重慶市地質災害氣候性誘發機理分析

黃明奎，馬 璐

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074)

重慶市地質災害氣候性誘發機理分析

黃明奎，馬 璐

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶400074)

氣候異常已成為全球環境、工程建設與運營面臨的主要問題，也是誘發山區地質災害的主要因素之一。重慶是我國地質災害發生最嚴重的地區之一，為了研究重慶地區地質災害氣候性誘發機理，在統計分析了重慶1950年以來的地質災害和氣象資料的基礎上，分析了重慶市氣溫、降雨強度等氣候變化特征以及地質災害與氣候變化的耦合特征，并研究了重慶市地質災害的氣候性誘發機理，揭示了氣候變化特別是極端氣候對地質災害的影響規律，結果可為地質災害的預測、預防和治理提供技術參考。

地質工程；地質災害；氣候變化；耦合；誘發機理

0 引 言

重慶是我國地質災害發生最嚴重的地區之一，平均每年因地質災害造成的直接經濟損失超過4億元人民幣[1]。近年來，隨著氣候的變暖，極端氣候頻繁出現加劇了一些地質災害的發生[2]，引起了國內外對氣候與地質災害的廣泛關注。殷志強等[3-4]研究了極端天氣氣候事件對地質災害的影響，并以不同時間尺度的地質災害為研究對象，分析了地質災害誘發因素與氣候變化的響應關系。邢林嘯等[5]以2008年極端冰雪氣候條件為背景，研究了我國南方中低緯度地區極端冰雪氣候對地質災害的影響；李奮生等[6]通過野外實地考察和遙感影像分析汶川地震驅動的地質災害，得到了以降雨為主的氣候因素是導致震后汶川地區地質災害發生的直接誘發因素。從以上分析可知，現有的地質災害的研究主要局限在地質災害的分布規律，形成機理、趨勢預測以及自身發生機理等方面。但隨著全球氣候變暖和極端氣候頻繁出現，地質災害發生的數量呈現出成倍增長的趨勢，然而有關氣候異常對地質災害的誘發作用目前還缺乏系統的研究，已不能滿足當前防災減災體系的構建。因此，筆者基于重慶市地質災害與氣候資料的統計研究，在分析重慶市氣溫變化特征、降雨強度變化特征以及地質災害與氣候變化的耦合特征的基礎上，研究了重慶市地質災害的氣候性誘發機理，揭示了氣候變化特別是極端氣候對地質災害的影響規律，結果可為地質災害的預測、預防和治理提供技術參考，為重慶市氣候性地質災害防災減災體系的構建提供技術支撐。

1 資料來源與處理分析

根據2013年政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發布的第五次評估報告[7]：1950年以后，由于全球氣候變暖及人類活動的影響，極端氣候開始發生變化，地球海平面的上升速度高于過去兩千年。地質災害的發生與氣候變化有著密切的關系，同時也是氣候變化引起地球表層系統調整的一種重要作用方式[8]。因此，為了研究分析重慶地質災害氣候性誘發機理，筆者重點對重慶地區1950年以來的地質災害及氣候資料進行統計分析，以此為基礎，開展研究重慶氣候性地質災害誘發機理。其中，氣象資料來自《重慶統計年鑒》[9]及重慶市沙坪壩氣象局監測資料；地質災害數據來自《重慶市人民政府公報》及重慶市國土資源和房屋管理局資料，并按災種、年表、地點對地質災害進行詳細分類，在統計中分山崩、地面裂縫、地面變形、地震和山移等5種類型。在災種歸類過程中，將地陷劃歸為地面變形，并將同一時間各災種引發的派生地質災害并入其中，避免重復計算。如將地震派生出的地震山崩、地震地裂、地震地陷等災害只歸類為地震災害，而不另行計算。

氣候資料的分析采用國際氣象學流行的百分位法[10]，地質災害頻數采用數理統計的方法并結合5年滑動曲線平均法從不同的角度進行分析。

2 地質災害氣候性誘發機理分析

2.1 1950年以來重慶氣溫特征分析

為了較完整的分析1950年以來重慶地區氣溫的變化規律，將氣溫朝前延伸25年進行統計，其結果如圖1。從氣溫5年滑動平均曲線(圖1中粗曲線)可以看出：在1925—2013年間重慶的年均氣溫經歷了明顯的升溫-降溫-升溫3個階段，即：從20年代中期到50年代初期氣溫滑動平曲線為波動上升階段；50年代中期到80年代中期則呈現明顯的降溫階段；80年代中期至今則呈現極為明顯的升溫階段。也就是說，重慶近百年來氣溫呈現出一個明顯的以30年左右為周期的冷暖交替特征。以此規律為依據可以預測，在21世紀10年代中期將是重慶氣溫從一個升溫期進入下一個降溫期轉折點，并于在21世紀40年代中期達到降溫低值。事實上，在統計分析重慶市氣溫變化中已發現，自2007年起，重慶市氣溫的增溫速率已開始減小，并于2010年增溫速率首次出現負值。經計算，2007年以前的20年中重慶市氣溫的增溫速率每10年達到了0.432 ℃，而2007—2013年增溫速率僅為0.179℃/10a。 大家熟悉的2008年中國南方特大冰雪凍災，2009年11月至2010年1月低溫暴雪襲擊北半球，這些氣候事件筆者認為均是放緩增溫逐漸過渡到冷周期的信號。

圖1 重慶年均氣溫曲線Fig. 1 Annual average temperature curve of Chongqing

雖然從氣候周期波動規律上表明重慶自21世紀10年代將進入下一個降溫期，但由于近30年氣溫的快速增長使之處于近年來的最高溫度階段，且目前重慶氣溫仍舊以較微弱的增溫速率增長，加之氣候冷暖交替往往有長達數年的過渡階段，因此，降溫氣候并不能立即減弱升溫事件發生的頻率與強度，而將呈現出更為強烈的氣候 “兩極化”狀態。即：一是極端高溫事件和極端低溫事件的發生頻率與強度均將增大；二是在同一地區、不同時間呈現不同的極端天氣，或者在同一時間、不同地區呈現不同的極端天氣。如2014年4月重慶主城區白天34.5 ℃高溫，夜間卻下起冰雹。這些氣候現象為氣候性地質災害的發生創造了條件。

2.2 1950年以來重慶降雨強度特征分析

降雨是誘發地質災害發生重要的氣候性影響因素。為了分析地質災害的氣候性誘發機理，將重慶市1951—2013年間重慶年均降水強度按照年際變化繪制標準化曲線(如圖2，圖2中虛直線為線性擬合曲線，曲線為三項式擬合曲線)，以分析重慶市的降雨強度變化特征。

從擬合曲線變化趨勢來看，1950年以來，重慶市降水強度呈現明顯的先降后增特征，即：50年代到80年代降雨強度都處于下降趨勢，自90年代以后降水強度開始上升，特別在進入21世紀后上升幅度顯著。從現有的降雨強度趨勢曲線可以看出，同氣溫變化規律類似，重慶地區降水強度每隔約30年有一次年代際周期震蕩，50年代到80年代的震蕩幅度較小，80年代后震蕩幅度較為強烈。因此，可預測今后重慶地區的降水強度將呈現增強趨勢。

圖2 重慶市降雨強度的時間變化Fig. 2 Temporal variation of rainfall intensity in Chongqing

2.3 1950年以來重慶地質災害與氣候耦合特征分析

為了分析地質災害發生隨時間的變化規律，現將災害發生的時間投影到以時間為橫坐標的統計圖中以形成地質災害頻數—時間圖(圖3)。從圖中可以看出，從50年代至80年代中期重慶地質災害滑動平均曲線(圖3中粗曲線)較為緩和，80年代中期以后，曲線開始陡增，且增加趨勢不斷加劇，表明重慶在這一時期地質災害不斷增加，呈現出較為活躍的態勢。

對比重慶地區氣溫變化特征圖(圖1)、降雨強度時間變化圖(圖2)與地質災害頻數-時間圖(圖3)可以發現，地質災害的發生頻數與氣候的變化密切相關，二者在一定程度上具有相同的變化趨勢，即地質災害高發期出現在氣候的升溫階段，地質災害低發期則出現在氣候的降溫階段。在2008年以后，重慶地質災害呈現出下降趨勢，而氣溫則自2007年起，增溫速率已開始衰減過渡進入降溫階段，且地質災害發生較氣溫變化具有一定的滯后性，這說明氣溫變化對地質災害發生的影響不容忽視，二者在時間序列呈現出較好的耦合性特征。

圖3 重慶市地質災害時間——頻數統計直方圖Fig. 3 Statistical histogram of geological disaster time-frequency in Chongqing

2.4 地質災害氣候性誘發機理分析

從前面分析可知，地質災害的發生與氣候變化具有密切的關系，是氣候變化的外在響應。隨著全球氣候的變暖，重慶氣溫自20世紀80年代末期進入快速增長期，引起極端氣候事件發生頻率增大。據統計，從1997年到2011年僅15年間，重慶就發生了9起強度較大的極端氣候事件(具體情況詳見表1)，引發了較為嚴重的地質災害。

表1 重慶市極端氣候與地質災害統計Table 1 Statistics of extreme climatic and geological disaster in Chongqing

從表1中可以看出，氣候對地質災害的發生十分重要，極端氣候事件往往在年內或年際間進行疊加以災害鏈形式出現，導致地質災害的發生頻數對氣候變化的響應呈現出強弱交替的變化特征，即在極端高溫干旱的年份，地質災害的發生的頻數低于正常年份的平均地災數，隨著次年的多雨洪澇氣候的發生，地質災害便以數倍甚至數十倍的速率增長，遠遠超過正常年份的平均值。這說明氣候特別是極端氣候對地質災害的發生具有重要的誘發作用。

年內疊加多為極端高溫事件與極端干旱事件疊加，形成當年的極端高溫干旱災害鏈，如1997年、2001、2006、2010及2011年，其極端高溫指數均高于1995—2013年間均值，而降水指數均低于平均值。因此，由于高溫氣候的作用，導致工程巖土體內水體的蒸發，含水量降低，在一定程度上增加了土顆粒之間的摩擦強度，提高了巖土體的抗剪強度，對地質災害的發生具有抑制作用，再加上極端高溫干旱年降水偏少，因而雨水的誘發作用減弱，進而導致該年份低于正常年份的平均數。

年際疊加多為極端高溫干旱事件與極端降水事件在年際間疊加，如某年為高溫干旱年，次年便為洪澇年，形成相鄰年份的旱澇交替災害鏈，如1997年和1998年、2001年和2002年、2006年和2007年，引起地質災害的發生頻數對氣候變化的響應呈現出弱強交替的變化特征。在高溫干旱年份，同氣候年內疊加誘發地質災害機理類似，高溫事件降低了巖土體的含水量，增加了巖土體顆粒間的摩擦強度，提高了巖土體的抗剪強度，對地質災害的發生具有抑制作用，但隨著持續的高溫干旱，造成氣溫影響深度、強度增大，裂縫的產生、發展進一步增強，引起巖土體結構發生變化，為來年的洪澇降雨的作用創造了條件。次年極端洪澇降雨氣候發生時，由于上年形成的裂縫滲流較弱，降雨或融化水基本全部被裂縫容納，引起土體顆粒間的摩擦強度以及潛在的滑坡體(或崩塌體)與穩定巖土體之間的抗拉強度降低，裂縫急劇發展，滑坡體或崩塌體產生壓碎、錯位和外鼓等現象，進而引起地質災害發生。因此，上年的極端高溫干旱創造的裂縫等現象為次年的極端降雨的水的作用提供了條件，二者疊加成為次年洪澇降雨年份地質災害頻發的主要推力。

從以上分析可以知，重慶的環境氣溫特別是極端持續高溫是影響地質災害發生不可忽略的重要因子，其不僅改變巖土體在不同時間段的三相組成，更為重要的是改變巖土體的內部結構和性質，從宏觀上表現為抑制或誘發地質災害，而降雨氣候因子則是誘發地質災害發生的主要影響因素，在氣候性地質災害誘發因素中起決定性的作用。高溫干旱與降雨氣候事件的疊加作用則成為地質災害急劇發生主要推力，在工程防災和減災中應引起足夠的重視。因此，不僅要采取措施應對單個極端高溫干旱、極端低溫事件和極端降水事件，更應該警惕極端氣候疊加效應引發的災害鏈問題。

3 結 論

通過筆者的研究分析，初步得出以下結論：

1)重慶近百年來氣溫因子呈現出一個明顯的以30年左右為周期的冷暖交替特征。

2)1950年以來，重慶市極端降水強度呈現明顯的先降后增特征，大約以30年一次年代際震蕩周期，50年代到80年代的震蕩幅度較小，80年代后震蕩幅度較為強烈。

3)地質災害的發生頻數與氣候的變化密切相關，二者在一定程度上具有相同的變化趨勢，而且地質災害發生頻數與氣候的升、降溫期在時間序列上呈現出較好的耦合性。

4)環境氣溫特別是極端持續高溫不僅改變巖土體在不同時間段的三相組成，更為重要的是改變巖土體的內部結構和性質，從宏觀上表現為抑制或誘發地質災害；降雨氣候因子軟化了巖土體并降低了其抗剪強度，降低了災害體與穩定巖土體之間的抗拉強度，成為誘發地質災害發生的主要影響因素，在氣候性地質災害中起到決定性的作用。而二者的疊加作用則成為地質災害頻發的主要推力，在工程防災和減災中應引起足夠的重視。

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ClimaticallyInducedMechanismofGeologicalDisastersinChongqing

HUANG Mingkui, MA Lu

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

Unusual climate has been one of the main problems for global environmental protection, engineering construction and operation today, and it is also one of the main factors that induced the geological disasters in mountainous areas. Chongqing is one of the most severe areas that generate geological disasters in China. To study the climatically induced mechanism of geological disasters in Chongqing, the climatic change characteristics, such as atmospheric temperature and rainfall intensity, and the coupling features of the geological disaster and climatic change were analyzed, which was based on the meteorological and geological disasters data since 1950 in Chongqing. Then, the climatically induced mechanism of geological disasters in Chongqing was studied. The results reveal the law of the geological disasters induced by climatic change especially extreme climate. The results also provide the technical reference for forecasting, preventing and treating geological disasters.

geological engineering; geological disaster; climatic change; coupling; induced mechanism

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.13

2016-04-25；

2016-07-12

重慶市教委基金資助項目(2019501129)

黃明奎(1975—)，男，四川隆昌人，博士后，教授，主要從事隧道及巖土工程方面的教學研究工作。E-mail: hmksmile@163.com。

P694

A

1674-0696(2017)11-066-05

(責任編輯：朱漢容)