暴雨與高溫對地質災害的影響研究

劉長林，王 莉,渠群英

(1.山東省海河淮河小清河流域水利管理服務中心，山東 濟南 250100；2.山東調水工程運行維護中心東營分中心，山東 東營 257300)

現有統計研究表明，大多數降水型邊坡的失穩往往發生在暴雨階段或者暴雨結束一段時間內，此外，很多地質災害的發生長期處于高溫氣候狀態，強降水以及高溫天氣耦合極易形成地質災害，引發滑坡、泥石流等。通常，研究表明，地質災害是自然因素及人為活動共同引起的，地質災害一旦發生，往往會帶來巨大的人員財產損失。此外，研究表明，溫度升高會導致降水增多，冰雪融化加速，進而導致地質災害發生頻率增大，隨著經濟的發展，地災災害問題引發了越來越多的關注，因此需加強該方面的預報預警。

許英姿等[1]以某碎石巖地區地質災害報告為研究對象，通過數學統計法分析了暴雨導致的地質災害發生機制，系統研究了降水歷時、降雨量以及降雨強度等敏感參數的影響。并得到了地質災害發生的前5d之內的降水量對地質災害的影響水平。代貞偉等[2]基于三峽某堆積層滑坡的失穩破壞，研究了地理環境因素和自然因素對該滑坡的影響，并采用非穩態非飽和滲流方法研究了該滑坡的失穩破壞過程，但未能考慮高溫暴雨的耦合影響，結果不準確。陳才等[3]基于觀測數據綜合考慮了暴雨及高溫對地質災害的影響，該方法對于合理對地質災害的預警預報具有重要意義。

考慮目前研究的不足，本文提出暴雨和高溫耦合因素對于地質災害的影響，全面分析地質災害的致災機理，本文的研究具有重要科學意義。

1 地質災害的影響機理研究方法

1.1 暴雨高溫誘發地質災害預報

根據目前的研究成果，日降水量可描述日降水量對地災的影響，日溫度值可描述溫度對地災的影響[4]。本文引入降水和溫度對地質災害的影響，以及其致災機理。其中，日綜合降水這一物理量代表強降雨過程的影響，進一步引入日綜合溫度這一物理量代表高溫過程的影響：

(1)

(2)

式中，Pc、Cc—某地的日降水量和溫度值；P0、C0—發生地質災害時的降水量和溫度；d—災害發生前的時間，d；ηd、λd—降水量和溫度對地質災害的影響隨時間變化的因子；e—觀測點降水雨量觀測站點個數；i、j—表示坐標。

1.2 降水量和溫度對災害預警等級

研究表明，將地質災害累計頻率設為15%，其對應的日綜合溫度和降雨量作預報狀態的溫度和降雨值，將地質災害累計頻率設為30%，其對應的日綜合溫度和降雨量作臨報狀態的溫度和降雨值，將地質災害累計頻率設為50%，其對應的日綜合溫度和降雨量作警報狀態的溫度和降雨值，這可有效為減少地災的漏報率[5]，本文按此方法進行研究。表1給出了不同狀態下的日綜合溫度和降雨量。

表1 滑坡災害預警等級的日綜合降雨量和溫度關系

1.3 地質災害影響機理模型

本文除了考慮溫度和降雨量對地質災害的影響，還考慮了地貌與生態因素[6]對災害影響，并進一步得到到泥石流、坍塌、滑坡等地質災害影響機理模型：

Gf(e)=α(e)×[Pc(e)+Pf(e)]

(3)

Gw(e)=α(e)×Pc(e)

(4)

Hf(e)=β(e)×[Cc(e)+Cf(e)]

(5)

Hw(e)=β(e)×Cc(e)

(6)

式中，α(e)—某點的降雨影響系數；β(e)—某點的溫度影響系數，與該區地形地貌相關[7]；Pc(e)、Cc(e)—災害發生前期的降水以及日溫度值，可通過降雨觀測站和氣象觀測站得到；Pf(e)、Cf(e)—觀測點的未來降水量和溫度值；Gf(e)、Gw(e)—對地災的影響程度；Hf(e)、Hw(e)—預警等級。

1.4 地質災害氣象監測及預報預警

如果已知降水量及高溫具體數值，可采用軟件監管溫度、降雨實況，通過日綜合溫度、降水量預報發布地質災害預報或預警。圖1匯總得到了預報預警流程，該圖表示6、12、24h地質災害預報。進一步表明，如果某站點的6、12、24h可能會發生3級及以上的降水和高溫時，便可立即啟動預警警報，并采取響應防護措施。另一方面，如果將氣象站和溫度站點數據及時更新，那么可以大大提高預警信息的準確度[8- 9]。

通常在計算某地區的日綜合降水量和溫度時乘以降水衰減系數作為結果，地質災害預報預警的結果應為數值模型預報結合衛星云圖分析、降水為雷達回波、當日溫度的研究結果。

2 實驗結果

為例驗證本文所提方法的有效性，本文對試驗地區用所提方法進行驗證。獲取得到我國某個地區降水對地質災害的影響機理。

2.1 地質災害與日降水的關系

表2匯總得到了降雨強度對地質災害的影響，包括泥石流、滑坡等發生次數及比例。結果表明，當日降水量大于200mm時和日降水量大于150mm時，發生降水型滑坡的概率分別為32.1%和30.3%，當日降水量大于100mm時，發生降水型滑坡的概率為16.9%；當日降水量大于200mm時，發生泥石流的概率為39.5%。該數據證明，泥石流、滑坡發生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨條件的影響。

圖1 地質災害預報預警流程

表2 降雨強度對地質災害的影響

2.2 地質災害與高溫天氣的關系

雖然降水是影響地質災害發生的重要因素之一，但是通常地質災害的發生時受多種因素控制的，一般如果降水量比較少，說明該地處于高溫干旱狀態，土體強度較低，降水可能導致土體劣化，誘發地質災害。

為研究高溫氣候對地質災害的影響，表3統計了地質災害與高溫天氣的相關關系。本文主要統計了研究區地質災害的前10d結果。結果表明，在地質災害發生前3d，累計高溫天數與地質災害的相關性都比較大，其相關系數均大于0.5，最大相關系數可達0.57；另一方面，隨著時間的增多，在地質災害發生的前4d和前8d，兩者的相關系數明顯降低，到發生前第10d時，相關系數僅為0.36，證明累計高溫天氣與地質災害的相關性較差。也即超過10d時，高溫天氣對地質災害的影響程度很弱。表4匯總得到了后10d高溫天氣的地質災害發生次數，結果表明，累計災害發生的次數合計186次，占后10d高溫天氣總地災發生次數比例為44.7%，高溫發生第2天出現地質災害的次數為115次，占總地災發生次數比例為27.6%，合計高溫發生當前和第2天的地質災害發生概率為72.2%，這結果表明，后1d和后2d時發生地質災害的高峰期。實際應用中應嚴格對該時段進行監測與控制。

2.3 滑坡坍塌與小時降水量分析

基于目前研究成果，分析短時強降水類型A，連續性降水B和持續強降水C型對地質災害的影響，圖2和圖3匯總得到研究區A和B型降水在地質災害36h的逐時和累計降水量。圖2表明，如果研究區的降雨類型為A型，地質災害現象通常發生在最大降雨時或降雨后幾個小時內。

表3 地質災害發生次數與高溫天氣累計時長

表4 高溫天氣10d內每日地質災害發生次數

圖2 崩滑災害前36h逐時和累積降雨量(A型)

圖3 崩滑災害前36h逐時和累積降雨量(B型)

圖3為連續降雨類型結果，結果表明，兩次或多次的B型降雨，當降水峰值大于30mm時，在第二次強降雨后，該區域可能發生滑坡等地災。

表5 本文方法的專家評價結果(100分制)

2.4 方法評價

采用專家評價法和非飽和滲流兩種研究手段對地質災害影響機理分析結果進行評估表明(見表5—6)，表5表明，專家評價法對短時強降雨A型、連續降雨B型、持續強降雨C型、短時高溫D型的平均得分均大于96分，僅對持續高溫E型得分為95.8分，證明本文結果對地質災害的影響效果評價結果較好。表6表明，專家評價法得到的非穩態飽和滲流對地質災害的影響評分均在70分以下，相對來說結果低于表5結果。通過與試驗的對比證明，本文所提出的方法可很好的研究暴雨和高溫的影響，也證明了本文方法的有效性。

表6 非飽和滲流地質災害的影響機理的專家評價結果(100分制)

3 結語

本文提出了引入綜合日降水量和日綜合高溫對暴雨和高溫下的地質災害的影響程度進行分析及預警，得到以下結論：

(1)泥石流、滑坡發生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨條件的影響，并能實現地質災害的預報預警。

(2)降水和高溫發生的后1d和后2d時發生地質災害的高峰期。實際應用中應嚴格對該時段進行監測與控制。

(3)結果表明，在高溫發生當前和第2d的地質災害發生概率為72.2%，因此除暴雨外，高溫也是導致滑坡、泥石流地質災害發生的關鍵因素。實際應用過程中，應在該時段加強監測及設置防范措施。