馬秀梅,劉曉燕,代青措,馬 瓊

(1.青海省氣象臺(tái),青海 西寧 810001； 2.青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001；3.青海省氣象服務(wù)中心，青海 西寧 810001)

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?；?、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(duì)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(bào)難度大、準(zhǔn)確率低，同時(shí)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(shí)性存在很大落后性，因此對(duì)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(duì)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(bào)率和空?qǐng)?bào)率”三指標(biāo)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警校驗(yàn)方法，但預(yù)警區(qū)空?qǐng)?bào)率偏高導(dǎo)致預(yù)警檢驗(yàn)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(duì)降雨問題的深入研究，分析結(jié)果需要進(jìn)行大量驗(yàn)證；趙鵬等[3]中運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，從空間和時(shí)間角度對(duì)渝東北地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行剖析，但是僅針對(duì)渝東北地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行分析，具有片面性。

針對(duì)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(duì)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(cè)和統(tǒng)計(jì)資料得知，臨界雨量閾值是判別地質(zhì)災(zāi)害特征時(shí)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(shí)降雨觀測(cè)的參照值對(duì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的時(shí)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(duì)數(shù)坐標(biāo)和雙對(duì)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(shí)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(shí)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(shí)的平均降雨強(qiáng)度(mm/h)；降雨歷時(shí)用D描述，表示降雨的持續(xù)時(shí)間(h);參數(shù)分別用a,b,c來描述，并且c≥0。

表1 地質(zhì)災(zāi)害雨量閾值

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(jiǎn)稱MAP法對(duì)降年雨量的閾值進(jìn)實(shí)行規(guī)格化[6]，則計(jì)算公式為：

IMPA=c+bBa。

(2)

式中：MPA代表平均年降雨量，在雨量觀測(cè)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(shí)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(shí)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(jì)雨量和降雨歷時(shí)結(jié)合后的雨量計(jì)算為:

E=c+bDa。

(3)

式中：過程累計(jì)雨量用E來描述，D是降雨歷時(shí)，參數(shù)是a，b，c。若a的值是1的時(shí)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(jì)雨量多的時(shí)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(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行判別，然后結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖對(duì)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(gè)等級(jí)[11]：一級(jí)：可能性很??；二級(jí)：可能性較??；三級(jí)：可能性較大；四級(jí)：可能性大；五級(jí)：可能性很大；省級(jí)地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警分為以下3個(gè)等級(jí)：三級(jí)：可能性較大，預(yù)報(bào)級(jí)(黃色)；四級(jí)：可能性大，預(yù)警級(jí)(橙色)；五級(jí)：可能性很大，警報(bào)級(jí)(紅色)。

想要獲取某地區(qū)未來1,2,3,…,n日里的氣象預(yù)報(bào)每個(gè)等級(jí)的降雨區(qū)間值(n通常不大于15 d)[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(jí)是1～2級(jí)時(shí)稱為不預(yù)報(bào)區(qū)，是在α線以下的A區(qū)，預(yù)警等級(jí)是3～4級(jí)時(shí)稱為預(yù)報(bào)或預(yù)警區(qū)，是在α～β線的B區(qū)，當(dāng)預(yù)報(bào)等級(jí)是5級(jí)的時(shí)候，即是警報(bào)區(qū)[13]，處于β線之上的C區(qū)。詳情如圖1所示。

圖1 預(yù)警判據(jù)原理示意圖

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)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(yàn)以長江三峽庫區(qū)為例進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分析實(shí)驗(yàn)(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。

圖2 三峽庫區(qū)月均災(zāi)害次數(shù)和月均降雨量

因?yàn)橛炅空竞蜑?zāi)害點(diǎn)相隔甚遠(yuǎn)，站點(diǎn)觀測(cè)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4 d內(nèi)雨量超過50 mm的災(zāi)害點(diǎn)也一起計(jì)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(shí)間以2000、2004、2010、2012年內(nèi)為主；B區(qū)主出現(xiàn)災(zāi)害的時(shí)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(shí)降雨量上下限擬合曲線，詳情見表2、圖3和圖4。

表2 三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警上、下限降雨量

圖3 A區(qū)氣象預(yù)警判據(jù)圖

圖4 B區(qū)氣象預(yù)警判據(jù)圖

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(shí)每個(gè)時(shí)間段的降雨量通過歷時(shí)閾值也稱ID法進(jìn)行計(jì)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(shí)根據(jù)降雨量和時(shí)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(yàn)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(bào)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2 d的降雨量預(yù)報(bào)值后，對(duì)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。

圖5 A區(qū)災(zāi)害點(diǎn)日降雨量散點(diǎn)圖

圖6 A區(qū)災(zāi)害點(diǎn)前期降雨量散點(diǎn)圖

圖7 B區(qū)災(zāi)害點(diǎn)日降雨量散點(diǎn)圖

圖8 B區(qū)災(zāi)害點(diǎn)前期降雨量散點(diǎn)圖

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200 mm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100 mm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(duì)當(dāng)日也產(chǎn)生潛在的災(zāi)害。

由以上實(shí)驗(yàn)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(shí)的持續(xù)，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jià)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(shí)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(shí)閾值也稱ID法對(duì)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(jiǎn)稱MAP法對(duì)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(jì)雨量和降雨歷時(shí)結(jié)合后對(duì)雨量進(jìn)行計(jì)算得出致災(zāi)雨量閾值，結(jié)合預(yù)警判據(jù)圖對(duì)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(yàn)通過本文方法對(duì)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(duì)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(shí)性等特征。