黃 雯，方 瓊，王國衛(wèi)，李明波

(湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，湖南長沙 410007)

0 引言

降雨是大部分滑坡主要的誘發(fā)因素。相對(duì)于其它影響因子，降雨有兩個(gè)突出的特點(diǎn):一，降雨具有明顯的隨機(jī)性，不同時(shí)間降雨會(huì)不同，而其他物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件則是相對(duì)穩(wěn)定的;二，不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下，相同降雨量引發(fā)滑坡的概率相差很大［1］。很多國家的學(xué)者都在努力尋找不同條件下降水量與滑坡發(fā)生的關(guān)系，Onodera等以降雨過程總量作為發(fā)生滑坡的依據(jù)，提出日本過程降水量超過150mm時(shí)大量滑坡會(huì)發(fā)生滑動(dòng);Brand等對(duì)香港的滑坡與降雨資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，得出香港絕大多數(shù)滑坡是由短歷時(shí)強(qiáng)降雨誘發(fā)的，提出以小時(shí)降雨量作為發(fā)生滑坡的臨界值［2］。一個(gè)地區(qū)往往有一個(gè)臨界降雨量，達(dá)到或超過這個(gè)強(qiáng)度，就會(huì)誘發(fā)大量的滑坡。本文以茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析導(dǎo)致茶陵縣不同區(qū)域滑坡發(fā)生的臨界降雨量，并得出茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃圖，為防災(zāi)減災(zāi)的實(shí)踐提供一定的理論依據(jù)。

1 茶陵縣基本概況

茶陵縣位于湖南東部，湘江支流洣水流域，總面積2507km2。茶陵縣多年平均降水量1467.9mm，降水集中在4～6月，三個(gè)月降水量占全年總降水量的46%。日降水量最大為270.7mm。

茶陵縣西北、東南山地矗立，地勢(shì)逐漸向中部傾斜，形成一個(gè)向西南敞開的丘陵性盆地?？h內(nèi)可分為山地、丘陵、平原三個(gè)地貌類型，所占面積比例分別為55.44%、40.44%、4.12%?？h內(nèi)地形切割大、坡陡溝深，小褶皺及其次級(jí)斷裂較發(fā)育，巖體較破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育，巖石風(fēng)化嚴(yán)重，碎屑物質(zhì)豐富，殘坡積、重力堆積、沖洪積等成因類型的松散土體分布較廣。工程地質(zhì)巖組主要為較堅(jiān)硬-軟質(zhì)的厚層紅層碎屑巖組，堅(jiān)硬塊狀花崗巖組，堅(jiān)硬至軟質(zhì)厚層-薄層淺變質(zhì)巖組。

洣水及其大小支流在縣內(nèi)總長969.15km，流域面積2495km2，屬山區(qū)雨源型，80%的流量靠降水補(bǔ)給，季節(jié)性變化大。

隨著茶陵縣社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，縣內(nèi)各類工程建設(shè)日益增多，人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)主要為交通建設(shè)、采礦活動(dòng)、農(nóng)民住房擴(kuò)改建及水利建設(shè)等。

2 茶陵縣滑坡特征

滑坡是茶陵縣分布最廣、危害最大的地質(zhì)災(zāi)害類型。據(jù)全縣20個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))的地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查統(tǒng)計(jì)，縣內(nèi)共有滑坡288處，面密度11.49處/100km2，總體積591.69 ×104m3。

2.1 滑坡基本特征

縣內(nèi)滑坡以規(guī)模小型為主，全縣288處滑坡中，規(guī)模中型9處，小型279處，分別占滑坡總數(shù)的3.12%和96.88%;縣內(nèi)滑坡以土質(zhì)滑坡為主，全縣土質(zhì)滑坡245處，占滑坡總數(shù)的85.07%;碎塊石滑坡29處，占滑坡總數(shù)的10.07%，巖質(zhì)滑坡14處，占滑坡總數(shù)的4.86%。縣內(nèi)滑坡以淺層滑坡為主，厚度一般2～6m，共283處，占滑坡總數(shù)的98.26%;中層滑坡5處，占滑坡總數(shù)的1.74%。

2.2 滑坡的誘發(fā)因素

縣內(nèi)滑坡以綜合因素誘發(fā)為主，共229處，占全縣滑坡的79.51%。綜合因素包括自然因素和人為因素。人類工程活動(dòng)破壞了斜坡原有的平衡穩(wěn)定條件，在降雨作用尤其是暴雨下斜坡上松散殘坡積土發(fā)生整體下滑［3］。

3 茶陵縣降雨誘發(fā)滑坡的臨界值初步研究

3.1 年平均降水量與滑坡的關(guān)系

從茶陵縣年平均降水等值線與滑坡點(diǎn)的疊加圖(圖1)可以看出，總體上縣年平均降水東南部和北部山地相對(duì)較高，中部洣水流域的盆地降水相對(duì)較低。茶陵縣有2個(gè)降水集中區(qū)。一個(gè)分布在北部的火田鎮(zhèn)，年平均降水量在1050～1250mm，另一個(gè)分布在東南部的浣溪鎮(zhèn)、湖口鎮(zhèn)和馬江鎮(zhèn)，年平均降雨量在1250～1650mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)，降水集中區(qū)區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)生數(shù)量較少，僅有59處，占總數(shù)的20.49%;在年均降雨量小于1050mm的降水區(qū)間內(nèi)滑坡發(fā)生數(shù)量較多，達(dá)239處，占調(diào)查點(diǎn)總數(shù)的79.51%。這說明多年平均降水量與滑坡發(fā)生的數(shù)量間無明顯的相關(guān)性，突發(fā)性降水或者持續(xù)強(qiáng)降水才是滑坡發(fā)生的主要因素［4］。

圖1 茶陵縣年均降水量等值線與滑坡災(zāi)害點(diǎn)分布的疊加圖Fig.1 The overlay map of average annual rainfall contours and landslide distribution in Chaling county

3.2 月平均降水量與滑坡的關(guān)系

從圖2可以看出，茶陵縣汛期往往是3月下旬或4月中上旬開始，而滑坡數(shù)量也是從3月份或4月份開始增多，至5、6月份降雨量迅速增多達(dá)到峰值時(shí)，滑坡的數(shù)量也達(dá)到最多;7月上、中旬大部分地區(qū)雨季結(jié)束，滑坡數(shù)目減少;受臺(tái)風(fēng)影響暴雨增多，8月還是存在一定數(shù)量的滑坡;至9月份以后滑坡數(shù)量明顯減少。這說明茶陵縣滑坡主要發(fā)生在汛期，滑坡與各月的月平均降水量關(guān)系密切，基本上成正比分布，也就是說，縣內(nèi)滑坡的發(fā)生與降雨強(qiáng)度和過程降雨量均有關(guān)。

圖2 茶陵縣滑坡數(shù)目與月均降水量的關(guān)系Fig.2 Relationship of average monthly rainfall and amount of landslides in Chaling county

3.3 降雨引發(fā)滑坡的臨界值分析

茶陵縣的降雨形式主要有持續(xù)性降雨和臺(tái)風(fēng)外圍云系引起的暴雨兩種形式，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)主要分布在茶陵縣東南部，而非臺(tái)風(fēng)影響區(qū)主要分布在茶陵縣北部?？h內(nèi)滑坡發(fā)生概率與降雨量的不同指標(biāo)的相關(guān)性差異較大，臺(tái)風(fēng)影響區(qū)的滑坡發(fā)生與暴雨的相關(guān)性較大，而非臺(tái)風(fēng)影響區(qū)則與持續(xù)性降雨的相關(guān)性較大［5］，所以我們認(rèn)為茶陵縣的臨界降雨量可以分為兩項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行考慮，一個(gè)為降水過程的過程雨量，另一個(gè)為短時(shí)降雨量，兩項(xiàng)參數(shù)中的某一項(xiàng)超過某個(gè)臨界值時(shí)，滑坡成災(zāi)的可能性大大增加。

本次研究基于茶陵縣地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，以地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中具有準(zhǔn)確發(fā)災(zāi)時(shí)間的滑坡為樣本，采用回放法，選取離發(fā)災(zāi)點(diǎn)最近的3個(gè)自動(dòng)雨量站，統(tǒng)計(jì)災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日的最大小時(shí)降雨量以及災(zāi)害發(fā)生前1日或2日的累積降雨量(因降水過程而異)，將數(shù)據(jù)按下述公式計(jì)算。

式中，Rij臨界為典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量值的短時(shí)降雨量指標(biāo)，Rij為第j個(gè)滑坡對(duì)應(yīng)的i個(gè)發(fā)災(zāi)日的最大小時(shí)降雨量。

式中，Lij臨界為典型區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量值的過程降雨量指標(biāo)，Lij為第j個(gè)滑坡對(duì)應(yīng)的i次降水過程的最大平均降雨量。

根據(jù)滑坡樣本的相對(duì)地理坐標(biāo)值和計(jì)算出的臨界降雨量值，經(jīng)Sufer的Grid命令生成網(wǎng)格文件，再利用Sufer軟件的等值線圖功能做出茶陵縣滑坡發(fā)生的短時(shí)臨界降雨量圖(圖3)和過程臨界降雨量圖(圖4)。

從圖3可以看出，茶陵縣短時(shí)臨界降雨量中心主要分為三塊，北部山地區(qū)花崗巖分布較廣的八團(tuán)鄉(xiāng)，中部人類工程活動(dòng)集中的腰陂鎮(zhèn)、思聰鄉(xiāng)、堯水鄉(xiāng)及其洣江鄉(xiāng)，西南部的紅層較為發(fā)育的浣溪鎮(zhèn)，這些地方短時(shí)降雨量超過45mm/h就可能引發(fā)滑坡;而縣西部邊緣和東部邊緣的狹長地帶，如界首鎮(zhèn)、棗市鎮(zhèn)和虎踞鎮(zhèn)位于全縣高短時(shí)臨界降雨量區(qū)，滑坡不發(fā)育，短時(shí)降水量達(dá)到85mm/h才可能引發(fā)滑坡。

圖3 茶陵縣滑坡發(fā)生的短時(shí)臨界降雨量圖Fig.3 Short-time critical rainfall which causes the landslides in Chaling county

從圖4可以看出，茶陵縣短時(shí)臨界降雨量中心和過程臨界降雨量中心基本重合，這些區(qū)域降水與地質(zhì)災(zāi)害聯(lián)系較為密切，過程降雨量超過65mm就可能引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。而縣西部邊緣和東部邊緣的狹長地帶為高過程臨界降雨量，過程降雨量要超過105mm，才可能引發(fā)滑坡。

圖4 茶陵縣滑坡發(fā)生的過程臨界降雨量圖Fig.4 Process critical rainfall which causes the landslides in Chaling county

4 茶陵縣滑坡氣象預(yù)警區(qū)劃

4.1 滑坡氣象預(yù)警模型的建立

本文采用地質(zhì)-氣象信息耦合的滑坡氣象預(yù)警模型，將地質(zhì)環(huán)境條件與氣象條件結(jié)合起來［6］，基本模型見下式:

其中Gw(k)為第k點(diǎn)滑坡氣象預(yù)警概率量化指標(biāo)，a(k)為第k點(diǎn)滑坡易發(fā)概率量化指標(biāo)，其與地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、人類活動(dòng)等因素有關(guān);Rc(k)為第k點(diǎn)滑坡降雨信息因素概率量化指標(biāo)，其與臨界降雨量以及汛期(4～9月)平均降雨量和日暴雨發(fā)生頻次有關(guān)。

4.2 滑坡氣象預(yù)警概率量化方法

基于以上的模型，通過ArcGIS進(jìn)行空間分析，對(duì)茶陵縣滑坡氣象預(yù)警進(jìn)行量化計(jì)算，形成滑坡氣象預(yù)警的概率分布圖。然后采用ArcGIS自然斷點(diǎn)法進(jìn)行分類，完成了滑坡氣象預(yù)警不同等級(jí)閾值選?。?］(表1)。

表1 Gw(k)值與預(yù)警等級(jí)的對(duì)照表Table 1 The standards of different Gw(k)values in early-warning system

4.3 滑坡氣象預(yù)警區(qū)劃

采用單元網(wǎng)格法，在1∶10萬行政區(qū)圖上對(duì)全縣進(jìn)行網(wǎng)格化，每個(gè)網(wǎng)格單元面積為1km×1km，面積不足一個(gè)單元格的，按標(biāo)準(zhǔn)單元格進(jìn)行計(jì)算處理。將相同級(jí)別的最小單元進(jìn)行合并，并對(duì)邊界進(jìn)行平滑，繪制滑坡氣象預(yù)警分級(jí)分區(qū)圖(圖5)。圖5將全縣分為三個(gè)大區(qū)，六個(gè)小區(qū)域，其中Ja區(qū)為一級(jí)預(yù)警區(qū)，位于茶陵縣中南部，東北部，主要為人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈的浣溪鄉(xiāng)、思聰鄉(xiāng)和洣江流域的湖口鄉(xiāng)、舲舫鄉(xiāng)和嚴(yán)塘鎮(zhèn)以及北部花崗巖分布的八團(tuán)鄉(xiāng)，面積為367.5km2;Jb為二級(jí)預(yù)警區(qū)，主要分布在除1級(jí)預(yù)警區(qū)外人類工程活動(dòng)較強(qiáng)烈的馬江鄉(xiāng)、腰陂鎮(zhèn)以及北部的火田鎮(zhèn)，面積為732.4 km2;Jc為三級(jí)預(yù)警區(qū)，主要分布在茶陵縣的東部和西部，面積為1407.1km2。

圖5 茶陵縣滑坡氣象預(yù)警分級(jí)分區(qū)圖Fig.5 Zoning map of meteorological-earling warning of landslides in Chaling county

5 結(jié)論

(1)茶陵縣小型滑坡地質(zhì)災(zāi)害常常群集發(fā)生，點(diǎn)多面廣，在集中短時(shí)強(qiáng)降雨的誘發(fā)作用下，特別是在地質(zhì)環(huán)境條件脆弱的地區(qū)，往往出現(xiàn)即雨即滑。

(2)將茶陵縣地質(zhì)環(huán)境條件與降雨條件相結(jié)合，將臨界降雨量分為過程降雨量和短時(shí)降雨量兩個(gè)指標(biāo)考慮，通過分析歷史滑坡和降雨量的關(guān)系，確定了茶陵縣不同區(qū)域滑坡的臨界降雨量值，茶陵北部八團(tuán)鄉(xiāng)，中部腰陂鎮(zhèn)、思聰鄉(xiāng)、堯水鄉(xiāng)及其洣江鄉(xiāng)，西南部的浣溪鎮(zhèn)短時(shí)降雨量超過45mm/h或者過程降雨量超過65mm就可能引發(fā)滑坡;而縣西部東部邊緣地帶的界首鎮(zhèn)、棗市鎮(zhèn)和虎踞鎮(zhèn)等地短時(shí)降雨量達(dá)到85mm/h或過程降雨量達(dá)到105mm才可能引發(fā)滑坡。

(3)利用地質(zhì)和氣象耦合的滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)方法，實(shí)現(xiàn)了茶陵縣滑坡氣象預(yù)警的區(qū)劃，提高了茶陵縣滑坡預(yù)測的空間精度。

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