鄂西山地降雨-滑坡關系研究

□王元鋒（中國水利水電第十三工程局有限公司）

鄂西山地降雨-滑坡關系研究

□王元鋒（中國水利水電第十三工程局有限公司）

降雨是觸發斜坡失穩的重要因素。鄂西山地90%的滑坡是降雨引起的，對埋藏較淺的輸氣管道威脅巨大，為了最大限度的保證管道安全，實現管道沿線滑坡的早期預警，降雨和滑坡之間關系的研究極其必要。文章根據歷史滑坡和歷史氣象數據，分別研究了前期累計降雨量和降雨強度-持續時間(ID)對滑坡的控制，得到了鄂西降雨觸發型滑坡的閾值函數，土滑：I=22.14D-0.22，巖滑：I=60.07D-0.48，其中I是降雨強度，D是降雨持續時間，這一經驗降雨閾值將用于以后的預警模型中。

累計降雨量；降雨強度；降雨持續時間；滑坡；鄂西

0 引言

誘發滑坡發生的因素很多，包括地震、降雨、融雪、人類工程破壞等，眾多因素中，降雨是一個已經被肯定的最主要、最常見的滑坡觸發因子。雨水下滲大幅降低滑帶土的粘聚力（c），降低土石的抗剪強度，最終導致坡體失穩。一直以來，研究人員都在嘗試確定降雨和斜坡失穩之間的關系，這不僅是一個科學問題，也是一個社會問題。目前，研究降雨與滑坡關系的方法很多，用到了不同的降雨和氣候變量，文章著重研究滑坡前期的累積降雨量和降雨強度，建立了滑坡的降雨強度-持續時間（ID）閾值曲線，該閾值將應用于以后的滑坡預警系統。

1 研究區概況

鄂西山區地形地貌和地質條件復雜，地質災害種類繁多、分布廣、頻發次數高，是湖北省地質災害高發區之一，嚴重制約著地方經濟和社會的可持續發展。區內古生界至新生界地層均有出露，分布大體可以劃分為兩段，齊耀山以西地層主要為侏羅系及其以上的內陸盆地相堆積，以碎屑巖及泥質巖為主；齊耀山以東主要分布地層為古生界-三疊系，為海相沉積巖系，以碳酸鹽巖為主，此外有碎屑巖和泥質巖；在局部的山間斷陷盆地中堆積有中新生界碎屑巖和松散堆積物。其中以碳酸鹽巖占主體地段，廣泛發育溶蝕地貌，溝谷深切，地形陡峻，同時該地層不同程度的夾雜有泥質軟弱層，使其成為滑坡的多發地段。

該區屬于亞熱帶濕潤季風性氣候，多年平均雨量在1 100～1 600 mm，日降雨量100～188 mm，最大暴雨量超過200 mm/d，降雨主要分布在5-9月，占年降水量的68.40%。春秋季陰雨連綿，延續時間一般5-10 d，長者可達15-20 d。由于地處中緯度，季風盛行，南北天氣系統活動頻繁，災害性天氣時有發生詳見圖1。

根據歷史滑坡數據和雨量數據，1949-2002年期間，有記錄的滑坡就達上千起。精確記錄到月份的滑坡有801起，其中7月份最多，占了總歷史滑坡數的51.40%。而7月份的月平均雨量，也是全年最大的。圖1是表示月平均降雨量和滑坡次數的時間分布特征，滑坡個數隨著降雨量的變化而變化，呈現出以7月份為對稱軸的分布規律，降雨量大時滑坡數量也最多。圖1也表明研究區滑坡和降雨量關系非常密切。

圖1 鄂西山區月降雨量和滑坡個數分布圖

2 降雨-滑坡閾值

閾值就是一個事件的發生或者一個狀態的改變所需最小或者最大量。最小閾值確定是最低水平，低于它事件就不會發生。最大閾值表示的級別是大于它事件常常發生。對于滑坡，其閾值可以是降雨、土壤濕度或者水文地質環境，達到或者超過它，就可能誘發滑坡。降雨閾值的確定，可以是物理（基于過程的，概念的）或者經驗的（歷史的，統計的）。經驗降雨閾值的確定，是通過研究引起滑坡的降雨事件。閾值的獲取經常通過在笛卡兒坐標、半對數或者對數坐標上繪制誘發滑坡的最低降雨臨界線。大多數情況下，閾值確定是目視的，也就是說沒有任何嚴格的數學、統計或者物理標準。回顧文獻，誘發斜坡失穩還沒有一個統一的降雨標準。

Caine在1980年首次提出的淺層滑坡和泥石流發生的全球降雨強度-持續時間（ID）閾值。根據他的開創性工作，全世界很多地區都對導致斜坡失穩的降雨ID條件進行了收集，提出了局部、區域和全球尺度不同的降雨ID閾值曲線，它們具有如下的一般形式：

式中：I是降雨強度，D是降雨持續時間，c≥0，α和β是參數。

這一類型閾值跨了相當大的降雨持續時間，最長統計到1 000 h。大多數ID閾值計算時，C=0。當c=0時，等式1就是一個簡單的冪率方程。由于冪律函數的指數都是負值（β的范圍是-1.13到-0.39），參數α的范圍是4～85.54。其中局域尺度的閾值比區域的稍微高一些，比全球尺度的高很多。

3 鄂西降雨-滑坡閾值

3.1 鄂西歷史降雨誘發滑坡事件

通過部分滑坡發生前的降雨特征，可以看出有些滑坡發生在降雨當天，有些滑坡發生在降雨結束后幾天，有明顯的滯后性。滯后期的長短受眾多因素控制，包括滑坡體本身的地質地貌特征、降雨量的大小、降雨強度和降雨前坡體的穩定性等。

雖然滑坡體發生滑動的具體時間一般事先很難做出判斷，但可以根據滑坡前降雨特征判斷滑坡發生的可能性和大致時間范圍。

3.2 前期累積降雨閾值

收集的歷史滑坡資料，一部分來自于國家氣象局，一部分來自于發表的科技文章。最后，選擇了24個有準確時間和滑坡規模的滑坡事件進行研究。

累積絕對降雨的計算分析，是從發生滑坡當天開始往前算，1、2、3、5、10、15、30、40、60、75和90d的降雨量。計算公式如下：

式中：P是累積降雨量；p1是滑坡當天日降雨量；pn是滑坡當天起往前第n天的降雨量。

對于同一規模的不同類型滑坡來說，基巖滑坡所需的降雨量（累積降雨量和日降雨量）要大于土層碎屑滑坡；而對于同一類型不同規模的滑坡來說，規模大的滑坡需要較大的降雨量。這里分別對土滑和巖滑兩類滑坡分別進行雨量統計，并分別計算了土滑和巖滑的累積雨量均值和標準差。

根據對已知滑坡滑前雨量的統計情況，如果僅考慮降雨量對滑坡的控制，那么就是達到這樣的雨量，就有可能發生滑坡。從數理統計方面來考慮，計算了不同累積時間累積雨量的均值（M）和標準差（STD）。分別以M-STD、M和M+STD作為分界，確定滑坡風險級別。低于M-STD為安全區；M-STD到M之間為滑坡危險區；M到M+STD之間定位滑坡高發區；大于M+ STD定位滑坡區，其中M-STD值為負數者都將其歸為零。

當某天的M-STD值都為負數，這種情況是滑坡當天和前幾天很少或者沒有降雨，前期降雨才是滑坡的主因，因而這種類型滑坡更應該參考前期降雨量，來確定預警還是不預警。當然，M-STD為界有可能是過度預警，也可以以M-1/2STD作為預警下限，這就要考慮確定的安全區中歷史滑坡的個數和規模。

3.3 降雨強度-持續時間（ID）閾值

區內24個有準確時間記錄的滑坡事件，降雨強度是累計降雨量除以累積天數，降雨持續時間就是降雨量累積的天數，應用origin 8首先制作散點圖，根據散點圖的分布情況，選擇非線性曲線擬合，給定擬合方程I=αDβ，計算參數α和β。這里采用降雨強度的均值，來進行曲線擬合，最后得到降雨強度和降雨持續時間之間的關系。

這2種類型滑坡的均值曲線可以用如下等式描述：

式中：I是降雨強度，D是降雨持續時間。

同時，考慮不同的預警級別，選擇M-STD、M和M+STD作為分界線，確定安全區、危險區、高發區和滑坡區，可以用圖2和圖3來表示。

圖2 土滑類型閾值曲線圖

圖3 巖滑類型閾值曲線圖

圖2和圖3中，中間曲線為均值，上面的曲線為均值+標準差，下方曲線為均值-標準差。圖中不同符號表示不同規模的滑坡，方塊表示特大型，三角表示大型，五星表示中型，圓圈表示小型滑坡，劃分依據滑坡分級標準。

圖2和圖3都中，安全區，就是不會發生滑坡的降雨強度范圍，這一區域，滑坡幾乎不發生，或者也就是存在一些小型滑坡；危險區，就是降雨強度超過M-STD，這一區域，多是發生中小型滑坡；降雨強度超過均值，則多發生大中型滑坡；超過M+ STD，是肯定發生滑坡的區域，一些超大型、大型，多位于該區域。進行滑坡預警，就是計算當天的前期不同時間段的降雨強度，結果落在哪個區域，就進行哪個級別的預警。

發生滑坡前五天，仍有降雨強度位于預警閾值曲線下方，這些點都是滑坡當天或者前幾天降雨為零或者很小，更早時間的大型降雨，才是斜坡失穩的主因，這種類型滑坡的預警，應該著重考慮5d之前的降雨強度。

目前，還沒有一個絕對確定的、完全有效的滑坡閾值，無論累計降雨量還是降雨強度，都是對降雨-滑坡關系的一個方面，具體到滑坡預警，則需要對不同類型閾值進行綜合考慮。

4 結論

①歷史滑坡記錄顯示，降雨誘發型滑坡在鄂西山區是頻發的，對油氣管道、公路交通和人民生命財產的威脅是巨大的。滑坡發生時間主要集中在6、7月和8月份，這三個月的管線巡查力度要加大。②研究滑坡與降雨的關系，不能只考慮滑坡當天的雨量，更多滑坡的主因，都是前期降雨，因而，前期累計降雨量統計，是十分必要的。前期累計降雨量曲線，可以用來進行滑坡預警。③降雨強度-持續時間閾值目前應用較多，已經建立了多個全球、區域和局域閾值曲線，鄂西地區回歸分析顯示，降雨強度隨著降雨時間冪數級增長，根據研究區數據，對土滑和巖滑分別處理，得到兩個經驗等式，土滑：I=22.14D-0.221，巖滑：I=64.07D-0.48表示，其中I是降雨強度，D是降雨持續時間。這兩個曲線可以作為鄂西降雨的降雨強度-持續時間的預警閾值，超過了這個值，就會發生滑坡。同時，根據均值和標準差，確定了安全區、危險區、高發區和滑坡區四個預警級別。④國外更多的是小時級別的雨量-滑坡關系研究，這樣滑坡的預報更為及時和準確。隨著國家對滑坡監測的日益重視，2007年開始，鄂西部分地區已經開始小時級雨量的收集，精確的降雨閾值曲線的確立將有望實現。

［1］朱文俊.鄂西山區地質災害防治對策研究［J］.黑龍江科技信息，2009（6）.

［2］魏來.降雨誘發滑坡預測模型研究［J］.重慶交通大學，2013.

編輯：劉長垠 邢博輝

P642.22

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1673-8853（2017）06-0023-03

2017-05-16