地質(zhì)災害與降雨雨型的關(guān)系研究

  1 引 言

 

  我國是世界上地質(zhì)災害最嚴重的國家之一, 地質(zhì)災害的發(fā)生一方面取決于斜坡的基礎地質(zhì)條件,另一方面又受到多種外界因素的誘發(fā)影響。在這些誘發(fā)因素中, 降雨尤其是強降雨是誘發(fā)地質(zhì)災害的最重要因素之一。國內外很多學(xué)者從暴雨的頻次、周期變化、降雨歷時(shí)、降雨量等多方面研究了地質(zhì)災害的發(fā)生與降雨之間的相關(guān)關(guān)系, 特別是通過(guò)降雨量大小與降雨歷時(shí)與地質(zhì)災害之間的統計分析, 采用臨界累計雨量(24h, 1d, 3d, 7d, 15d累計雨量等)、臨界降雨強度(一般為小時(shí)雨量)等閾值, 多個(gè)國家和地區開(kāi)展了地質(zhì)災害的區域預警研究與服務(wù)工作, 自2003年起中國大陸啟動(dòng)了國家級地質(zhì)災害氣象預警預報工作, 為提高全社會(huì )的防災減災意識,有效減輕地質(zhì)災害造成損失做出了積極貢獻。

 

  在地質(zhì)災害與降雨關(guān)系的研究探索中, 逐漸發(fā)現地質(zhì)災害發(fā)生不僅與降雨歷時(shí)、降雨量有關(guān), 同時(shí)還與降雨雨型有密切的聯(lián)系, 不同雨型的降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的發(fā)生機制具有明顯的差異性。鐘蔭乾認為:降雨型滑坡集中分布于久雨暴雨區, 林孝松等研究認為:相同地質(zhì)條件下, 暴雨型滑坡與久雨型滑坡的觸發(fā)降雨量存在明顯的差別。

 

  由于地質(zhì)災害氣象預警預報工作是基于氣象預報的基礎進(jìn)行的, 需要從地質(zhì)災害區域預報的角度,深入研究降雨類(lèi)型與地質(zhì)災害發(fā)生的關(guān)系, 從而改進(jìn)地質(zhì)災害預報模型, 提高地質(zhì)災害預報的準確性。

 

  本文即通過(guò)中國大陸開(kāi)展的地質(zhì)災害氣象預警預報工作中收集的降雨實(shí)況與地質(zhì)災害反饋資料, 從地質(zhì)災害氣象預報的角度, 將誘發(fā)地質(zhì)災害的降雨雨型分為3種類(lèi)型:臺風(fēng)降雨、持續強降雨和局地暴雨, 分析總結了不同降雨雨型誘發(fā)地質(zhì)災害的特點(diǎn)和規律, 對于地質(zhì)災害降雨誘發(fā)機制與預警預報模型的改進(jìn)完善具有重要意義。

 

  2 不同雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害特征

 

  由于局地暴雨型的降雨和地質(zhì)災害數據分散且難以收集, 本節以2005年汛期(5 ～ 9月)降雨和地質(zhì)災害為例, 研究臺風(fēng)降雨型與持續強降雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的情況。2005年汛期我國降雨量較常年偏多, 共有7次臺風(fēng)降雨過(guò)程和5次持續強降雨過(guò)程, 在我國多個(gè)省份誘發(fā)了嚴重的崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災害。臺風(fēng)降雨往往具有降雨中心雨強大、降雨時(shí)間相對較短、影響范圍相對較小的特點(diǎn), 因此其誘發(fā)地質(zhì)災害的范圍相對集中, 主要沿臺風(fēng)登陸路徑集中分布;持續強降雨過(guò)程具有降雨中心強度相對小、降雨時(shí)間持續較長(cháng)、影響范圍廣的特點(diǎn), 其誘發(fā)地質(zhì)災害的范圍較廣, 影響省份多。

 

  3 地質(zhì)災害與不同雨型降雨關(guān)系研究

 

  根據氣象站點(diǎn)降雨實(shí)況資料和地質(zhì)災害實(shí)際發(fā)生情況, 分析誘發(fā)地質(zhì)災害的降雨雨量大小與空間分布情況, 將誘發(fā)地質(zhì)災害的降雨雨型分為3 種類(lèi)型:臺風(fēng)降雨型、持續強降雨型和局地暴雨型。以下分別分析地質(zhì)災害發(fā)生的時(shí)間空間分布與不同雨型降雨的相關(guān)關(guān)系, 總結了不同降雨雨型誘發(fā)地質(zhì)災害的特點(diǎn)和規律。

 

  3.1 臺風(fēng)降雨型降雨與地質(zhì)災害關(guān)系

 

  臺風(fēng)降雨型降雨具有如下特點(diǎn):降雨過(guò)程持續時(shí)間不長(cháng), 一般為2 ～ 3d, 而降雨強度較大, 最大日降雨量一般達100mm以上。以影響福建省的兩次臺風(fēng)過(guò)程“海棠” (影響時(shí)間為7月18 ～ 22日)、“泰利”(影響時(shí)間為8月31日～ 9月2日)為例, 研究臺風(fēng)降雨型降雨與地質(zhì)災害發(fā)生之間的關(guān)系。7月18日下午14 點(diǎn), 臺風(fēng)“海棠”在臺灣宜蘭登陸, 19日下午17點(diǎn), 在福建省連江黃岐再次登陸;9 月1日6時(shí), 臺風(fēng)“泰利”在臺灣花蓮登陸, 當日14時(shí)30分在福建省莆田市再次登陸。福鼎、寧德、福州3個(gè)雨量站清晰地顯示了“海棠”和“泰利”臺風(fēng)期間的強降雨過(guò)程(圖1), 在“海棠”臺風(fēng)期間, 日雨量顯示, 福鼎站有4 日超過(guò)50mm, 最小為63.4mm(7.18), 最大為217.1mm(7.20);寧德站有3日超過(guò)50mm, 最小為100.1mm(7.18), 最大為153.3mm(7.22);福州站有2日超過(guò)50mm, 最小為12.3.1mm(7.19), 最大為140.7(7.22)。在“泰利”臺風(fēng)登陸期間, 3 個(gè)雨量站均僅9 月2 日雨量超過(guò)50mm, 福鼎站雨量達236.8mm;寧德站雨量達148.2mm;福州站雨量達168.1mm。

 

  據不完全統計, 受臺風(fēng)“海棠”帶來(lái)的強降雨影響, 福建、浙江兩省境內共造成107處崩塌、滑坡等地質(zhì)災害, 其中崩塌38處, 滑坡69處, 造成2人死亡, 1人受傷, 直接經(jīng)濟損失1025.51萬(wàn)元, 地質(zhì)災害集中發(fā)生在臺風(fēng)在福建境內帶來(lái)強降雨的時(shí)段和范圍內(圖2a)。災害規模較小, 一般為幾方到幾十方, 少數達幾百方, 極少數可超過(guò)千方;受臺風(fēng)“泰利”帶來(lái)的強降雨影響, 在浙江、福建、江西、湖北等省份誘發(fā)了97處滑坡、崩塌等地質(zhì)災害, 同樣具有災害點(diǎn)多、規模小的特點(diǎn), 同時(shí)地質(zhì)災害發(fā)生的時(shí)間與集中強降雨時(shí)間一致, 空間分布上沿臺風(fēng)登陸后運移路徑一致。

 

  其誘發(fā)地質(zhì)災害特點(diǎn)可歸納為:多為群發(fā)型地質(zhì)災害, 災害規模較小, 一般為表層或淺層滑坡、崩塌。時(shí)間與空間分布上來(lái)看, 屬“即雨即滑”型, 即地質(zhì)災害與降雨在時(shí)間上具有較好的對應關(guān)系, 地質(zhì)災害的發(fā)生滯后時(shí)間短, 基本隨著(zhù)降雨過(guò)程的發(fā)生而瞬時(shí)發(fā)生;地質(zhì)災害發(fā)生地點(diǎn)與臺風(fēng)運移軌跡也基本一致。這類(lèi)雨型誘發(fā)的地質(zhì)災害主要分布我國的東南沿海, 臺風(fēng)頻繁登陸的地區, 以福建、浙江兩省最為典型。

 

  3.2 持續強降雨型降雨與地質(zhì)災害的關(guān)系

 

  持續強降雨型降雨是誘發(fā)地質(zhì)災害最常見(jiàn)的一種雨型, 具有如下特點(diǎn):降雨持續時(shí)間較長(cháng), 一般達10d以上, 降雨強度不是很大, 一般日雨量為10 ～50mm左右。以2005年5月2 ～ 28日福建省降雨為例分析持續強降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的規律。以福建永安雨量站臨近的6個(gè)縣市(永安市、大田縣、三元市、明溪縣、清流縣、漳平)的191 處地質(zhì)災害點(diǎn)進(jìn)行分析(圖3), 其中柱狀圖為日降雨量的實(shí)況值, 折線(xiàn)為當日地質(zhì)災害的發(fā)生個(gè)數。

 

  由圖3可見(jiàn), 從5月2 ～ 28日的日降雨量柱狀圖可見(jiàn), 降雨基本連續發(fā)生, 日雨量超過(guò)10mm的有15d之多, 然而降雨強度并不大, 最大雨量為76.3mm, 日雨量超過(guò)50mm的僅3d。在整個(gè)連續降雨過(guò)程中, 包含一個(gè)3d的較強降雨(5月14 ～ 16日的每日雨量均超過(guò)70mm, 3d累積雨量為222.9mm)。筆者將整個(gè)降雨過(guò)程分為3個(gè)階段:(1)5月2 ～ 12日:每日雨量均小于50mm, 11d中超過(guò)10mm雨量有5日;(2)5月14 ～ 16日:降雨強度大, 3d累積雨量超過(guò)200mm;(3)5 月20 ～ 28 日:最大降雨為51mm(5月21日), 9d中超過(guò)10mm雨量的有7d。

 

  對應于上述降雨過(guò)程的3 段劃分, 其誘發(fā)災害情況如下:(1)5月2 ～ 12日降雨段, 災害發(fā)生情況,5月9日有6處, 5月12日有35處, 5月13日有21處。此過(guò)程中最大雨量5月4日降雨量39.8mm, 無(wú)災害發(fā)生。而5月12 ～ 13日為地質(zhì)災害高發(fā)時(shí)段,滯后于連續降雨過(guò)程。(2)5月14 ～ 16日, 日降雨量均較大且數值接近, 而發(fā)生地質(zhì)災害的個(gè)數屬5月15日最多, 5月14日次之, 5月16日最少。(3)5月20 ～ 28日, 5月23、24兩日災害最多, 均為6處,而5月21日雨量最大(51mm), 災害個(gè)數卻不多。

 

  由以上分析可見(jiàn), 持續強降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的規律:(1)在強降雨過(guò)程中(如日雨量大于70mm),地質(zhì)災害具有瞬時(shí)發(fā)災的特點(diǎn);(2)在降雨強度不大的連續降雨過(guò)程中, 地質(zhì)災害具有一定的滯后效應, 即此時(shí)降雨誘發(fā)地質(zhì)災害需要一定的雨量積累,地質(zhì)災害的發(fā)生需要一定的孕育過(guò)程;(3)在地質(zhì)災害大規模發(fā)生后, 即使在連續降雨的條件下, 再誘發(fā)新的地質(zhì)災害仍然需要一定的孕育過(guò)程。

 

  目前常用的預警預報模型多是采用臨界累計雨量作為預警閾值, 常用累積降雨量Rp的計算式為:Rp =Σni=1αiRi考慮到持續型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的滯后性, 隨著(zhù)計算雨量日期的前推, 系數αi應逐漸減小。

 

  同時(shí), 地質(zhì)災害預警預報過(guò)程中, 不僅要考慮到前期降雨情況, 也應該考慮到當日或前幾日地質(zhì)災害的發(fā)生情況。因此, 可以將地質(zhì)災害預警預報模型抽象為式(1):

 

  T=G+R-L>T0 (1)

 

  其中, T為某斜坡系統發(fā)生地質(zhì)災害指數;G為地質(zhì)背景環(huán)境條件貢獻的指數;R為降雨貢獻的指數:R=Rn +Rp;Rn為當日降雨;Rp為前期降雨;L為地質(zhì)災害發(fā)生損耗的指數;T0 為地質(zhì)災害發(fā)生所需的臨界指數。

 

  即, T=G+Rn +Rp -L>T0 (2)

 

  圖3中的降雨誘發(fā)地質(zhì)災害規律可用式(2)解釋如下:(1)瞬時(shí)發(fā)災, 此時(shí)降雨強度大, 即Rn較大, 如暴雨;(2)連續降雨時(shí), 當日雨量Rn不是很大, 但前期降雨Rp很大, 滯后效應即需要Rp的累積;(3)地質(zhì)災害大規模發(fā)生后, L很大, 損耗了大量的指數值, 因此需要更多的強降雨方能誘發(fā)新的地質(zhì)災害。

 

  由此可見(jiàn), 地質(zhì)災害的發(fā)生不僅與地質(zhì)環(huán)境背景條件、降雨量的大小(當日雨量、前期雨量)有關(guān),還與前期地質(zhì)災害的發(fā)生情況有關(guān)。目前, 現有的研究中一般僅考慮了地質(zhì)環(huán)境條件G或降雨量R,卻很少考慮前期地質(zhì)災害發(fā)生的影響L。

 

  3.3 局地暴雨型降雨與地質(zhì)災害的關(guān)系

 

  我國局地暴雨誘發(fā)地質(zhì)災害的情況也比較多,

 

  其降雨具有如下特點(diǎn):降雨持續時(shí)間短, 一般為1d,甚至幾個(gè)小時(shí), 降雨強度比較大, 日雨量一般達到暴雨級別(50mm)。但是, 由于局地暴雨具有突發(fā)性、局地性的特點(diǎn), 局地暴雨的降雨數據資料和誘發(fā)地質(zhì)災害的資料相對較少。以2006年6月17日湖南衡陽(yáng)局地暴雨誘發(fā)地質(zhì)災害為例進(jìn)行分析。

 

  分析湖南衡陽(yáng)雨量站降雨情況(圖4), 其中柱狀圖為日降雨量的實(shí)況值, 點(diǎn)狀標記為當日地質(zhì)災害的發(fā)生個(gè)數。6月15 ～ 19日時(shí)間段內, 15、16兩日無(wú)降雨, 17日出現局地暴雨(50.6mm), 18日、19日降水也較少, 該雨型屬于局地暴雨型。在6月17日局地暴雨過(guò)程中, 誘發(fā)了8起地質(zhì)災害, 地質(zhì)災害集中發(fā)生在出現局地暴雨的當日, 即6月17日。局地暴雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的規律可以歸結為:地質(zhì)災害的發(fā)生集中發(fā)生在出現局地暴雨的當日當地。但, 由于局地暴雨型降雨預報難度大, 準確率低, 且誘發(fā)地質(zhì)災害的可能性非常大, 突發(fā)性強, 往往躲避不及, 是地質(zhì)災害預報預警工作中的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

 

  4 結論

 

  (1)臺風(fēng)降雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害具有“即雨即滑”的特點(diǎn), 即地質(zhì)災害的發(fā)生與降雨在時(shí)間上具有較好的對應關(guān)系, 地質(zhì)災害的發(fā)生滯后時(shí)間短,基本隨著(zhù)降雨過(guò)程的發(fā)生而瞬時(shí)發(fā)生;地質(zhì)災害發(fā)生空間位置與臺風(fēng)運移軌跡也基本一致。多為群發(fā)型地質(zhì)災害, 災害規模較小, 一般為表層或淺層滑坡、崩塌。

 

  (2)持續強降雨型降雨誘發(fā)地質(zhì)災害, 在強降雨過(guò)程中地質(zhì)災害具有同步發(fā)生的特點(diǎn);在降雨強度不大但連續降雨過(guò)程中, 地質(zhì)災害具有一定的滯后效應, 即此時(shí)降雨誘發(fā)地質(zhì)災害需要一定的雨量積累, 地質(zhì)災害的發(fā)生需要一定的孕育過(guò)程;在地質(zhì)災害大規模發(fā)生后, 誘發(fā)新的地質(zhì)災害雨量閾值提高。

 

  (3)局地暴雨型降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害往往集中發(fā)生在出現局地暴雨的當日當地。

 

  總之, 地質(zhì)災害與降雨的關(guān)系較為復雜, 針對不同降雨雨型, 對其誘發(fā)地質(zhì)災害的特點(diǎn)和規律進(jìn)行深入研究, 對于地質(zhì)災害降雨誘發(fā)機制與預報預警模型的改進(jìn)與完善具有重要借鑒意義。