?!?,龐偉軍,楊昊天,茍海瑞,王瑜鑫
泥石流的臨界降雨量研究
常剛,龐偉軍,楊昊天,茍海瑞,王瑜鑫
(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司,甘肅蘭州 730000)
降雨是泥石流最直接、最重要的觸發(fā)因素,基于降雨條件的泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)已成為目前國內(nèi)外泥石流預(yù)報(bào)的主線之一。以甘肅省泥石流為例,搜集已有的臨界雨量研究資料,綜合分析得出其降雨泥石流臨界值整體呈東南向西北遞增的趨勢,但局部隴南地區(qū)又出現(xiàn)由南向北,自西而東之增大的現(xiàn)象。從定性的角度探討了降雨和下墊面條件對對本區(qū)泥石流臨界值的不同影響,對省內(nèi)基于降雨條件的泥石流預(yù)報(bào)提出相關(guān)建議,以期建立臨界降雨量判據(jù)與地質(zhì)環(huán)境空間分析耦合的判別模式,為本區(qū)泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)與防治提供理論依據(jù)。
降雨型泥石流;降雨臨界量;影響因素;預(yù)測預(yù)報(bào)
豐富的固體物質(zhì)來源和充足的水源和激發(fā)因素以及適宜的地形地貌條件泥石流形成的三大要素。對于降雨型泥石流來說,在其余兩個(gè)條件滿足條件的情況下,只有當(dāng)降雨量達(dá)到一定值,即達(dá)到臨界降雨值,才會(huì)暴發(fā)泥石流[1]。從20世紀(jì)60年代人們首次提出基于泥石流形成的水動(dòng)力條件預(yù)報(bào)設(shè)想發(fā)展到如今利用降雨進(jìn)行暴雨泥石流的預(yù)測預(yù)報(bào),已使得降雨泥石流臨界值的準(zhǔn)確定量以及基于降雨條件的預(yù)測預(yù)報(bào)成為泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)研究工作的重點(diǎn)。
甘肅是我國四大泥石流區(qū)之一,泥石流與崩塌、滑坡、地面塌陷等地質(zhì)災(zāi)害頻頻發(fā)生,造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失。特別是5.12汶川地震以來各種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害大幅增加,2010年8月7日震驚世界的舟曲特大泥石流引起國家政府、科研機(jī)構(gòu)及高等院校各方的強(qiáng)烈關(guān)注并以此為契機(jī)展開了一系列的災(zāi)害防治與研究工作。
本區(qū)泥石流主要屬于降雨型(暴雨)泥石流,降雨泥石流臨界值及基于降水條件的泥石流判別模式研究已相對較多,臨界降雨量(強(qiáng))確定方法多樣,但由于泥石流本身成因復(fù)雜,因此要做到其臨界值的準(zhǔn)確定量和精確預(yù)報(bào)還存在很多亟需解決的問題。及時(shí)的總結(jié)綜合分析已有的研究成果不僅可以促進(jìn)泥石流臨界降雨量的理論研究,更重要的是有助于甘肅省泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)精度的提高,具有重要的理論與實(shí)踐意義。
1.1泥石流臨界值概念
某一時(shí)段內(nèi)單個(gè)泥石流溝或區(qū)域泥石流,其發(fā)生有一個(gè)最低的激發(fā)雨量(強(qiáng)),這個(gè)雨量(強(qiáng))稱為泥石流臨界雨量(強(qiáng))也就是一般所說的降雨泥石流臨界值[2,3],它與該地區(qū)巖土體,氣候,前期降雨量等因素有關(guān)。
對某一確定泥石流溝來說,在物源和地形地貌條件滿足的前提下,當(dāng)降雨量達(dá)到或超過某一災(zāi)變閾值即降雨臨界值時(shí)就會(huì)形成泥石流災(zāi)害[2,6]。一般來說,降雨誘發(fā)泥石流一方面需要一定量的前期雨量來浸潤飽和溝谷流域的巖土體,另一方面又需要短歷時(shí)雨強(qiáng)激發(fā)使巖土體失穩(wěn)。泥石流臨界值與前期降雨息息相關(guān),通常并不是某單個(gè)閾值就可以確定,而是促發(fā)本次泥石流的短歷時(shí)雨強(qiáng)與前期雨量的某種組合,即兩者達(dá)到某一特定組合關(guān)系時(shí),才會(huì)激發(fā)泥石流。
1.2泥石流臨界值確定方法
目前泥石流臨界雨量的確定方法各異,唐小明等已經(jīng)做了較為詳細(xì)的總結(jié),主要的方法包括:圖解法、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法和實(shí)驗(yàn)方法及在此基礎(chǔ)發(fā)展起來的其他方法[6]??偟膩碚f,泥石流臨界值的確定都是通過對已有降雨與泥石流災(zāi)害資料的整理、統(tǒng)計(jì)分析得到的。
2.1甘肅省泥石流概況
甘肅省位于黃土高原、內(nèi)蒙古高原與青藏高原的交匯處,由于地理跨度大,植被覆蓋率低,氣候條件復(fù)雜多變,受季風(fēng)影響明顯,局部短歷時(shí)暴雨集中。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,山原盆地、高山峽谷相間、溝壑縱橫、地勢起伏落差大、巖性軟硬多變,滑坡崩塌地質(zhì)災(zāi)害多發(fā),為泥石流發(fā)育提供了豐富的固體物質(zhì)來源和有利的地形地貌條件,成為我國泥石流最發(fā)育的地區(qū)之一。
受降水分布和暴雨頻次及地質(zhì)地形條件的影響,全省泥石流分布范圍和頻率自東南向西北遞減,可分為隴南粘性泥石流分布區(qū),黃土高原泥石流分布區(qū)和河西內(nèi)陸河流域泥石流三大區(qū)。其中以隴南泥石流分布區(qū)最為典型,主要集中分布在白龍江、西漢水中上游和白水江上游流域,尤其是白龍江大斷裂兩側(cè)其分布密度不僅居全省之首,而且也是全國密度最大的地區(qū)。
2.2全省泥石流發(fā)生的臨界雨量值
甘肅省泥石流臨界值以隴南粘性泥石流區(qū)的研究較多,省內(nèi)泥石流臨界值變化較大,呈現(xiàn)出一定規(guī)律性,據(jù)中科院蘭州冰川凍土研究所和甘肅省交通科學(xué)研究的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1[7]。
表1 甘肅省各區(qū)泥石流臨界值
由表1不難看出甘肅省降雨型泥石流臨界值自東南向西北逐漸增大。隴南地區(qū)泥石流臨界值最低,為15~20mm/h,與蘭州、天水、慶陽、平?jīng)龅呐R界降雨量相差不大。河西地區(qū)降雨臨界值最高,高達(dá)30~40mm/h,為隴南地區(qū)臨界值的兩倍之大。臨界雨量值的大小反映了各個(gè)地區(qū)泥石流發(fā)生所需的最小雨強(qiáng)(量)。
另外,成災(zāi)雨強(qiáng)也表現(xiàn)出與臨界雨量類似的規(guī)律,隴南最低,河西最高,蘭州、天水與慶陽、平?jīng)龅貐^(qū)居中。一次性降雨(2~3h)過程中,河西地區(qū)降雨臨界值超過50mm/h,達(dá)到隴南地區(qū)降雨強(qiáng)度25mm/ h的兩倍往往才可能發(fā)生災(zāi)害。
2.3隴南地區(qū)泥石流發(fā)生的臨界雨量值
暴雨是隴南地區(qū)泥石流的主要水源,本區(qū)泥石流可稱之為暴雨型泥石流[8]。觸發(fā)泥石流的臨界雨強(qiáng),不僅與概念上的暴雨有關(guān),而且往往與短歷時(shí)如1h、30min甚至10min強(qiáng)降雨關(guān)系更為敏感。研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)本區(qū)降雨強(qiáng)度達(dá)到1mm/min時(shí),8~10mm的降雨即可暴發(fā)泥石流,當(dāng)雨強(qiáng)在0.6mm/min時(shí),降雨20min才有可能暴發(fā)泥石流。當(dāng)降雨強(qiáng)度小于0.3mm/min時(shí),一般不發(fā)生泥石流災(zāi)害。一般小流域泥石流多受短歷時(shí)雨強(qiáng)控制,如武燒溝,當(dāng)10min降雨達(dá)8~10mm或30min降雨達(dá)20mm時(shí)必然暴發(fā)泥石流。這更說明了泥石流的形成是前期雨量與雨強(qiáng)綜合作用的結(jié)果,只有當(dāng)短歷時(shí)雨強(qiáng)達(dá)到一定量值才可能暴發(fā)泥石流災(zāi)害。
搜集隴南地區(qū)已有的研究資料將本區(qū)降雨泥石流臨界值列入表2,由此可知隴南全區(qū)降雨泥石流臨界值:日降雨量25~35mm,10min降雨量8~10mm,小時(shí)雨量呈現(xiàn)出不同量級。據(jù)較早的研究資料,臨界值為15~20mm/h,而2000年以后王錫穩(wěn)[9]、馮軍等[10]的研究結(jié)果分別為:8~15mm/h和20mm/h。顯然全區(qū)小時(shí)降雨泥石流臨界值介于8~20mm之間,最大與最小值相差12mm。
由于區(qū)內(nèi)山高谷深,地形變化大,受強(qiáng)對流天氣影響,集中短歷時(shí)降雨導(dǎo)致泥石流臨界值呈現(xiàn)出局部變化特征。由表2可知1h、3h、日臨界雨量均以宕昌、武都、文縣等地最小,分別為8mm、15mm和20mm,東部的康縣及徽成盆地最大,其中3h臨界雨量40mm,1h臨界雨量15mm。總的來看,隴南地區(qū)泥石流臨界值總體上表現(xiàn)出:由南向北,自西而東之增大的規(guī)律,即由白龍江流域~西漢水流域~徽成盆地臨界值逐漸增大。其中白龍江流域的舟曲、武都為一低值區(qū),而徽成盆地為一相對高值區(qū),泥石流災(zāi)害較少。
表2 隴南地區(qū)降雨泥石流臨界值統(tǒng)計(jì)
泥石流的形成是多種因素綜合作用的結(jié)果,降雨只是其形成的誘發(fā)因素。不同下墊面條件下所需的臨界激發(fā)雨量各不相同。因而降雨泥石流臨界值不但與該區(qū)降雨因素相關(guān),還受地形坡度、高差比降,滑坡崩塌物源等下墊面條件的影響。
3.1降雨的影響
大暴雨分配格局在一定程度上影響著泥石流的分布,同時(shí)也影響著泥石流的臨界值的大小。受東南季風(fēng)的影響甘肅省區(qū)域、季節(jié)雨量分配極其不均,降雨量總體由東南向西北遞減。6~9月雨量占全年降雨量的70%~80%,7、8月占45%,其間大暴雨發(fā)生次數(shù)多、量級大,并以24h之內(nèi)的短歷時(shí)大暴雨為主,強(qiáng)度較大。
統(tǒng)計(jì)甘肅省30年間大暴雨發(fā)生頻次見表3、表4[11]:
表3 1971~2000甘肅省大雨發(fā)生頻次
表4 1971~2000甘肅省暴雨發(fā)生頻次
由表3、表4可看出,省內(nèi)暴雨與大雨分布的中心基本重合,大暴雨頻次與降雨總量一樣,總體表現(xiàn)出東南多,西北少的格局,主要集中在河?xùn)|地區(qū)的隴南山地及慶陽南部。隴南山區(qū)的康縣無論是大雨還是暴雨頻率均居全省之首,而河西內(nèi)陸地區(qū)相對最低,幾乎無暴雨出現(xiàn)。中部隴中黃土高原地區(qū)大暴雨頻率居中,其中隴東略高于隴西地區(qū)。由此可見隴南山地在全省降雨總量與大暴雨頻率方面均占有絕對優(yōu)勢。另外,據(jù)盧秀麗等研究還發(fā)現(xiàn)省內(nèi)3d,24h,10min,60min的暴雨極值分布格局也表現(xiàn)出由東南到西北遞減的規(guī)律[12],短歷時(shí)10min暴雨極值在11~25mm之間,高值區(qū)出現(xiàn)在康縣、武都及舟曲一線。
降雨泥石流臨界值,準(zhǔn)確來講是在假定地形條件不變和固體松散物質(zhì)儲(chǔ)量保持一定的情況下,導(dǎo)致某條泥石流溝或某流域內(nèi)任意一條泥石流溝暴發(fā)泥石流的最小降雨量。因而對同一下墊面來說,當(dāng)降雨量越充足、強(qiáng)度越大,泥石流形成所需降雨臨界值相對就越小,所以降水分配格局也就在一定程度上直接造成本省泥石流臨界值自東南向西北增大的趨勢。
事實(shí)上地形條件不變和固體松散物質(zhì)儲(chǔ)量保持一定只是為了研究方便而進(jìn)行的人為假設(shè),因而臨界值并非只與降雨相關(guān),往往隨其他因素而出現(xiàn)局部變化特征。以隴南山地為例,其大暴雨時(shí)空分布特征[13]:西漢水流域發(fā)生大暴雨的頻率及強(qiáng)度均高于白龍江流域,只有6h以內(nèi)的降雨強(qiáng)度略低于白龍江流域。在這種大暴雨格局下理應(yīng)西漢水流域泥石流較白龍江流域嚴(yán)重,但是事實(shí)卻并非如此。主要原因在于受白龍江流域深大斷裂的影響,溝深坡陡,滑坡崩塌物源等下墊面條件更充分,因而其泥石流臨界值比西漢水流域相對較小,導(dǎo)致泥石流災(zāi)害嚴(yán)重程度穩(wěn)居省內(nèi)之首。
3.2下墊面的影響
1)地質(zhì)基礎(chǔ)條件。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的強(qiáng)弱、地勢起伏大小以及巖石軟硬等地質(zhì)基礎(chǔ)條件的不同也是降雨泥石流臨界值大小不同的重要因素。甘肅省大致以祁連山和六盤山為界分為南北兩大地質(zhì)構(gòu)造單元,總的來說,南部構(gòu)造活躍,巖石軟弱,地勢高峻;北部地塊穩(wěn)定,巖石堅(jiān)硬。所以南部泥石流臨界值相對較北部為低。
2)土壤含水狀況。在同等降雨條件下固體物質(zhì)本身的含水量、儲(chǔ)水量的差異同樣會(huì)影響泥石流臨界值的大小。當(dāng)其本身含水量較高,但土壤水分容納量又不是很大的情況下遇到降雨時(shí),松散固體物質(zhì)就很容易達(dá)到飽和,在較小雨強(qiáng)下就可以啟動(dòng)形成泥石流。相反,本身含水量低,土壤水分容納量又相對較大,同等降雨時(shí),雨水能迅速下滲,這樣要暴發(fā)泥石流就必須需要較大強(qiáng)度的短歷時(shí)暴雨沖刷才能激發(fā)啟動(dòng)物源形成泥石流。
甘肅省各地100cm土壤水分最大持有量[11]:平均以隴西黃土高原最大,其次為隴東黃土高原,而隴南地區(qū)白水江流域的文縣最少。在大暴雨頻發(fā)的夏季(6~8月),各地的土壤水分容納量以長江流域的隴南地區(qū)最少,隴西黃土高原相對最大,隴東黃土高原次之。一般情況下,100cm土層隴西黃土高原、隴東黃土高原比隴南地區(qū)多容納30%~45%降水量。這樣在遭遇同樣量級的大暴雨,隴南長江流域的土壤承受能力最弱,最易達(dá)到飽和而暴發(fā)泥石流災(zāi)害,故其降雨泥石流臨界值最小。就白龍江與西漢水流域局地而言,后者土壤可容納水量大于前者,加上斷裂等的影響都導(dǎo)致西漢水流域的成縣、禮縣等地的降雨泥石流臨界值比白龍江流域的武都等地臨界值偏大。
3)植被及人類工程活動(dòng)。省內(nèi)泥石流多發(fā)生在中低山區(qū),與植被關(guān)系密切。人為的破壞植被,墾荒造田、修建房屋、道路等破壞了原有的地表形態(tài),導(dǎo)致水土流失加重,斜坡失穩(wěn)引發(fā)滑坡繼而形成泥石流災(zāi)害的例子比比皆是。有些地方在地形、地質(zhì)和降水條件等方面具備泥石流發(fā)育的條件,但是泥石流災(zāi)害卻并不發(fā)育,主要原因就是植被條件好,能有效蓄積水分,阻止侵蝕,保護(hù)山地,從而有效地抑制了泥石流的發(fā)生。如果這些地帶要發(fā)生泥石流必須有更大的降雨量和更大雨強(qiáng)的沖擊作用,所以其他條件相同時(shí)植被覆蓋率大的地帶降雨泥石流臨界值相對偏大。
4)地震。地震活動(dòng)中能量的釋放,一方面直接導(dǎo)致滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,為泥石流提供了豐富的固體物質(zhì)來源,同時(shí),滑坡-碎屑流堆積體等改變溝谷條件,使原來并不是泥石流溝的溝谷變成泥石流溝;如5.12汶川地震以后四川綿竹市清平鄉(xiāng)文家溝轉(zhuǎn)變?yōu)橐粭l高頻泥石流溝,震后3個(gè)雨季內(nèi),文家溝先后暴發(fā)了5次大規(guī)模和特大規(guī)模的泥石流災(zāi)害。另一方面地震直接導(dǎo)致泥石流臨界值降低。2008年5.12汶川地震之后,隴南地區(qū)的文縣、武都區(qū)、舟曲、康縣、成縣、徽縣及兩當(dāng)?shù)鹊靥幱诘卣稷?、Ⅸ烈度之區(qū)的重災(zāi)區(qū),地震的影響勢必使山體松動(dòng)造成“內(nèi)傷”,國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)部主任、研究員、地質(zhì)災(zāi)害防治專家殷躍平指出汶川地震導(dǎo)致局地泥石流臨雨量至少可下降20mm。甘肅重災(zāi)區(qū)文縣震后在5~9月份先后發(fā)生泥石流災(zāi)害5起,2010年8.7舟曲特大泥石流雖然研究認(rèn)為是由于極端暴雨天氣所致(過程降雨量96.77mm,30min雨量高達(dá)77.63mm),但是不能排除該地震區(qū)內(nèi)對泥石流形成條件及臨界值的影響。所以,今后泥石流降雨臨界值的研究中如何定量的評價(jià)地震作用還需要進(jìn)一步深入研究。
綜上所述,甘肅省泥石流臨界值大小不僅受降雨,而且還受地質(zhì)基礎(chǔ)條件,土壤含水狀況及植被覆蓋情況以及地震等多種因素的影響。
降雨型泥石流的預(yù)報(bào)主要是結(jié)合氣象信息進(jìn)行,其預(yù)報(bào)是將地學(xué)系統(tǒng)因素假定為已知并滿足其形成發(fā)生過程,只依賴于降雨變化因素進(jìn)行的判別預(yù)報(bào)。其準(zhǔn)確與否直接受泥石流臨界條件的影響,還受其他(地貌、地層巖性、構(gòu)造、地震人類活動(dòng)等)因素的制約。
甘肅省泥石流目前采用全國通用的地質(zhì)氣象等級預(yù)報(bào)法,基于降雨條件的泥石流預(yù)報(bào)也取得了一些成果。池谷浩(1973)陳景武(1981)最先提出臨界雨量線預(yù)報(bào)模型。后來蘭州冰川凍土探究所提出以固體物質(zhì)儲(chǔ)備量、溝道堵塞程度和坡度為預(yù)測因素,以暴發(fā)泥石流的雨量為指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測。考慮影響泥石流發(fā)生的主要因子,黎志恒等以文家溝為例應(yīng)用多元逐步回歸分析法建立數(shù)學(xué)模型,從而得到泥石流發(fā)生的概率,此模型在蘭州地區(qū)得到了較好的應(yīng)用[14~15]。丁偉翠等(2010)本著內(nèi)外因結(jié)合的思想,利用GIS技術(shù)對靈臺縣進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警區(qū)劃,隨后在Ⅰ、Ⅱ級與預(yù)警內(nèi)采用臨界日綜合有效過程降雨量模型判據(jù)法開展了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)研究[16]。
總的來說,省內(nèi)基于降雨條件的泥石流預(yù)報(bào)研究相對較少,預(yù)報(bào)精度較低,尤其是甘肅作為全國泥石流重要分布區(qū),泥石流災(zāi)害嚴(yán)重制約著甘肅省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,因此開展泥石流臨界值研究及其預(yù)測預(yù)報(bào)工作任重道遠(yuǎn),因此對以后的泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)研究工作提出以下建議:
1)結(jié)合地質(zhì)環(huán)境基礎(chǔ)信息對現(xiàn)有的泥石流預(yù)警區(qū)劃進(jìn)一步細(xì)化;
2)在各細(xì)化的預(yù)警區(qū)內(nèi)研究泥石流發(fā)生的降雨臨界條件建立不同的預(yù)報(bào)模式;其中降雨指標(biāo)的選取應(yīng)依據(jù)雨型、泥石流類型的不同而不同。10min雨強(qiáng)、1h、3h、24h雨量以及前期降雨天數(shù)等指標(biāo)的選擇應(yīng)統(tǒng)計(jì)歷史泥石流和降雨資料并采用相關(guān)性分析的方法選取最能反應(yīng)泥石流發(fā)生的降雨指標(biāo),建立數(shù)學(xué)模型。其中前期降雨經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式中衰減系數(shù)可以依據(jù)不同分區(qū)內(nèi)巖土體的性質(zhì)、土壤容納水分容納量及植被等不同而賦予不同的值,這樣將下墊面條件的影響部分加入預(yù)報(bào)模型中來。
3)充分利用種類齊全的現(xiàn)代化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng),獲取不同尺度的降雨資料,建立健全泥石流監(jiān)測系統(tǒng)。
1)甘肅省泥石流臨界值以隴南山區(qū)研究較多,單溝、小流域研究較為欠缺??傮w呈現(xiàn)出由東南向西北逐漸增大的趨勢,小時(shí)降雨量隴南地區(qū)最小15~20mm,河西內(nèi)陸最大高達(dá)30~40mm/h,隴東、隴西地區(qū)居中,分別為20~30mm、25mm。其中隴南地區(qū)由于下墊面條件及大暴雨的局地性影響,臨界值表現(xiàn)出由南至北,自西而東增大的局地變化特征。
2)通過定性分析,泥石流臨界值受地形地貌、地層巖性、土壤含水量及前期降雨等多種因素的影響。特別是5.12汶川地震對使部分山體出現(xiàn)“內(nèi)傷”,如何量化地震對臨界值的影響還待進(jìn)一步研究。
3)通過對泥石流臨界值特征及大小差異的探討對本區(qū)降雨泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)提出相關(guān)建議。
4)泥石流是地質(zhì)災(zāi)害鏈中是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈條,降雨臨界值并不是一成不變的,泥石流預(yù)報(bào)與防治工作也不是一勞永逸的。應(yīng)該以活動(dòng)論的思想,應(yīng)用發(fā)展的眼光去分析問題、解決問題,避免陷入對降雨泥石流臨界值的單獨(dú)研究誤區(qū),盡可能全面的考慮多種因素,注重從定性到定量的轉(zhuǎn)變,量化各種因素的實(shí)際作用力與強(qiáng)度,利用多種現(xiàn)代化手段,建立臨界雨量判據(jù)與地質(zhì)環(huán)境空間分析耦合的判別模式,為泥石流預(yù)測預(yù)報(bào)提供可靠依據(jù)。
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