石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究

李忠燕，田其博，張東海

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550004；3.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究

李忠燕1,2，田其博1，張東海2

(1.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省地質環境監測院，貴州 貴陽 550004；3.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

利用石阡縣2010—2014年18起降雨型滑坡事件對應的區域氣象站以及氣象臺站逐小時降水資料，采用統計分析的方法分析了滑坡發生前后的降水類型，建立了臨界雨量的預報模型。結果表明滑坡對應的暴雨類型均屬于尖峰型降水，強降雨時間都較短。滑坡的降雨量度與歷時關系的分析表明可以將小時雨量大于10 mm作為石阡縣滑坡的起報必要條件。基于區域氣象站資料建立的滑坡預報模型表明24 h雨量(前期3d雨量)與1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相關關系。在滑坡預警預報中可以根據氣象臺的24 h雨量預報值(或前期3 d有效雨量)及1 h最大雨量(或3 h最大雨量)預報值就可以及時發出滑坡預警，從而在地質災害防御中起到重要作用。

臨界雨量；區域站；滑坡；預報模型

1 引言

降水是滑坡這一地質災害發生的主要誘導因素，可以說降水尤其是降雨強度大的降水或者歷時時間較長的降水與滑坡災害的發生有著緊密的聯系，這是因為降雨的發生一方面增加了土壤的含水量，另一方面降低巖土自身的物理性能，從而改變斜坡周邊的土壤條件，導致斜坡穩固性降低，從而發生滑坡[1]。據統計，我國地質災害70%以上發生在雨季[2-5]。近幾年中國地質災害統計研究表明，持續性降水誘發的滑坡約占總量的65%，其中局部地區的強降水導致的滑坡約占總量的43%，占持續性降水誘發滑坡總量的66%[6]。降雨誘發的滑坡和泥石流因其觸發機制具有發生時間短且大多發生在夜間的特點，每年都會給人民的生命和財產造成巨大的損失。因此，研究降雨型滑坡發生的臨界雨量再結合氣象部門的臨近預報日益成為目前滑坡預報工作的有效途徑，也是目前技術條件下有效的預報方法。

目前確定誘發滑坡的降雨閾值的研究一方面是通過基于邊坡穩固性分析的力學方法進行確定，另一方面是基于滑坡發生時的降雨數據建立統計預報模型的分析方法來確定[7]。降雨誘發滑坡閾值的概念首先由Caine[8]提出來。它是基于滑坡發生時的降雨數據的客觀統計事實得到的經驗型降雨閾值，之后大量研究中將這種經驗型降雨閾值作為預測滑坡災害發生的判據。經驗型降雨閾值不需要嚴格的數學推導和物理規律，是一種基于滑坡發生時的降雨數據的統計模型，因降水數據客觀易得，因此相對于邊坡穩固性分析的力學方法而言，經驗型降雨閾值發展較為成熟。

考慮到區域氣象站的建站時間，選取2010以來石阡發生的18起由于強降水導致的滑坡，利用石阡縣氣象觀測站以及區域氣象站逐小時雨量資料，通過統計的方式確定出發生滑坡的致災臨界雨量。利用這個臨界雨量結合臨近天氣預報就有可能及時發現險情、及時發出預警，起到防災減災及氣象保障服務工作的作用，從而有力地推進貴州省氣象災害風險管理工作。

2 資料

考慮到貴州自動氣象站建立時間因素的影響，以石阡縣近幾年以來18起滑坡事件(表1)作為石阡縣降雨型滑坡臨界雨量的研究對象，根據滑坡發生點的經緯度坐標信息，選取滑坡發生點最近的區域氣象站或氣象觀測站(圖1)小時雨量數據作為滑坡臨界雨量研究的基礎數據。

表1 石阡縣滑坡事件統計表Tab.1 Statistical table of 18 landslides occurred at Shiqian

圖1 氣象觀測站及區域氣象站的分布圖Fig.1 Distribution of meteorological observation stations and automatic meteorological stations

3 降雨型滑坡臨界雨量分析

3.1 降雨類型分析

利用石阡縣18起滑坡事件對應的逐小時降水資料，分析其滑坡發生前48 h至滑坡發生當日降水類型。降雨型滑坡的降水類型根據降雨峰值的形態可劃分成2種類型[9]，即尖峰型(降水強度出現一個或多個峰值)和波動降水型(降水強度較均勻，其峰值不明顯)，其中尖峰型又分為單峰型、雙峰型和多峰型。石阡縣18起降雨型滑坡的降水類型都屬于尖峰型降水，可以說這18起均屬于降雨型滑坡事件。圖2～圖3給出了石阡縣2種尖峰型的逐小時降雨量度情況。可以看出，這2次滑坡的降雨特征具有相同點，也存在不同之處。對于貴州石阡縣2014年5月25日滑坡點對應R6818站的雨量過程線來說，前期48 h降水量很小，甚至沒有降水，但在滑坡發生當日，雨量過程線存在明顯的峰值，即降雨量突然增大，而其它時間降雨量較小，此種降雨類型為尖峰型中的單峰型。有研究表明，引起泥石流滑坡等地質災害發生的暴雨類型主要是以尖峰型為主[10-12]。這是因為，比較均勻的強降雨整體降雨量很大，但不能使滑坡產生破壞，此類滑坡的啟動關鍵需要達到一定的降雨量度。而對于石阡縣2014年6月4日這次滑坡來說，前期48 h降水量較大(69.6mm)，達到大雨量級，并且滑坡當日的雨量過程線也同樣存在明顯的峰值(最大小時雨量為100.1mm)。因此在這一次的降水過程中，出現了多個峰值，一個出現在滑坡發生之前，一個在滑坡暴發期，這也是導致2014年6月4日發生大型滑坡事件的原因。

圖2 單峰型降水(貴州石阡縣2014年5月25日滑坡點對應R6818站逐小時降水量時間序列)Fig.2 Single-peaked type rainfall (time series of hourly precipitation at R6818 station where landslide occurred at Shiqian of Guizhou on May 25,2014)

圖3 雙峰型降水(貴州石阡縣2014年6月4日滑坡點對應57734站逐小時降水量時間序列)Fig.3 Double-peaked type rainfall (time series of hourly precipitation at 57734 station where landslide occurred at Shiqian of Guizhou on June 4,2014)

3.2 降雨強度、歷時分析

利用石阡縣18起滑坡發生點對應的逐小時降水資料，統計滑坡發生前48 h至滑坡發生當日小時雨量>10 mm和20 mm的降雨的歷時情況(圖4、圖5)。可以看出，對于石阡縣這18次滑坡來說(圖4)，小時雨量>10 mm和20 mm的降雨都主要集中在滑坡發生當天，不同的是歷時不同。滑坡發生當日小時雨量>10 mm的歷時為2～8 h，平均歷時為4.8 h，而滑坡發生當天小時雨量>20 mm的歷時為0～5 h，這表明在前期累積降水量較大的情況下，后期降雨強度雖然<20 mm/h，但>10 mm/h的情況下也有可能發生滑坡。可以看出，造成石阡的18起滑坡具有強降雨歷時較短，且主要集中在滑坡發生當日的特點，且激發雨量>10 mm/h。因此，可以將小時雨量>10 mm/h作為石阡縣滑坡暴發的必要條件，即當小時雨量>10 mm/h時，石阡縣才有可能發生滑坡地質災害。

圖4 滑坡前期48 h至滑坡當天小時雨量>10 mm降水的歷時統計結果Fig.4 Duration statistic of hourly precipitation more than 10 mm/h in one day from 48 hours before to the day landslide occurred

圖5 滑坡前期48 h至滑坡當天小時雨量>20 mm降水的歷時統計結果Fig.5 Duration statistic of hourly precipitation more than 20 mm/h in one day from 48 hours before to the day landslide occurred

3.3 降雨型滑坡預報模型的建立

由于下墊面因素的復雜性，基于邊坡穩定性分析的力學方法尚沒成熟，但多數人認為滑坡的暴發與短時強降水以及前期有雨量都有著密切的聯系[13-16]。因此，在現在區域氣象站雨量資料豐富的情況下，以滑坡暴發與當日1 h最大雨量、3 h最大雨量與24 h雨量和前期3 d雨量兩兩組合確定不同時效的臨界雨量閾值，對于滑坡預報具有一定的實際意義。這種方法可以借助氣象臺的臨近天氣預報，對滑坡的發生和發展做出提前的預報，有效地起到抵制氣象災害風險的作用。

前期有效雨量R是指滑坡暴發前對含水狀況仍起作用的降雨量，它受時空的變化、輻射強度、蒸發量以及土壤滲透能力等多種因素的影響，為了正確表示含水率的實際情況，可采用下式：

Rn=R0+KR1+K2R2+K3R3+…+KnRn

(1)

n=0,1,2…，n

因為這18次滑坡存在強降雨歷時時間都較短的相似性，所以我們將這18次滑坡樣本結合在一起進行統計分析，同時我們選取石阡縣對應時間段內未發生滑坡降水樣本進行統計分析。

具體方法是以滑坡發生當日24 h雨量(或前期3 d雨量)作為橫坐標，以當日1 h最大雨量(或3 h最大雨量)作為縱坐標，將發生滑坡和未發生滑坡的兩組數據以不同的類型標注上，以發生滑坡的最低雨量為基值，以數據整體分布趨勢為斜率做出警戒臨界雨量線；以未發生滑坡的最大雨量點為基值，以數據整體分布趨勢為斜率做出避難臨界雨量線，從而建立滑坡發生的24 h雨量(或前期3 d雨量)與1 h最大雨量(或3 h最大雨量)的預報模型。根據石阡縣區域氣象站、氣象臺站的逐小時降水數據，運用上述方法制作出預報模型圖，見圖6、圖7。其中臨界線1和臨界線2之間的區域是兩組數據的落區。以預報模型為依據，根據不同的前期雨量條件對預報級別進行界定，即得到3個級別的預警閾值，分別為Ⅲ級預警(警戒臨界線以下)、Ⅱ級預警(警戒臨界線與避難臨界線之間)和Ⅰ級預警(避難臨界線之上)。對比之前的研究，這種方法的優點是可以根據前期有效雨量或者是前期1 h(3 h)最大雨強的大小，結合氣象臺的臨近天氣預報，來確定未來滑坡發生的可能性大小，從而對滑坡的發生和發展做出提前的預報。表2給出了不同的24 h雨量對應的1 h最大雨量的預警預報值(對應的3 h最大雨量的預警預報值省略)，可作為各級預報的參考值。當從預報值來看，24 h雨量與1 h最大雨量呈反相關關系，即當24 h雨量越大，激發滑坡發生所需的1 h最大雨量越小，而24 h雨量越小，1 h最大雨量越大。

從已經發生地質災害的調查實例來看，最大雨量出現到災害的暴發一般至少有0.5～2 h的時間間隔[17]，如果預警信息能在這個時間間隔內發布，就能起到防災減災的目的。

圖6 發生滑坡的24 h雨量與1 h最大雨量的預報模型Fig.6 Prediction model of cumulative rainfall of the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 1 hour of the day landslide occurred

圖7 發生滑坡的24 h雨量與3 h最大雨量的預報模型Fig.7 Prediction model of cumulative rainfall of the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 3 hour of the day landslide occurred

預警等級R24=50R24=100R24=120Ⅲ級預警 2．1R1>70．5120>R1>46．9

圖8、圖9建立的是前期3 d的雨量與1 h最大雨量和3 h最大雨量的預報模型，表3給出的是前期3 d雨量與3 h最大雨量的預警預報值。從預警預報值來看，3 h最大雨量與前期3 d雨量也呈反相關關系。這是因為前期土壤含水量多，發生滑坡的激發雨量就低一些，反之，如果前期土壤含水量少，激發滑坡的雨量就高一些。滑坡預報模型的建立，需要多次滑坡的降水數據進行疊加計算，這樣得到的預警預報值越客觀準確，所以，在以后的工作中需要不斷更新滑坡災害的數據庫，得到更為準確和客觀的預警預報值，從而及時發現險情、及時發出預警，起到防災減災，氣象保障服務工作的作用，從而有力地推進貴州省氣象災害風險管理工作。

圖8 前期3 d的雨量與1 h最大雨量的預報模型Fig.8 Prediction model of cumulative rainfall from two days before to the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 1 hour of the day landslide occurred

圖9 前期3 d的雨量與3 h最大雨量的預報模型Fig.9 Prediction model of cumulative rainfall from two days before to the day landslide occurred and the triggering maximum rainfall in 3 hour of the day landslide occurred

預警等級R3d=80R3d=100R3d=200Ⅲ級預警1．1R3>39．82．8>R3>22Ⅱ級預警46．9≤R3≤8039．8≤R3≤98．622≤R3≤77．9Ⅰ級預警不能出現100>x>98．6200>x>77．9

4 結論

通過對石阡縣2010—2014年18起降水型滑坡事件對應的逐小時降水的各種分析，得到以下結論：

①滑坡對應的暴雨類型均屬于尖峰型降水，強降雨時間都較短；不同之處在于有的屬于單峰型，有的屬于雙峰型。

②滑坡的降雨量度與歷時關系的分析表明可以將小時雨量>10 mm作為石阡縣滑坡的必要條件，即小時雨量>10 mm時，石阡縣才有可能發生滑坡。

③基于區域氣象站資料的建立的滑坡預報模型表明24 h雨量(前期3 d雨量)與1 h最大雨量(3 h最大雨量)呈反相關關系，即當24 h雨量(前期3 d雨量)越大，激發滑坡發生所需的1 h最大雨量(3 h最大雨量)越小，而24 h雨量(前期3 d雨量)越小，激發滑坡發生所需的1 h最大雨量(3 h最大雨量)越大。

④就石阡縣而言，利用建立的滑坡臨界雨量模型和24 h雨量預報，同時借助氣象臺的臨近天氣預報，對滑坡的發生和發展做出提前的預報，有效地起到抵制氣象災害風險的作用。

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PreliminaryStudyofCriticalRainfallofLandslidesatShiqian

LI Zhongyan1,2,TIAN Qibo3,ZHANG Donghai1

(1.Guizhou Climate Center,Guiyang 550002,China;2.Key Laboratory of Mountainous Climate and Resources of Guizhou Province,Guiyang 550002,China;3.Guizhou Institute of Geo-environment Monitoring,Guiyang 550004,China)

Using hourly precipitation data from automatic meteorological stations and meteorological observation stations according to 18 landslides from 2010 in Shiqian,the types of rainfall of the landslide were analyzed by using statistical analysis.The results show that the characteristics of the precipitation corresponding to the landslide have one or more peaked values.And the time of the heavy rainfall is short.Analysis of the relationship between the intensity and time of the rainfall indicates that the hour rainfall of landslide must be greater than 10mm at least in Shiqian.The model based on information from automatic meteorological stations indicates that a negative correlation between 24h rainfall (cumulative rainfall of the day landslide occurred) and 1h maximum rainfall (3h maximum rainfall) occurred.Finally the prediction method of landslide in this area was discussed by using the predicted value of 24h rainfall (cumulative rainfall of the day landslide occurred) and 1h maximum rainfall (3h maximum rainfall).And the landslide warning can be issued promptly which can play an important role in the prevention of geological disasters.

critical rainfall; automatic meteorological stations landslide; predicted model

1003-6598(2017)05-0033-06

2017-01-21

李忠燕(1986-)，女，工程師，主要從事短期氣候預測及氣候變化研究工作，E-mail:523257762@qq.com。

中國氣象局山洪地質災害防治氣象保障工程項目：山洪災害風險區劃和影響預評估能力建設；中國清潔發展機制基金贈款項目2013031：貴州省氣候變化影響評估及應對服務；貴州省氣象局青年基金項目(黔氣科合QN[2017]04號)。

P426.62

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