聶肖虎，謝璐瑤，楊冬，劉新，劉青

(1.中國石化銷售股份有限公司華中分公司, 湖北 武漢 430023； 2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司, 北京 100084)

0 引言

我國是世界上地質(zhì)災(zāi)害分布最嚴(yán)重的國家之一，據(jù)2019年的地質(zhì)災(zāi)害累計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國共分布約25萬多個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)，包括滑坡、斜坡、崩塌、泥石流、地面塌陷、地面沉降等(李媛等，2004)，其中滑坡斜坡類地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比最大，可達(dá)60%，其次為崩塌，約22%，我國地質(zhì)災(zāi)害類型數(shù)量占比見圖1。廣義的滑坡是指各種類型的巖土體沿斜坡向下運(yùn)動(dòng)的過程，通常包括泥石流和崩塌，我國學(xué)者多采用狹義滑坡定義，多指斜坡土層或堅(jiān)硬的巖層，在重力作用下沿一個(gè)或多個(gè)滑動(dòng)面向下移動(dòng)的過程?；碌鹊刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生一方面取決于基礎(chǔ)地質(zhì)條件，比如地層巖性、坡度、高程、土壤等；另一方面又受到多種外界因素的誘發(fā)影響，如氣象、人類工程活動(dòng)等(丁繼新等，2004；李長江等，2008)。在各種因素誘發(fā)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害中，以降雨誘發(fā)的滑坡是分布最廣、頻次最高的地質(zhì)災(zāi)害(劉廣潤等，2002；張玉成等，2007)(以下簡稱降雨型滑坡)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，我國已發(fā)生的突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、崩塌、泥石流)中，降雨誘發(fā)的災(zāi)害數(shù)量可達(dá)90%。有學(xué)者對重慶地區(qū)滑坡災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，近50年來重慶地區(qū)由降雨誘發(fā)的滑坡數(shù)量約147個(gè)，占總滑坡數(shù)量的97%，且多數(shù)滑坡的發(fā)生與24小時(shí)內(nèi)的降雨量有極大相關(guān)性(周國兵等，2003)，因此開展降雨型滑坡地質(zhì)災(zāi)害的研究對于國家開展防災(zāi)減災(zāi)工作具有十分重要的意義(文海家等，2018)。

降雨型滑坡一直以來都是國內(nèi)外地質(zhì)災(zāi)害研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，其研究成果十分豐碩。從探索降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)理，到研究與滑坡是否發(fā)生相關(guān)的具體臨界閾值，并將相關(guān)閾值模型用于滑坡預(yù)報(bào)預(yù)警實(shí)踐中，以及近些年來隨著RS、GIS技術(shù)的融入，使滑坡的早期識別和區(qū)域分級預(yù)警得以實(shí)現(xiàn)。降雨型滑坡研究內(nèi)容見圖2。降雨誘發(fā)滑坡的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在水體下滲過程中造成斜坡巖土體的物理性質(zhì)及內(nèi)部孔隙壓力的變化，使巖土體的抗剪切強(qiáng)度降低(李長江等，2008)。雨水在坡體中的入滲規(guī)律研究多是針對單體滑坡進(jìn)行模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，旨在揭示滑坡發(fā)生的內(nèi)在規(guī)律，為不同滑坡的關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)提供參考，更偏于理論性質(zhì)的研究，但其也是制定滑坡監(jiān)測方案的第一步。適用于報(bào)警的閾值研究采用的閾值參數(shù)根據(jù)不同區(qū)域的滑坡特點(diǎn)有所不同，暴雨頻次、降雨的周期變化、降雨歷時(shí)、降雨量以及降雨雨型與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在著密切的聯(lián)系(馬力等，2002)，該類研究通常對降雨滑坡歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(高華喜和殷坤龍，2007)，采用相應(yīng)的模型進(jìn)行閾值確定，也有部分學(xué)者將地質(zhì)因素加入到閾值計(jì)算的模型中(劉艷輝和劉麗楠，2016)，總的來說，閾值研究仍是降雨型滑坡的一個(gè)研究難點(diǎn)。但是目前這兩項(xiàng)研究一般是割裂進(jìn)行的，未能共同作用于最終的預(yù)警預(yù)報(bào)工作中，如何將二者研究結(jié)合進(jìn)行預(yù)警是今后降雨型滑坡研究的一個(gè)突破點(diǎn)。不論是單體滑坡的誘發(fā)機(jī)制研究還是區(qū)域性的降雨閾值研究，兩者在空間上的預(yù)測都略顯劣勢，但GIS技術(shù)的發(fā)展使得具有空間性質(zhì)的柵格單元內(nèi)的滑坡預(yù)測研究也隨之加強(qiáng)(彭令等，2010)，為了進(jìn)行更加精細(xì)化的空間地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，GIS是不可缺少的重要工具。

本文首先介紹降雨型滑坡的發(fā)育特征、雨水入滲滑坡的內(nèi)在規(guī)律和相關(guān)模型，進(jìn)而說明不同的降雨特征與滑坡之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上對目前的降雨型滑坡閾值研究進(jìn)行論述和總結(jié)，并提出適合長輸管道地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作的降雨閾值計(jì)算模型，最后指出降雨型滑坡研究目前存在的問題，并對今后的研究方向進(jìn)行展望。

1 降雨型滑坡發(fā)育特征

現(xiàn)有的研究多通過兩種方式探討降雨與滑坡之間的關(guān)系，一是研究滑坡內(nèi)在的規(guī)律及穩(wěn)定性，利用各類監(jiān)測設(shè)備(水位計(jì)、孔壓計(jì)等)獲取滑坡體內(nèi)各項(xiàng)參數(shù)在降雨條件下的變化情況，以此來建立雨水入滲模型及滑坡發(fā)生的內(nèi)在機(jī)制；二是從外在的降雨特征著手，在收集充足的歷史降雨數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將滑坡發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)與之一一對應(yīng)，研究滑坡發(fā)生時(shí)的不同降雨參數(shù)(雨量、雨強(qiáng)、歷時(shí)、雨型)的特征及閾值，并以此來對滑坡進(jìn)行預(yù)報(bào)。

1.1 誘發(fā)機(jī)制

降雨誘發(fā)滑坡的實(shí)質(zhì)是滲入斜坡的雨水通過與巖土體的相互作用，軟化滑面處的巖土體，降低巖土體的抗剪切強(qiáng)度，從而破壞邊坡的穩(wěn)定性，當(dāng)巖土體的強(qiáng)度不能抵抗剪切力時(shí)，滑坡就發(fā)生了(楊文東，2006；李長江等，2008)。兩者相互作用的結(jié)果就是導(dǎo)致巖土體的內(nèi)聚力和摩擦力下降(徐則民等，2005)，具體誘發(fā)機(jī)理可分為四種：雨水入滲到斜坡巖土體內(nèi)，使巖土體的強(qiáng)度減小而重量不斷增加，致使巖土體下滑力隨之增加；降雨入滲降低斜坡非飽和區(qū)域的基質(zhì)吸力，致使構(gòu)成斜坡的土體抗剪強(qiáng)度也隨之降低；降雨使得巖土體干濕交替，產(chǎn)生大量裂隙，為雨水入滲提供了更多的通道，加速了滑坡的發(fā)生；降雨抬升了地下水位，增加了對巖土體的浮托力(盛玲，2015)。

降雨觸發(fā)滑坡的內(nèi)在因素包括構(gòu)成斜坡體的物質(zhì)條件(如巖質(zhì)滑坡與土質(zhì)滑坡)、斜坡體的坡度以及地質(zhì)構(gòu)造等(吳仁銑，2013)，而雨水進(jìn)入邊坡體的入滲率取決于降雨的方式、降雨強(qiáng)度以及斜坡巖土體的滲水物理屬性。不同物質(zhì)組成的斜坡滲流過程也不相同，土質(zhì)邊坡表現(xiàn)為由非飽和到飽和的變化過程，形成浸潤區(qū)，抗剪強(qiáng)度降低；節(jié)理較發(fā)育、孔隙較大的巖質(zhì)邊坡因雨水滲流在地下水位以上的區(qū)域形成上層滯水區(qū)，孔隙壓力增大，降低抗滑力，降雨入滲下伏基巖類斜坡和土質(zhì)斜坡示意見圖3。

國內(nèi)外學(xué)者對于降雨入滲過程及機(jī)理進(jìn)行了許多研究，提出了多種不同形式的入滲模型(朱文彬和劉寶琛，2002；謝劍明，2004)、過程模擬方法(楊文東，2006)及斜坡穩(wěn)定性評價(jià)方法(陳祖煜，2003)。降雨入滲實(shí)質(zhì)上是水分在土壤飽氣帶中的運(yùn)動(dòng)(吳仁銑，2013)，雨水滲入邊坡到達(dá)潛水面經(jīng)歷了一個(gè)飽和—非飽和的滲流過程，從物理學(xué)角度得出邊坡入滲過程的非飽和滲流控制方程如下：

(1)

式(1)中：h在飽和區(qū)，為壓力水頭，在非飽和區(qū)，為基質(zhì)吸力(非飽和帶中空氣壓力與水壓力之間的差值)的勢函數(shù)，稱為基質(zhì)勢；k(h)ij為滲透系數(shù)，在非飽和區(qū)為基質(zhì)勢h的函數(shù)；S為貯水系數(shù)；β在飽和區(qū)，β=0，在非飽和區(qū)，β=1；R為源匯項(xiàng)，為降雨入滲的供水強(qiáng)度；x1,x2,x3分別表示笛卡爾坐標(biāo)系中的x(x1)軸，y(x2)軸，z(x3)軸為正向向上的鉛直軸。

Green-Ampt模型是一種簡化的入滲模型，用來確定瞬態(tài)入滲鋒面所到達(dá)的位置，可以看作是入滲問題的近似解，應(yīng)用較為廣泛。但實(shí)際發(fā)生的滑坡機(jī)制是十分復(fù)雜的，Mein and Larson(1973)在該模型上根據(jù)降雨強(qiáng)度與土體入滲能力的關(guān)系進(jìn)行改進(jìn)，將雨水入滲分為2個(gè)階段，即自由入滲階段和積水入滲階段。國內(nèi)學(xué)者的相關(guān)試驗(yàn)表明，雨水入滲過程中還需考慮坡度因子，目前比較符合實(shí)際入滲情況的模型由楊文東(2006)提出，該模型在Green-Ampt模型的基礎(chǔ)上增加了入滲過程及斜坡效應(yīng)。此外，楊文東(2006)除了對入滲機(jī)理和穩(wěn)定性進(jìn)行分析外，還建立了模擬滑坡發(fā)生過程的模型，可以重現(xiàn)邊坡滑坡的動(dòng)態(tài)破壞過程。

雨水改變了邊坡內(nèi)的孔隙水壓力，從而降低邊坡穩(wěn)定性，在了解雨水入滲規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)而研究邊坡在降雨條件下的穩(wěn)定性。滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的方法包括極限平衡法、有限元強(qiáng)度折減法(銀曉鵬，2008)、模糊綜合評價(jià)(楊文東，2006)以及概率分析方法。降雨型滑坡穩(wěn)定性分析中，土體含水量和孔隙水壓力是兩個(gè)基本參數(shù)，這是因?yàn)檫吰吕镉兴臐B流作用，土的含水量增加，抗剪強(qiáng)度降低，致使邊坡極不穩(wěn)定。滲透力因素是否加入到穩(wěn)定性分析中則取決于研究對象的選擇，毛昶熙和段祥寶(2012)對地震和降雨等多個(gè)因素作用下的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，為了更好地結(jié)合有限元法一次完成計(jì)算，加入了滲透力概念。陳祖煜(2003)考慮到滑裂面上的孔壓與坡面上的水壓力，認(rèn)為不需要計(jì)算滲透力。在運(yùn)用現(xiàn)場實(shí)測的土體含水量和孔隙水壓力對降雨型滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)時(shí)，不僅僅需要討論穩(wěn)定性分析物理模型的適用性，還需要對穩(wěn)定性分析輸入?yún)?shù)的合理性及其對研究目標(biāo)的敏感性進(jìn)行研究(Bordoni et al.，2015)。

1.2 降雨與滑坡關(guān)系

1.2.1 時(shí)空分布特性

因降雨導(dǎo)致的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害在空間分布上具有一定的區(qū)域性和同時(shí)性，且往往突發(fā)性強(qiáng)，災(zāi)害程度大。國內(nèi)已經(jīng)有許多學(xué)者對降雨與滑坡等地質(zhì)災(zāi)害之間的時(shí)空分布關(guān)系進(jìn)行了深入研究，并取得了非常多的成果。陳正洪和孟斌(1995)從幾十個(gè)典型事例出發(fā)，分析了湖北省降雨型滑坡的時(shí)空分布特征，并且與降雨的時(shí)空分布規(guī)律進(jìn)行相關(guān)分析，該研究促進(jìn)了對二者之間對應(yīng)關(guān)系的認(rèn)識。劉艷輝等(2009)通過統(tǒng)計(jì)分析2006—2007年汛期全國地質(zhì)害的實(shí)際發(fā)生情況得出地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育密度與年均雨量呈正比，在時(shí)間分布上與月降雨量、月暴雨日數(shù)的分布總體上具備一定的對應(yīng)關(guān)系，且主要受典型強(qiáng)降雨過程的落區(qū)控制。林孝松和郭躍(2001)用統(tǒng)計(jì)分析的方法研究了滑坡與降雨的耦合關(guān)系，暴雨與滑坡的發(fā)生在時(shí)間上具有很好的一致性，通常也伴隨著一定的滯后效應(yīng)，即滑坡發(fā)生于降雨之后的一段時(shí)間內(nèi)，這就證實(shí)了滑坡的發(fā)生與降雨之間存在不穩(wěn)定周期性，且其規(guī)模與雨量之間存在一定的正相關(guān)。中國地質(zhì)災(zāi)害分布及中國年平均降雨量見圖4、圖5，年均降雨量大的區(qū)域也正是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害分布密集區(qū)域。

1.2.2 降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、雨型對滑坡的影響

國內(nèi)外學(xué)者對降雨量與滑坡地質(zhì)災(zāi)害之間的關(guān)系進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明滑坡地質(zhì)災(zāi)害除了受降雨在空間和時(shí)間上的分布影響外，降雨的雨量、雨強(qiáng)、歷時(shí)、雨型等特征也控制影響著滑坡的變形過程。

鐘蔭乾(1998)發(fā)現(xiàn)滑坡變形的過程與變形階段間的降雨強(qiáng)度變化的相關(guān)性較大，雨量越大的區(qū)域滑坡越發(fā)育，以新灘滑坡和黃臘石滑坡為例，說明滑坡的變形和劇滑與降雨的間斷性、時(shí)間性相關(guān)性較高。也有較多研究通過滑坡位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)研究滑坡與降雨量之間的相關(guān)性，楊順泉(2002)對福建某滑坡體進(jìn)行為期三年的監(jiān)測，將水平位移數(shù)據(jù)、垂直位移數(shù)據(jù)與降雨量進(jìn)行回歸運(yùn)算分析，結(jié)果顯示滑坡體各方位的位移量與降雨量相關(guān)性顯著，存在降雨量越大，位移變形越大的趨勢。

降雨強(qiáng)度指在一個(gè)給定時(shí)段內(nèi)的累積降雨量或降雨速率(麻土華等，2011)，暴雨引發(fā)的滑坡往往比長時(shí)間降雨型的臨界降雨量低，以降雨強(qiáng)度較大的深圳為例(高華喜和殷坤龍，2007)，將滑坡發(fā)生次數(shù)分別與降雨強(qiáng)度、降雨量、降雨時(shí)間進(jìn)行耦合分析，結(jié)果表明，滑坡與1～2天的降雨量(大暴雨)、 1～4天及一次降雨過程的累計(jì)降雨量的相關(guān)性系數(shù)均在0.8以上；在降雨時(shí)間上，暴雨發(fā)生的當(dāng)天，便有45.3%的滑坡出現(xiàn)，僅有13.3%的滑坡滯后于暴雨的3天以后，最晚在4天左右。

張勇等(2020)在分析降雨強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，根據(jù)降雨的過程特征和降雨時(shí)間，對巴中市2007—2016年間降雨事件進(jìn)行了細(xì)分，共劃分為6類降雨雨型，并分別統(tǒng)計(jì)不同雨型下發(fā)生的滑坡次數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)遞增型降雨下的滑坡占比最大，可達(dá)46.9%；單峰型降雨次之，約占25.02%。此外，對這兩類雨型下的滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析得知，其滑坡穩(wěn)定性在降雨后出現(xiàn)明顯降低，表明降雨雨型因子也對滑坡有著顯著影響。

2 降雨型滑坡預(yù)報(bào)模型研究

降雨引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害過程是含有多個(gè)相互作用的復(fù)雜非線性關(guān)系系統(tǒng)，我們將該過程看作一個(gè)系統(tǒng)，影響滑坡的各類因素(降雨、巖土體、地形等)看作是該系統(tǒng)的輸入變量，那么滑坡的發(fā)生與否(發(fā)生與不發(fā)生)則是該系統(tǒng)的輸出變量，對輸入變量和輸出變量之間的非線性關(guān)系進(jìn)行研究便是滑坡的預(yù)報(bào)模型(Crozier and Eyles，1980)。目前對于滑坡的預(yù)報(bào)模型研究主要分為兩類，一是與滑坡發(fā)生有關(guān)的閾值研究，分區(qū)域預(yù)測滑坡發(fā)生的時(shí)間段，偏時(shí)間預(yù)測；二是根據(jù)已知滑坡點(diǎn)繪制滑坡敏感性圖，一般不考慮誘發(fā)因素的影響，偏空間預(yù)測，因此，本文主要對前者進(jìn)行介紹。根據(jù)有效應(yīng)力原理，當(dāng)斜坡巖土體的孔隙壓力到達(dá)失穩(wěn)狀態(tài)的臨界條件時(shí)，滑坡才能發(fā)生，而孔隙壓力與地下水的狀態(tài)相關(guān)，雨水下滲又增加了地下水的補(bǔ)給，從而誘發(fā)滑坡，因此，這是通過對降雨量的研究預(yù)報(bào)滑坡的理論基礎(chǔ)。通過閾值計(jì)算對滑坡進(jìn)行預(yù)報(bào)是目前地質(zhì)災(zāi)害研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)階段的閾值研究通常采用降雨、土壤含水量；或者其他水文地質(zhì)參數(shù)，這些參數(shù)往往具有區(qū)域性，因而降雨型滑坡預(yù)報(bào)幾乎都是根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)計(jì)算降雨閾值而建立的。

2.1 降雨閾值

降雨閾值是研究引發(fā)滑坡的降雨下限或臨界降雨，通過對誘發(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的歷史降雨事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以降雨時(shí)間為橫坐標(biāo)，降雨量為縱坐標(biāo)，將兩項(xiàng)數(shù)據(jù)繪制在笛卡爾坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo)或者雙對數(shù)坐標(biāo)中，然后利用相關(guān)的統(tǒng)計(jì)分析軟件(如R語言、SPSS軟件)，對這些數(shù)據(jù)點(diǎn)的下限水平線進(jìn)行擬合，即可得到該區(qū)域的降雨閾值示意圖(圖6)。該曲線中前期降雨強(qiáng)度小，從“0點(diǎn)”開始，降雨強(qiáng)度明顯增大直到滑坡發(fā)生。臨界降雨量則是指這段時(shí)間內(nèi)的累計(jì)降雨量，閾值研究則是想通過降雨量變化的曲線來推斷滑坡發(fā)生的時(shí)間，建立一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，可以用來作為滑坡啟動(dòng)的降雨判據(jù)(陳洪凱等，2012)，是目前降雨型滑坡還未得到標(biāo)準(zhǔn)答案的難點(diǎn)問題，通常采用過程降雨閾值模型、前期降雨閾值模型或者其他類型的組合模型進(jìn)行研究。

2.1.1 過程降雨閾值

過程降雨閾值是對引發(fā)滑坡的降雨強(qiáng)度的閾值進(jìn)行研究，通過對降雨歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到其滑坡發(fā)生時(shí)所需要的降雨強(qiáng)度，即一定時(shí)間內(nèi)的降雨速率，該時(shí)間段可以是短時(shí)，小時(shí)降雨量、日降雨量等；也可以是長時(shí)間觀測，以該階段的降雨量平均值進(jìn)行表示。不同的時(shí)間尺度上，過程降雨閾值模型的確定也就相對復(fù)雜，且在不同的空間尺度上，閾值也不盡相同。目前包括四種模型：降雨強(qiáng)度—?dú)v時(shí)(ID)；使用年均降雨量(MAP)或其他參數(shù)；過程累積雨量—?dú)v時(shí)(ED)；過程累積雨量—降雨強(qiáng)度(EI)。其中，降雨強(qiáng)度—?dú)v時(shí)關(guān)系在世界各地降雨預(yù)報(bào)中使用頻率最高。

(1)降雨強(qiáng)度—?dú)v時(shí)(ID)

該模型最早由Caine(1980)提出，可用下式表示：

I=C+∝×Dβ

(2)

式(2)中：I為誘發(fā)滑坡體等地質(zhì)災(zāi)害的降雨強(qiáng)度，短歷時(shí)取整個(gè)降雨事件的峰值數(shù)據(jù)，長歷時(shí)則取平均值/(mm/h)；D為誘發(fā)滑坡的降雨事件歷時(shí)/h；α、β均為統(tǒng)計(jì)參數(shù)；C≥0。

該模型中的降雨歷時(shí)D取值范圍為1～100 h，全球各區(qū)域的ID模型閾值可通過意大利的水文地質(zhì)研究保護(hù)所的降雨閾值庫進(jìn)行查詢。國內(nèi)外地區(qū)的ID模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

(2)年均降雨量閾值(MAP)或其他參數(shù)

不同區(qū)域之間引發(fā)滑坡的降雨閾值是不同的，一些學(xué)者則根據(jù)研究區(qū)的氣候特點(diǎn)采用當(dāng)?shù)氐慕涤炅刻卣鲾?shù)據(jù)進(jìn)行閾值計(jì)算，較為少用，偏經(jīng)驗(yàn)性與區(qū)域性。

(3)累積降雨量—?dú)v時(shí)關(guān)系閾值(ED)

滑坡的發(fā)生在一定程度上與一個(gè)降雨事件的相關(guān)性較大，因此有些學(xué)者將累計(jì)雨量與降雨歷時(shí)進(jìn)行分析，具體表達(dá)式如下：

E=C+∝×Dβ

(3)

式(3)中：E為累積降雨量/mm；D、α、β、C意義單位同上。

(4)累積降雨量—平均降雨強(qiáng)度(EI)

使用平均降雨強(qiáng)度I，式(3)中的降雨歷時(shí)D：

E=C+∝×Iβ

(4)

2.1.2 前期有效降雨量模型

降雨誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)過程性問題，前期降雨量會(huì)直接影響到地下水水位和土壤含水量的變化，這也是誘發(fā)滑坡的重要因素。意大利東北部的滑坡研究表明，當(dāng)前15天的累計(jì)降雨超過200 mm時(shí)，滑坡的發(fā)生與2天內(nèi)降雨量是否大于200 mm有很大的相關(guān)性，當(dāng)大于200 mm時(shí)，總會(huì)發(fā)生滑坡(Kohler and Linsley,1951)，也就是說前期降雨量較大時(shí)，即便在較低的降雨強(qiáng)度下，滑坡也有可能發(fā)生，但前期降雨量會(huì)隨著時(shí)間增大而衰減，前期降雨量示意見圖7。如何界定有效的前期降雨量也是重要的研究問題。

Kohler and Linsley(1951)采用獲取的水文數(shù)據(jù)來測定地表徑流，確定降雨對徑流的影響；Crozier(1999)則將其引入降雨誘發(fā)滑坡預(yù)報(bào)研究，用于計(jì)算前期降雨量指數(shù)API(A ntecedent Precipitation Index),該指數(shù)計(jì)算公式如下：

Pa0=KR1+K2R2+…+KnRn,0

(5)

式(5)中：Pa0為相對0d的經(jīng)校正的前期有效降雨量；R1為滑坡發(fā)生前一天的降雨量；Rn為滑坡發(fā)生前第n天的降雨量，K為土層中水流出的衰減系數(shù)。

許多研究者主要采用上式或者對其略做修改后作為計(jì)算前期有效降雨量的方法，根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)選擇合適的n和K。下表為一些研究學(xué)者的計(jì)算公式，現(xiàn)有各種前期有效降雨量計(jì)算方法見表2。

在公式(5)中，滑坡發(fā)生前的每天降雨衰減都獨(dú)立的，但事實(shí)中并不以天為單位遞減，每天的降雨衰減速度與其前一天的降雨事件相關(guān)，在此基礎(chǔ)上，李長江等(2011)學(xué)者建立了基于降雨—滑坡分形關(guān)系的前期有效降雨量模型：

(6)

式(6)中：PEa為相對滑坡發(fā)生時(shí)(0 d)的前期有效降雨量；α為標(biāo)度指數(shù)；Pi為0 d前第i天的降雨量

筆者對國內(nèi)以前期降雨量為參數(shù)的降雨臨界閾值確定進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)一些地區(qū)的降雨量閾值研究方法見表3。

2.2 前期土壤含水量模型(ASWM)

除了考慮降雨閾值與滑坡的關(guān)系外，降雨導(dǎo)致的土壤含水量和潛在蒸發(fā)量變化也會(huì)直接導(dǎo)致滑坡的發(fā)生，因此可以通過建立土壤含水量與滑坡是否發(fā)生之間的關(guān)系對滑坡進(jìn)行預(yù)報(bào)(廖忠湞等，2019)。土壤含水量一方面可以通過布設(shè)監(jiān)測設(shè)備獲取，另一方面可以根據(jù)收集到的降雨、氣溫和潛在蒸發(fā)量與土壤屬性進(jìn)行計(jì)算。該模型在已知降雨數(shù)據(jù)和土體含水量數(shù)據(jù)的條件下，計(jì)算滑坡發(fā)生的概率，采用土體含水量指數(shù)進(jìn)行表示。土體水狀態(tài)指數(shù)有兩種表達(dá)形式：土體含水量不足量(DS<0)和日降雨過剩量(EP≥0)。

DS0=DS1-(P0-PE0)

(7)

式(7)中：DS0是土體含水量不足量；DS1是第0天的前一天土體含水量不足量；P0是第0天的降雨量；PE0是第0天潛在蒸發(fā)量。當(dāng)DS0≥0時(shí)，土體飽和，過剩雨量出現(xiàn)，土體具有正的孔隙水壓力的特征，其作用是滑坡發(fā)生的前期因素。

日降雨過剩量EP的表達(dá)式為：

EP0=(P0-PE0)-DS1

(8)

式(8)中：EP0是第0天的降雨過剩量。將經(jīng)過衰減計(jì)算后的過剩降雨量進(jìn)行累計(jì)后，就構(gòu)成了正的土壤含水量指數(shù)。

EPa0=KEP1+K2EP2+…+KnEPn

(9)

該模型可以通過氣象站提供的日蒸發(fā)量和降雨量對土壤含水量進(jìn)行校正，結(jié)合上式計(jì)算出每天的前期土壤含水量，根據(jù)歷時(shí)滑坡數(shù)據(jù)建立的回歸方程計(jì)算出下一天達(dá)到滑坡條件下的土壤含水量閾值的所需的日降雨量，然后進(jìn)行預(yù)報(bào)(譚萬沛和韓慶玉，1992)。

2.3 水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性模型

前兩個(gè)模型均需要收集研究區(qū)歷時(shí)滑坡發(fā)生時(shí)間及對應(yīng)的降雨數(shù)據(jù)才能開展閾值計(jì)算，對于歷史數(shù)據(jù)不充分的區(qū)域便無法運(yùn)用。水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性則是通過物理模型，考慮滑坡體本身的力學(xué)特性、土層厚度等特征，將研究區(qū)按評價(jià)單元網(wǎng)格進(jìn)行劃分，結(jié)合DEM數(shù)據(jù)提取坡度等地形數(shù)據(jù)，對斜坡體的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，從而確定失穩(wěn)時(shí)對應(yīng)的臨界降雨量。該模型所需的物理參數(shù)較多，因空間差異使得較難大范圍地應(yīng)用，其表達(dá)式如下：

(10)

式(10)中：k為滲透系數(shù)，由斜坡的巖土性質(zhì)決定；t為潛在滑體厚度/m；b為斜坡體的過水寬度；θ為潛在滑面傾角，近似取斜坡坡度；A為區(qū)域柵格匯水面積；γ為斜坡坡體物質(zhì)的重度；γw為地下水的重度；c為有效內(nèi)聚力；φ為有效內(nèi)摩擦角。

國內(nèi)學(xué)者崔鵬等(2011)以汶川為研究區(qū)，在收集其地形數(shù)據(jù)、巖土體物理屬性的基礎(chǔ)上，采用該模型對其降雨閾值進(jìn)行計(jì)算，研究滑坡啟動(dòng)的臨界降雨條件，并統(tǒng)計(jì)不同海拔、坡度內(nèi)的閾值柵格數(shù)量。國外學(xué)者(Wilkinson et al.，2002)在歷史數(shù)據(jù)不充分的情況下，將坡地水文模型與斜坡穩(wěn)定性相結(jié)合，并結(jié)合GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的滑坡降雨閾值區(qū)劃，對降雨型滑坡災(zāi)害預(yù)警有重要借鑒意義。

3 長輸管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警應(yīng)用

張洪奎(2020)指出，模型研究與監(jiān)測數(shù)據(jù)都是為了最終的預(yù)報(bào)預(yù)警。目前預(yù)報(bào)預(yù)警的研究區(qū)域多為地質(zhì)地貌、氣象水文環(huán)境相對一致的區(qū)域，而長輸管道線路的研究較少。由于長輸管道沿線所跨區(qū)域的地質(zhì)環(huán)境及氣候條件差異很大，很難以一個(gè)通用的閾值模型對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)，因此在管道沿線地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作中，必須結(jié)合管道沿線的地質(zhì)環(huán)境、氣象水文進(jìn)行分區(qū)域的模型研究。

冼國棟等(2019)對蘭成原油管道途經(jīng)區(qū)域劃分為黃土高原區(qū)、秦嶺大巴山高中山區(qū)和四川盆地區(qū)三個(gè)地貌單元，分別構(gòu)建相應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易損性評估，利用GIS因子疊加技術(shù)，采用綜合模型將三段線路的危險(xiǎn)性劃分為五個(gè)等級，但其研究成果偏向于空間上評估預(yù)測，未能從時(shí)間上及時(shí)對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警預(yù)報(bào)。也有學(xué)者在對管道沿線區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評估的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)時(shí)的氣象信息計(jì)算前期有效降雨量，當(dāng)降雨數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定好的閾值時(shí)便發(fā)出預(yù)警信息(白利平等，2007)，該監(jiān)測預(yù)警工作首先采用遙感技術(shù)對全線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行普查和識別，結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管道沿線區(qū)域的易發(fā)性評估，分重點(diǎn)地布設(shè)北斗微位移監(jiān)測設(shè)備，并且采用前期有效降雨量模型和臨界降雨閾值設(shè)定了四個(gè)預(yù)警等級，對管道類地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測起到一定的借鑒參考意義，但其臨界降雨閾值是通用的，并未結(jié)合其易發(fā)性分區(qū)的結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。徐輝和海知(2019)通過北斗微位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)，與降雨數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，建立了北斗系統(tǒng)與氣象預(yù)報(bào)融合的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，可以很好的在線路工程中應(yīng)用。

如何將空間上的評估結(jié)果和降雨閾值結(jié)合起來進(jìn)行預(yù)報(bào)是管道地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，加之管道一般遠(yuǎn)離居住區(qū)，其地質(zhì)災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)在很多情況是缺失的，無法構(gòu)成降雨與滑坡發(fā)生之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，這也說明通過統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行臨界降雨閾值的計(jì)算在多數(shù)情況下是不可行的。在上述的預(yù)報(bào)模型研究介紹中，水文學(xué)—斜坡穩(wěn)定性模型可能是管道沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測一個(gè)比較好的解決方案，該模型通過計(jì)算斜坡穩(wěn)定性來確定臨界降雨量閾值，計(jì)算公式(10)中滑體厚度t一般需要現(xiàn)場踏勘測量潛在滑坡點(diǎn)進(jìn)而獲得，其他參數(shù)可通過查閱《工程地質(zhì)手冊》及利用ArcGIS軟件分析獲得，且其臨界降雨量的計(jì)算結(jié)果具有空間性，并非整個(gè)區(qū)域的通用閾值。綜上，長輸管道等行業(yè)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測可首先采用遙感技術(shù)(SAR、高分影像)進(jìn)行潛在災(zāi)害點(diǎn)的識別，若歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)充分，可采用降雨閾值的方法計(jì)算臨界降雨量，對沿線地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及預(yù)報(bào)，若歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)不充分，可對現(xiàn)場進(jìn)行調(diào)查并采集潛在滑坡體厚度數(shù)據(jù)，結(jié)合斜坡不穩(wěn)定模型計(jì)算降雨閾值，從而進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)。

4 總結(jié)與展望

降雨與滑坡發(fā)生之間存在著非常緊密的關(guān)系，有關(guān)的研究也非常之多，但其發(fā)生啟動(dòng)機(jī)理以及預(yù)警預(yù)報(bào)工作仍有待進(jìn)一步的研究與發(fā)展。首先應(yīng)立足于滑坡本體的研究，聚焦于坡體結(jié)構(gòu)、地層巖性、水文條件等基礎(chǔ)地質(zhì)條件，探究滲流、水壓力、抗剪強(qiáng)度等內(nèi)部參數(shù)對滑坡啟動(dòng)之間的關(guān)系，總結(jié)降雨型滑坡的啟動(dòng)機(jī)制理論研究。同時(shí)著重于工程應(yīng)用，對于降雨等氣象條件在滑坡預(yù)警預(yù)報(bào)中的規(guī)律進(jìn)行研究，總結(jié)不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下降雨與滑坡發(fā)生之間的關(guān)系?？偨Y(jié)降雨與滑坡之間的預(yù)警預(yù)報(bào)模型，提出降雨強(qiáng)度的計(jì)算方法以及預(yù)警閾值等參數(shù)。

目前利用GPS、GIS、北斗定位等技術(shù)，聯(lián)合地面物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對滑坡體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過對其巖土體形變位移的研究，評估其所處的狀態(tài)以及預(yù)測未來的發(fā)展趨勢?；诨掳l(fā)生發(fā)展的一般規(guī)律，以物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)作為其發(fā)展階段的標(biāo)志。并結(jié)合降雨模型及閾值的研究，建立二者互相驗(yàn)證、互相校核的預(yù)警預(yù)報(bào)體系。近些年出現(xiàn)的InSAR監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)越來越多的應(yīng)用于災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警當(dāng)中，其高精度、高分辨率、全天候、范圍廣等特點(diǎn)，在災(zāi)害和地表形變監(jiān)測中逐步成為一個(gè)新興方向，其良好的應(yīng)用前景可結(jié)合常規(guī)的降雨、含水率、物聯(lián)網(wǎng)等參數(shù)組成一個(gè)可靠的驗(yàn)證體系，搭建一個(gè)基于上述多手段、多數(shù)據(jù)的災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，為工程安全和人民生命安全服務(wù)。