四川省典型區域滑坡、泥石流致災臨界雨量閾值確定方法

劉海知, 馬振峰, 范廣洲

(1.國家氣象中心, 北京 100081; 2.四川省氣候中心, 四川 成都 610072;3.成都信息工程大學 大氣科學學院, 四川 成都 610225)

水保監測與應用技術

四川省典型區域滑坡、泥石流致災臨界雨量閾值確定方法

劉海知1, 馬振峰2, 范廣洲3

(1.國家氣象中心,北京100081; 2.四川省氣候中心,四川成都610072;3.成都信息工程大學大氣科學學院,四川成都610225)

[目的] 確定四川省滑坡泥石流典型區域各個子區最關鍵的降雨因子，建立典型區域各子區臨界閾值模型，為該區對滑坡、泥石流災害進行有效預報提供科學依據。 [方法] 利用1999—2014年四川滑坡泥石流災情資料，確定出滑坡、泥石流的典型區域，根據典型區域各個子區的氣候和下墊面條件，比較不同降雨因子組合的閾值模型，得到各子區最關鍵的降雨因子，建立典型區域各子區臨界閾值模型。 [結果] 平均降雨強度和峰值降雨強度是典型區域滑坡、泥石流閾值模型中的重要指標；誘發雨量多作為滑坡典型區域致災臨界閾值模型雨量指標，激發雨量只作為泥石流典型區域致災臨界閾值模型雨量指標;有效雨量可以在滑坡、泥石流典型區域值模型中應用。典型區域多采用多因子預報模型，只有汶川震區采用單因子預報模型，其臨界閾值在震后呈現上升趨勢。 [結論] 不同降雨參數對誘發滑坡泥石流災害的作用不同，典型區域中各子區建立的預報模型及得出的臨界閾值也不同。多因子預報模型考慮了多種降雨參數，比單因子模型更客觀。

滑坡; 泥石流; 典型區域; 降雨參數; 閾值模型

文獻參數： 劉海知, 馬振峰, 范廣洲.四川省典型區域滑坡、泥石流致災臨界雨量閾值確定方法[J].水土保持通報，2017,37(4)：126-131.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.021； Liu Haizhi, Ma Zhenfeng, Fan Guangzhou. Methods of determining rainfall thresholds of landslides and debris flows in typical region in Sichuan Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：126-131.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.021

地處中國西南的四川地區，位于地貌第一階梯向第二階梯的過度帶上，南北大斷裂帶的鮮水河斷裂(龍門山斷裂)—安寧河斷裂—小江斷裂—紅河斷裂縱觀其間，巨大的地形起伏，復雜的地質構造，加上西南季風影響形成的獨特氣候，導致四川地區歷來是中國滑坡、泥石流的高發區。地質災害威脅著山區的交通干線、農田水利等基礎設施安全，成(都)昆(明)鐵路沿線就分布著3 005條泥石流溝，占全國鐵路沿線的30%，為全國之最。目前，對滑坡、泥石流災害進行有效預報是當務之急，其中減少危害是目的，災害監測是手段，確定致災臨界雨量閾值是關鍵，但由于未能清楚地了解誘發災害的降雨特征，當前效果并不理想。關于滑坡、石流致災臨界雨量閾值的確定，目前主要有兩種方法：其一是統計法，利用以往災情樣本的降雨資料進行統計分析，選擇降雨參數建立經驗關系[1-10]；其二是動力方法，基于災害形成機理建立物理模型，計算致災降雨條件，但災害形成機理相對復雜，驅動動力模型所需的氣象、水文、地質等各種資料收集比較困難，該方法一般用于小范圍流域單溝、單坡的臨界雨量計算，就現階段而言，前者在世界范圍內應用更為廣泛。多數災害易發區的資料短缺，一般在少量災情事件的基礎上單一采用降雨強度與降雨歷時的關系建模或者通過最小雨強、最小雨量來確定致災臨界閾值[8-11]，這樣的方法存在一定局限性：一方面，災害起動方式多樣，單一降雨指標或模型往往有其應用局限性。另一方面，災害降雨條件與災害降雨臨界閾值非同一概念，部分特大災害事件當時的降雨條件，并不能作為其致災臨界閾值[9]，選擇合適的預報模型，所以研究典型區域滑坡、泥石流的降雨特征，確定其閾值有重要意義。

1 資 料

從降雨的角度以統計方法來確定典型區域災害的降雨閾值，災情樣本及其對應降雨資料的質和量對統計結果影響很大[2]，因此確保所選樣本的客觀性和代表性至關重要。汶川地震大幅度降低了四川災區降雨誘發災害的臨界閾值[7]，因此在確定致災臨界雨量閾值時主要利用震后的災情樣本及其對應降雨資料，而在確定滑坡、泥石流的典型區域時則利用近15 a的災情樣本。其中，災情數據主要由中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所、四川省國土廳提供，少部分由四川省民政廳和四川省救災年鑒補充。降水數據主要是災害發生地氣象站逐日、逐時降雨數據，均來自于四川省氣候中心，由于災害點密度遠遠大于氣象站個數，所以剔除了距離氣象站較遠和雨量信息明顯未被當地氣象站合理表征的災情個例。

2 滑坡、泥石流典型區域

四川省滑坡災害多出現在該省東部，高頻區在巴山地區，巴中、達州部分地區年均滑坡發生頻次在4次以上；泥石流災害主要發生于四川西部，高頻區在川西以北的阿壩地區，阿壩州部分縣年均泥石流爆發頻次達到3次以上。此處將滑坡年均發生頻次在3次及其以上的廣元(市區)、南江縣、萬源縣、儀隴縣、宣漢縣、達州(市區)、南充(市區)7個區縣作為四川滑坡典型區域，將泥石流年均發生頻次在2次及其以上的壤塘縣、金川縣、馬爾康縣、汶川縣、理縣、黑水縣6個縣作為四川省泥石流典型區域。

3 典型區域降雨指標和閾值方法

3.1 降雨指標

如果從更小的降雨時間尺度上對致災臨界閾值進行確定，則利用以小時降雨量為基礎的各項降雨指標。前期的降雨臨界閾值研究中常用的降雨指標主要有：激發雨量R，誘發雨量E，綜合雨量Rcp，降雨強度I，降雨歷時D等，其中降雨歷時D又分為激發歷時DR和誘發歷時DE。各指標定義為：

(1) 激發歷時DR。災害發生前最近的一場連續降雨過程持續時間。

(2) 激發雨量R。激發歷時過程雨量。

(3) 誘發歷時DE。對災害的發生起到作用的降雨過程持續時間。誘發歷時DE的截止時刻為災害的發生時刻，在災害發生時間只精確到日的情況下，近似用當日峰值降雨強度時刻作為災害的發生時刻。針對誘發歷時起始時刻的確定存在不同的說法，Bruntti[12]等曾以災害發生前連續2 d或4 d無雨后的首次降雨作為誘發歷時DE的起始時刻。誘發歷時DE代表對災害發生有作用的降雨時段，根據有效降雨量可以反映不同時段降雨對災害的影響，一般將有效降雨量作為反映降雨致災作用程度的指標，通過比較不同時段有效降雨量來確定DE的開始時刻。在DE開始時刻之前的降雨過程對致災起到的作用應相對較小，即其有效降雨量應相對較小[13]。定義小時降雨量均大于0.1 mm的一個連續時段為一次降雨過程，選取災害發生前足夠長時間內的歷次降雨過程，按公式(1)計算每次降雨過程的有效降雨量Rc，Ri和ni分別為該降雨過程中第i小時的降雨量及其距災害發生時刻的時間長度，ni的單位為天且可為小數。α(0<α<1)是有效降水系數，表示巖土體對雨水滯留能力的大小，它由區域內巖土體總體性質決定[14]。由于滑坡、泥石流災害典型區域地形地貌條件復雜，有效降水量對典型區域各子區地質災害的影響程度不完全一致[15]，需要分別確定其最佳有效降水系數，σ為該地區有效降雨量標準差，如公式(2)。在災害發生前一定時間范圍內找到某一時刻t，若t之前的歷次降雨過程的有效降雨量之和小于t時刻至DE結束時刻之間的歷次降雨過程有效降雨量之和的20%，則以t時刻作為DE的起始時刻。在有效雨量與災害發生相關性分析中，通過比較不同日數有效降雨量與災害頻次的相關性來確定對災害發

生有作用的前期降雨日數范圍，結果是：典型區域滑坡與前15 d有效雨量相關性最大，多屬于長日數降水誘發型；典型區域泥石流與前3 d有效雨量相關性最大，多屬于較短日數降水誘發型。所以此處將滑坡發生前的有效降水最大時間范圍定為15 d，泥石流發生前有效降水最大時間范圍定為3 d，在此范圍內以上述方法確定災害誘發歷時DE的起始時刻t。

(4) 誘發雨量E。誘發歷時過程雨量。

(5) 前期雨量P。在最大范圍的起始時刻至誘發歷時的起始時刻t的歷次降雨過程有效雨量之和。

(6) 綜合雨量Rcp。前期雨量與誘發雨量之和。

(7) 平均雨強Iave。誘發歷時DE過程中的平均降雨強度。

(8) 峰值雨強Imax。誘發歷時DE過程中的最大降雨強度。

(1)

(2)

3.2 不同降雨指標對滑坡、泥石流發生的作用

各種降雨指標都可能對災害的發生產生作用，有必要對典型區域各個降雨指標的作用進行分析。將典型區域滑坡、泥石流各降雨指標以2個節點分為3個區間。各降雨指標每個區間所占比例如圖1所示。

圖1 滑坡、泥石流降雨指標

典型區域滑坡各降雨指標劃分為：

激發歷時DR分為：DR1，DR2及DR3。DR1≤6 h， 6 h12 h。

誘發歷時DE分為：DE1，DE2及DE3。DE1≤24 h，24 h48 h。

激發雨量R分為：R1，R2及R3。R1≤10 mm， 10 mm25mm。

誘發雨量E分為：E1，E2及E3。E1≤50 mm， 50 mm100 mm。

綜合雨量Rcp分為：Rcp1，Rcp2及Rcp3。Rcp1≤50 mm， 50 mm100 mm。

平均雨強分為Iave分為：Iave1，Iave2及Iave3。Iave1≤4 mm/h， 4 mm/h8 mm/h。

峰值雨強分為Imax分為：Imax1，Imax2及Imax3。Imax1≤8mm/h， 8 mm/h16 mm/h。

泥石流典型區域集中在高原地區，各降雨指標每個區間所占比例如圖1所示。降雨指標區間劃分不同于滑坡典型區域劃分為：

激發歷時DR分為：DR1，DR2及DR3。DR1≤6 h，6 h12 h。

誘發歷時DE分為：DE1，DE2及DE3。DE1≤12 h，12 h

激發雨量R分為：R1，R2及R3。R1≤10 mm，10 mm25 mm。

誘發雨量E分為：E1，E2及E3。E1≤10 mm，10 mm25 mm。

綜合雨量Rcp分為：Rcp1，Rcp2及Rcp3。Rcp1≤10 mm，10 mm25 mm。

平均雨強分為Iave分為：Iave1，Iave2及Iave3。Iave1≤4 mm/h， 4 mm/h8 mm/h。

峰值雨強分為Imax分為：Imax1，Imax2及Imax3。Imax1≤8 mm/h，8 mm/h16 mm/h。

如兩類災害的各降雨指標量值分布區間所示：絕大部分降雨指標數值區間所占比例不均，存在明顯優勢區間，表明該類降雨因子對致災的作用更為直接。而分布更為平均的因子如：典型區域滑坡的激發雨量和平均雨強，典型區域泥石流的誘發歷時和誘發雨量并不是致災最直接的因子，因此不同降雨指標對誘發滑坡、泥石流災害的作用不同，典型區域中各子區建立的預報模型及得出的臨界閾值也不同，有必要對典型區域各個子區降雨指標進行分析、比較。

3.3 模型選取與結果檢驗

表1 滑坡典型區域降雨模型與臨界雨量閾值

圖2 廣元(市區)各降雨指標閾值模型

典型區域閾值 條件 黑水R≥3.9D0.60R1≤DR≤8金川Rcp≥3.38D0.84E3≤DE≤28理縣Iave≥6.85D-0.63E2≤DE≤21馬爾康Imax≥8.05-0.044EE≥14.9,Imax≥7.4壤塘R≥3.1D0.66R1≤DR≤8汶川Imax≥5.8無

通過比較典型區域的致災臨界雨量閾值結果發現，絕大多數地區適合用多因子預報模型，多因子預報模型考慮了多種降雨參數，理論上比單因子預報模型更加客觀可靠。就降雨強度而言，平均雨強和峰值雨強在滑坡、泥石流災害的閾值模型中使用較多，屬于兩類災害閾值模型較為重要的指標；對降雨歷時來說，誘發歷時是典型區域滑坡致災臨界閾值模型中的一個高頻指標，而激發歷時則只作為典型區域泥石流臨界雨量閾值模型指標，說明災前臨近降雨對典型區域泥石流發生的貢獻相對于滑坡更明顯，而臨近降雨不是典型區域滑坡發生的最主要因素，符合典型區域滑坡長時間、多場次降雨誘發的特點；在雨量指標中，激發雨量只用于了典型區域泥石流致災臨界雨量模型中，與激發歷時對應；有效雨量在兩類災害的閾值模型中都有應用，即前期雨量對兩類災害的發生都有一定作用。

3.4 地震災區臨界閾值變化趨勢

所有典型區域中只有汶川采用了單因子閾值模型，即將峰雨強作為預報指標。就實用性和操作性而言，單因子模型優于多因子模型，在樣本資料有限的情況下亦可分析區域內臨界閾值的逐年變化，震后汶川下墊物源狀態不斷變化，臨界閾值不斷調整。通過圖4可以看出，2008—2012年汶川臨界閾值變化呈現逐漸升高的狀態，究其原因：一方面因為下墊面溝道物質的粗化和松散物質的流失，物質起動需要的臨界徑流條件有所提高，另一方面由于植被的恢復導致土壤入滲率增高，同等降雨條件下，地表徑流量減小。

圖3 理縣各降雨指標閾值模型

圖4 汶川震后峰值雨強閾值變化

4 討論與結論

(1) 不同降雨參數對災害發生的作用不同，建立的預報模型及得出的臨界閾值也不同。例如廣元(市區)和理縣可將平均雨強和誘發歷時作為降雨指標，選用—閾值模型。典型區域絕大多數其他子區適宜用多因子模型(如：Rcp—DE，Iave—DE，Imax—E，Imax—Rcp等)進行預報，只有汶川地區選用峰值雨強單因子預報模型，其臨界閾值在震后呈現上升趨勢。

(2) 降雨強度和降雨量在兩類災害的閾值模型中都作為重要指標應用頻率高；滑坡典型區域致災臨界雨量閾值模型在雨量上多選取誘發雨量和有效雨量作為閾值指標，并采用誘發歷時作為對應歷時指標，泥石流典型區域致災臨界雨量閾值模型在雨量上多選取激發雨量和有效雨量作為閾值指標，并分別采用了誘發歷時和激發歷時作為對應歷時指標；有效雨量作為典型區域滑坡、泥石流閾值模型中共同的重要指標，反映出前期降雨對典型區域兩類災害發生的貢獻。

(3) 總體而言，從降雨角度通過統計方法對滑坡、泥石流進行預報，樣本的質和量至關重要。受各方條件限制，目前對地質災害降雨條件分析只能依賴于其附近氣象站的降雨資料，這類氣象站多為縣級基準站，絕大多數并不位于災害源地，其資料只能部分代表災害發生當時以及發生之前的雨量信息，所以在對災害事件進行篩選時，剔除雨量信息明顯不能被現有氣象站雨量信息表征的災情個例，以保證資料的實效性。這導致本文的典型區域泥石流災情樣本數有一定的缺陷，未來通過泥石流事件的補充和檢驗可提高閾值精確度。

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Methods of Determining Rainfall Thresholds of Landslides and Debris Flows in Typical Region in Sichuan Province

LIU Haizhi1, MA Zhenfeng2, FAN Guangzhou3

(1.National Meteorological Centre, Beijing 100081, China; 2.Sichuan Climat Center, Chengdu, Sichuan 610072， China; 3.Atmospheric Sciences College， Chengdu University of Information Technology, Chengdu， Sichuan 610225， China)

[Objective] We chose the most significant rainfall indicators of landslides and debris flows in typical regions and built a critical threshold model for each sub-region in typical regions to provide a scientific basis for effective prediction of landslide and debris flows. [Methods] This study collected Sichuan’s geological disaster cases occurred in 1999—2014, to define the typical regions of landslides and debris flows in Sichuan Province. We compared the threshold models that are made up of different rainfall indicators in each typical region to construct our rainfall threshold models. [Results] Average rainfall intensity and maximum rainfall intensity are used frequently as significant parameters in threshold models of landslides and debris flows in typical regions. Indirect rainfall is a precipitation indicator of landslides in typical region generally, direct rainfall is a precipitation indicator of debris flows just in typical region generally. Effective rainfall was adopted to the precipitation indicator both of landslides and debris flow threshold models in typical regions. Model with double factors were applied to most of typical regions of landslides and debris flows. Model with one factor was just applied to Wenchuan earthquake-stricken area, the critical threshold gradually raised from Wenchuan earthquake. [Conclusion] Different rainfall factor has different effect on disasters, each typical region has its own optimum rainfall threshold model. Model with double factors is more objective than those with just one factor, as they contain more rainfall factors.

landslides;debrisflows;typicalregions;rainfallparameters;thresholdmodes

B

： 1000-288X(2017)04-0126-06

： X34， P64

2016-09-30

：2016-12-12

國家自然科學基金項目“華西秋雨年際變化規律及其形成機理研究”(41275097); 四川省科技支撐計劃項目(15C0098)

劉海知(1991—),男(漢族),四川省榮縣人,碩士,研究方向為強降水誘發地質災害。E-mail:lhz1012@aliyun.com。

馬振峰(1961—),男(漢族),內蒙古自治區四子王旗人,碩士,研究員,碩士生導師,主要從事氣候預測,氣候變化及生態環境研究。E-mail:Mzf616@aliyun.com。