黄土地质区域降水规律分析与气象预警研究

代永江

(沈阳市水利规划院，辽宁 沈阳 110044)

1 引言

黄土地质因其地质条件的特殊性而易产生不同于一般地质的灾害特点，加之我国幅员辽阔，不乏具有黄土地质的边坡地质灾害发生，由此引起诸多学者对黄土地质灾害破坏模式的重点关注[1-5]。随着研究内容的深入，黄土地质灾害的破坏模式和机理有了长足的进步，目前诸多研究转向黄土地质灾害的预报研究[6-8]。许强[9]结合近年来在滑坡监测预警实践中的研究成果和经验教训，重点就滑坡监测和预警方面的一些问题提出了自己的认识。但目前鲜见针对黄土地质灾害气象预警研究，因此本文以豫西黄土为研究区域，对黄土地质灾害气象预警研究进行重点研究。

2 项目概况

豫西黄土主要分布于三门峡、洛阳区域，灵宝—三门峡盆地—伊洛盆地间除河滩之外的广大地区，分布面积约1.1万平方公里。豫西黄土主要分布于三门峡、洛阳区域，灵宝—三门峡盆地—伊洛盆地间除河滩之外的广大地区。豫西西接关中，东靠中原，北临黄河，南接蜀汉，区位优势明显。豫西地区处于我国地势第二级阶梯向第三级阶梯的过渡地带，地形千差万别，落差大，较大的河流有洛河、伊河等，均是黄河支流。郑西客运专线、陇海铁路横贯东西，310国道、209国道、连霍高速公路、郑卢高速公路、洛(宁)—三(门峡)公路穿境而过，黄河三门峡公路大桥连接南北，与省道314(郑三线)、省道318(洛陕线)、省道249(三洛线)共同构成骨干交通网络，交通较为便利。

3 区域降水规律分析

3.1 区域降水规律分析

随着现代气象业务系统的完善，目前研究区共计分布81个自动气象雨量监测站点(见图1)。根据研究要求以及雨量监测站点资料的可靠性、完整性，选取位于三门峡、灵宝、卢氏以及渑池等四个国家站点开展区域降水规律分析。所收集整理的数据来自于气象部门整编资料，1961年～2014年共54年三门峡、灵宝、卢氏、渑池等四个站点单站日降水资料。

图1 研究区气象站点分布图

3.2 降水规律统计分析方法

(1)线性趋势法

计算气象要素的线性倾向值b和气象要素的时间序列与自然数数列之间的相关系数r(称为趋势系数)，用xi表示样本量为n的气候变量，用ti表示所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归(见式1)，即：

xi=a+btii=1，2，3，4，…，n

(1)

(2)累积距平法

研究过程中采用累积距平法(见式2)对三门峡地区年降水趋势变化进行分析，分析方法如下：

(2)

3.3 三门峡降水时空分布特征

根据三门峡市以及周边地区多年平均降水资料绘制分析了三门峡地区多年平均降水空间分布特征图(图2)，降水空间上总体由南至北呈减少趋势，多年平均降水约为540 mm～840 mm之间。

图2 豫西地区多年平均降水空间分布特征图

4 地质灾害气象预警研究

4.1 降水诱发崩塌灾害统计预报模型

国内相关研究表明，诱发崩塌的内因是地质结构类型，外因是自然因素和人为因素，降雨是导致崩塌地质灾害发生的主要外在诱发因子。此次研究过程中突出降水这一主要诱发因素，在不考虑地质因素等内因的基础上结合收集到降水资料以及崩塌发生时间，开展降水诱发崩塌灾害的统计预报模型的建立。

(1)数据来源与处理

根据收集整理的崩塌地质灾害数据，共计收集整理崩塌灾害数据102处，其中灾害发生详细时间等信息齐全的崩塌灾害共计37处。本次崩塌灾害预报统计模型围绕着37处崩塌展开，并收集整理崩塌发生前30日的日降水资料。

(2)有效降水量的引入及其权重系数

有效降水量指对当日滑坡、泥石流、崩塌等地质灾害发生时的临界降雨量，其值等于前期各日降雨量与其影响系数乘积之和，见式3。

(3)

式中：ai为影响系数；Ri为每日降水量；R′为有效降水量；i为天数，i=0表示当天，i=1表示前1 d，以此类推。

Ri为已知量，若能确定出影响系数ai，便能算出有效降水量R。结合豫西地区37个崩塌个例、降水数据，对崩塌时间、降水量、崩塌发生次数三者之间的关系进行统计分析(见表1)。

在此，采用指数函数对(见式4)表1中的崩塌发生频次-崩塌发生前天数进行拟合，可以得到前期降水对崩塌灾害发生的影响系数，其拟合率可达到99%。

表1 崩塌时间、降水量、发生次数三者之间的关系

a(x)=45.75e-1.13x+2.845

(4)

式中：x为崩塌发生前第几天，如崩塌当天，x=0；崩塌前1 d，x=1；a(x)是崩塌前第x天的降水权重系数。

降水随时间对崩塌发生的贡献变化曲线见图3。

图3 降水随时间对崩塌发生的贡献变化图

结合式3和式4，可得到诱发崩塌灾害发生的有效降水量可用如下关系表示(式5)：

(5)

式中：R′为有效降水量；Rx为每日降水量；x为天数，x=0表示当天，x=1表示前1 d，以此类推。

(3)有效降水量的计算及与预报模型建立

强降水不仅对当日崩塌有显著影响，而且在连续降水时各日的降水量对崩塌有着不同大小的影响。引入的有效降水量的概念，考虑了灾害之前各日的降水量对本次灾害贡献的累积降水量，其计算公式应是灾害之前各天降水量对本次灾害的贡献率乘以其对应时间的日降水量的总和。显然离崩塌发生时间越近的降水量对本次崩塌的贡献率越大。

依次利用公式(5)计算分别计算本次参与建模的37个崩塌灾害的有效降水量，计算崩塌灾害发生的概率，统计分析有效降水量-崩塌灾害发生概率关系(见图4)。

图4 有效降水量与崩塌灾害发生概率关系图

对图4采用3次多项式函数进行拟合，见公式(6)：

P(R′)=3.1×10-3R′3-0.2669R′2+8.0363R′+0.4349

(6)

式中：P(R′)是在有效降水量为R的情况下，崩塌灾害发生的概率。

图4中的光滑曲线是式(6)的函数曲线，和实际资料拟合很好，拟合率达到99.35%，而图中的点是根据37个崩塌资料计算得出的。从图4还可看出，随着有效降水量的增加，灾害发生概率在迅速增加，当有效降水量大于10 mm时，崩塌灾害发生的可能性就达到了50%左右，当有效降水量达40 mm时，崩塌灾害发生概率达90%左右。

4.2 降水诱发滑坡灾害统计预报模型

4.2.1 数据来源与处理

根据收集整理的研究区滑坡地质灾害数据，共计收集整理滑坡灾害数据114处，通过对比滑坡发生时间降水情况，可发现：114处滑坡中有105处因降水诱发(见表2)，体现了“十滑九水”这一经验统计。在此基础上整理了105处发生前30日的日降水资料，开展滑坡统计预报模型的建立。

表2 滑坡诱发因素统计分析

4.2.2 降水权重系数的计算

结合研究区105个滑坡个例、降水数据，对滑坡发生的时间、降水量、发生次数三者之间的关系进行了统计分析(见表3)。

表3 滑坡发生时间、降水量、发生次数三者之间的关系

在此，采用指数函数对(见式7)，对表3中的滑坡发生频次-发生前天数进行拟合，可以得到前期降水对滑坡灾害发生的影响系数，其拟合率可达到99.0%。

a(x)=60.59e-1.16x+1.77

(7)

式中：x为滑坡发生前第几天，如滑坡当天，x=0；滑坡前1 d，x=1；a(x)是滑坡前第x天的降水权重系数。

(3)有效降水量的计算及预报模型建立

根据2014年9月14日、2011年7月24发生的2个滑坡灾害计算有效降水量的例子，依次利用公式3和7计算分别计算本次参与建模的105个滑坡灾害的有效降水量，计算滑坡灾害发生的概率，计算过程中发现2014年9月、2010年7月由于发生了区域的强降水，豫西黄土地区发生的滑坡灾害较多，为了减少计算工作量，针对区域性降水时段内发生的滑坡灾害，未对每个滑坡进行计算，仅基于区域性的降水开展滑坡有效降水量计算，统计分析有效降水量-滑坡灾害发生概率关系。

对图5采用3次多项式函数进行拟合，见公式(8)：

图5 有效降水量与滑坡灾害发生概率关系图

P(R′)=2×10-4R′3-0.0357R′2+2.9199R′+1.589

(8)

式中：P(R′)是在有效降水量为R的情况下滑坡灾害发生的概率。

5 结论

(1)在前人研究与黄土地区工程地质调查的基础上，概述了豫西地区黄土地质灾害的危害现状，分析了目前黄土地质灾害研究方面存在的关键问题，提出了当前应重点开展的研究思路和课题，为日后开展黄土地质灾害防灾减灾相关研究工作提供重要的参考。

(2)研究了豫西地质灾害气象预警，对区域的降水规律进行分析，查明了降水空间、时间的分布特征，建立崩塌、滑坡等降雨型地质灾害预警预报模型。参考河南省地质灾害气象预报预警分级划分，将预警级别划分为5级。