湖北省英山县地质灾害与降雨的相关分析

张长城，李 云，李永辉

(湖北省地质局 武汉水文地质工程地质大队,湖北 武汉 430051)

由于受地质条件复杂、人类工程活动强烈、降雨丰沛等影响,湖北省地质灾害发生频率高、种类多、分布广、灾情重。其发生不仅由所处斜坡的基础地质条件决定,而且受多种外界因素的诱发影响。在这些诱发因素中,降雨是其中最重要的因素之一[1]。国内外很多学者从暴雨的频次、降雨历时、降雨量、周期变化、降雨类型等多方面研究地质灾害与降雨之间的相关性[2-6],从而用于某些地区的区域地质灾害预警研究与服务中。目前很多研究从省、直辖市和自治区,甚至地级市尺度对辖区内地质灾害和降雨之间的关系进行分析[7-11],但是县级地质灾害和降雨的相关性研究还相对比较薄弱,湖北省英山县地质灾害数量多、分布广、危害重,在详细调查基础上,本文借助数学统计手段,通过分析该县地质灾害发生量与降雨量的关系,从而总结两者的相关性规律,以期为该县地质灾害气象预警和防灾减灾工作提供科学依据。

1 环境地质背景

英山县属长江中下游北亚热带温润季风性气候。县域雨量充沛,年降雨量在916.7～2 128.1 mm之间,年平均降水量为1 462.0 mm,降水量逐月分布呈“单峰型”,主要集中在5—8月,月最大降雨量可达772.9 mm(1991年7月)。在季节分布上,以夏季最多,春秋次之,冬季最少,春夏季雨水多。受区域位置和地形地貌控制,灾害性强降雨和持续降雨时有发生。如2015年“6·17”和2016年“6·19”、“6·30”强降雨,波及全县11个乡镇,根据英山县雨量观测站统计资料显示,这三次强降雨24 h降雨量分别达170.3 mm、211.1 mm和186.4 mm,均为大暴雨。

英山县位于湖北省东部的大别山区。地形北、北东高,南、南西低。北部大别山主峰——天堂寨向东北延伸,构成了云峰顶、石鼓寨、五峰山、黄梅尖等一系列山峰,再向西分支为三列山脊,夹着东、西两条大河,贯穿全境,形成“三山夹两河”的基本轮廓。地形地貌特征主要由构造剥蚀中山区、构造剥蚀低山区、构造剥蚀丘陵区、河谷地貌区四种组成,其中以构造剥蚀丘陵区为主。

英山县域属大别山变质岩区,出露地层主要为上太古界—下元古界大别山(岩)群、中元古界红安岩群七角山(岩)组、塔耳岗(岩)组及上元古界耀岭河组以及第四系零星分布。县域内侵入岩极为发育,分布广泛,岩浆活动期主要为早元古代。另外,区内部分地段出露有古生代、中生代侵入岩。英山地质构造形成年代古老,地质变运次数较多。影响最大的是大别—吕梁运动、印支运动、燕山运动,因而地壳褶皱强烈,断层发育,破碎构造较多。全境绝大部分属于北东向弧形构造带、淮阳山字形构造—脊柱两大地质构造体系。

2 地质灾害概况

2.1 主要类型

英山县地质灾害广泛发育。根据英山县地质灾害详细调查成果[12],截至2016年12月,发育地质灾害点399处,灾害类型主要为滑坡、崩塌、泥石流和不稳定斜坡,其中滑坡219处,占54.89%；不稳定斜坡134处,占33.58%；崩塌29处,占7.27%；泥石流17处,占4.26%(图1)。地质灾害类型主要以滑坡为主,不稳定斜坡次之。

图1 地质灾害类型统计饼状图Fig.1 Statistical pie chart of geological disaster types

2.2 时间分布特征

(1) 按年份分布。地质灾害在年际分布上差异性明显,据对1957—2016年60年间有时间记录的地质灾害分布情况统计,境内共发生地质灾害399处,灾害集中分布在2002—2016年的15年内,共有灾害点340处,占85.21%,尤以2016—2014、2012和2003年发生的灾害点较多。

(2) 按月份分布。根据调查灾害点发生时间按月份统计分析,境内地质灾害一般集中发生在6、7月(图2),其中发生于6月份的有185处,占46.37%；7月份的有160处,占40.10%,其他10个月共计发生地质灾害54处,仅占13.53%。由此可见,地质灾害的发生在月份上分布不均。

图2 地质灾害时间分布直方图Fig.2 Histogram of geological hazard time distribution

3 地质灾害与降雨关系

3.1 发生频率与年降雨量的关系

英山县1957—2016年发生地质灾害频次与年降雨量的关系如图3。年降雨量在1 400～2 000 mm的区间范围内,共发生地质灾害数量314处,表明地质灾害发生的频率周期与年降雨量周期存在一定的相关性。

图3 滑坡发生频次与年降雨量关系图Fig.3 Relationship between landslide frequency and annual rainfall

3.2 发生频率与月降雨量的关系

对区内发生的地质灾害和降雨情况进行分析,暴雨主要集中在4—8月份,占全年的67.97%；多年月平均降雨量也以4—8月最多,占全年的87.78%；而区内地质灾害主要集中在5—8月,尤其以6—7月发生地质灾害数量最多,占总数的86.47%。

由上述分析可知,区内地质灾害的发生时段与降雨集中期的时间非常吻合,说明区内地质灾害主要集中发生于雨季。地质灾害的发生与月暴雨频率及月平均降雨量呈正相关(图4、图5)。

图4 地质灾害数量与月降雨量关系图Fig.4 Relationship between the number of geologicaldisasters and monthly rainfall

3.3 发生频率与当日降雨量的关系

日降雨量对地质灾害特别是群发性地质灾害起着主导作用,一场降雨强度越大,对应发生地质灾害的延后时间越短。按照降雨强度的标准,可以将降雨分为小雨、中雨、大雨、暴雨4个等级,其对应的降雨强度分别为：10 mm/d以下、10～25 mm/d、25～50 mm/d、50 mm/d以上。对区内399处因降雨诱发地质灾害与当日降雨量进行分析，得到表1。由统计结果可知,有75.69%的地质灾害发生当日有降雨,说明降雨对地质灾害的产生有直接控制影响。有47.88%的地质灾害发生当天降雨强度为大雨或暴雨,可以看出地质灾害与大雨的关系十分密切。有97处地质灾害发生当天无任何降雨,但近90%的地质灾害发生前10 d内至少降过一次中雨及其以上的雨；降雨使得土体饱水滑体重量增加、下滑力增加、滑带的抗剪强度减小,导致斜坡稳定性降低,存在间接引发地质灾害的可能,表现为区内部分地质灾害具有“滞后性”的特点。

图5 地质灾害频率与暴雨频率关系图Fig.5 Relationship between geological disaster frequencyand rainstorm frequency

表1 地质灾害数量与当日降雨量关系表Table 1 Relationship between number of geological disasters and daily rainfall

4 地质灾害与降雨量和降雨强度的相关分析

本文运用相关性分析方法对地质灾害与降雨量进行分析,通过计算相关系数反映二者之间的相关性。相关系数是描述两个测量值变量之间的离散程度的指标。用于判断2个测量值变量的变化是否相关,即一组数据与另一组数据的关系的分析(正相关、负相关、不相关)。设(X,Y)为二元随机变量,那么：

式中:ρ为随机变量X和Y的相关系数,是度量随机变量X和Y之间线性相关密切程度的数字特征。

4.1 地质灾害与降雨量的相关性

考虑降雨量导致某种灾害发生或复活,常常是一年之中某次特征参数最大的降雨,如多日最大降雨、最大一次连续降雨、最长一次连续降雨、最强一次连续降雨或最大组合降雨等。为了确定哪一个降雨量与滑坡的发生关系更密切,即探讨临界降雨量的值该用什么变量来确定,对逐月滑坡的发生次数与滑坡发生前1个月的降雨量因子进行了逐步回归分析,计算出滑坡与各降雨量因子的相关系数。计算结果见表2。

表2 地质灾害与降雨量因子相关性分析结果Table 2 Analysis results of correlation between geological disastersand rainfall factors

持续强降雨型降雨诱发地质灾害,在强降雨过程中地质灾害具有同步发生的特点,地质灾害发生与其前1 d降雨量相关系数为0.983；在降雨强度不大但连续降雨过程中,地质灾害具有一定的滞后效应,即此时降雨诱发地质灾害需要一定的雨量积累,地质灾害的发生需要一定的孕育过程。由表2可知,地质灾害发生与其前1 d、4 d降雨量相关系数最高,分别为0.983和0.854；在地质灾害大规模发生后,诱发新的地质灾害雨量阈值提高。

4.2 地质灾害与降雨强度的相关性

不同的降雨强度对滑坡的影响是不同的。按照降雨强度的标准,可以将降雨分为小雨、中雨、大雨、暴雨和特大暴雨5个等级,其对应的降雨强度分别为：10 mm/d以下、10～25 mm/d、25～50 mm/d、50～100 mm/d和100 mm/d以上。为了确定哪一种降雨强度与灾害发生的相关性更大,选取了7项降雨强度因子,分析了滑坡与降雨强度因子的相关性,结果见表3。

表3 地质灾害与降雨强度因子相关性分析结果Table 3 Analysis results of correlation between geological disasters and rainfall intensity factor

由表3可见,境内地质灾害的发生随着降雨强度呈正相关,即降雨强度越大则灾害越易被诱发,其中暴雨和特大暴雨对地质灾害发生的相关系数分别为0.609 和0.835。因此暴雨和特大暴雨对地质灾害(主要是滑坡灾害)的影响是极其重大的,甚至直接导致灾害的发生。

5 结论

(1) 从灾害类型可看出,区内地质灾害类型主要以滑坡为主,占地质灾害总数的55.89%,其次为不稳定斜坡,占33.58%；按地质灾害发生时间分布,1957—2016年间,地质灾害主要分布在2016—2014、2012和2003年,这与这些年份降雨集中分布及近年来人类工程活动加剧有关。

(2) 从灾害发生年份分析,年平均降雨量在1 400～2 000 mm的区间范围内,发生地质灾害数量最多；从灾害点发生月份分析,境内地质灾害一般集中发生在6、7月。日降雨量对地质灾害特别是群发性地质灾害起着主导作用,有75.69%的地质灾害发生当日有降雨,说明降雨对地质灾害的产生有显著影响,并且主要受暴雨和特大暴雨影响。

(3) 从地质灾害与降雨量的相关性分析可知,地质灾害发生与其前1 d、4 d的降雨量的相关性较为显著,相关系数分别为0.983、0.854。从地质灾害与降雨强度相关性分析可知,英山县境内地质灾害的发生随着降雨强度呈正相关,即降雨强度越大则灾害越易被诱发,尤其是暴雨和特大暴雨对地质灾害影响较大,相关系数分别为0.609和0.835。

(4) 英山县地质灾害点多面广,雨灾同期,危害程度大小不一。本文的研究为理解该县域地质灾害的孕育特征、诱发条件提供了可靠依据,同时使得地质灾害预警和监测工作能够更加合理有效地开展,对地质灾害区域预警水平和防灾减灾实践具有重要意义。