降雨阈值地质灾害论文范文

1数据处理与方法

2008年汶川地震触发了大量的滑坡，这些滑坡产生了大约60Gm3的松散堆积物质［26］。此外，根据汶川地震滑坡危险性评价结果，在一些没有发生滑坡但是处于高危险的地方，在地震中经历的强烈震动，往往会导致斜坡岩土体强度降低。这些滑坡松散堆积物质与不稳定斜坡，在后续强降雨的条件下，极易产生新的滑坡灾害与泥石流灾害［31－33］。本文从2000－2012年间四川省发生的滑坡泥石流灾害原始记录中筛选出有具体发生地点、时间等信息的灾害56次，数据来源为中科院成都山地所和地质环境监测院，见表1。前期降雨数据来源于TRMM3B42。在ENVI中进行简单的预处理后在IDL中将其合并为一天分辨率的，方便查找。所用到的四川省多年平均暴雨日数等值线图是用四川省156个地面气象站建站以来的有效日降雨数据计算得来，在Arc-GIS中绘制成等值线图。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过降维，在最大程度地保留原指标信息的条件下，将原本有相关关系的多个指标合并为少量的几个互不相关的综合指标。这几个综合指标就是原来指标的主要成分。具体步骤如下。

2结果

2.1滑坡泥石流灾害分布与暴雨关系从图1中可以看出滑坡泥石流灾害点主要分布四川省中部和东部地区，沿四川盆地边缘分布，在龙门山一带较为密集。大多数位于年均暴雨日数2～4d这一区间内。其中约有77%的灾害发生在2～4d这一区间内，50%分布在3～4d区间内，而这一区间的灾害点又呈线状沿龙门山断裂带分布，位于四川盆地与川西高原的交界处。这一片区域内的灾害都是发生在汶川地震之后，且处于汶川地震X度区内，这种分布特征显示了滑坡泥石流灾害同时受降雨与地震烈度的影响。由此可见，滑坡泥石流灾害发生不仅与暴雨有关还与地震有关。

2.2降雨指标主成分分析基于TRMM数据提取出灾害发生前30d的降雨量，前15d的降雨量，前3d的降雨量和当天降雨量，应用Crozier在1986年提出的有效降前期降雨量公式来计算有效前期降雨量。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为衰减参数，是一个经验常数，一般在［0.8，0.9］这一区间取值。在本文中，参考前人的研究经验取K值为0.8［34－35］。一般来说，有效前期降雨量的时长尺度可以选择3，5，10，15，30d［36］，也有学者根据研究区的不同而选择其他类型的时长尺度。本文选择了30d、15d、3d这三个前期降雨时长为指标。以前30d、前15d、前3d、当天、以及临界降雨过程雨量为参数，五个因子的相关系数矩阵(CorrelationMatrix)经Bartlett检验结果为:Bartlett值等于372.950，P＜0.0001，表明相关系数矩阵不是一个单位矩阵，故可以进行因子分析。应用主成分分析，结果如表2所示。KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)检验是用于比较观测相关系数值与偏相关系数值的一个指标，其值愈逼近1，表明对这些变量进行因子分析的效果愈好。本文中的KMO值约等于0.7，表示因子分析的结果一般，处于可接受的水平。在解释的总方差中，第一主成分和第二主成分的累积贡献率达到84.714%，且第一主成分和第二主成分的特征值都大于1，即可以用这两个主成分来解释滑坡泥石流灾害。从表2中可以很明显地看出，以前30d、前15d、前3d为代表的前期有效累积降雨量对滑坡泥石流的作用影响较大。根据计算结果可将滑坡泥石流的主要影响因素分成两类:前期降雨和短历时降雨。在影响滑坡的降雨因素中，短历时降雨和前期累积降雨量都是重要影响因素，对不同的地区而言，两个因素的主导地位也是不一样的。崔鹏等的研究表明，前期降雨是影响云南省昆明市东川区蒋家沟泥石流发生的最重要的因素，在所有降雨指标中贡献超过80%。马超等通过对比汶川地震后泥石流和台湾集集地震地震后泥石流的特征，将强震后泥石流分为前期雨量控制型和短历时降雨控制型。从图2中可以看出，滑坡泥石流灾害发生的当天和前期降雨之间的关系可分为两类:①是前期雨量少，当天降雨量高;②是当天降雨量少而前期累积的降雨量多;其中第二类的占了绝大多数。这表明了前期降雨充足的情况下，只需要不多的当天降雨就能引发滑坡泥石流灾害，也说明了对滑坡泥石流灾害来说，前期降雨的影响作用是相当大的。这与主成分分析的结果一致。

2.3降雨阈值分析1980年NelCaine列举了世界范围内73次导致浅层滑坡和泥石流的降雨持续时间和强度。率先提出浅层滑坡和泥石流的全球降雨强度———历时(ID)阈值［39］。此后学术界陆续提出了不同范围尺度(地区、区域、全球)的降雨阈值。降雨阈值可以通过研究降雨作用于边坡的物理过程或基于历史资料或统计数据的经验性公式得到。以滑坡为例，研究降雨引发的滑坡一般有两种途径:①是基于历史数据的统计分析方法，研究降雨和滑坡的相关性规律;②是研究降雨入渗引发滑坡的物理过程，对边坡稳定性进行力学分析并建立相应的分析模型。基于统计资料的滑坡降雨阈值研究，数据客观易得，不需要复杂严格的数学推导和物理过程研究，分析结果简单直观，应用方便，因而发展较为成熟;而就第二种途径来说，降雨引发的边坡失稳，过程复杂涉及的参数众多，降雨过程中产生的地表水渗透到岩土体中增加了坡体的自重，增大了孔隙水压力，使处于极限平衡状态的坡体发生滑动;地表水进入地下转变成地下水会浸泡软化滑动面，降低坡体的抗剪强度。模型需要的参数众多，当研究区范围较大时，很难得到精确的数据;而且模型在研究区之外的其他地区应用也具有局限性。经验型降雨阈值一般是在笛卡尔坐标，半对数或对数坐标里，以导致滑坡发生的降雨条件作为横纵轴参数，以数据分布的下部界线作为阈值，结果直观易懂。基于过程降雨分析，得到的可能或不可能引发滑坡降雨的阈值主要有四种类型:①降雨强度－历时阈值(ID);②使用平均年降雨量(MAP)，全年雨天平均降水量(RDN)或其他参数进行规格化的阈值;③过程累积雨量－历时(ED)阈值;④过程累积雨量－降雨强度(EI)阈值。其中第一种类型是应用最多的一种。本文利用历次灾害发生的降雨过程雨量和雨强，对56次地质气象灾害进行了降雨阈值历时分析，并与其他学者所做的其他区域阈值进行对比。为了减少地区间的差异，方便作对比，用各地区的年平均降雨量(MAP)对降雨强度进行规格化，结果如图3、图4所示。从图5中可以看出，四川省的阈值曲线高于鄂西地区和全球的，但是低于福建、台湾省和文家沟地区的，与浙江省的近似但是略低于。浙江、福建、台湾地处东南丘陵沿海或岛屿，年降雨量和年极端降雨量均比较大，又时常遭受台风影响;而鄂西地区以及全球的降雨量相对来说比较小。由此可见，年降雨量和年极端降雨量大的地区触发滑坡的降雨阈值高。文家沟地区在整个四川省来说，年降雨量，年均暴雨特大暴雨日数并不突出，降雨阈值数据来源于地震后的五次泥石流事件，因而此阈值的高低直接反映了地震对滑坡泥石流的影响。

2.4地震前后阈值对比从图6、图7中可以明显地看出地震后的阈值低于地震前的降雨阈值。强地震对斜坡稳定性的影响是长期的，主要表现在地震会造成区域内固体松散物质增多，山体稳定性变差。地震后地理环境因素的变化会导致震后区域更脆弱，更易受到地质灾害的威胁。因而，较低的降雨量或降雨强度就可能引发更严重的地质灾害。以汶川强震区为例，研究认为至少在近10年内，滑坡和泥石流活动趋势是强烈的，之后地质条件将逐渐趋于稳定［53］;也有学者认为汶川地震对当地地质灾害的影响将持续20～25年;虽然一些研究结论所得到的汶川地震后地质灾害活动持续时间长短有别，但是毫无争议的一点是汶川地震后，地质灾害活动将在一段时间内处于活跃时期，长期的总体趋势是回归正常水平。对1923年关东大地震和1997年的集集地震的研究同样也得到类似结论。谢正伦和范正成的研究则认为由于地震影响，震后泥石流的激发雨量有一个先降低后逐步回升至接近正常水平的趋势。地震后地质灾害活跃度提高主要体现在滑坡泥石流所需的降雨条件降低。以都江堰龙池地区为例，该地区在汶川地震前，几乎没有过泥石流的记录;然而在2010年8月13日该地区暴发了大规模的群发性泥石流。对气象资料分析显示，2010年8月13日的1h降雨强度为20年一遇型。台湾集集地震后，陳有兰流域的泥石流爆发临界雨量相对于震前降低了2/3，而汶川地震后，北川县泥石流暴发的前期累积雨量降低约14.8%～22.1%，小时雨强降低了约25.4%～31.6%。汶川地震后，绵竹清平乡的地质灾害群发的降雨阈值降低了59.15%，泥石流暴发所需的强降雨时间缩短，启动泥石流的临界雨量降低［66］。

3结论与讨论

近些年来，全球气候变暖造成的降雨异常，使得地质灾害频发。高精度降雨数据的缺乏一直是由降雨导致的地质灾害预测预报的瓶颈。本文尝试应用业内评价较好，精度较高的TRMM降雨数据来获取地质灾害发生前期降雨量。应用2000－2012年间的3h分辨率的TRMM3B42数据，结合2000年以来四川发生的重大滑坡泥石流灾害，提取出每次地质气象灾害发生前30d、15d、3d和当天的降雨数据。在此基础上，结合收集来的历次地质气象灾害的降雨过程雨量和历时数据，以前30d、前15d、前3d、当天、临界降雨过程的降雨数据为参数，应用主成分分析法，将五组数据划分为两大主成分，并进行分析;应用降雨过程数据得到四川省地质气象灾害的降雨历时－阈值曲线;将降雨强度用各地区的年均降雨量进行规格化，并以汶川地震为分界点，比较分析了地震前后的阈值变化情况。结果表明，在四川地区，滑坡泥石流灾害的发生同时受到降雨和汶川地震的影响，从灾害点的空间分布上可以很明显的看到这一点。以前30d、前15d、前3d前期有效降雨量组成的前期降雨这一主成分在滑坡泥石流灾害中贡献率较高，其次是以当天降雨和临界降雨过程组成的短历时降雨。将建立的四川省地质灾害降雨强度－历时阈值(ID)曲线与其他学者所做的曲线相对比，从侧面说明了降雨量大的地方阈值一般比较高。通过对比地震前后的阈值曲线变化发现地震后的阈值更低，表明强地震后坡面稳定性降低，引发地质灾害的降雨条件降低。2000－2012年间，四川省发生的有记录的地质灾害达四百多条，绝大多数没有准确的发生地点和时间，也没有造成重大损失和人员伤亡。本文从中挑选出56次具有代表意义的造成重要伤亡的，且有准确发生时间和地点的地质灾害，主要以浅层滑坡和泥石流为主。但作为经验性的统计规律发现，原始数据还是显得不够充分。

作者：沈玲玲刘连友杨文涛许冲王静璞单位：环境演变与自然灾害教育部重点实验室地表过程与资源生态国家重点实验室北京师范大学减灾与应急管理研究院中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室