□王元锋（中国水利水电第十三工程局有限公司）

鄂西山地降雨-滑坡关系研究

□王元锋（中国水利水电第十三工程局有限公司）

降雨是触发斜坡失稳的重要因素。鄂西山地90%的滑坡是降雨引起的，对埋藏较浅的输气管道威胁巨大，为了最大限度的保证管道安全，实现管道沿线滑坡的早期预警，降雨和滑坡之间关系的研究极其必要。文章根据历史滑坡和历史气象数据，分别研究了前期累计降雨量和降雨强度-持续时间(ID)对滑坡的控制，得到了鄂西降雨触发型滑坡的阈值函数，土滑：I=22.14D-0.22，岩滑：I=60.07D-0.48，其中I是降雨强度，D是降雨持续时间，这一经验降雨阈值将用于以后的预警模型中。

累计降雨量；降雨强度；降雨持续时间；滑坡；鄂西

0 引言

诱发滑坡发生的因素很多，包括地震、降雨、融雪、人类工程破坏等，众多因素中，降雨是一个已经被肯定的最主要、最常见的滑坡触发因子。雨水下渗大幅降低滑带土的粘聚力（c），降低土石的抗剪强度，最终导致坡体失稳。一直以来，研究人员都在尝试确定降雨和斜坡失稳之间的关系，这不仅是一个科学问题，也是一个社会问题。目前，研究降雨与滑坡关系的方法很多，用到了不同的降雨和气候变量，文章着重研究滑坡前期的累积降雨量和降雨强度，建立了滑坡的降雨强度-持续时间（ID）阈值曲线，该阈值将应用于以后的滑坡预警系统。

1 研究区概况

鄂西山区地形地貌和地质条件复杂，地质灾害种类繁多、分布广、频发次数高，是湖北省地质灾害高发区之一，严重制约着地方经济和社会的可持续发展。区内古生界至新生界地层均有出露，分布大体可以划分为两段，齐耀山以西地层主要为侏罗系及其以上的内陆盆地相堆积，以碎屑岩及泥质岩为主；齐耀山以东主要分布地层为古生界-三叠系，为海相沉积岩系，以碳酸盐岩为主，此外有碎屑岩和泥质岩；在局部的山间断陷盆地中堆积有中新生界碎屑岩和松散堆积物。其中以碳酸盐岩占主体地段，广泛发育溶蚀地貌，沟谷深切，地形陡峻，同时该地层不同程度的夹杂有泥质软弱层，使其成为滑坡的多发地段。

该区属于亚热带湿润季风性气候，多年平均雨量在1 100～1 600 mm，日降雨量100～188 mm，最大暴雨量超过200 mm/d，降雨主要分布在5-9月，占年降水量的68.40%。春秋季阴雨连绵，延续时间一般5-10 d，长者可达15-20 d。由于地处中纬度，季风盛行，南北天气系统活动频繁，灾害性天气时有发生详见图1。

根据历史滑坡数据和雨量数据，1949-2002年期间，有记录的滑坡就达上千起。精确记录到月份的滑坡有801起，其中7月份最多，占了总历史滑坡数的51.40%。而7月份的月平均雨量，也是全年最大的。图1是表示月平均降雨量和滑坡次数的时间分布特征，滑坡个数随着降雨量的变化而变化，呈现出以7月份为对称轴的分布规律，降雨量大时滑坡数量也最多。图1也表明研究区滑坡和降雨量关系非常密切。

图1 鄂西山区月降雨量和滑坡个数分布图

2 降雨-滑坡阈值

阈值就是一个事件的发生或者一个状态的改变所需最小或者最大量。最小阈值确定是最低水平，低于它事件就不会发生。最大阈值表示的级别是大于它事件常常发生。对于滑坡，其阈值可以是降雨、土壤湿度或者水文地质环境，达到或者超过它，就可能诱发滑坡。降雨阈值的确定，可以是物理（基于过程的，概念的）或者经验的（历史的，统计的）。经验降雨阈值的确定，是通过研究引起滑坡的降雨事件。阈值的获取经常通过在笛卡儿坐标、半对数或者对数坐标上绘制诱发滑坡的最低降雨临界线。大多数情况下，阈值确定是目视的，也就是说没有任何严格的数学、统计或者物理标准。回顾文献，诱发斜坡失稳还没有一个统一的降雨标准。

Caine在1980年首次提出的浅层滑坡和泥石流发生的全球降雨强度-持续时间（ID）阈值。根据他的开创性工作，全世界很多地区都对导致斜坡失稳的降雨ID条件进行了收集，提出了局部、区域和全球尺度不同的降雨ID阈值曲线，它们具有如下的一般形式：

式中：I是降雨强度，D是降雨持续时间，c≥0，α和β是参数。

这一类型阈值跨了相当大的降雨持续时间，最长统计到1 000 h。大多数ID阈值计算时，C=0。当c=0时，等式1就是一个简单的幂率方程。由于幂律函数的指数都是负值（β的范围是-1.13到-0.39），参数α的范围是4～85.54。其中局域尺度的阈值比区域的稍微高一些，比全球尺度的高很多。

3 鄂西降雨-滑坡阈值

3.1 鄂西历史降雨诱发滑坡事件

通过部分滑坡发生前的降雨特征，可以看出有些滑坡发生在降雨当天，有些滑坡发生在降雨结束后几天，有明显的滞后性。滞后期的长短受众多因素控制，包括滑坡体本身的地质地貌特征、降雨量的大小、降雨强度和降雨前坡体的稳定性等。

虽然滑坡体发生滑动的具体时间一般事先很难做出判断，但可以根据滑坡前降雨特征判断滑坡发生的可能性和大致时间范围。

3.2 前期累积降雨阈值

收集的历史滑坡资料，一部分来自于国家气象局，一部分来自于发表的科技文章。最后，选择了24个有准确时间和滑坡规模的滑坡事件进行研究。

累积绝对降雨的计算分析，是从发生滑坡当天开始往前算，1、2、3、5、10、15、30、40、60、75和90d的降雨量。计算公式如下：

式中：P是累积降雨量；p1是滑坡当天日降雨量；pn是滑坡当天起往前第n天的降雨量。

对于同一规模的不同类型滑坡来说，基岩滑坡所需的降雨量（累积降雨量和日降雨量）要大于土层碎屑滑坡；而对于同一类型不同规模的滑坡来说，规模大的滑坡需要较大的降雨量。这里分别对土滑和岩滑两类滑坡分别进行雨量统计，并分别计算了土滑和岩滑的累积雨量均值和标准差。

根据对已知滑坡滑前雨量的统计情况，如果仅考虑降雨量对滑坡的控制，那么就是达到这样的雨量，就有可能发生滑坡。从数理统计方面来考虑，计算了不同累积时间累积雨量的均值（M）和标准差（STD）。分别以M-STD、M和M+STD作为分界，确定滑坡风险级别。低于M-STD为安全区；M-STD到M之间为滑坡危险区；M到M+STD之间定位滑坡高发区；大于M+ STD定位滑坡区，其中M-STD值为负数者都将其归为零。

当某天的M-STD值都为负数，这种情况是滑坡当天和前几天很少或者没有降雨，前期降雨才是滑坡的主因，因而这种类型滑坡更应该参考前期降雨量，来确定预警还是不预警。当然，M-STD为界有可能是过度预警，也可以以M-1/2STD作为预警下限，这就要考虑确定的安全区中历史滑坡的个数和规模。

3.3 降雨强度-持续时间（ID）阈值

区内24个有准确时间记录的滑坡事件，降雨强度是累计降雨量除以累积天数，降雨持续时间就是降雨量累积的天数，应用origin 8首先制作散点图，根据散点图的分布情况，选择非线性曲线拟合，给定拟合方程I=αDβ，计算参数α和β。这里采用降雨强度的均值，来进行曲线拟合，最后得到降雨强度和降雨持续时间之间的关系。

这2种类型滑坡的均值曲线可以用如下等式描述：

式中：I是降雨强度，D是降雨持续时间。

同时，考虑不同的预警级别，选择M-STD、M和M+STD作为分界线，确定安全区、危险区、高发区和滑坡区，可以用图2和图3来表示。

图2 土滑类型阈值曲线图

图3 岩滑类型阈值曲线图

图2和图3中，中间曲线为均值，上面的曲线为均值+标准差，下方曲线为均值-标准差。图中不同符号表示不同规模的滑坡，方块表示特大型，三角表示大型，五星表示中型，圆圈表示小型滑坡，划分依据滑坡分级标准。

图2和图3都中，安全区，就是不会发生滑坡的降雨强度范围，这一区域，滑坡几乎不发生，或者也就是存在一些小型滑坡；危险区，就是降雨强度超过M-STD，这一区域，多是发生中小型滑坡；降雨强度超过均值，则多发生大中型滑坡；超过M+ STD，是肯定发生滑坡的区域，一些超大型、大型，多位于该区域。进行滑坡预警，就是计算当天的前期不同时间段的降雨强度，结果落在哪个区域，就进行哪个级别的预警。

发生滑坡前五天，仍有降雨强度位于预警阈值曲线下方，这些点都是滑坡当天或者前几天降雨为零或者很小，更早时间的大型降雨，才是斜坡失稳的主因，这种类型滑坡的预警，应该着重考虑5d之前的降雨强度。

目前，还没有一个绝对确定的、完全有效的滑坡阈值，无论累计降雨量还是降雨强度，都是对降雨-滑坡关系的一个方面，具体到滑坡预警，则需要对不同类型阈值进行综合考虑。

4 结论

①历史滑坡记录显示，降雨诱发型滑坡在鄂西山区是频发的，对油气管道、公路交通和人民生命财产的威胁是巨大的。滑坡发生时间主要集中在6、7月和8月份，这三个月的管线巡查力度要加大。②研究滑坡与降雨的关系，不能只考虑滑坡当天的雨量，更多滑坡的主因，都是前期降雨，因而，前期累计降雨量统计，是十分必要的。前期累计降雨量曲线，可以用来进行滑坡预警。③降雨强度-持续时间阈值目前应用较多，已经建立了多个全球、区域和局域阈值曲线，鄂西地区回归分析显示，降雨强度随着降雨时间幂数级增长，根据研究区数据，对土滑和岩滑分别处理，得到两个经验等式，土滑：I=22.14D-0.221，岩滑：I=64.07D-0.48表示，其中I是降雨强度，D是降雨持续时间。这两个曲线可以作为鄂西降雨的降雨强度-持续时间的预警阈值，超过了这个值，就会发生滑坡。同时，根据均值和标准差，确定了安全区、危险区、高发区和滑坡区四个预警级别。④国外更多的是小时级别的雨量-滑坡关系研究，这样滑坡的预报更为及时和准确。随着国家对滑坡监测的日益重视，2007年开始，鄂西部分地区已经开始小时级雨量的收集，精确的降雨阈值曲线的确立将有望实现。

［1］朱文俊.鄂西山区地质灾害防治对策研究［J］.黑龙江科技信息，2009（6）.

［2］魏来.降雨诱发滑坡预测模型研究［J］.重庆交通大学，2013.

编辑：刘长垠 邢博辉

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2017-05-16