薛凱喜， 胡艷香， 楊澤平， 胡明華， 顧連勝

(1.東華理工大學建筑工程學院，江西南昌 330033;2.江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西撫州 344000)

誘發(fā)山地公路地質(zhì)災害的極端降雨事件辨識模型

薛凱喜1，2， 胡艷香1，2， 楊澤平1，2， 胡明華1，2， 顧連勝1，2

(1.東華理工大學建筑工程學院，江西南昌 330033;2.江西省數(shù)字國土重點實驗室，江西撫州 344000)

以1998～2009年重慶市國省干線公路1 695個歷史地質(zhì)災害點(含滑坡災害點771個，崩塌災害點924個)和分布區(qū)域內(nèi)35個氣象觀測站的實測降雨數(shù)據(jù)為基本資料，分析了降雨與地質(zhì)災害的時空相關(guān)性、原始累積降雨量與地質(zhì)災害發(fā)生頻數(shù)的相關(guān)性，結(jié)果顯示兩者關(guān)系密切，地質(zhì)災害的發(fā)生相對于降雨具有一定的時間滯后性，滑坡、崩塌地質(zhì)災害的發(fā)生受當日降雨量的影響，更大程度上受控于前期累積降雨量，滑坡、崩塌災害分別與災變前8天、前6天的降雨情況最相關(guān);根據(jù)相關(guān)性分析結(jié)果，利用統(tǒng)計回歸方法對誘發(fā)地質(zhì)災害的有效降雨量計算模型做了改進，認為有效降雨量計算的權(quán)重是天數(shù)和降雨強度的函數(shù)，推導了誘發(fā)山地公路地質(zhì)災害的極端降雨時間判別模型，并例證了該模型在常規(guī)地質(zhì)災害預警中的應用方法。

極端降雨;山地公路;地質(zhì)災害;預報

薛凱喜，胡艷香，楊澤平，等.2012.誘發(fā)山地公路地質(zhì)災害的極端降雨事件辨識模型［J］.東華理工大學學報：自然科學版，35(3)：263-269.

Xue Kai-xi，Hu Yan-xiang，Yang Ze-ping，et al.2012.Identification model of extreme rainfall events induced mountain road geological disasters［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，35(3)：263-269.

極端降雨很容易導致地質(zhì)災害或其它地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。以重慶市為例分析極端降雨因素對地質(zhì)災害的影響程度，重慶市地處我國西南山區(qū)，地質(zhì)環(huán)境復雜，加之城鄉(xiāng)建設過程中對沿線山體擾動強烈，大量的山體切坡為地質(zhì)災害頻發(fā)埋下了潛在隱患。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當日降雨量超過某一閾值，我國西南山區(qū)潛在地質(zhì)災害將大規(guī)模爆發(fā)，災變率(發(fā)生災變的點數(shù)與普查的潛在災害點總數(shù)之比)大幅提升，這種事件通常被稱為誘發(fā)地質(zhì)災害的極端降雨事件(薛凱喜等，2011)。因此，如何從地質(zhì)災害與降雨事件的相關(guān)性分析著手，探尋降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的規(guī)律，利用現(xiàn)有的天氣預報成果，進一步識別次日降雨是否會發(fā)展成為極端降雨事件，已成為當?shù)亻_展防災減災工作的迫切需要。

針對降雨與地質(zhì)災害的統(tǒng)計關(guān)系研究，國內(nèi)外相關(guān)學者從不同的角度進行了較為深入的有益探索，并取得了豐碩的成果。早在1985年，美國學者基于研究區(qū)域內(nèi)大暴雨與滑坡災害的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，建立了滑坡與降雨時間、強度的臨界關(guān)系曲線，進而形成一套滑坡災害實時預報系統(tǒng)(Lumb，1986;Brand et al.，1986);Glade 等(2002)等對意大利 hnperia省的1 204處降雨誘發(fā)的滑坡進行了研究，結(jié)果表明，滑坡位移一般發(fā)生在降雨開始后8 h，當降雨強度達到8～10 mm/h時滑坡的位移量最大。單九生等(2004)、姚學祥等(2005)在地質(zhì)災害機理分析的基礎(chǔ)上，探討了有效降雨量對滑坡災變的影響規(guī)律。基于上述研究成果，世界上很多國家和地區(qū)都給出了地質(zhì)災害發(fā)生的降雨強度閾值，如在日本，每小時降雨強度大于20 mm或前期累積降雨量超過150 mm，則會出現(xiàn)大量滑坡(林孝松，2001);巴西滑坡災害的暴雨強度臨界值定為205～300 mm/d(楊順泉，2002);我國香港地區(qū)的滑坡降雨強度臨界值定為40 mm/h或100 mm/d，湖北、江西、浙江等省份也結(jié)合自身實際給出了誘發(fā)地質(zhì)災害的降雨臨界值(殷坤龍等，2003;周國兵等，2003;姜伏偉等，2011;沈金瑞等，2009)。

上述研究成果不同程度的揭示了降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的統(tǒng)計學規(guī)律，普遍認為災變的產(chǎn)生不僅受控于當日降雨量，更多受控于前期累積降雨量，還有部分學者提出了有效降雨量等概念。這些成果對于人們深入認知地質(zhì)災害的孕育、發(fā)生及發(fā)展演變機理，推進地質(zhì)災害監(jiān)測技術(shù)方法，建立地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)具有重要的理論價值和實際意義。但是，筆者認為采用靜態(tài)的臨近降雨強度進行地質(zhì)災害監(jiān)測預警有失偏薄，究其原因可分為兩個方面:一是影響地質(zhì)災害的前期降雨量是動態(tài)變化的，那么用于預警的當日降雨量閾值也應該動態(tài)變化;二是前期降雨量具有一定的時間跨度，不同時間的降雨量對災變的影響程度必然存在差異。鑒于此，筆者以重慶市國省干線公路沿線滑坡、崩塌地質(zhì)災害為例，在分析降雨與地質(zhì)災害內(nèi)在相關(guān)性的基礎(chǔ)上，試圖構(gòu)建極端降雨閾值的動態(tài)計算模型，用來識別極端降雨事件，進一步為區(qū)域地質(zhì)災害智能監(jiān)測預警系統(tǒng)的構(gòu)建提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及處理方法

本文歷史地質(zhì)災害資料主要由重慶市公路局和各區(qū)縣公路主管部門提供，時間跨度為1998～2009年，共統(tǒng)計國省干線公路歷史災害點1 695個(含滑坡災害點771個，崩塌災害點924個)。降雨資料由重慶市35個氣象觀測站實測統(tǒng)計資料整理后獲取。

數(shù)據(jù)處理的基本思路和方法是:首先通過相關(guān)性分析，研究公路地質(zhì)災害與降雨在空間、時間上的相關(guān)性，并研究原始累積降雨量與地質(zhì)災害發(fā)生頻數(shù)的相關(guān)性;然后基于前期研究成果，提出“有效累積降雨量”的計算模型，確定當日降雨量對“有效累積降雨量”的貢獻度，識別并計算權(quán)重系數(shù)。最終通過實例給出確定計算降雨閾值的方法與步驟。

2 公路地質(zhì)災害相關(guān)性分析

2.1 時間相關(guān)性

(1)年度相關(guān)性。為研究重慶市地質(zhì)災害年度變化與年均降雨量的關(guān)系，本文根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制了1998年以來地質(zhì)災害頻數(shù)按年度變化序列圖(圖1)，從圖中可以看到，1998年的大規(guī)模降雨造成了滑坡、崩塌地質(zhì)災害大規(guī)模爆發(fā)，接下來三年的降雨量逐年降低，相對應年份地質(zhì)災害的發(fā)育數(shù)量明顯減少，可認為此時地質(zhì)災害進入了三年的培育期;2002年和2007年的降雨量僅次于1998年，但歷史資料顯示這兩年的降雨密集程度低于1998年，相對應地質(zhì)災害數(shù)量減少近50%;另外，2004年降雨量雖然多于2003年，但地質(zhì)災害發(fā)育頻數(shù)卻相對較小。綜上所述，地質(zhì)災害的發(fā)育與年均降雨量存在一定的關(guān)系，但并非線性相關(guān)，其相互作用機理非常復雜。由圖1也可看出無論是降雨量還是地質(zhì)災害發(fā)育頻數(shù)均具有一定的周期性，但該圖表現(xiàn)不是很明顯，這種規(guī)律仍需通過更多的調(diào)查資料進行分析研究。

(2)月度相關(guān)性。重慶市氣候溫和，屬亞熱帶季風性濕潤氣候區(qū)，降雨具有明顯的季節(jié)性變化趨勢，伴隨著降雨的季節(jié)性變化，重慶市滑坡、崩塌地質(zhì)災害也具有明顯的季節(jié)性變化特征，年內(nèi)各月份降雨量差異性較大。圖2給出了重慶市國省干線公路地質(zhì)災害頻數(shù)按月度變化序列圖。由圖2可以看出，重慶市5，6，7三個月降雨量最大，也是極端降雨事件頻發(fā)月份，滑坡、崩塌地質(zhì)災害推遲一個月大規(guī)模發(fā)生;重慶地區(qū)每年的冬春季節(jié)相對降雨量明顯減少，地質(zhì)災害的發(fā)育頻數(shù)顯著下降?？傮w上看，重慶市國省干線公路地質(zhì)災害的易發(fā)時段與降雨的季節(jié)性變化規(guī)律基本一致，由此說明降雨與公路滑坡、崩塌地質(zhì)災害具有密切的聯(lián)系。

2.2 空間相關(guān)性

重慶市地質(zhì)災害發(fā)育具有廣域性和地域差異性。調(diào)查顯示，滑坡、崩塌等地質(zhì)災害幾乎遍布重慶市國省干線公路所有路段。表1是根據(jù)地質(zhì)災害普查結(jié)果得到的自1998年以來重慶市國省干線公路地質(zhì)災害與年均降雨量比照簡表。由表1可知，渝東南地區(qū)的地質(zhì)災害明顯多于其它區(qū)域。無論從災害點的分布密度，還是從災害發(fā)生的頻次上來看，渝東南地區(qū)都高于其它區(qū)域，然后依次是渝東北、渝中和渝西地區(qū)。

渝東南地區(qū)不僅滑坡、崩塌地質(zhì)災害高于其它區(qū)域，路基沉陷和泥石流等災害出現(xiàn)的頻次也高于其它地區(qū)，這與以往的研究結(jié)論相符。通過表1還可以看出，地質(zhì)災害的發(fā)生頻次與降雨分布基本相符，只在渝中和渝西地質(zhì)災害發(fā)育比照結(jié)果中略有差異，這主要與區(qū)域國民經(jīng)濟狀況有關(guān)，地質(zhì)環(huán)境背景近乎相同的情況下，相對經(jīng)濟較發(fā)達的渝中地區(qū)雖然年均降雨量高于渝西，但較多的地災防控投入力度使其地質(zhì)災害發(fā)生頻數(shù)顯著降低。

表1 1998～2009年重慶市國省干線公路地質(zhì)災害與年均降雨量統(tǒng)計簡表Table 1 The statistics of the average annual rainfall and the geologic disasters of the national and provincial trunk highways in Chongqing city from 1998 to 2009

2.3 原始累積降雨量與地災發(fā)生頻數(shù)的相關(guān)性

通過對重慶市公路地質(zhì)災害與降雨的空間、時間相關(guān)性進行統(tǒng)計分析，可以確定兩者之間必然存在某種緊密的聯(lián)系。地質(zhì)災害在一定程度上滯后于降雨，即地質(zhì)災害的發(fā)生不僅與當日降雨量有關(guān)系，前期累積降雨量也可能影響地質(zhì)災害的發(fā)育頻數(shù)。本文對研究范圍內(nèi)1 695個歷史災害點的前期累積降雨量進行了統(tǒng)計，并分別對滑坡、崩塌災害的發(fā)生頻數(shù)與累積降雨量進行皮爾遜相關(guān)性分析(表2)。

表2顯示，公路沿線滑坡、崩塌地質(zhì)災害頻數(shù)與累積降雨量的相關(guān)性很強，相關(guān)性系數(shù)均大于0.85，P值小于0.05。對相關(guān)系數(shù)做排序后發(fā)現(xiàn)，滑坡災害的發(fā)生頻數(shù)與前8天(含當日降雨量)最相關(guān)，崩塌災害發(fā)生頻數(shù)與前6天(含當日降雨量)最相關(guān)。雖然統(tǒng)計分析得到的結(jié)果看似令人滿意，但經(jīng)驗表明，一次降雨事件發(fā)生后，全部降雨量并不能完全作用于公路沿線斜坡體，即存在降雨的有效性問題。

表2 公路滑坡、崩塌等地質(zhì)災害與累積降雨總量的皮爾遜相關(guān)性計算表Table 2 The Pearson correlation of the total cumulative rainfall and the geological disasters as road landslide，collapse

3 地質(zhì)災害預報的極端降雨判據(jù)

3.1 “有效累積降雨量”概念的提出與計算模型

前面僅論證了前期某段時間內(nèi)的降雨與地質(zhì)災害的發(fā)生關(guān)系密切，但這一結(jié)論過于籠統(tǒng)。為便于進一步研究，筆者提出“有效累積降雨量”的概念，它是指在災變前期一定時間跨度范圍內(nèi)，當日降雨量和前期降雨量對災變事件按貢獻率不同加權(quán)累積的雨量，是用于表征當日降雨量和前期降雨量對潛在災害點作用強度的物理量。需要注意的是，很多文獻中曾提出“有效降雨量”的概念(張友誼等，2007;謝劍明等，2003;殷坤龍等，2003;單九生等，2004)，它是在充分研究斜坡體災變機理，深入探討降雨入滲到巖土體內(nèi)部后發(fā)生一系列物理化學作用的基礎(chǔ)上得到的;而本文所述“有效累積降雨量”是基于統(tǒng)計學理論相關(guān)性分析成果產(chǎn)生的表觀物理量。兩者之間存在本質(zhì)區(qū)別，但不排除它們之間的某種內(nèi)在聯(lián)系。

根據(jù)上述基本概念，結(jié)合前述研究成果，可以給出“有效累積降雨量”的計算模型:

3.2 單日降雨量權(quán)重的識別與計算

下面探討如何計算單日降雨量的權(quán)重問題。表3是重慶市國省干線公路1998～2009年間1 695次地質(zhì)災害頻數(shù)與降雨強度、天數(shù)三者之間的關(guān)系簡表，由表3可以看出，60.31%的公路滑坡災害、71.54%的公路崩塌災害發(fā)生在降雨當天;隨著時間的后延，無論是滑坡災害，還是崩塌災害，其發(fā)生的頻數(shù)逐漸減小;區(qū)分各種降雨強度后可以看到，降雨強度越大，地質(zhì)災害發(fā)生頻數(shù)越大。同時，通過圖3可以清楚的看出，降雨誘發(fā)地質(zhì)災害的滯后性隨降雨強度的增大在逐漸的減小，即降雨強度越大，后期地質(zhì)災害發(fā)生的可能性衰減越快。

根據(jù)地質(zhì)災害發(fā)生頻數(shù)、降雨強度和降雨時間三者之間的關(guān)系可以推斷:一次降雨過程對地質(zhì)災害的貢獻度至少取決于降雨強度和降雨天數(shù)兩方面的因素，因此，有效降雨量的權(quán)重系數(shù)應該是降雨強度和時間的函數(shù)。于是權(quán)重系數(shù)可用如下公式進行測算:

基于上述基本思路，筆者借助matlab軟件平臺，編制麥夸特法優(yōu)化算法對表2～3中的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行處理，通過非線性回歸分析擬合出k值的計算模型。滑坡、崩塌災害有效降雨量權(quán)重計算公式分別為4、5式:

根據(jù)程序計算分析，后得出上述兩式的R值分別為0.995 7，0.998 0，可知擬合效果較理想。圖 4為實測結(jié)果與擬合模型預測曲線對比圖，同樣表明一致性很強。因此，上述公式計算有效降雨量權(quán)重應該具有較高的精度。

表3 地質(zhì)災害發(fā)生時間、降雨強度、災害頻數(shù)統(tǒng)計關(guān)系表Table 3 The statistics of the occurrence time of geological disasters，rainfall intensity and disaster frequency

圖3 重慶國省干線公路地質(zhì)災害滯后時間與降雨強度的關(guān)系Fig.3 The relationship of rainfall intensity and the delay time of geological disasters of the national and provincial trunk highways in Chongqing city

3.3 極端降雨閾值的確定

3.3.1 極端降雨事件識別模型及參數(shù)

綜合考慮重慶市地質(zhì)災害監(jiān)測預警現(xiàn)狀，結(jié)合公路交通部門防災減災預警實際，并通過運用二值Logistic回歸分析方法研究了有效累積降雨量和災變率的關(guān)系，最終可把重慶市公路地質(zhì)災害預警等級初步劃分為藍、黃、橙、紅四級，詳見表4。為進一步識別并預報降雨事件對地質(zhì)災害的影響程度，結(jié)合極端降雨事件概念，可給出各預警等級所對應的極端降雨事件的判斷模型:

圖4 滑坡、崩塌災害災變率與降雨時間、降雨強度擬合效果比照圖Fig.4 The fitting renderings of disaster rate and rainfall time，rainfall intensity

式中Rd為當日降雨量預報值;Rct為某地質(zhì)災害預警等級累積有效降雨量閥值;Rtt為預報前期累積有效降雨量實測值;kd為對應的權(quán)重。

表4 重慶市國省干線公路地質(zhì)災害預警等級劃分簡表Table 4 The early warning classification of geological disasters of national and provincial trunk highway warning in Chongqing city

3.3.2 極端降雨事件判別程序及方法

以滑坡災害為例，極端降雨事件的判別程序及方法如下:

①獲取待預報區(qū)域前期實測降雨量和次日天氣預報降雨量值。

②根據(jù)“有效累積降雨量”計算模型測算有效累積降雨量，如表5所示。

表5 某滑坡災害有效降雨量算例Table 5 Effective rainfall in a landslide example

③按照表4確定滑坡災害預警級別。

在上述算例中，最終計算出的累積有效降雨量為168.69 mm，界于閾值150～200 mm之間，由此可判斷預警級別為“橙色預警”，對應的降雨事件為“橙色預警極端降雨事件”。

4 結(jié)語

本文以重慶市國省干線公路滑坡、崩塌地質(zhì)災害為研究對象，在研究降雨與地質(zhì)災害相關(guān)性的統(tǒng)計學規(guī)律基礎(chǔ)上，探討誘發(fā)地質(zhì)災害的極端降雨事件判據(jù)，主要得到如下幾個結(jié)論:

①通過分析滑坡、崩塌地質(zhì)災害與降雨的時間、空間相關(guān)性，可認為地質(zhì)災害與降雨關(guān)系密切，因其相互作用機理復雜，山地公路地質(zhì)災害的發(fā)生相對于極端降雨事件具有一定的時間滯后性。

②進一步對滑坡、崩塌地質(zhì)災害與前期累計降雨量的相關(guān)性研究，得出結(jié)論認為，滑坡、崩塌地質(zhì)災害的發(fā)生不僅受當日降雨量的影響，更大程度上受控于前期累積降雨量。其中，滑坡災害與災變前8天的降雨情況最相關(guān)、崩塌災害與災變前6天的降雨情況最相關(guān)。

③降雨對地質(zhì)災害的影響取決于距離災變的天數(shù)和強度，本文基于統(tǒng)計回歸分析對有效降雨量的計算模型進行了改進，認為有效降雨量計算的權(quán)重是天數(shù)和降雨強度的函數(shù)，推導了誘發(fā)山地公路地質(zhì)災害的極端降雨事件辨識模型。

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Identification Model of Extreme Rainfall Events Induced Mountain Road Geological Disasters

XUE Kai-xi1，2， HU Yan-xiang1，2， YANG Ze-ping1，2， HU Ming-hua1，2， GU Lian-sheng1，2
(1.Faculty of Architectural Engineering，East China Institute of Technology，Nanchang，JX 330033，China;2.Digital Land Key Laboratory of Jiangxi Province，F(xiàn)uzhou，JX 344000，China)

Based on the fundamental data of 1695 geological disaster spots of Chongqing trunk highways from 1998 to 2009(which including 771 landslides and 924 dilapidations places)，and 35 meteorological stations data obtained by measurement of rainfall in distribution area，the space-time relativity of rainfall for geological disasters，and the relativity of original rainfall with the frequency of the geological disasters are analyzed.The results show that they are in close relations.Compared with rainfall，the occurrence of geological disasters has certain a timelag effect.The occurrence of landslide rock fall of geological disasters are impact of precipitation，controlled by in a greater degree antecedent accumulated rainfall.Landslide rock fall is respectively or rainfall condition of precipitation 8 or 6 days before catastrophe.According to correlation analysis result，the effective rainfall calculation model of induced geological disaster has been improved by using statistical regression methods.It is suggested that effective rainfall calculation weight is function of days and rainfall intensity.The discriminant model of extreme rain time for inducing highway mountain geological disaster is derived.A illustration is given that the model’s application methods in conventional geological disaster warning.

extreme rainfall;mountain highway;geological disaster;prediction

P642.2

A

1674-3504(2012)03-0263-07

10.3969/j.issn.1674-3504.2012.03.010

2011-11-22 責任編輯:吳志猛

國家自然科學基金(50808187);江西省數(shù)字國土重點實驗室開放基金(DLLJ201212);東華理工大學博士科研啟動金項目(DHBK201110)

薛凱喜(1981—)，男，博士，講師，主要從事巖土工程領(lǐng)域相關(guān)教學研究工作。Email:xkx1257@foxmail.com