地质灾害与降雨雨型的关系研究

  1 引 言

 

  我国是世界上地质灾害最严重的国家之一, 地质灾害的发生一方面取决于斜坡的基础地质条件,另一方面又受到多种外界因素的诱发影响。在这些诱发因素中, 降雨尤其是强降雨是诱发地质灾害的最重要因素之一。国内外很多学者从暴雨的频次、周期变化、降雨历时、降雨量等多方面研究了地质灾害的发生与降雨之间的相关关系, 特别是通过降雨量大小与降雨历时与地质灾害之间的统计分析, 采用临界累计雨量(24h, 1d, 3d, 7d, 15d累计雨量等)、临界降雨强度(一般为小时雨量)等阈值, 多个国家和地区开展了地质灾害的区域预警研究与服务工作, 自2003年起中国大陆启动了国家级地质灾害气象预警预报工作, 为提高全社会的防灾减灾意识,有效减轻地质灾害造成损失做出了积极贡献。

 

  在地质灾害与降雨关系的研究探索中, 逐渐发现地质灾害发生不仅与降雨历时、降雨量有关, 同时还与降雨雨型有密切的联系, 不同雨型的降雨诱发地质灾害的发生机制具有明显的差异性。钟荫乾认为:降雨型滑坡集中分布于久雨暴雨区, 林孝松等研究认为:相同地质条件下, 暴雨型滑坡与久雨型滑坡的触发降雨量存在明显的差别。

 

  由于地质灾害气象预警预报工作是基于气象预报的基础进行的, 需要从地质灾害区域预报的角度,深入研究降雨类型与地质灾害发生的关系, 从而改进地质灾害预报模型, 提高地质灾害预报的准确性。

 

  本文即通过中国大陆开展的地质灾害气象预警预报工作中收集的降雨实况与地质灾害反馈资料, 从地质灾害气象预报的角度, 将诱发地质灾害的降雨雨型分为3种类型:台风降雨、持续强降雨和局地暴雨, 分析总结了不同降雨雨型诱发地质灾害的特点和规律, 对于地质灾害降雨诱发机制与预警预报模型的改进完善具有重要意义。

 

  2 不同雨型降雨诱发地质灾害特征

 

  由于局地暴雨型的降雨和地质灾害数据分散且难以收集, 本节以2005年汛期(5 ～ 9月)降雨和地质灾害为例, 研究台风降雨型与持续强降雨型降雨诱发地质灾害的情况。2005年汛期我国降雨量较常年偏多, 共有7次台风降雨过程和5次持续强降雨过程, 在我国多个省份诱发了严重的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害。台风降雨往往具有降雨中心雨强大、降雨时间相对较短、影响范围相对较小的特点, 因此其诱发地质灾害的范围相对集中, 主要沿台风登陆路径集中分布;持续强降雨过程具有降雨中心强度相对小、降雨时间持续较长、影响范围广的特点, 其诱发地质灾害的范围较广, 影响省份多。

 

  3 地质灾害与不同雨型降雨关系研究

 

  根据气象站点降雨实况资料和地质灾害实际发生情况, 分析诱发地质灾害的降雨雨量大小与空间分布情况, 将诱发地质灾害的降雨雨型分为3 种类型:台风降雨型、持续强降雨型和局地暴雨型。以下分别分析地质灾害发生的时间空间分布与不同雨型降雨的相关关系, 总结了不同降雨雨型诱发地质灾害的特点和规律。

 

  3.1 台风降雨型降雨与地质灾害关系

 

  台风降雨型降雨具有如下特点:降雨过程持续时间不长, 一般为2 ～ 3d, 而降雨强度较大, 最大日降雨量一般达100mm以上。以影响福建省的两次台风过程“海棠” (影响时间为7月18 ～ 22日)、“泰利”(影响时间为8月31日～ 9月2日)为例, 研究台风降雨型降雨与地质灾害发生之间的关系。7月18日下午14 点, 台风“海棠”在台湾宜兰登陆, 19日下午17点, 在福建省连江黄岐再次登陆;9 月1日6时, 台风“泰利”在台湾花莲登陆, 当日14时30分在福建省莆田市再次登陆。福鼎、宁德、福州3个雨量站清晰地显示了“海棠”和“泰利”台风期间的强降雨过程(图1), 在“海棠”台风期间, 日雨量显示, 福鼎站有4 日超过50mm, 最小为63.4mm(7.18), 最大为217.1mm(7.20);宁德站有3日超过50mm, 最小为100.1mm(7.18), 最大为153.3mm(7.22);福州站有2日超过50mm, 最小为12.3.1mm(7.19), 最大为140.7(7.22)。在“泰利”台风登陆期间, 3 个雨量站均仅9 月2 日雨量超过50mm, 福鼎站雨量达236.8mm;宁德站雨量达148.2mm;福州站雨量达168.1mm。

 

  据不完全统计, 受台风“海棠”带来的强降雨影响, 福建、浙江两省境内共造成107处崩塌、滑坡等地质灾害, 其中崩塌38处, 滑坡69处, 造成2人死亡, 1人受伤, 直接经济损失1025.51万元, 地质灾害集中发生在台风在福建境内带来强降雨的时段和范围内(图2a)。灾害规模较小, 一般为几方到几十方, 少数达几百方, 极少数可超过千方;受台风“泰利”带来的强降雨影响, 在浙江、福建、江西、湖北等省份诱发了97处滑坡、崩塌等地质灾害, 同样具有灾害点多、规模小的特点, 同时地质灾害发生的时间与集中强降雨时间一致, 空间分布上沿台风登陆后运移路径一致。

 

  其诱发地质灾害特点可归纳为:多为群发型地质灾害, 灾害规模较小, 一般为表层或浅层滑坡、崩塌。时间与空间分布上来看, 属“即雨即滑”型, 即地质灾害与降雨在时间上具有较好的对应关系, 地质灾害的发生滞后时间短, 基本随着降雨过程的发生而瞬时发生;地质灾害发生地点与台风运移轨迹也基本一致。这类雨型诱发的地质灾害主要分布我国的东南沿海, 台风频繁登陆的地区, 以福建、浙江两省最为典型。

 

  3.2 持续强降雨型降雨与地质灾害的关系

 

  持续强降雨型降雨是诱发地质灾害最常见的一种雨型, 具有如下特点:降雨持续时间较长, 一般达10d以上, 降雨强度不是很大, 一般日雨量为10 ～50mm左右。以2005年5月2 ～ 28日福建省降雨为例分析持续强降雨诱发地质灾害的规律。以福建永安雨量站临近的6个县市(永安市、大田县、三元市、明溪县、清流县、漳平)的191 处地质灾害点进行分析(图3), 其中柱状图为日降雨量的实况值, 折线为当日地质灾害的发生个数。

 

  由图3可见, 从5月2 ～ 28日的日降雨量柱状图可见, 降雨基本连续发生, 日雨量超过10mm的有15d之多, 然而降雨强度并不大, 最大雨量为76.3mm, 日雨量超过50mm的仅3d。在整个连续降雨过程中, 包含一个3d的较强降雨(5月14 ～ 16日的每日雨量均超过70mm, 3d累积雨量为222.9mm)。笔者将整个降雨过程分为3个阶段:(1)5月2 ～ 12日:每日雨量均小于50mm, 11d中超过10mm雨量有5日;(2)5月14 ～ 16日:降雨强度大, 3d累积雨量超过200mm;(3)5 月20 ～ 28 日:最大降雨为51mm(5月21日), 9d中超过10mm雨量的有7d。

 

  对应于上述降雨过程的3 段划分, 其诱发灾害情况如下:(1)5月2 ～ 12日降雨段, 灾害发生情况,5月9日有6处, 5月12日有35处, 5月13日有21处。此过程中最大雨量5月4日降雨量39.8mm, 无灾害发生。而5月12 ～ 13日为地质灾害高发时段,滞后于连续降雨过程。(2)5月14 ～ 16日, 日降雨量均较大且数值接近, 而发生地质灾害的个数属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、24两日灾害最多, 均为6处,而5月21日雨量最大(51mm), 灾害个数却不多。

 

  由以上分析可见, 持续强降雨诱发地质灾害的规律:(1)在强降雨过程中(如日雨量大于70mm),地质灾害具有瞬时发灾的特点;(2)在降雨强度不大的连续降雨过程中, 地质灾害具有一定的滞后效应, 即此时降雨诱发地质灾害需要一定的雨量积累,地质灾害的发生需要一定的孕育过程;(3)在地质灾害大规模发生后, 即使在连续降雨的条件下, 再诱发新的地质灾害仍然需要一定的孕育过程。

 

  目前常用的预警预报模型多是采用临界累计雨量作为预警阈值, 常用累积降雨量Rp的计算式为:Rp =Σni=1αiRi考虑到持续型降雨诱发地质灾害的滞后性, 随着计算雨量日期的前推, 系数αi应逐渐减小。

 

  同时, 地质灾害预警预报过程中, 不仅要考虑到前期降雨情况, 也应该考虑到当日或前几日地质灾害的发生情况。因此, 可以将地质灾害预警预报模型抽象为式(1):

 

  T=G+R-L>T0 (1)

 

  其中, T为某斜坡系统发生地质灾害指数;G为地质背景环境条件贡献的指数;R为降雨贡献的指数:R=Rn +Rp;Rn为当日降雨;Rp为前期降雨;L为地质灾害发生损耗的指数;T0 为地质灾害发生所需的临界指数。

 

  即, T=G+Rn +Rp -L>T0 (2)

 

  图3中的降雨诱发地质灾害规律可用式(2)解释如下:(1)瞬时发灾, 此时降雨强度大, 即Rn较大, 如暴雨;(2)连续降雨时, 当日雨量Rn不是很大, 但前期降雨Rp很大, 滞后效应即需要Rp的累积;(3)地质灾害大规模发生后, L很大, 损耗了大量的指数值, 因此需要更多的强降雨方能诱发新的地质灾害。

 

  由此可见, 地质灾害的发生不仅与地质环境背景条件、降雨量的大小(当日雨量、前期雨量)有关,还与前期地质灾害的发生情况有关。目前, 现有的研究中一般仅考虑了地质环境条件G或降雨量R,却很少考虑前期地质灾害发生的影响L。

 

  3.3 局地暴雨型降雨与地质灾害的关系

 

  我国局地暴雨诱发地质灾害的情况也比较多,

 

  其降雨具有如下特点:降雨持续时间短, 一般为1d,甚至几个小时, 降雨强度比较大, 日雨量一般达到暴雨级别(50mm)。但是, 由于局地暴雨具有突发性、局地性的特点, 局地暴雨的降雨数据资料和诱发地质灾害的资料相对较少。以2006年6月17日湖南衡阳局地暴雨诱发地质灾害为例进行分析。

 

  分析湖南衡阳雨量站降雨情况(图4), 其中柱状图为日降雨量的实况值, 点状标记为当日地质灾害的发生个数。6月15 ～ 19日时间段内, 15、16两日无降雨, 17日出现局地暴雨(50.6mm), 18日、19日降水也较少, 该雨型属于局地暴雨型。在6月17日局地暴雨过程中, 诱发了8起地质灾害, 地质灾害集中发生在出现局地暴雨的当日, 即6月17日。局地暴雨型降雨诱发地质灾害的规律可以归结为:地质灾害的发生集中发生在出现局地暴雨的当日当地。但, 由于局地暴雨型降雨预报难度大, 准确率低, 且诱发地质灾害的可能性非常大, 突发性强, 往往躲避不及, 是地质灾害预报预警工作中的难点和重点。

 

  4 结论

 

  (1)台风降雨型降雨诱发地质灾害具有“即雨即滑”的特点, 即地质灾害的发生与降雨在时间上具有较好的对应关系, 地质灾害的发生滞后时间短,基本随着降雨过程的发生而瞬时发生;地质灾害发生空间位置与台风运移轨迹也基本一致。多为群发型地质灾害, 灾害规模较小, 一般为表层或浅层滑坡、崩塌。

 

  (2)持续强降雨型降雨诱发地质灾害, 在强降雨过程中地质灾害具有同步发生的特点;在降雨强度不大但连续降雨过程中, 地质灾害具有一定的滞后效应, 即此时降雨诱发地质灾害需要一定的雨量积累, 地质灾害的发生需要一定的孕育过程;在地质灾害大规模发生后, 诱发新的地质灾害雨量阈值提高。

 

  (3)局地暴雨型降雨诱发的地质灾害往往集中发生在出现局地暴雨的当日当地。

 

  总之, 地质灾害与降雨的关系较为复杂, 针对不同降雨雨型, 对其诱发地质灾害的特点和规律进行深入研究, 对于地质灾害降雨诱发机制与预报预警模型的改进与完善具有重要借鉴意义。