宮清華 黃光慶 張俊香

（1 廣州地理研究所，廣州 510070；2 中國科學院廣州地球化學研究所，廣州 510640；3 黃山學院旅游學院，黃山 245021；4 中國科學院大學，北京 100049）

廣東省小流域地區(qū)降雨誘發(fā)的滑坡災(zāi)害預(yù)警體系探討

宮清華1,2,4 黃光慶1,2 張俊香3

（1 廣州地理研究所，廣州 510070；2 中國科學院廣州地球化學研究所，廣州 510640；3 黃山學院旅游學院，黃山 245021；4 中國科學院大學，北京 100049）

全球氣候變化背景下，廣東省臺風暴雨頻發(fā)，小流域地區(qū)的滑坡災(zāi)害風險不斷增大。針對廣東省小流域地區(qū)滑坡災(zāi)害形成的地質(zhì)環(huán)境和滑坡特點，分析了廣東省降雨與滑坡災(zāi)害的關(guān)系，剖析了小流域地區(qū)滑坡災(zāi)害減災(zāi)現(xiàn)狀與問題，提出了一套適合小流域地區(qū)的滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)框架和方法。該預(yù)警體系的提出，一方面可改進目前滑坡預(yù)測單元，提高災(zāi)害預(yù)警的空間精度，另一方面從災(zāi)害的形成機理出發(fā)，可提高災(zāi)害預(yù)警的強度精度，建立基于臨界降雨量和斜坡單元的小流域滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警體系對于山地科學發(fā)展具有重要意義，同時為廣東省山區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和山區(qū)減災(zāi)工作提供科學參考。

廣東省，小流域，滑坡，降雨，預(yù)警

0 引言

小流域治理問題一直是我國乃至全世界的難題，廣東省特定的地質(zhì)環(huán)境條件，加上近年來頻發(fā)的臺風暴雨，使得山地丘陵地區(qū)發(fā)生山洪和地質(zhì)災(zāi)害的風險不斷增大。然而，山區(qū)小流域又是災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)警和管理的薄弱地帶，如何在缺少基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與共享信息平臺的山區(qū)小流域建立高精度洪水—地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，是必須解決的一項重要問題。

本文首先立足廣東省小流域地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件和防災(zāi)減災(zāi)工作現(xiàn)狀及問題，從小流域地區(qū)暴雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害的過程機理出發(fā)，應(yīng)用現(xiàn)代科學技術(shù)手段對丘陵山區(qū)小流域洪水誘發(fā)的滑坡災(zāi)害進行系統(tǒng)研究，揭示出暴雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害的形成機制和作用過程，分析流域的水文過程和地質(zhì)災(zāi)害機理，將流域水文過程模型應(yīng)用到地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)中，結(jié)合當?shù)赜炅窟b測系統(tǒng)，構(gòu)建小流域滑坡災(zāi)害的預(yù)警體系。建立以小流域為單元的滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)，是山區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的一項重要的非工程性措施，建立基于小流域尺度的山洪—地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)管理體系具有重要現(xiàn)實意義。

1 廣東省小流域地區(qū)地質(zhì)環(huán)境與滑坡災(zāi)害特點

1.1 小流域地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點

小流域是指以分水嶺和出口斷面為界的一個相對獨立而完整的自然集水區(qū)域，是山地和丘陵區(qū)的基本水文地理單元，也是山區(qū)經(jīng)濟社會區(qū)劃和山區(qū)災(zāi)害防治的基本單元，我國把面積10～200km2的流域稱為小流域[1]。山區(qū)小流域往往地形變化幅度大，河床比降大，匯流速度快，蓄滯洪能力弱，暴雨后極易發(fā)生滑坡災(zāi)害。廣東省小流域，主要集中在粵東、粵西和粵北等山區(qū)，覆蓋土地總面積11.68萬平方千米，占全省總面積65.6%，覆蓋人口2717.74萬，占全省人口總數(shù)31.5%。其中，有山洪、泥石流、滑坡、崩塌等災(zāi)害記錄的小流域有944條，占全省地質(zhì)災(zāi)害記錄總數(shù)的80%。按照《全國山洪災(zāi)害防治規(guī)劃編制技術(shù)大綱》的有關(guān)標準，廣東省有42%的小流域?qū)儆跒?zāi)害高易發(fā)區(qū)，40%屬于中易發(fā)區(qū)。這些小流域大部分處于自然條件脆弱的山區(qū)，經(jīng)濟基礎(chǔ)薄弱、籌集資金能力低下，防災(zāi)抗災(zāi)能力薄弱。

1.2 廣東省小流域滑坡災(zāi)害特點

廣東省滑坡災(zāi)害多發(fā)區(qū)主要集中分布在粵北中低山丘陵區(qū)、粵西低山丘陵區(qū)和粵東低山丘陵區(qū)。小流域地區(qū)山勢陡峻，河流切割強烈，侵蝕、剝蝕作用強烈，氣候條件復(fù)雜。從分布空間看，絕大多數(shù)滑坡災(zāi)害點分布在海拔100～500m的丘陵地區(qū)，這與丘陵區(qū)坡度適宜，有利于形成較厚的堆積層有關(guān)。而標高＞500m的低山區(qū)坡度較大，不利于風化剝離物的堆積，表土層?。粯烁撸?00m的盆臺區(qū)雖然表土層較厚，但地勢平坦，穩(wěn)定性好，兩者皆不利于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的形成。

小流域地區(qū)的滑坡災(zāi)害與發(fā)育深厚風化殼有著密切的關(guān)系[2]。由于各種巖類的風化巖土在剖面上形成明顯的分帶，在某些強風化帶和中風化帶中還保留有原巖結(jié)構(gòu)面，形成了相對的巖土層界面。在不同的風化帶中，巖土的顆粒組成和顆粒間的孔隙度也有相對的差異。因受這些不同風化帶的巖土特征以及各個結(jié)構(gòu)面的影響，在長期降雨產(chǎn)生的坡面徑流，水分向下滲透時，形成相對的地下水徑流帶和相對的隔水界面（水分聚集帶）。降雨補給水分的持續(xù)滲透，使斜坡的松散巖土層中出現(xiàn)臨時的高地下水位，在相對的隔水界面上形成滑動面，即會產(chǎn)生動水壓力和孔隙水壓力，在巖土重力作用下導致順傾斜面滑坡的發(fā)生。

從地層巖性看，滑坡主要分布在以下兩種巖組中：一是與巖漿作用有關(guān)的風化層較厚的塊狀較硬—堅硬巖組，如侵入巖、噴出巖、混合巖等；二是前層狀較軟變質(zhì)巖組。斷層破壞帶及褶皺核部巖層破碎，極易產(chǎn)生破碎巖滑坡；單斜巖層的順向坡，當巖層面臨空時，易產(chǎn)生順層滑坡；在地震作用下，水平巖層地區(qū)也可能形成大型滑坡，地震強烈活動區(qū)，滑坡往往強烈發(fā)育；巖層風化帶接觸帶（如巖土接觸面等）臨空時，斜坡易沿接觸面產(chǎn)生滑坡。地下水活動，在滑坡形成中起著主要作用，其主要表現(xiàn)在軟化巖、土，降低巖、土體的強度，產(chǎn)生的動水壓力和孔隙水壓力，會潛蝕巖、土，增大巖、土容重，對透水巖層產(chǎn)生浮托力等[3-5]。

類似微商的關(guān)系營銷，其特點就是以顧客需求至上，開展各種信息分享互動(品牌信息、產(chǎn)品信息、體驗信息等)，并產(chǎn)生各種社會化購買(實物商品、團購、資訊及服務(wù)、社交產(chǎn)品、產(chǎn)制產(chǎn)品等)。

廣東省小流域地區(qū)的滑坡災(zāi)害表現(xiàn)為數(shù)量多、規(guī)模小、穩(wěn)定性差的特點。據(jù)統(tǒng)計，小流域地區(qū)由于其獨特的地質(zhì)環(huán)境條件，使得災(zāi)害一般為小型淺層滑坡，滑體厚度約1m左右，且滑動距離短，牽引式（自坡腳逐級向上牽引發(fā)展），在山丘陡壁，陡坡上則常沿裂隙面發(fā)生整體滑塌。據(jù)調(diào)查，研究區(qū)域內(nèi)，小型規(guī)模災(zāi)害占96.36%，中型以上占3.64%。

2 降雨與滑坡的關(guān)系研究

2.1 滑坡與月降雨量的關(guān)系

選取梅州市作為案例區(qū)域，根據(jù)野外調(diào)查以及收集的當?shù)刭Y料，統(tǒng)計了有記錄的1058個滑坡災(zāi)害點的發(fā)生月份以及當月的雨量，發(fā)現(xiàn)滑坡災(zāi)害的發(fā)生具有明顯的季節(jié)性，這種季節(jié)性與降雨的季節(jié)性基本吻合。災(zāi)害點分布與雨量分布如圖1。在梅州市已知發(fā)生時間的地質(zhì)災(zāi)害點中，有92.1%處發(fā)生在4—8月的雨季。發(fā)生于4月、5月、6月、7月、8月的滑坡數(shù)分別占總數(shù)的10.9%、23.3%7、19.6%、13.8%、24.5%，各發(fā)生滑坡的百分比與當月降水量基本成正相關(guān)。而干旱季節(jié)，降雨較少，滑坡次數(shù)也相對較少，僅占滑坡總次數(shù)的8.9%?；乱话惆l(fā)生在暴雨期，大規(guī)模的滑坡暴雨強度臨界值為200mm以上。

2.2 滑坡與日降雨量的關(guān)系

梅州市的坡地地質(zhì)災(zāi)害以暴雨型滑坡和崩塌為主?；?、崩塌往往發(fā)生在強降雨期間。暴雨是斜坡產(chǎn)生滑坡的重要誘發(fā)因素，滑坡的發(fā)生數(shù)量、規(guī)模與持續(xù)過程降雨、雨量等關(guān)系十分明顯?，F(xiàn)對歷史上有降雨資料的滑坡做統(tǒng)計分析?；聻?zāi)害的發(fā)生數(shù)量與日累計降雨量呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系（圖2）。當降雨量大于200mm時，滑坡災(zāi)害的發(fā)生數(shù)量也急劇增加。根據(jù)暴雨，可基本決定滑坡發(fā)生的時間。據(jù)統(tǒng)計，當日降水量＞50mm，發(fā)生的滑坡占86%，其中，日降水量＞100 mm，發(fā)生的滑坡占70%?；掳l(fā)生時，當日的平均降水量為110 mm。小流域地區(qū)多為淺層滑坡，故滑坡災(zāi)害發(fā)生多與降雨同步，少數(shù)滯后。與當日或前期連續(xù)降水量同步發(fā)的占92%，滯后降雨發(fā)生的占8%，滯后期一般為1～3天。

2.3 降雨對滑坡的影響

在小流域地區(qū)，強度大、時間長的暴雨，往往造成滑坡災(zāi)害群發(fā)。根據(jù)以往研究成果和廣東省小流域地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境條件分析，降雨只有轉(zhuǎn)化成邊坡地下水才能對滑坡產(chǎn)生作用，小流域地區(qū)降雨對滑坡的影響主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是對軟弱結(jié)構(gòu)面的侵蝕軟化作用，降低結(jié)構(gòu)面的抗剪強度，加快滑動面的形成；二是增加邊坡巖土體的重量，使得下滑力急劇增加，破壞邊坡巖土體的力學平衡，起誘發(fā)破壞作用；三是滑動面孔隙水壓力增加，對滑坡變形破壞起控制作用。

3 構(gòu)建基于臨界降雨量的小流域地區(qū)滑坡預(yù)警預(yù)報體系

廣東省在2004年7月啟動了地質(zhì)災(zāi)害—氣象預(yù)報預(yù)警工作，氣象預(yù)報預(yù)警工作在災(zāi)害預(yù)防方面正發(fā)揮著重要作用。從空間尺度上，目前常用的預(yù)警尺度有兩種方式：一種是以行政單元作為基本單元的區(qū)域尺度預(yù)警，滑坡災(zāi)害的規(guī)模往往只有幾平方米到幾公頃，現(xiàn)有的氣象地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)警精度無法滿足防災(zāi)減災(zāi)需求；另一種是微觀尺度的單體斜坡的穩(wěn)定性分析，斜坡的微觀是針對某一特定的潛在災(zāi)害體進行穩(wěn)定性預(yù)測，這種模式過高依賴于高精度的監(jiān)測和實驗數(shù)據(jù)，因此很難在區(qū)域范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。從預(yù)警模型方面，區(qū)域預(yù)警結(jié)果多是據(jù)滑坡災(zāi)害敏感性分析的成果，疊加氣象預(yù)測數(shù)據(jù)獲得，而滑坡災(zāi)害敏感性分析是以柵格或行政單元為基本單元，對目標區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境因子進行線性或非線性的空間疊加運算而來，多為半定量的結(jié)果；而單體穩(wěn)定性分析是通過大量的實測參數(shù)和地質(zhì)力學模型運算獲得穩(wěn)定性指數(shù)，穩(wěn)定性指數(shù)只適用于特定的單體，缺乏區(qū)域預(yù)警意義。

總之，現(xiàn)時的氣象地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)警尺度無法預(yù)測災(zāi)害可能發(fā)生的具體位置，尤其對于基層的鄉(xiāng)村一線防災(zāi)減災(zāi)管理人員來說，這種宏觀尺度的預(yù)警成果難于實際應(yīng)用。而微觀尺度的單體斜坡穩(wěn)定性預(yù)測這種定點式方法，需要花費大量的人力和財力，而且預(yù)警范圍小，只能對少數(shù)幾個地點進行預(yù)警，缺乏區(qū)域意義[7-9]。

3.1 小流域地區(qū)預(yù)警預(yù)報設(shè)計流程

小流域暴雨誘發(fā)的滑坡災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)是利用地理信息系統(tǒng)（GIS）的技術(shù)與方法，結(jié)合小流域管理和滑坡災(zāi)害各項具體業(yè)務(wù)，在GIS和數(shù)據(jù)庫管理等基礎(chǔ)軟件支持下進行二次開發(fā)，實現(xiàn)對區(qū)域范圍內(nèi)的相關(guān)示范小流域各類信息的采集輸入，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)實時更新、信息查詢與存貯管理、統(tǒng)計分析、報表及成果輸出，并對已形成的各類數(shù)據(jù)成果進行查詢、統(tǒng)計及成果發(fā)布和輸出，將小流域、滑坡災(zāi)害和實時天氣情況多維數(shù)據(jù)，在多維空間上可視化反映小流域各類信息的空間分布的統(tǒng)計綜合信息管理，為決策提供支撐。這種系統(tǒng)是小流域地區(qū)防災(zāi)減災(zāi)的必備措施。

預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計主要滿足基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù)、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)和氣象水文數(shù)據(jù)等的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)應(yīng)用需要。通過合理的業(yè)務(wù)流程設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、軟件設(shè)計和安全保密方案設(shè)計，可以使洪水—地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警工作科學準確、安全方便。

基于降雨量的滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報的工作流程：接收氣象預(yù)報信息→雨量實時遙測數(shù)據(jù)→疊加水文和地質(zhì)環(huán)境背景信息→預(yù)測模型分析→生成小流域滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報總圖和警戒等級。根據(jù)工作流程將系統(tǒng)可以劃分為接受遙測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫的建立、滑坡災(zāi)害預(yù)警模型計算和預(yù)警結(jié)果表達幾個組成部分。

3.2 將臨界降雨量作為滑坡災(zāi)害預(yù)警的關(guān)鍵指標

目前公認的自然因素引起的滑坡是邊坡巖土體在降雨觸發(fā)因素的作用下，斜坡的原有地形、地質(zhì)等內(nèi)部條件發(fā)生改變，進而對斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)造成破壞的過程。地形地質(zhì)等內(nèi)部條件是在短期內(nèi)不會發(fā)生改變的，可定為確定因素，降雨為唯一的可變因素，在斜坡的內(nèi)部條件確定后，可通過研究降水與內(nèi)部條件的耦合關(guān)系來預(yù)測斜坡的穩(wěn)定狀態(tài)。因此，本文建議可將臨界降雨量作為滑坡災(zāi)害預(yù)警的指標，通過氣象部門的實時雨量遙測數(shù)據(jù)作為預(yù)警的數(shù)據(jù)源完成預(yù)警工作。

3.3 斜坡單元作為小流域地區(qū)滑坡預(yù)警的基本單元

在預(yù)警單元劃分的過程中，盡量保證每一單元內(nèi)部的一致性以及單元之間的明顯差異性。斜坡單元是以山脊線和溝谷底線為邊界線組成的空間單元，斜坡單元內(nèi)部無河溝侵蝕，且地形地質(zhì)條件（坡向、坡度、坡面、流向等）一致，但某一斜坡單元與其鄰近的斜坡有著明顯不同的地形地質(zhì)特征。滑坡是邊坡巖土體在降雨、人文活動等觸發(fā)因素的作用下，受斜坡地形、地質(zhì)等內(nèi)部因素的影響，發(fā)生變形破壞失穩(wěn)的過程。由于影響滑坡的各種條件，包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土性質(zhì)和水文分布等在空間分布上存在不一致性，因此，在滑坡形成過程中，斜坡單元是基本保證內(nèi)部地形地質(zhì)特性一致的最小尺度。鑒于此，本文建議小流域地區(qū)選用斜坡單元作為預(yù)警單元?？赏ㄟ^GIS的空間分析功能和水文分析，建立基于DEM的單元劃分模型，單元劃分借助GIS空間分析平臺，應(yīng)用水文學D8方法進行水文因子的計算而自動生成。

3.4 預(yù)警過程

降水轉(zhuǎn)化為地下水后，通過改變巖土體的力學性質(zhì)來改變斜坡的穩(wěn)定性，本文推薦極限平衡法來測算水文—地質(zhì)之間的耦合關(guān)系，然后，通過水文因子將氣象—水文關(guān)系和地質(zhì)—水文關(guān)系進行關(guān)聯(lián)，得到某一斜坡在處于穩(wěn)定和非穩(wěn)定的臨界狀態(tài)時（穩(wěn)定系數(shù)FS=1）的臨界降雨量，再通過將每個斜坡的實際預(yù)測降雨量與臨界降雨量對比，即可得到斜坡在實際降雨量下的穩(wěn)定狀態(tài)，從而對每個斜坡的穩(wěn)定性進行預(yù)警預(yù)報。

運用歷史數(shù)據(jù)對模型進行調(diào)試檢驗，收集目標區(qū)域的已發(fā)災(zāi)害點的歷史數(shù)據(jù)，對能準備對應(yīng)災(zāi)害點位置的數(shù)據(jù)進行空間配準，查閱發(fā)生災(zāi)害點發(fā)生時的降雨量，將歷史降雨量與模型運算的災(zāi)害點所在斜坡的臨界降雨量對比，以達到對以上預(yù)警模型驗證調(diào)試的過程，如若二者數(shù)量差異較大，可通過調(diào)整參數(shù)進行微調(diào)，直到模型結(jié)果較為理想。運用模型進行斜坡單元滑坡災(zāi)害預(yù)警。在模型參數(shù)確定后，計算每個斜坡單元的臨界降雨量，將每日氣象預(yù)報的降雨量預(yù)測結(jié)果與每個單元的臨界降雨量值相減，預(yù)報降雨量比臨界降雨量越大單元，發(fā)生滑坡的可能性越大，根據(jù)二者的差值劃分預(yù)警等級，由預(yù)警系統(tǒng)作相應(yīng)處理。

4 結(jié)論

降雨是誘發(fā)小流域地區(qū)滑坡災(zāi)害的關(guān)鍵因素。由于特定的地質(zhì)環(huán)境造成廣東省小流域地區(qū)的滑坡災(zāi)害表現(xiàn)為數(shù)量多、規(guī)模小、穩(wěn)定性差的特點。小流域地區(qū)滑坡災(zāi)害的成災(zāi)范式為表土層為強風化透水層，基巖為弱風化或未風化弱透水層。在持續(xù)降雨作用下，地下水位上升，孔隙水壓力增大，破壞了原有的巖土體強度和斜坡應(yīng)力狀態(tài)，進而發(fā)生滑坡。

現(xiàn)實的氣象地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)警尺度無法滿足小流域地區(qū)的現(xiàn)實需求，建議建立基于臨界降雨量和斜坡單元的滑坡預(yù)警體系，以為小流域地區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)工作提供依據(jù)。

本文提出的預(yù)警預(yù)報體系適用于降雨誘發(fā)的淺層中小型滑坡。為使本文提出的方法更具推廣價值，廣泛應(yīng)用于預(yù)警預(yù)報中，建議在GIS基礎(chǔ)上，進行軟件二次開發(fā)，縮短預(yù)警產(chǎn)品的制作時間。

[1]宮清華, 黃光慶. 廣東典型小流域滑坡災(zāi)害預(yù)測模型研究. 廣東農(nóng)業(yè)科學, 2010, 10:172-175.

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Rainfall Induced Landslides Disaster Warning System in Small Watershed Areas of Guangdong Province

Gong Qinghua1,2,4, Huang Guangqing1,2, Zhang Junxiang3

(1 Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510070 2 Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640 3 Tourism College, Huangshan University, Huangshan 245021 4 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049)

Global climate change leads to frequent torrential rains in Guangdong Province. Storm rainfall constantly updates history record. The disaster risk is high in small watershed areas. However, the capacity of disaster monitoring, early warning and its management is weak in those areas. Firstly, this paper analyzes the relationship between the rainfall and landslide based on the geological environment of landslide formation and the characteristics of the landslide. Secondly, the present situation and problems in disaster mitigation are analyzed. Finally, a set of framework and method of landslide disaster warning system is put forward. The early warning system can not only improve the space precision but also improve the disaster warning precision.

Guangdong province, small watershed, landslide, rainfall, early warning

10.3969/j.issn.2095-1973.2015.04.006

2013年11月29日；

2014年3月9日

宮清華（1981—），Email: gqh100608@163.com

資助信息：國家自然科學基金項目（41201557）；廣東省自然科學基金項目（S2011010004555）；廣東省科技計劃項目（2010A030200020，2011A030200006，2012A030200010）