石阡县降雨型滑坡临界雨量的研究
2017-11-15李忠燕田其博张东海
李忠燕，田其博，张东海
(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004；3.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)
石阡县降雨型滑坡临界雨量的研究
李忠燕1,2，田其博1，张东海2
(1.贵州省气候中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省地质环境监测院，贵州 贵阳 550004；3.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州 贵阳 550002)
利用石阡县2010—2014年18起降雨型滑坡事件对应的区域气象站以及气象台站逐小时降水资料，采用统计分析的方法分析了滑坡发生前后的降水类型，建立了临界雨量的预报模型。结果表明滑坡对应的暴雨类型均属于尖峰型降水，强降雨时间都较短。滑坡的降雨量度与历时关系的分析表明可以将小时雨量大于10 mm作为石阡县滑坡的起报必要条件。基于区域气象站资料建立的滑坡预报模型表明24 h雨量(前期3d雨量)与1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相关关系。在滑坡预警预报中可以根据气象台的24 h雨量预报值(或前期3 d有效雨量)及1 h最大雨量(或3 h最大雨量)预报值就可以及时发出滑坡预警，从而在地质灾害防御中起到重要作用。
临界雨量；区域站；滑坡；预报模型
1 引言
降水是滑坡这一地质灾害发生的主要诱导因素，可以说降水尤其是降雨强度大的降水或者历时时间较长的降水与滑坡灾害的发生有着紧密的联系，这是因为降雨的发生一方面增加了土壤的含水量，另一方面降低岩土自身的物理性能，从而改变斜坡周边的土壤条件，导致斜坡稳固性降低，从而发生滑坡[1]。据统计，我国地质灾害70%以上发生在雨季[2-5]。近几年中国地质灾害统计研究表明，持续性降水诱发的滑坡约占总量的65%，其中局部地区的强降水导致的滑坡约占总量的43%，占持续性降水诱发滑坡总量的66%[6]。降雨诱发的滑坡和泥石流因其触发机制具有发生时间短且大多发生在夜间的特点，每年都会给人民的生命和财产造成巨大的损失。因此，研究降雨型滑坡发生的临界雨量再结合气象部门的临近预报日益成为目前滑坡预报工作的有效途径，也是目前技术条件下有效的预报方法。
目前确定诱发滑坡的降雨阈值的研究一方面是通过基于边坡稳固性分析的力学方法进行确定，另一方面是基于滑坡发生时的降雨数据建立统计预报模型的分析方法来确定[7]。降雨诱发滑坡阈值的概念首先由Caine[8]提出来。它是基于滑坡发生时的降雨数据的客观统计事实得到的经验型降雨阈值，之后大量研究中将这种经验型降雨阈值作为预测滑坡灾害发生的判据。经验型降雨阈值不需要严格的数学推导和物理规律，是一种基于滑坡发生时的降雨数据的统计模型，因降水数据客观易得，因此相对于边坡稳固性分析的力学方法而言，经验型降雨阈值发展较为成熟。
考虑到区域气象站的建站时间，选取2010以来石阡发生的18起由于强降水导致的滑坡，利用石阡县气象观测站以及区域气象站逐小时雨量资料，通过统计的方式确定出发生滑坡的致灾临界雨量。利用这个临界雨量结合临近天气预报就有可能及时发现险情、及时发出预警，起到防灾减灾及气象保障服务工作的作用，从而有力地推进贵州省气象灾害风险管理工作。
2 资料
考虑到贵州自动气象站建立时间因素的影响，以石阡县近几年以来18起滑坡事件(表1)作为石阡县降雨型滑坡临界雨量的研究对象，根据滑坡发生点的经纬度坐标信息，选取滑坡发生点最近的区域气象站或气象观测站(图1)小时雨量数据作为滑坡临界雨量研究的基础数据。
表1 石阡县滑坡事件统计表Tab.1 Statistical table of 18 landslides occurred at Shiqian
图1 气象观测站及区域气象站的分布图Fig.1 Distribution of meteorological observation stations and automatic meteorological stations
3 降雨型滑坡临界雨量分析
3.1 降雨类型分析
利用石阡县18起滑坡事件对应的逐小时降水资料，分析其滑坡发生前48 h至滑坡发生当日降水类型。降雨型滑坡的降水类型根据降雨峰值的形态可划分成2种类型[9]，即尖峰型(降水强度出现一个或多个峰值)和波动降水型(降水强度较均匀，其峰值不明显)，其中尖峰型又分为单峰型、双峰型和多峰型。石阡县18起降雨型滑坡的降水类型都属于尖峰型降水，可以说这18起均属于降雨型滑坡事件。图2～图3给出了石阡县2种尖峰型的逐小时降雨量度情况。可以看出，这2次滑坡的降雨特征具有相同点，也存在不同之处。对于贵州石阡县2014年5月25日滑坡点对应R6818站的雨量过程线来说，前期48 h降水量很小，甚至没有降水，但在滑坡发生当日，雨量过程线存在明显的峰值，即降雨量突然增大，而其它时间降雨量较小，此种降雨类型为尖峰型中的单峰型。有研究表明，引起泥石流滑坡等地质灾害发生的暴雨类型主要是以尖峰型为主[10-12]。这是因为，比较均匀的强降雨整体降雨量很大，但不能使滑坡产生破坏，此类滑坡的启动关键需要达到一定的降雨量度。而对于石阡县2014年6月4日这次滑坡来说，前期48 h降水量较大(69.6mm)，达到大雨量级，并且滑坡当日的雨量过程线也同样存在明显的峰值(最大小时雨量为100.1mm)。因此在这一次的降水过程中，出现了多个峰值，一个出现在滑坡发生之前，一个在滑坡暴发期，这也是导致2014年6月4日发生大型滑坡事件的原因。
图2 单峰型降水(贵州石阡县2014年5月25日滑坡点对应R6818站逐小时降水量时间序列)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)
图3 双峰型降水(贵州石阡县2014年6月4日滑坡点对应57734站逐小时降水量时间序列)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 降雨强度、历时分析
利用石阡县18起滑坡发生点对应的逐小时降水资料，统计滑坡发生前48 h至滑坡发生当日小时雨量>10 mm和20 mm的降雨的历时情况(图4、图5)。可以看出，对于石阡县这18次滑坡来说(图4)，小时雨量>10 mm和20 mm的降雨都主要集中在滑坡发生当天，不同的是历时不同。滑坡发生当日小时雨量>10 mm的历时为2～8 h，平均历时为4.8 h，而滑坡发生当天小时雨量>20 mm的历时为0～5 h，这表明在前期累积降水量较大的情况下，后期降雨强度虽然<20 mm/h，但>10 mm/h的情况下也有可能发生滑坡。可以看出，造成石阡的18起滑坡具有强降雨历时较短，且主要集中在滑坡发生当日的特点，且激发雨量>10 mm/h。因此，可以将小时雨量>10 mm/h作为石阡县滑坡暴发的必要条件，即当小时雨量>10 mm/h时，石阡县才有可能发生滑坡地质灾害。
图4 滑坡前期48 h至滑坡当天小时雨量>10 mm降水的历时统计结果Fig.4 Duration statistic of hourly precipitation more than 10 mm/h in one day from 48 hours before to the day landslide occurred
图5 滑坡前期48 h至滑坡当天小时雨量>20 mm降水的历时统计结果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 降雨型滑坡预报模型的建立
由于下垫面因素的复杂性，基于边坡稳定性分析的力学方法尚没成熟，但多数人认为滑坡的暴发与短时强降水以及前期有雨量都有着密切的联系[13-16]。因此，在现在区域气象站雨量资料丰富的情况下，以滑坡暴发与当日1 h最大雨量、3 h最大雨量与24 h雨量和前期3 d雨量两两组合确定不同时效的临界雨量阈值，对于滑坡预报具有一定的实际意义。这种方法可以借助气象台的临近天气预报，对滑坡的发生和发展做出提前的预报，有效地起到抵制气象灾害风险的作用。
前期有效雨量R是指滑坡暴发前对含水状况仍起作用的降雨量，它受时空的变化、辐射强度、蒸发量以及土壤渗透能力等多种因素的影响，为了正确表示含水率的实际情况，可采用下式：
Rn=R0+KR1+K2R2+K3R3+…+KnRn
(1)
n=0,1,2…，n
因为这18次滑坡存在强降雨历时时间都较短的相似性，所以我们将这18次滑坡样本结合在一起进行统计分析，同时我们选取石阡县对应时间段内未发生滑坡降水样本进行统计分析。
具体方法是以滑坡发生当日24 h雨量(或前期3 d雨量)作为横坐标，以当日1 h最大雨量(或3 h最大雨量)作为纵坐标，将发生滑坡和未发生滑坡的两组数据以不同的类型标注上，以发生滑坡的最低雨量为基值，以数据整体分布趋势为斜率做出警戒临界雨量线；以未发生滑坡的最大雨量点为基值，以数据整体分布趋势为斜率做出避难临界雨量线，从而建立滑坡发生的24 h雨量(或前期3 d雨量)与1 h最大雨量(或3 h最大雨量)的预报模型。根据石阡县区域气象站、气象台站的逐小时降水数据，运用上述方法制作出预报模型图，见图6、图7。其中临界线1和临界线2之间的区域是两组数据的落区。以预报模型为依据，根据不同的前期雨量条件对预报级别进行界定，即得到3个级别的预警阈值，分别为Ⅲ级预警(警戒临界线以下)、Ⅱ级预警(警戒临界线与避难临界线之间)和Ⅰ级预警(避难临界线之上)。对比之前的研究，这种方法的优点是可以根据前期有效雨量或者是前期1 h(3 h)最大雨强的大小，结合气象台的临近天气预报，来确定未来滑坡发生的可能性大小，从而对滑坡的发生和发展做出提前的预报。表2给出了不同的24 h雨量对应的1 h最大雨量的预警预报值(对应的3 h最大雨量的预警预报值省略)，可作为各级预报的参考值。当从预报值来看，24 h雨量与1 h最大雨量呈反相关关系，即当24 h雨量越大，激发滑坡发生所需的1 h最大雨量越小，而24 h雨量越小，1 h最大雨量越大。
从已经发生地质灾害的调查实例来看，最大雨量出现到灾害的暴发一般至少有0.5～2 h的时间间隔[17]，如果预警信息能在这个时间间隔内发布，就能起到防灾减灾的目的。
图6 发生滑坡的24 h雨量与1 h最大雨量的预报模型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
图7 发生滑坡的24 h雨量与3 h最大雨量的预报模型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
预警等级R24=50R24=100R24=120Ⅲ级预警 2．1
图8、图9建立的是前期3 d的雨量与1 h最大雨量和3 h最大雨量的预报模型，表3给出的是前期3 d雨量与3 h最大雨量的预警预报值。从预警预报值来看，3 h最大雨量与前期3 d雨量也呈反相关关系。这是因为前期土壤含水量多，发生滑坡的激发雨量就低一些，反之，如果前期土壤含水量少，激发滑坡的雨量就高一些。滑坡预报模型的建立，需要多次滑坡的降水数据进行叠加计算，这样得到的预警预报值越客观准确，所以，在以后的工作中需要不断更新滑坡灾害的数据库，得到更为准确和客观的预警预报值，从而及时发现险情、及时发出预警，起到防灾减灾，气象保障服务工作的作用，从而有力地推进贵州省气象灾害风险管理工作。
图8 前期3 d的雨量与1 h最大雨量的预报模型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
图9 前期3 d的雨量与3 h最大雨量的预报模型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
预警等级R3d=80R3d=100R3d=200Ⅲ级预警1．1
4 结论
通过对石阡县2010—2014年18起降水型滑坡事件对应的逐小时降水的各种分析，得到以下结论：
①滑坡对应的暴雨类型均属于尖峰型降水，强降雨时间都较短；不同之处在于有的属于单峰型，有的属于双峰型。
②滑坡的降雨量度与历时关系的分析表明可以将小时雨量>10 mm作为石阡县滑坡的必要条件，即小时雨量>10 mm时，石阡县才有可能发生滑坡。
③基于区域气象站资料的建立的滑坡预报模型表明24 h雨量(前期3 d雨量)与1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相关关系，即当24 h雨量(前期3 d雨量)越大，激发滑坡发生所需的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，激发滑坡发生所需的1 h最大雨量(3 h最大雨量)越大。
④就石阡县而言，利用建立的滑坡临界雨量模型和24 h雨量预报，同时借助气象台的临近天气预报，对滑坡的发生和发展做出提前的预报，有效地起到抵制气象灾害风险的作用。
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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，工程师，主要从事短期气候预测及气候变化研究工作，E-mail:523257762@qq.com。
中国气象局山洪地质灾害防治气象保障工程项目：山洪灾害风险区划和影响预评估能力建设；中国清洁发展机制基金赠款项目2013031：贵州省气候变化影响评估及应对服务；贵州省气象局青年基金项目(黔气科合QN[2017]04号)。
P426.62
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