地質災害與降雨雨型的關系研究

  1 引 言

 

  我國是世界上地質災害最嚴重的國家之一, 地質災害的發生一方面取決于斜坡的基礎地質條件,另一方面又受到多種外界因素的誘發影響。在這些誘發因素中, 降雨尤其是強降雨是誘發地質災害的最重要因素之一。國內外很多學者從暴雨的頻次、周期變化、降雨歷時、降雨量等多方面研究了地質災害的發生與降雨之間的相關關系, 特別是通過降雨量大小與降雨歷時與地質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(一般為小時雨量)等閾值, 多個國家和地區開展了地質災害的區域預警研究與服務工作, 自2003年起中國大陸啟動了國家級地質災害氣象預警預報工作, 為提高全社會的防災減災意識,有效減輕地質災害造成損失做出了積極貢獻。

 

  在地質災害與降雨關系的研究探索中, 逐漸發現地質災害發生不僅與降雨歷時、降雨量有關, 同時還與降雨雨型有密切的聯系, 不同雨型的降雨誘發地質災害的發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:相同地質條件下, 暴雨型滑坡與久雨型滑坡的觸發降雨量存在明顯的差別。

 

  由于地質災害氣象預警預報工作是基于氣象預報的基礎進行的, 需要從地質災害區域預報的角度,深入研究降雨類型與地質災害發生的關系, 從而改進地質災害預報模型, 提高地質災害預報的準確性。

 

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

 

  2 不同雨型降雨誘發地質災害特征

 

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

 

  3 地質災害與不同雨型降雨關系研究

 

  根據氣象站點降雨實況資料和地質災害實際發生情況, 分析誘發地質災害的降雨雨量大小與空間分布情況, 將誘發地質災害的降雨雨型分為3 種類型:臺風降雨型、持續強降雨型和局地暴雨型。以下分別分析地質災害發生的時間空間分布與不同雨型降雨的相關關系, 總結了不同降雨雨型誘發地質災害的特點和規律。

 

  3.1 臺風降雨型降雨與地質災害關系

 

  臺風降雨型降雨具有如下特點:降雨過程持續時間不長, 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過程“海棠” (影響時間為7月18 ～ 22日)、“泰利”(影響時間為8月31日～ 9月2日)為例, 研究臺風降雨型降雨與地質災害發生之間的關系。7月18日下午14 點, 臺風“海棠”在臺灣宜蘭登陸, 19日下午17點, 在福建省連江黃岐再次登陸;9 月1日6時, 臺風“泰利”在臺灣花蓮登陸, 當日14時30分在福建省莆田市再次登陸。福鼎、寧德、福州3個雨量站清晰地顯示了“海棠”和“泰利”臺風期間的強降雨過程(圖1), 在“海棠”臺風期間, 日雨量顯示, 福鼎站有4 日超過50mm, 最小為63.4mm(7.18), 最大為217.1mm(7.20);寧德站有3日超過50mm, 最小為100.1mm(7.18), 最大為153.3mm(7.22);福州站有2日超過50mm, 最小為12.3.1mm(7.19), 最大為140.7(7.22)。在“泰利”臺風登陸期間, 3 個雨量站均僅9 月2 日雨量超過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“海棠”帶來的強降雨影響, 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, 直接經濟損失1025.51萬元, 地質災害集中發生在臺風在福建境內帶來強降雨的時段和范圍內(圖2a)。災害規模較小, 一般為幾方到幾十方, 少數達幾百方, 極少數可超過千方;受臺風“泰利”帶來的強降雨影響, 在浙江、福建、江西、湖北等省份誘發了97處滑坡、崩塌等地質災害, 同樣具有災害點多、規模小的特點, 同時地質災害發生的時間與集中強降雨時間一致, 空間分布上沿臺風登陸后運移路徑一致。

 

  其誘發地質災害特點可歸納為:多為群發型地質災害, 災害規模較小, 一般為表層或淺層滑坡、崩塌。時間與空間分布上來看, 屬“即雨即滑”型, 即地質災害與降雨在時間上具有較好的對應關系, 地質災害的發生滯后時間短, 基本隨著降雨過程的發生而瞬時發生;地質災害發生地點與臺風運移軌跡也基本一致。這類雨型誘發的地質災害主要分布我國的東南沿海, 臺風頻繁登陸的地區, 以福建、浙江兩省最為典型。

 

  3.2 持續強降雨型降雨與地質災害的關系

 

  持續強降雨型降雨是誘發地質災害最常見的一種雨型, 具有如下特點:降雨持續時間較長, 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地質災害的規律。以福建永安雨量站臨近的6個縣市(永安市、大田縣、三元市、明溪縣、清流縣、漳平)的191 處地質災害點進行分析(圖3), 其中柱狀圖為日降雨量的實況值, 折線為當日地質災害的發生個數。

 

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

 

  對應于上述降雨過程的3 段劃分, 其誘發災害情況如下:(1)5月2 ～ 12日降雨段, 災害發生情況,5月9日有6處, 5月12日有35處, 5月13日有21處。此過程中最大雨量5月4日降雨量39.8mm, 無災害發生。而5月12 ～ 13日為地質災害高發時段,滯后于連續降雨過程。(2)5月14 ～ 16日, 日降雨量均較大且數值接近, 而發生地質災害的個數屬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), 災害個數卻不多。

 

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

 

  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地質災害的滯后性, 隨著計算雨量日期的前推, 系數αi應逐漸減小。

 

  同時, 地質災害預警預報過程中, 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災害的發生情況。因此, 可以將地質災害預警預報模型抽象為式(1):

 

  T=G+R-L>T0 (1)

 

  其中, T為某斜坡系統發生地質災害指數;G為地質背景環境條件貢獻的指數;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為地質災害發生損耗的指數;T0 為地質災害發生所需的臨界指數。

 

  即, T=G+Rn +Rp -L>T0 (2)

 

  圖3中的降雨誘發地質災害規律可用式(2)解釋如下:(1)瞬時發災, 此時降雨強度大, 即Rn較大, 如暴雨;(2)連續降雨時, 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)地質災害大規模發生后, 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新的地質災害。

 

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

 

  3.3 局地暴雨型降雨與地質災害的關系

 

  我國局地暴雨誘發地質災害的情況也比較多,

 

  其降雨具有如下特點:降雨持續時間短, 一般為1d,甚至幾個小時, 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性、局地性的特點, 局地暴雨的降雨數據資料和誘發地質災害的資料相對較少。以2006年6月17日湖南衡陽局地暴雨誘發地質災害為例進行分析。

 

  分析湖南衡陽雨量站降雨情況(圖4), 其中柱狀圖為日降雨量的實況值, 點狀標記為當日地質災害的發生個數。6月15 ～ 19日時間段內, 15、16兩日無降雨, 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日局地暴雨過程中, 誘發了8起地質災害, 地質災害集中發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地質災害的規律可以歸結為:地質災害的發生集中發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, 且誘發地質災害的可能性非常大, 突發性強, 往往躲避不及, 是地質災害預報預警工作中的難點和重點。

 

  4 結論

 

  (1)臺風降雨型降雨誘發地質災害具有“即雨即滑”的特點, 即地質災害的發生與降雨在時間上具有較好的對應關系, 地質災害的發生滯后時間短,基本隨著降雨過程的發生而瞬時發生;地質災害發生空間位置與臺風運移軌跡也基本一致。多為群發型地質災害, 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地質災害, 在強降雨過程中地質災害具有同步發生的特點;在降雨強度不大但連續降雨過程中, 地質災害具有一定的滯后效應, 即此時降雨誘發地質災害需要一定的雨量積累, 地質災害的發生需要一定的孕育過程;在地質災害大規模發生后, 誘發新的地質災害雨量閾值提高。

 

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

 

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