlmax×0.5+

DMi/Vdmmax×0.5)

(8)

式中：Ri——栅格i地质灾害易发程度值；Rli——栅格i人类工程活动对地质灾害影响值；Vrlmax——类工程活动对地质灾害影响栅格图最大值；

YXi——栅格i岩性因素对地质灾害影响值；

Vyxmax——岩性因素对地质灾害影响栅格图最大值；

YLi——栅格i岩石力学因素对地质灾害影响值；

Vylmax——岩石力学因素对地质灾害影响栅格图最大值；

DLi——栅格i断裂因素对地质灾害影响值；

Vdlmax——断裂因素对地质灾害影响栅格图最大值；

DMi——栅格i地貌因素对地质灾害影响值；

Vdmmax——地貌因素对地质灾害影响栅格图最大值。

经前述计算结果：人类工程活动因素、岩性因素、岩石力学因素、断裂影响因素、地貌因素栅格图，按照公式(8)计算，在ArcGis软件平台，利用栅格加权叠加工具，计算出经济区崩塌、滑坡、泥石流地质灾害易发程度图。

经济区易发程度分3个等级，计算值1～3，为地质灾害低易发区，面积23 321.09 km2，占经济区陆地总面积(不含岛屿，下同)的55.75%，主要分布在北海市区、合浦县、钦州市钦南区、防城港市上思县、东兴市、南宁市江南区、武鸣县、宾阳县、横县、隆安县等地势平缓、人类工程活动相对较弱的碎屑岩、红层碎屑岩、碳酸盐岩区；计算值4～6，为地质灾害中易发区，面积16 192.18 km2，占经济区陆地总面积的38.71%，主要分布在防城港市防城区板八乡-钦州市钦北区大寺镇-浦北县平睦镇，北东向展布的深大断裂影响带当中的碎屑岩、红层碎屑岩、花岗岩区，南宁市青秀区-邕宁区南阳镇等人类工程活动强烈的红层碎屑岩区；计算值7～10，为地质灾害高易发区，面积2 319.97 km2，占经济区陆地总面积的5.54%，主要分布在防城港市防城区峒中镇-钦州市钦北区大峒镇-灵山县寨圩镇，北东向展布的深大断裂影响带当中的花岗岩、碎屑岩高陡边坡区，南宁市宾阳县昆仑山周边花岗岩高陡边坡区域，其中钦州市浦北县城也处于地质灾害高易发区当中(图2)。

图2 经济区(崩、滑、流)地质灾害易发程度图Fig.2 The occurrence level of geological hazards district (collapse, slide, flow) in Economic Zone

3 经济区台风暴雨与地质灾害关系及有效雨量

(1)经济区台风暴雨与地质灾害关系的分析

北部湾的台风暴雨主要来源于西太平洋台风、南海和北部湾区域内生成的热带风暴。从地质灾害发生数量分析，2007年、2008年、2009年、2010年、2013年、2014年为较少的年份(2015年无台风影响)，台风期间地质灾害占比分别为13.64%、43.04%、17.95%、22.22%、9.72%、25.58%；2006年、2011年地质灾害数量较多，同时是台风(热带风暴)诱发地质灾害的高发年，台风(热带风暴)期间地质灾害占比分别达到97.64%、78.57%(图3)。北部湾经济区地质灾害发生数量受台风(热带风暴)带来的暴雨影响显著[3]。

图3 北部湾经济区2006年至2014年地质灾害数量与台风关系图Fig.3 The relationship of the number of geological hazards and typhoon from 2006 to 2014 in Beibu Gulf Economic Zone

(2)诱发地灾灾害的有效降雨量

一次降雨事件发生后,降雨量并不能完全作用斜坡体，同时地质灾害发生的也受累积降雨量的影响,而不仅仅是当日降雨量，降雨诱发的地质灾害是通过雨水下渗到坡体内部,对坡体产生作用而发生的，即有效雨量[4]。

通过对地质灾害专业监测点数据分析，北部湾经济区诱发地质灾害的有效雨量，最多累积前5天的降雨量。

其关系曲线为：

Y=K0×Y0+K1×Y1+K2×Y2+

K3×Y3+K4×Y4

(9)

式中：Y——有效雨量;Y0——当天降雨;K0——当天降雨的有效系数，在北部湾经济区，根据监测数据与当天降雨量的相关分析，为0.534;

Y1——前1天降雨;

K1——前1天降雨的有效系数，在北部湾经济区，根据监测数据与当天降雨量的相关分析，为0.403 6;

Y2——前2天降雨;

K2——前2天降雨的有效系数，在北部湾经济区，根据监测数据与当天降雨量的相关分析，为0.22;

Y3——前3天降雨;

K3——前3天降雨的有效系数，在北部湾经济区，根据监测数据与当天降雨量的相关分析，为0.20;

Y4——前4天降雨;

K4——前4天降雨的有效系数，在北部湾经济区，根据监测数据与当天降雨量的相关分析，为0.196。

(3)诱发地灾灾害的临界有效雨量

根据2006年至2015年广西突发性地质灾害与降雨强度的之间的关系统计。北部湾经济区诱发地质灾害的临界有效雨量为当地历年月均降雨量的30%。

4 地质灾害风险评价

(1)风险评价模型建立

根据前述的数据整理分析，构建北部湾特殊气象条件下(台风、暴雨)地质灾害风险评价模型[5]。

Ri=(Yiv有效/Yic)×Si×(Vi/Vvmax)

(10)

式中；Ri——为栅格i灾害风险程度指数，越高代表其风险程度越高；

Yiv——为栅格i有效降雨量；

Yic——为栅格i临界有效降雨量，北部湾经济区临界雨量为栅格i历年月均降雨量×0.3。

Si——为栅格i地质灾害易发程度值；

Vi——为栅格i人口财产等量值；

Vvmax——为人口财产等量值栅格图最大值。

(2)模型验证

为验证北部湾特殊气象条件下(台风、暴雨)地质灾害风险评价模型，选择2011年9月30日至10月8日期间，201117纳沙台风带来的暴雨期间，验证北部湾经济区2011年10月1日地质灾害发生的风险(这一天发生的地质灾害数量较多)。

根据广西气象局气象台站的监测数据，分布绘制2011年9月26日至10月1日的日降雨量等值线图。按照公式(9)计算2011年10月1日的有效雨量(图4)。根据公式(10)计算经济区2011年10月1日地质灾害风险(图5)。

(3)评价结果分析

通过提取各个地质灾害点的信息。发现所发生的地质灾害点风险值均超过3，大部分超过4。风险值较低的点，其降雨量较小。分析其原因，是降雨监测点没有覆盖到这些点的周围，以至降雨插值数据出现偏差，影响了计算结果。

图4 2011.10.1北部湾经济区有效降雨分布图Fig.4 Effective rainfall division in Beibu Gulf Economic Zone in 2011.10.1

图5 2011.10.1北部湾经济区地质灾害风险分布图Fig.5 The risk of geological hazards division in Beibu Gulf Economic Zone in 2011.10.1

5 结论

基于ARCGIS10.0软件平台，解析了北部湾经济区基础地质环境背景，包括地层的岩性分类构成、力学参数、构造，降雨(历年月均降雨、重点时段每天降雨)、人类工程活动(分辨率8 m绿色光谱卫片解译)、地形地貌(1∶5万尺度DEM)。解析尺度为15 m×15 m。

通过历年地质灾害调查数据与岩性分类构成、力学参数、构造、人类工程活动的矩阵相关分析，得到了其相关系数，以此计算绘制了北部湾经济区的地质灾害易发区划图。

解析台风、强降雨期间突发性地质灾害的时空分布、岩性构成、力学参数、实时降雨等参数，提取广西地质灾害专业监测网络相关监测数据。通过SPSSV21软件平台进行数据分析。求取了有效降雨量、诱发地质灾害的临界有效雨量。进一步构建北部湾经济区强降雨条件下地质灾害风险评价模型，并进行了验证。

该模型可以在北部湾经济区地质灾害预警预报工作中提供一定的基础及应用。同时可以为经济区工程建设提供部分参考。

存在的问题：

(1)区域历史降雨数据每个县区只有一个站点，基于这些数据构建的区域降雨资料，不能完全反映北部湾经济区降雨的实际情况。应进一步收集整理各气象站点每小时尺度的降雨资料，构建更接近经济区实际降雨分布的基础数据。

(2)广西地质灾害专业监测网络正在建设完善当中，其数据量还有累积的空间。需要进一步加强这方面的工作。

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Risk assessment on geological disaster caused by typhoon and rainstorm in Beibu gulf economic zone of Guangxi zhuang autonomous region

ZENG Weigang,WU Fu

(GuangxiGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Guilin,Guangxi541004,China)

Typhoon and rainstorm are the important factors in evoking geological disasters in Guangxi Beibu Gulf Economic Zone. Through quantitative analysis on those affecting the development of geological hazards such as formation lithology, mechanical properties, fracture structure, human engineering activities, rainfall, slope, relief of topography, etc.,geological hazards prone areasare able to be divided and identified. In order to building a risk assessment model of geological disasters, statistical analysis of professional monitoring datas of geological hazards and obtainment of effective rainfall, critical effective rainfall as well as other parameters are necessary.Proven that it has a certain timeliness, the model can help provide certain basic applications in warning and forecasting geological disasters for Beibu Gulf Economic Zone. Meanwhile, it can be applied into the construction of economic zone for reference.

quantitative analysis; effective rainfall; the criticality of effective rainfall; professional monitoring data; risk evaluation

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.19

2016-07-15;

2016-08-04

广西科学研究与技术开发计划项目北部湾经济区特殊气象条件下(台风、风暴潮、暴雨)地质灾害防治研究(桂科攻0992027-7)

曾维刚(1967-)，男，广西人，高级工程师，主要从事水工环地质工作。E-mail:zengwg@163.com

P694

A

1003-8035(2017)01-0121-07