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(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果，在一些沒(méi)有發(fā)生滑坡但是處于高危險(xiǎn)的地方，在地震中經(jīng)歷的強(qiáng)烈震動(dòng)，往往會(huì)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(diǎn)、時(shí)間等信息的災(zāi)害56次，數(shù)據(jù)來(lái)源為中科院成都山地所和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，見(jiàn)表1。前期降雨數(shù)據(jù)來(lái)源于TRMM3B42。在ENVI中進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)地面氣象站建站以來(lái)的有效日降雨數(shù)據(jù)計(jì)算得來(lái)，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(guò)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(gè)指標(biāo)合并為少量的幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)。這幾個(gè)綜合指標(biāo)就是原來(lái)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(diǎn)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(mén)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(diǎn)又呈線狀沿龍門(mén)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(shí)受降雨與地震烈度的影響。由此可見(jiàn)，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(lái)計(jì)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(gè)經(jīng)驗(yàn)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(yàn)取K值為0.8［34－35］。一般來(lái)說(shuō)，有效前期降雨量的時(shí)長(zhǎng)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(shí)長(zhǎng)尺度。本文選擇了30d、15d、3d這三個(gè)前期降雨時(shí)長(zhǎng)為指標(biāo)。以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、以及臨界降雨過(guò)程雨量為參數(shù)，五個(gè)因子的相關(guān)系數(shù)矩陣(CorrelationMatrix)經(jīng)Bartlett檢驗(yàn)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(gè)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(yàn)是用于比較觀測(cè)相關(guān)系數(shù)值與偏相關(guān)系數(shù)值的一個(gè)指標(biāo)，其值愈逼近1，表明對(duì)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(gè)主成分來(lái)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(duì)滑坡泥石流的作用影響較大。根據(jù)計(jì)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(shí)降雨。在影響滑坡的降雨因素中，短歷時(shí)降雨和前期累積降雨量都是重要影響因素，對(duì)不同的地區(qū)而言，兩個(gè)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(guò)80%。馬超等通過(guò)對(duì)比汶川地震后泥石流和臺(tái)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(shí)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(shuō)明了對(duì)滑坡泥石流災(zāi)害來(lái)說(shuō)，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(shí)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———?dú)v時(shí)(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(guò)研究降雨作用于邊坡的物理過(guò)程或基于歷史資料或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(guò)程，對(duì)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(jì)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(guò)程研究，分析結(jié)果簡(jiǎn)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(lái)說(shuō)，降雨引發(fā)的邊坡失穩(wěn)，過(guò)程復(fù)雜涉及的參數(shù)眾多，降雨過(guò)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(dòng);地表水進(jìn)入地下轉(zhuǎn)變成地下水會(huì)浸泡軟化滑動(dòng)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(shí)，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(yàn)型降雨閾值一般是在笛卡爾坐標(biāo)，半對(duì)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(guò)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(shí)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(guò)程累積雨量－歷時(shí)(ED)閾值;④過(guò)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(guò)程雨量和雨強(qiáng)，對(duì)56次地質(zhì)氣象災(zāi)害進(jìn)行了降雨閾值歷時(shí)分析，并與其他學(xué)者所做的其他區(qū)域閾值進(jìn)行對(duì)比。為了減少地區(qū)間的差異，方便作對(duì)比，用各地區(qū)的年平均降雨量(MAP)對(duì)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(tái)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(tái)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(shí)常遭受臺(tái)風(fēng)影響;而鄂西地區(qū)以及全球的降雨量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小。由此可見(jiàn)，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(gè)四川省來(lái)說(shuō)，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(lái)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(duì)滑坡泥石流的影響。

2.4地震前后閾值對(duì)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(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響是長(zhǎng)期的，主要表現(xiàn)在地震會(huì)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(huì)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(dòng)趨勢(shì)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(duì)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(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短有別，但是毫無(wú)爭(zhēng)議的一點(diǎn)是汶川地震后，地質(zhì)災(zāi)害活動(dòng)將在一段時(shí)間內(nèi)處于活躍時(shí)期，長(zhǎng)期的總體趨勢(shì)是回歸正常水平。對(duì)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(gè)先降低后逐步回升至接近正常水平的趨勢(shì)。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(méi)有過(guò)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(duì)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(tái)灣集集地震后，陳有蘭流域的泥石流爆發(fā)臨界雨量相對(duì)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(shí)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(shí)間縮短，啟動(dòng)泥石流的臨界雨量降低［66］。

3結(jié)論與討論

近些年來(lái)，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(cè)預(yù)報(bào)的瓶頸。本文嘗試應(yīng)用業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)較好，精度較高的TRMM降雨數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)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(lái)的歷次地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨過(guò)程雨量和歷時(shí)數(shù)據(jù)，以前30d、前15d、前3d、當(dāng)天、臨界降雨過(guò)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(guò)程數(shù)據(jù)得到四川省地質(zhì)氣象災(zāi)害的降雨歷時(shí)－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(diǎn)，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(shí)受到降雨和汶川地震的影響，從災(zāi)害點(diǎn)的空間分布上可以很明顯的看到這一點(diǎn)。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(guò)程組成的短歷時(shí)降雨。將建立的四川省地質(zhì)災(zāi)害降雨強(qiáng)度－歷時(shí)閾值(ID)曲線與其他學(xué)者所做的曲線相對(duì)比，從側(cè)面說(shuō)明了降雨量大的地方閾值一般比較高。通過(guò)對(duì)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(méi)有準(zhǔn)確的發(fā)生地點(diǎn)和時(shí)間，也沒(méi)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(shí)間和地點(diǎn)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(yàn)性的統(tǒng)計(jì)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室