局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害研究范文

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摘要:傳統(tǒng)地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法，以地面綜合調(diào)查為主，忽視局部高強(qiáng)度降雨條件這一主觀因素，使得地質(zhì)災(zāi)害特征分析結(jié)果存在較高的片面性。該文提出基于局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法，根據(jù)降雨強(qiáng)度、災(zāi)害持續(xù)時間和平均降雨量等指標(biāo)設(shè)立臨界組合判別運(yùn)算雨量閾值，按照雨量閾值判斷地質(zhì)災(zāi)害類型，并結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖分析局部高強(qiáng)降雨的地質(zhì)災(zāi)害分布特征。實(shí)驗結(jié)果表明，所提方法可全面分析出實(shí)驗地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害具有滯后性、群發(fā)性和同時性特征。

關(guān)鍵詞:地質(zhì)災(zāi)害;災(zāi)害特征;高強(qiáng)度降雨;局部;雨量閾值;預(yù)警判據(jù)圖;臨界降雨量

地質(zhì)災(zāi)害是由內(nèi)因和外因多重影響產(chǎn)生的龐雜物理過程。地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)、植被覆蓋等稱為內(nèi)因;自然要素和人為要素稱為外因。驟然發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害主要是由氣象引起的，高強(qiáng)降雨是引起地質(zhì)災(zāi)害的癥結(jié)所在。滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害研究成為當(dāng)下全球關(guān)注的重要問題，自1990年代始很多學(xué)者針對地質(zhì)災(zāi)害和降雨的關(guān)系開展研究分析工作，而由于局部暴雨型強(qiáng)降雨的預(yù)報難度大、準(zhǔn)確率低，同時引起地質(zhì)災(zāi)害的可能性高，突發(fā)性強(qiáng)，給地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作造成很大困難。傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警在準(zhǔn)確度和實(shí)時性存在很大落后性，因此對局地高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析稱為氣象科研人員的研究熱點(diǎn)。過去國內(nèi)外一些專家對局部高強(qiáng)度降雨引起的地質(zhì)災(zāi)害的特征分析上存在一些問題，如劉艷輝等［1］中采用基于“命中率、漏報率和空報率”三指標(biāo)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警校驗方法，但預(yù)警區(qū)空報率偏高導(dǎo)致預(yù)警檢驗結(jié)果誤差較大;仇開莉等［2］中研究工作以地面綜合調(diào)查為主，而降雨條件是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素，缺乏對降雨問題的深入研究，分析結(jié)果需要進(jìn)行大量驗證;趙鵬等［3］中運(yùn)用統(tǒng)計方法，從空間和時間角度對渝東北地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行剖析，但是僅針對渝東北地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，具有片面性。針對以上文獻(xiàn)出現(xiàn)的弊端，文章提出基于局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法，其將雨量閾值和預(yù)警判據(jù)圖相結(jié)合，對局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征進(jìn)行全面分析。

1局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析

1.1地質(zhì)災(zāi)害的雨量閾值算法通過查閱觀測和統(tǒng)計資料得知，臨界雨量閾值是判別地質(zhì)災(zāi)害特征時的重要因素之一。雨量閾值也稱降雨下限方法，根據(jù)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的歷史降雨記錄實(shí)行總結(jié)研究從而判定引起地質(zhì)災(zāi)害的雨量閾值［4］，并用來描述實(shí)時降雨觀測的參照值對發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時間進(jìn)行預(yù)警［5］。想要獲取引起地質(zhì)災(zāi)害的臨界降雨量需要把引起地質(zhì)災(zāi)害的降雨因素繪制在笛卡兒坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)和雙對數(shù)坐標(biāo)中，數(shù)據(jù)部分的下部接線即為閾值。通過降雨強(qiáng)度、持續(xù)時間和平均降雨量等指標(biāo)設(shè)立的地質(zhì)災(zāi)害臨界組合判別式是閾值法的關(guān)鍵方法。指標(biāo)詳情如以下公式所述。降雨強(qiáng)度－歷時閾值也稱ID法:I=c+bDa。(1)式中:I表示降雨開始到產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害時的平均降雨強(qiáng)度(mm/h);降雨歷時用D描述，表示降雨的持續(xù)時間(h);參數(shù)分別用a，b，c來描述，并且c≥0。由于地質(zhì)條件的差異，引起地質(zhì)災(zāi)害的雨量閾值也不相同，為了使閾值曲線圖更加清晰完整，使用平均年降雨量也簡稱MAP法對降年雨量的閾值進(jìn)實(shí)行規(guī)格化［6］，則計算公式為:IMPA=c+bBa。(2)式中:MPA代表平均年降雨量，在雨量觀測站的記載歷史中可以得到，其體現(xiàn)了該地區(qū)的氣候特征(mm);降雨歷時用D描述(h);IMPA代表規(guī)格化后的降雨強(qiáng)度，通過降雨強(qiáng)度除以平均年降雨量得出，即IMPA=I/MAP，其單位是1/h;參數(shù)用a，b，c來描述。通過公式(1)和公式(2)得出的降雨量來獲取產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害時的雨量閾值，有關(guān)降雨量的常用物理量分為日降雨量、前期降雨量、過程累積雨量、規(guī)格化的過程降雨量。由于地質(zhì)災(zāi)害本身具有滯后性［7］，其中過程累計雨量和降雨歷時結(jié)合后的雨量計算為:E=c+bDa。(3)式中:過程累計雨量用E來描述，D是降雨歷時，參數(shù)是a，b，c。若a的值是1的時候，則E用D的分段函數(shù)來描述。不一樣的地質(zhì)災(zāi)害雨量閾值也是有所差異［8］，滑坡是地質(zhì)災(zāi)害的最常見的類型，受雨量多少的影響并不大;泥石流在大暴雨或特大暴雨等強(qiáng)降雨影響下容易產(chǎn)生［9］，雨量的判斷尤為重要，且影響面大、災(zāi)情嚴(yán)重;崩塌或塌陷一般是發(fā)生在持續(xù)降雨過程累計雨量多的時候［9］。具體特征分類如表1所示。

1.2預(yù)警判據(jù)圖基于以上小節(jié)所述，通過雨量閾值對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行判別，然后結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖對局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析［10］。有關(guān)規(guī)定表明，全國地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警通常分為以下5個等級［11］:一級:可能性很小;二級:可能性較小;三級:可能性較大;四級:可能性大;五級:可能性很大;省級地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分為以下3個等級:三級:可能性較大，預(yù)報級(黃色);四級:可能性大，預(yù)警級(橙色);五級:可能性很大，警報級(紅色)。想要獲取某地區(qū)未來1，2，3，…，n日里的氣象預(yù)報每個等級的降雨區(qū)間值(n通常不大于15d)［12］，需要構(gòu)建預(yù)警判據(jù)圖;統(tǒng)一規(guī)定引起地質(zhì)災(zāi)害的臨界降雨量閾值為α線和β線，預(yù)警等級是1～2級時稱為不預(yù)報區(qū)，是在α線以下的A區(qū)，預(yù)警等級是3～4級時稱為預(yù)報或預(yù)警區(qū)，是在α～β線的B區(qū)，當(dāng)預(yù)報等級是5級的時候，即是警報區(qū)［13］，處于β線之上的C區(qū)。詳情如圖1所示。

2實(shí)驗分析

為了驗證本文提出新的局部高強(qiáng)度降雨的地址災(zāi)害特征分析方法的有效性，實(shí)驗以長江三峽庫區(qū)為例進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分析實(shí)驗(圖2)，在梅雨(6－7月)季節(jié)，長江三峽庫區(qū)降雨量多，是我國受到降雨產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)頻繁具有代表性的地域。依據(jù)地質(zhì)、地貌和氣候因素，把齊岳山設(shè)成界限，把三峽庫區(qū)區(qū)分成A區(qū)和B區(qū)，奉節(jié)往西是A區(qū)，奉節(jié)往東是B區(qū)，進(jìn)行局部地質(zhì)災(zāi)害特征分析。因為雨量站和災(zāi)害點(diǎn)相隔甚遠(yuǎn)，站點(diǎn)觀測的雨量和發(fā)生災(zāi)害的地方實(shí)際雨量數(shù)據(jù)不符，本文方法通過雨量閾值的方法進(jìn)行判別減小偏差［14］，由于滑坡本身具有滯后性，因此4d內(nèi)雨量超過50mm的災(zāi)害點(diǎn)也一起計算。因此提取出相符的有關(guān)災(zāi)害點(diǎn)一共110處，其中A區(qū)89處，B區(qū)21處。A、B區(qū)的臨界降雨引起的地質(zhì)災(zāi)害特征有所差異，A區(qū)出現(xiàn)災(zāi)害的時間以2000、2004、2010、2012年內(nèi)為主;B區(qū)主出現(xiàn)災(zāi)害的時間以2001、2005、2008、2014年為主。依據(jù)A、B區(qū)的概況標(biāo)繪處災(zāi)害點(diǎn)降雨量散點(diǎn)圖，通過散點(diǎn)排列情況，并把災(zāi)害點(diǎn)整體情況呈現(xiàn)出來為主［15］，提取出現(xiàn)災(zāi)害時降雨量上下限擬合曲線，詳情見表2、圖3和圖4。本文方法通過表1中的雨量閾值上下限數(shù)據(jù)，以及降雨歷時每個時間段的降雨量通過歷時閾值也稱ID法進(jìn)行計算可以判斷出可能造成地質(zhì)災(zāi)害的降雨強(qiáng)度，得出A、B區(qū)災(zāi)害點(diǎn)的預(yù)警判據(jù)圖(圖3和圖4)，根據(jù)圖3、圖4可實(shí)時根據(jù)降雨量和時間來預(yù)判可能產(chǎn)生的地質(zhì)災(zāi)害類型，從而進(jìn)行提前預(yù)警等措施。為了使預(yù)警提示更加準(zhǔn)確，實(shí)驗把依據(jù)滑坡泥石流和降雨關(guān)聯(lián)的每種科技文獻(xiàn)和研究報告中提取的三峽庫區(qū)42處災(zāi)害點(diǎn)降雨量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合繪制，和預(yù)警判據(jù)圖結(jié)合應(yīng)用。通過以上所述，由于需要考慮到災(zāi)害發(fā)生具有滯后性，本文方法獲取到三峽地區(qū)第2d的降雨量預(yù)報值后，對出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害的可能性進(jìn)行預(yù)警判斷，并與判據(jù)圖進(jìn)行結(jié)合使用，獲取A區(qū)以及B區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)日降雨量以及前期降雨量情況，詳情見圖5、圖6、圖7、圖8。通過圖5、圖6、圖7、圖8可知采用本文方法得出的三峽地區(qū)A、B局部地區(qū)在高強(qiáng)度降雨的影響下地質(zhì)災(zāi)害的分布特征，將圖5和圖6結(jié)合可以看出在在高強(qiáng)度降雨的影響下，A區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)隨著降雨量的增多也隨之增多，前期降雨量超過200mm后造成的災(zāi)害點(diǎn)本身具有滯后性，持續(xù)強(qiáng)降雨后導(dǎo)致當(dāng)日地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)在降雨100mm后便出現(xiàn)多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害。將圖7和8結(jié)合可以看出在高強(qiáng)度降雨的影響下B區(qū)的災(zāi)害點(diǎn)前期的降雨量大于當(dāng)日降雨量，前期產(chǎn)生的災(zāi)害點(diǎn)在對當(dāng)日也產(chǎn)生潛在的災(zāi)害。由以上實(shí)驗可以看出，本文方法分析得出隨著降雨量的增大和降雨歷時的持續(xù)，實(shí)驗地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的暴發(fā)率也隨之增大，且具有滯后性、群發(fā)性和同時性特征，分布密集，本文方法實(shí)現(xiàn)了局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征的全面分析，具有重要的應(yīng)用價值。

3結(jié)論

文章提出基于局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法，通過降雨強(qiáng)度、持續(xù)時間和平均降雨量等指標(biāo)設(shè)立的地質(zhì)災(zāi)害臨界組合判別式，使用歷時閾值也稱ID法對降雨強(qiáng)度進(jìn)行判別。由于地質(zhì)條件的差異性導(dǎo)致閾值的不同，使用平均年降雨量也簡稱MAP法對降年雨量的閾值進(jìn)實(shí)行規(guī)格化，考慮到地質(zhì)災(zāi)害本身具有滯后性，使用過程累計雨量和降雨歷時結(jié)合后對雨量進(jìn)行計算得出致災(zāi)雨量閾值，結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖對局部高強(qiáng)降雨的地質(zhì)災(zāi)害分布進(jìn)行特征分析。實(shí)驗通過本文方法對三峽地區(qū)在局部高強(qiáng)度降雨環(huán)境下的地質(zhì)災(zāi)害特征進(jìn)行分析，通過雨量閾值判斷出地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)，從而結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖對局部高強(qiáng)度降雨后的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行特征分析，結(jié)果表明在三峽A、B區(qū)中，出現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害且具有滯后性、群發(fā)性和同時性等特征。

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作者：馬秀梅 劉曉燕 代青措 馬瓊 單位：青海省氣象臺