降雨閾值地質(zhì)災(zāi)害論文范文

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1數(shù)據(jù)處理與方法

2008年汶川地震觸發(fā)了大量的滑坡，這些滑坡產(chǎn)生了大約60Gm3的松散堆積物質(zhì)［26］。此外，根據(jù)汶川地震滑坡危險性評價結(jié)果，在一些沒有發(fā)生滑坡但是處于高危險的地方，在地震中經(jīng)歷的強(qiáng)烈震動，往往會導(dǎo)致斜坡巖土體強(qiáng)度降低。這些滑坡松散堆積物質(zhì)與不穩(wěn)定斜坡，在后續(xù)強(qiáng)降雨的條件下，極易產(chǎn)生新的滑坡災(zāi)害與泥石流災(zāi)害［31－33］。本文從2000－2012年間四川省發(fā)生的滑坡泥石流災(zāi)害原始記錄中篩選出有具體發(fā)生地點、時間等信息的災(zāi)害56次，數(shù)據(jù)來源為中科院成都山地所和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，見表1。前期降雨數(shù)據(jù)來源于TRMM3B42。在ENVI中進(jìn)行簡單的預(yù)處理后在IDL中將其合并為一天分辨率的，方便查找。所用到的四川省多年平均暴雨日數(shù)等值線圖是用四川省156個地面氣象站建站以來的有效日降雨數(shù)據(jù)計算得來，在Arc-GIS中繪制成等值線圖。所用到的主要方法是主成分分析。主成分分析的主要思想就是通過降維，在最大程度地保留原指標(biāo)信息的條件下，將原本有相關(guān)關(guān)系的多個指標(biāo)合并為少量的幾個互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。這幾個綜合指標(biāo)就是原來指標(biāo)的主要成分。具體步驟如下。

2結(jié)果

2.1滑坡泥石流災(zāi)害分布與暴雨關(guān)系從圖1中可以看出滑坡泥石流災(zāi)害點主要分布四川省中部和東部地區(qū)，沿四川盆地邊緣分布，在龍門山一帶較為密集。大多數(shù)位于年均暴雨日數(shù)2～4d這一區(qū)間內(nèi)。其中約有77%的災(zāi)害發(fā)生在2～4d這一區(qū)間內(nèi)，50%分布在3～4d區(qū)間內(nèi)，而這一區(qū)間的災(zāi)害點又呈線狀沿龍門山斷裂帶分布，位于四川盆地與川西高原的交界處。這一片區(qū)域內(nèi)的災(zāi)害都是發(fā)生在汶川地震之后，且處于汶川地震X度區(qū)內(nèi)，這種分布特征顯示了滑坡泥石流災(zāi)害同時受降雨與地震烈度的影響。由此可見，滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生不僅與暴雨有關(guān)還與地震有關(guān)。

2.2降雨指標(biāo)主成分分析基于TRMM數(shù)據(jù)提取出災(zāi)害發(fā)生前30d的降雨量，前15d的降雨量，前3d的降雨量和當(dāng)天降雨量，應(yīng)用Crozier在1986年提出的有效降前期降雨量公式來計算有效前期降雨量。CARx表示第x天的有效前期降雨量;P1表示x天前一天的日降雨量;Pn表示x天前n天的降雨量。K為衰減參數(shù)，是一個經(jīng)驗常數(shù)，一般在［0.8，0.9］這一區(qū)間取值。在本文中，參考前人的研究經(jīng)驗取K值為0.8［34－35］。一般來說，有效前期降雨量的時長尺度可以選擇3，5，10，15，30d［36］，也有學(xué)者根據(jù)研究區(qū)的不同而選擇其他類型的時長尺度。本文選擇了30d、15d、3d這三個前期降雨時長為指標(biāo)。以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、以及臨界降雨過程雨量為參數(shù)，五個因子的相關(guān)系數(shù)矩陣(CorrelationMatrix)經(jīng)Bartlett檢驗結(jié)果為:Bartlett值等于372.950，P＜0.0001，表明相關(guān)系數(shù)矩陣不是一個單位矩陣，故可以進(jìn)行因子分析。應(yīng)用主成分分析，結(jié)果如表2所示。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)檢驗是用于比較觀測相關(guān)系數(shù)值與偏相關(guān)系數(shù)值的一個指標(biāo)，其值愈逼近1，表明對這些變量進(jìn)行因子分析的效果愈好。本文中的KMO值約等于0.7，表示因子分析的結(jié)果一般，處于可接受的水平。在解釋的總方差中，第一主成分和第二主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到84.714%，且第一主成分和第二主成分的特征值都大于1，即可以用這兩個主成分來解釋滑坡泥石流災(zāi)害。從表2中可以很明顯地看出，以前30d、前15d、前3d為代表的前期有效累積降雨量對滑坡泥石流的作用影響較大。根據(jù)計算結(jié)果可將滑坡泥石流的主要影響因素分成兩類:前期降雨和短歷時降雨。在影響滑坡的降雨因素中，短歷時降雨和前期累積降雨量都是重要影響因素，對不同的地區(qū)而言，兩個因素的主導(dǎo)地位也是不一樣的。崔鵬等的研究表明，前期降雨是影響云南省昆明市東川區(qū)蔣家溝泥石流發(fā)生的最重要的因素，在所有降雨指標(biāo)中貢獻(xiàn)超過80%。馬超等通過對比汶川地震后泥石流和臺灣集集地震地震后泥石流的特征，將強(qiáng)震后泥石流分為前期雨量控制型和短歷時降雨控制型。從圖2中可以看出，滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生的當(dāng)天和前期降雨之間的關(guān)系可分為兩類:①是前期雨量少，當(dāng)天降雨量高;②是當(dāng)天降雨量少而前期累積的降雨量多;其中第二類的占了絕大多數(shù)。這表明了前期降雨充足的情況下，只需要不多的當(dāng)天降雨就能引發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害，也說明了對滑坡泥石流災(zāi)害來說，前期降雨的影響作用是相當(dāng)大的。這與主成分分析的結(jié)果一致。

2.3降雨閾值分析1980年NelCaine列舉了世界范圍內(nèi)73次導(dǎo)致淺層滑坡和泥石流的降雨持續(xù)時間和強(qiáng)度。率先提出淺層滑坡和泥石流的全球降雨強(qiáng)度———歷時(ID)閾值［39］。此后學(xué)術(shù)界陸續(xù)提出了不同范圍尺度(地區(qū)、區(qū)域、全球)的降雨閾值。降雨閾值可以通過研究降雨作用于邊坡的物理過程或基于歷史資料或統(tǒng)計數(shù)據(jù)的經(jīng)驗性公式得到。以滑坡為例，研究降雨引發(fā)的滑坡一般有兩種途徑:①是基于歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法，研究降雨和滑坡的相關(guān)性規(guī)律;②是研究降雨入滲引發(fā)滑坡的物理過程，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行力學(xué)分析并建立相應(yīng)的分析模型。基于統(tǒng)計資料的滑坡降雨閾值研究，數(shù)據(jù)客觀易得，不需要復(fù)雜嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)和物理過程研究，分析結(jié)果簡單直觀，應(yīng)用方便，因而發(fā)展較為成熟;而就第二種途徑來說，降雨引發(fā)的邊坡失穩(wěn)，過程復(fù)雜涉及的參數(shù)眾多，降雨過程中產(chǎn)生的地表水滲透到巖土體中增加了坡體的自重，增大了孔隙水壓力，使處于極限平衡狀態(tài)的坡體發(fā)生滑動;地表水進(jìn)入地下轉(zhuǎn)變成地下水會浸泡軟化滑動面，降低坡體的抗剪強(qiáng)度。模型需要的參數(shù)眾多，當(dāng)研究區(qū)范圍較大時，很難得到精確的數(shù)據(jù);而且模型在研究區(qū)之外的其他地區(qū)應(yīng)用也具有局限性。經(jīng)驗型降雨閾值一般是在笛卡爾坐標(biāo)，半對數(shù)或?qū)?shù)坐標(biāo)里，以導(dǎo)致滑坡發(fā)生的降雨條件作為橫縱軸參數(shù)，以數(shù)據(jù)分布的下部界線作為閾值，結(jié)果直觀易懂。基于過程降雨分析，得到的可能或不可能引發(fā)滑坡降雨的閾值主要有四種類型:①降雨強(qiáng)度－歷時閾值(ID);②使用平均年降雨量(MAP)，全年雨天平均降水量(RDN)或其他參數(shù)進(jìn)行規(guī)格化的閾值;③過程累積雨量－歷時(ED)閾值;④過程累積雨量－降雨強(qiáng)度(EI)閾值。其中第一種類型是應(yīng)用最多的一種。本文利用歷次災(zāi)害發(fā)生的降雨過程雨量和雨強(qiáng)，對56次地質(zhì)氣象災(zāi)害進(jìn)行了降雨閾值歷時分析，并與其他學(xué)者所做的其他區(qū)域閾值進(jìn)行對比。為了減少地區(qū)間的差異，方便作對比，用各地區(qū)的年平均降雨量(MAP)對降雨強(qiáng)度進(jìn)行規(guī)格化，結(jié)果如圖3、圖4所示。從圖5中可以看出，四川省的閾值曲線高于鄂西地區(qū)和全球的，但是低于福建、臺灣省和文家溝地區(qū)的，與浙江省的近似但是略低于。浙江、福建、臺灣地處東南丘陵沿海或島嶼，年降雨量和年極端降雨量均比較大，又時常遭受臺風(fēng)影響;而鄂西地區(qū)以及全球的降雨量相對來說比較小。由此可見，年降雨量和年極端降雨量大的地區(qū)觸發(fā)滑坡的降雨閾值高。文家溝地區(qū)在整個四川省來說，年降雨量，年均暴雨特大暴雨日數(shù)并不突出，降雨閾值數(shù)據(jù)來源于地震后的五次泥石流事件，因而此閾值的高低直接反映了地震對滑坡泥石流的影響。

2.4地震前后閾值對比從圖6、圖7中可以明顯地看出地震后的閾值低于地震前的降雨閾值。強(qiáng)地震對斜坡穩(wěn)定性的影響是長期的，主要表現(xiàn)在地震會造成區(qū)域內(nèi)固體松散物質(zhì)增多，山體穩(wěn)定性變差。地震后地理環(huán)境因素的變化會導(dǎo)致震后區(qū)域更脆弱，更易受到地質(zhì)災(zāi)害的威脅。因而，較低的降雨量或降雨強(qiáng)度就可能引發(fā)更嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。以汶川強(qiáng)震區(qū)為例，研究認(rèn)為至少在近10年內(nèi)，滑坡和泥石流活動趨勢是強(qiáng)烈的，之后地質(zhì)條件將逐漸趨于穩(wěn)定［53］;也有學(xué)者認(rèn)為汶川地震對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害的影響將持續(xù)20～25年;雖然一些研究結(jié)論所得到的汶川地震后地質(zhì)災(zāi)害活動持續(xù)時間長短有別，但是毫無爭議的一點是汶川地震后，地質(zhì)災(zāi)害活動將在一段時間內(nèi)處于活躍時期，長期的總體趨勢是回歸正常水平。對1923年關(guān)東大地震和1997年的集集地震的研究同樣也得到類似結(jié)論。謝正倫和范正成的研究則認(rèn)為由于地震影響，震后泥石流的激發(fā)雨量有一個先降低后逐步回升至接近正常水平的趨勢。地震后地質(zhì)災(zāi)害活躍度提高主要體現(xiàn)在滑坡泥石流所需的降雨條件降低。以都江堰龍池地區(qū)為例，該地區(qū)在汶川地震前，幾乎沒有過泥石流的記錄;然而在2010年8月13日該地區(qū)暴發(fā)了大規(guī)模的群發(fā)性泥石流。對氣象資料分析顯示，2010年8月13日的1h降雨強(qiáng)度為20年一遇型。臺灣集集地震后，陳有蘭流域的泥石流爆發(fā)臨界雨量相對于震前降低了2/3，而汶川地震后，北川縣泥石流暴發(fā)的前期累積雨量降低約14.8%～22.1%，小時雨強(qiáng)降低了約25.4%～31.6%。汶川地震后，綿竹清平鄉(xiāng)的地質(zhì)災(zāi)害群發(fā)的降雨閾值降低了59.15%，泥石流暴發(fā)所需的強(qiáng)降雨時間縮短，啟動泥石流的臨界雨量降低［66］。

3結(jié)論與討論

近些年來，全球氣候變暖造成的降雨異常，使得地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。高精度降雨數(shù)據(jù)的缺乏一直是由降雨導(dǎo)致的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測預(yù)報的瓶頸。本文嘗試應(yīng)用業(yè)內(nèi)評價較好，精度較高的TRMM降雨數(shù)據(jù)來獲取地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前期降雨量。應(yīng)用2000－2012年間的3h分辨率的TRMM3B42數(shù)據(jù)，結(jié)合2000年以來四川發(fā)生的重大滑坡泥石流災(zāi)害，提取出每次地質(zhì)氣象災(zāi)害發(fā)生前30d、15d、3d和當(dāng)天的降雨數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合收集來的歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨過程雨量和歷時數(shù)據(jù)，以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、臨界降雨過程的降雨數(shù)據(jù)為參數(shù)，應(yīng)用主成分分析法，將五組數(shù)據(jù)劃分為兩大主成分，并進(jìn)行分析;應(yīng)用降雨過程數(shù)據(jù)得到四川省地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨歷時－閾值曲線;將降雨強(qiáng)度用各地區(qū)的年均降雨量進(jìn)行規(guī)格化，并以汶川地震為分界點，比較分析了地震前后的閾值變化情況。結(jié)果表明，在四川地區(qū)，滑坡泥石流災(zāi)害的發(fā)生同時受到降雨和汶川地震的影響，從災(zāi)害點的空間分布上可以很明顯的看到這一點。以前30d、前15d、前3d前期有效降雨量組成的前期降雨這一主成分在滑坡泥石流災(zāi)害中貢獻(xiàn)率較高，其次是以當(dāng)天降雨和臨界降雨過程組成的短歷時降雨。將建立的四川省地質(zhì)災(zāi)害降雨強(qiáng)度－歷時閾值(ID)曲線與其他學(xué)者所做的曲線相對比，從側(cè)面說明了降雨量大的地方閾值一般比較高。通過對比地震前后的閾值曲線變化發(fā)現(xiàn)地震后的閾值更低，表明強(qiáng)地震后坡面穩(wěn)定性降低，引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的降雨條件降低。2000－2012年間，四川省發(fā)生的有記錄的地質(zhì)災(zāi)害達(dá)四百多條，絕大多數(shù)沒有準(zhǔn)確的發(fā)生地點和時間，也沒有造成重大損失和人員傷亡。本文從中挑選出56次具有代表意義的造成重要傷亡的，且有準(zhǔn)確發(fā)生時間和地點的地質(zhì)災(zāi)害，主要以淺層滑坡和泥石流為主。但作為經(jīng)驗性的統(tǒng)計規(guī)律發(fā)現(xiàn)，原始數(shù)據(jù)還是顯得不夠充分。

作者：沈玲玲劉連友楊文濤許沖王靜璞單位：環(huán)境演變與自然災(zāi)害教育部重點實驗室地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點實驗室