孝感市突发性地质灾害与降雨关系研究

王 登,张 晨,苏 昌*,张 伟,朱 飞,赵 前,张慧娟

(1.湖北省地质局 第六地质大队,湖北 孝感 432000; 2.孝感市自然资源和规划局,湖北 孝感 432100;3.孝感市气象局,湖北 孝感 432020)

孝感市是湖北省地质灾害易发区之一,地质灾害主要集中在该市“北三县”(安陆市、大悟县、孝昌县)[1]。汛期强降雨常常诱发突发性滑坡、崩塌等地质灾害,具有群集发生、危害严重的特点[2]。孝感市广泛分布的变质岩地层受多期构造运动影响,岩体结构破碎,岩性软弱,其构成的斜坡易沿片理、层面或强风化带产生变形破坏,是区内最易崩滑的岩层[3]。此外,区内第四系堆积层土体结构松散,在工程活动扰动及强降雨作用下,很容易发生滑坡地质灾害。孝感市2016年发生地质灾害94处,其中绝大部分分布在变质岩山区,给当地百姓生产、生活造成严重影响。因此,分析区内突发性地质灾害与降雨的关系,研究地质灾害临界雨量成为亟需解决的问题。

目前,国内外学者对地质灾害和降雨关系的研究主要从两个方面进行:一是研究单体地质灾害在降雨条件下的稳定性,通过试验或数值模拟的方法分析地质灾害和降雨的内在关系,探索地质灾害在降雨条件下的形成机理[4-7];二是研究区域突发性地质灾害的降雨阈值,通过统计分析的方法,研究突发性地质灾害和降雨的相关性,利用不同的指标建立模型,并将其运用于区域地质灾害气象预警预报工作[8-11]。学者们对湖北省地质灾害的研究,主要从地质条件、变形特征等方面分析其致灾内因,并进行地质灾害综合评价[12-14],而对近年来地质灾害与其主要诱发因素——降雨的关联性的研究甚少。本文以2014—2022年孝感市发生的地质灾害为研究对象,基于年降雨量、月降雨量、日降雨量、小时降雨量、降雨日数、降雨过程等因素,全面分析地质灾害突发与阵雨的关系,对孝感市地质灾害气象预警具有重要的指导意义。

1 地质环境概况

孝感市地势北高南低,北部为低山区,山峰海拔一般在500～800 m,最高峰为双峰山,海拔888 m;中部为丘陵地带,地面海拔50～150 m;南部为平原区,属江汉平原的一部分,地面海拔在50 m以下。孝感市属亚热带大陆性季风气候,四季分明,温暖湿润,光照充足,雨量充沛[15]。年降雨量一般为940～1 280 mm,70%的降雨集中在5—9月。

孝感市北部广泛分布一套中深变质岩—混合岩系、白垩系红层,西北部大洪山地区出露有震旦系—志留系沉积岩系,表层风化强烈,岩性软弱破碎;南部平原区主要出露新近系、第四系沉积岩系。

2 地质灾害概况

2014—2022年孝感市发生地质灾害166处,其中滑坡132处、崩塌34处;中型2处、小型164处(表1)。这些地质灾害主要分布在孝感市北部低山区,其中大悟县发育50处、孝昌县发育51处、安陆市发育65处。

表1 2014—2022年孝感市地质灾害统计表

3 突发性地质灾害与降雨的关系

3.1 与年降雨量的关系

2014—2022年孝感市年降雨量为763.2～1 663.8 mm,平均值为1 166.8 mm,其中夏季(6—8月)降雨量为280.6～1 073.9 mm,平均值为569.0 mm。由图1可以看出,每年的地质灾害发生数量和降雨量具有较为一致的变化趋势。2016年为丰水年,年降雨量为历年最高,达到1 663.8 mm,较历年平均降雨量偏多42.6%,其中夏季降雨量为1 073.9 mm,较历年同期平均降雨量偏多88.7%;相应地该年发生了地质灾害94处,也为历年最多。2020年也为丰水年,年降雨量为1 631.2 mm,较历年平均值偏多39.8%,其中夏季降雨量为919.3 mm,较历年同期偏多61.6%;该年发生了地质灾害27处,仅次于2016年。2019年为枯水年,年降雨量为历年最少,仅763.2 mm,较历年平均值偏少34.6%,其中夏季降雨量为296.3 mm,较历年同期偏少47.9%;该年发生了地质灾害4处,数量较少。值得注意的是,2020年与2016年降雨量相差不大,但地质灾害数量明显减少,由94处大幅降为27处,可能有两方面的原因:一是湖北省于2018—2022年大力开展地质灾害综合防治体系建设[16-17],实施了地质灾害调(勘)查、监测与气象风险预警、工程治理与搬迁避让等工作,消除了很多地质灾害隐患点;二是2016年降雨较多且主要集中在夏季,促进了地质灾害的突发和群发,而2020年降雨虽然也较多,但夏季降雨量明显低于2016年同期,致使诱发的地质灾害有所减少。以上说明,降雨是突发性地质灾害发生的重要诱因。地质灾害发生数量与年降雨量具有同步变化趋势,即年降雨量大的年份,地质灾害发生数量也较多;夏季是强降雨高发期,降雨量与突发性地质灾害相关性更大。2018年以后,湖北省地质灾害综合防治体系建设成效显著,地质灾害发生数量与往年相比有所减少[17]。

图1 2014—2022年地质灾害与年降雨量的关系

3.2 与月降雨量的关系

孝感市受亚热带季风活动的影响,区内降雨量随季节变化明显,冬少夏多。夏季是全年降雨量最多的季节,占全年降雨量的比例超过37.1%。多年月均降雨量随时间的分布表现为单峰型曲线,峰值出现在7月,其次是6月,5—9月的汛期是降雨的主要时段,平均降雨量为846.0 mm。统计2014—2022多年月均降雨量与地质灾害数量的关系(图2),显示地质灾害发生数量与月均降雨量变化趋势一致,月均降雨量增多,地质灾害数量也随之逐渐增加。6—7月降雨频繁,降雨量最多,地质灾害数量也为全年高峰。以上说明,突发性地质灾害集中发生在汛期,发生时间与每年的月降雨量呈正相关关系。

图2 2014—2022年地质灾害与月均降雨量的关系

3.3 与日降雨量的关系

日降雨量是滑坡和崩塌发生的主要触发因素之一[18]。较大的日降雨量会增加土体中的水分含量,导致土体重量增加,土体颗粒间摩擦力减小,从而增加了滑坡和崩塌的风险。统计了2016年6月21日—7月21日孝感市的日降雨量和地质灾害发生数量(图3),发现两者之间存在一定的相关性,整体呈现较为同步的变化。当日降雨量>50 mm时,连阴雨加暴雨或区域暴雨过程容易诱发地质灾害群发。

图3 2016年6月21日—7月21日地质灾害与日降雨量的关系

3.4 与降雨日数的关系

地质灾害的发生不仅与降雨量有关,还与降雨历时密切相关[19]。地质灾害的发生存在滞后性,与最大降雨量不同时[20]。对于连续性降雨来说,降雨开始的当天并不一定会诱发地质灾害,因为此时斜坡可能还未饱和,岩土体的各项强度指标尚未降到最低值,斜坡还处在稳定状态。但是随着降雨时间的增加,雨水逐渐渗入坡体,岩土体从非饱和状态逐渐转变为饱和状态,含水量增加,坡体自重增大,抗剪强度下降,当下滑力大于抗滑力时,斜坡就会出现变形,进而引发滑坡等地质灾害。利用SPSS软件统计分析了孝感市地质灾害与前期降雨日数的关系(图4),可以看出两者之间存在很强的关联。以占地质灾害总数79.5%的滑坡为例,当降雨日数为0 d时,滑坡发生数量与其相关性系数就能达到0.7;当降雨日数为2 d时,滑坡发生数量与其相关性最明显,相关性系数超过0.9;当降雨日数再增加时,相关性系数就开始降低,当降雨日数为4 d时,相关性系数还能超过0.5;当降雨日数为7 d时,相关性系数略高于0.1;当降雨日数≥8 d时,相关性系数已不足0.1。以上说明,滑坡的发生与前7 d的累计降雨量存在关联(相关性系数>0.1),与前4 d的累计降雨量关系密切(相关性系数>0.5),与前2 d的累计降雨量关系最为密切(相关性系数>0.9),降雨当天引发滑坡的可能性也较大(相关性系数>0.7)。这一规律与孝感市地质环境背景有关,由于孝感市地质灾害易发区主要位于北部变质岩地区,浅表层低强度的岩土体较发育,因此降雨时间较短时,就足以诱发地质灾害[21]。

图4 2014—2020年地质灾害与降雨日数的关系

3.5 与小时降雨量的关系

部分地质灾害发生在降雨停止后,存在一定滞后性[20]。以2016年7月1日为例,分析当天发生的地质灾害数量与小时降雨量的关系。由图5可以看出,地质灾害不是在降雨初期发生的,而是在降雨8 h之后才发生,原因是入渗雨量需达到一定量时,斜坡坡体强度才会降低,进而引发地质灾害。

图5 2016年7月1日地质灾害与小时降雨量的关系

4 突发性地质灾害与临界雨量的关系

2016年6月21日—7月21日,孝感市正值梅雨期,有3次明显的连续降雨过程,即6月21—27日、6月30日—7月8日、7月18—21日(图6)。上述3次连续降雨过程的累计降雨量分别达到126、364、239 mm,期间发生的地质灾害分别有16、50、9处,合计75处,占全年地质灾害总数(94处)的79.8%。另外7月15日有短时降雨,发生了2处地质灾害。

图6 2016年6月21日—7月21日地质灾害与连续降雨的关系

图7展示了2016年6月21—27日的降雨过程,当累计降雨量达到80 mm时,地质灾害开始发生;当累计降雨量达到120 mm时,地质灾害开始群发。将地质灾害点投影在孝感市岩性分布图(图8)上,可以看出10处地质灾害发生在变质岩区,占该时段地质灾害总数的62.5%;发生在岩浆岩区、碎屑岩区、碳酸盐岩区的地质灾害分别有2、1、3处。将地质灾害点投影在孝感市坡度分布图(图9)上,可以看出在坡度为>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的区域,分别发生了5、6、3、2处地质灾害,坡度>25°的区域共发生了11处,占比68.8%。将地质灾害点投影在孝感市相对高差分布图(图10)上,可以看出在相对高差为>50、30～50、10～30、0～10 m的区域,分别发生了4、6、4、2处地质灾害,相对高差>30 m的区域共发生了10处,占比62.5%;相对高差>10 m的区域共发生了14处,占比87.5%。

图7 2016年6月21—27日地质灾害与降雨的关系

图8 连续降雨期地质灾害与岩性的关系

图9 连续降雨期地质灾害与坡度的关系

图10 连续降雨期地质灾害与相对高差的关系

图11展示了2016年6月30日—7月8日的降雨过程,降雨规模较大,当累计降雨量达到250 mm时,地质灾害开始群发。有36处地质灾害发生在变质岩区,占该时段地质灾害总数的72.0%;分别有7、4、3处地质灾害发生在岩浆岩区、碎屑岩区、碳酸盐岩区(图8)。在坡度为>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的区域,分别发生了12、14、18、6处地质灾害,坡度>8°的区域共发生了44处,占比88.0%(图9)。在相对高差为>50、30～50、10～30、0～10 m的区域,分别发生了8、21、12、9处地质灾害,相对高差>10 m的区域共发生了41处,占比82.0%(图10)。

图11 2016年6月30日—7月8日地质灾害与降雨的关系

图12展示了2016年7月18—21日的降雨过程,当累计降雨量达到50 mm时,地质灾害开始发生;当累计降雨量达到250 mm时,地质灾害开始群发。9处地质灾害全部发生在变质岩区(图8)。在坡度为>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的区域,分别发生了2、3、3、1处地质灾害,坡度>8°的区域共发生了8处,占比88.9%(图9)。在相对高差为>50、30～50、10～30、0～10 m的区域,分别发生了5、2、1、1处地质灾害,相对高差>10 m的区域共发生了8处,占比88.9%(图10)。

图12 2016年7月18—21日地质灾害与降雨的关系

综上所述,当累计降雨量达到50 mm时,单点地质灾害开始发生;当累计降雨量达到120 mm时,坡度>25°和相对高差>30 m的变质岩区会群发地质灾害;当累计降雨量达到250 mm时,坡度>8°和相对高差>10 m的变质岩区会群发地质灾害。

孝感市滑坡、崩塌等地质灾害的发生与降雨的种类和强度关系密切,超过90%的地质灾害出现在雨天,尤其是雨中或雨后不久,且降雨强度越大、持续时间越长,出现群发型地质灾害的概率就越大。阴雨连绵过程中的局部暴雨所引发的地质灾害数量最多,尤其是局部突发性大暴雨和特大暴雨,引发的地质灾害往往突发、成灾快速且破坏严重。基于孝感市地质灾害发生的临界雨量分析,可进行地质灾害易发性分区的气象预警等级划分[22]。当累计降雨量≥50 mm时,高易发区容易发生单点突发性地质灾害,应将高易发区设为黄色预警;当累计降雨量≥120 mm时,地质灾害极易群发,应将高易发区设为橙色预警、中易发区设为黄色预警;当持续强降雨,累计降雨量≥250 mm、最大雨强≥100 mm时,地质灾害更极易群发,应将高易发区设为红色预警、中易发区设为橙色预警、低易发区设为黄色预警。

5 结论

(1) 降雨是孝感市地质灾害突发、群发的重要诱因,地质灾害发生数量与年降雨量、月降雨量和日降雨量呈正相关关系,降雨量越大,地质灾害发生数量越多。

(2) 降雨历时也是孝感市地质灾害发生的重要影响因素,部分地质灾害的发生存在一定滞后性,多发生在降雨8 h之后;与前7 d的累计降雨量存在关联(相关性系数>0.1),与前4 d的累计降雨量关系密切(相关性系数>0.5),与前2 d的累计降雨量关系最为密切(相关性系数>0.9)。

(3) 通过对孝感市地质灾害发生的临界雨量的分析,认为当累计降雨量达到50 mm时,单点地质灾害开始发生;当累计降雨量达到120 mm时,坡度>25°和相对高差>30 m的变质岩区会群发地质灾害;当累计降雨量达到250 mm时,坡度>8°和相对高差>10 m的变质岩区会群发地质灾害。

(4) 上述认识为孝感市地质灾害气象风险预警模型中前期降雨日数和临界雨量的设置提供了参考依据。