曾維剛，吳 福

(廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)臺風暴雨引發(fā)的地質(zhì)災害風險評價

曾維剛，吳 福

(廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，廣西 桂林 541004)

臺風暴雨是誘發(fā)廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害的重要因素，通過對影響地質(zhì)災害發(fā)育程度的地層巖性、力學性質(zhì)、斷裂構造、人類工程活動、降雨、坡度、地形起伏度等因素的量化解析，劃分地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。統(tǒng)計分析地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取得誘發(fā)地質(zhì)災害的有效雨量、臨界有效雨量等參數(shù)，以此構建地質(zhì)災害風險評價模型。經(jīng)驗證，該模型有一定的時效性，可以在北部灣經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害預警預報工作中提供一定的基礎及應用。同時可以為經(jīng)濟區(qū)工程建設提供部分參考。

量化解析;有效雨量;臨界有效雨量;專業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù);風險評價

0 引言

廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)(下稱經(jīng)濟區(qū))地處北部灣北部，每年都有臺風暴雨發(fā)生，誘發(fā)了數(shù)量較多的地質(zhì)災害。隨著經(jīng)濟區(qū)整體定位的提升，經(jīng)濟的快速發(fā)展，加劇了經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)環(huán)境問題和增高地質(zhì)災害的發(fā)生風險，研究臺風暴雨誘發(fā)經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生的規(guī)律，進而構建相關風險評價系統(tǒng)，對維護人民生命和財產(chǎn)安全具有一定的意義。

1 經(jīng)濟區(qū)基本概況

經(jīng)濟區(qū)包括南寧、北海、欽州、防城港等四個地級市所轄行政區(qū)劃范圍，地理坐標：東經(jīng)107°19′36″～109°51′56″，北緯20°54′16″～24°02′05″，土地面積4.25×104km2。

北部灣經(jīng)濟區(qū)依山傍海，總的地勢由北向南逐漸降低，從最北面的低中山——丘陵地形逐漸過渡為低山臺地進而為濱海平原(地面高程多為0～200 m)。區(qū)內(nèi)有大明山、十萬大山、云開大山等山脈。構造上屬南華準地臺的桂中—桂東臺陷、云開臺隆、右江再生地槽、欽州殘余地槽、北部灣拗陷構造單元，以斷裂為主，走向主要為北東-南西向，其次為北西及近東西向。經(jīng)濟區(qū)出露了寒武系-第四系的所有地層，以寒武系、志留系、泥盆系、石炭系、三疊系及侏羅系分布最廣。

自2003年起，廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站完成了經(jīng)濟區(qū)內(nèi)所有縣(市)1∶10萬地質(zhì)災害調(diào)查與區(qū)劃工作，2008～2015年，廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站完成經(jīng)濟區(qū)內(nèi)浦北縣、靈山縣、賓陽縣、橫縣1∶5萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查?；静槊髁私?jīng)濟區(qū)的地質(zhì)災害發(fā)育現(xiàn)狀、規(guī)模、分布特征。經(jīng)統(tǒng)計，經(jīng)濟區(qū)內(nèi)各市地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量：欽州市2 160處，北海市149處， 防城港市300處，南寧市1 194處；其中災害隱患點2 370處，重大地質(zhì)災害隱患179處。

為有效防治地質(zhì)災害，在上級主管部門廣西區(qū)國土資源廳的大力支持下，廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站2008年啟動了地質(zhì)災害自動專業(yè)監(jiān)測站建設。在經(jīng)濟區(qū)浦北縣官垌小學、靈山縣豐塘中學等地質(zhì)災害隱患點邊坡上建立了26處實時雨量、邊坡土體含水率監(jiān)測點。26處監(jiān)測點當中有10處設立在花崗巖風化層邊坡，6處設立在碎屑巖坡殘積層邊坡，4處設立在紅層碎屑巖坡殘積層邊坡，1處設立在碎屑巖夾碳酸鹽巖坡殘積層邊坡，4處設立在碳酸鹽溶余堆積層邊坡，1處設立在第四系粘土礫石層當中，覆蓋了經(jīng)濟區(qū)內(nèi)主要邊坡類型。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過中國電信GPRS網(wǎng)絡發(fā)到廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站中心機房，為地質(zhì)災害氣象預警預報服務。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)成為地質(zhì)災害成因分析的重要基礎(圖1)。

圖1 廣西地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡數(shù)據(jù)平臺Fig.1 The professional geological hazards monitoring network data platform of Guangxi

2 地質(zhì)災害易發(fā)程度分區(qū)

地質(zhì)災害風險評價的基礎首先是劃分評價區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)程度。影響經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害發(fā)育的主要因素有地層巖性、斷裂構造、人類工程活動、降雨、坡度、地形起伏度[1]。利用ArcGIS軟件平臺將地層巖性、斷裂構造、坡度、地形起伏度等地質(zhì)環(huán)境背景因素，強降雨、村莊建設、道路建設、采礦活動等地質(zhì)災害發(fā)生的誘發(fā)因素進行解析。

(1)地層巖性

將經(jīng)濟區(qū)內(nèi)花崗巖、石英閃長巖、千枚巖、片巖、礫巖、砂巖、石英砂巖、硅質(zhì)巖、泥質(zhì)砂巖、頁巖、泥巖、鈣質(zhì)礫巖、礫巖、砂巖、石英砂巖、泥質(zhì)砂巖、頁巖、泥巖、不分類的黏土巖、石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等22種主要巖類劃分其在不同地層中的比例，并計算其力學強度及軟化系數(shù)。

(2)斷裂

斷裂構造切割、挫動地層，控制巖石節(jié)理裂隙的密度與展布，導致巖石的風化破碎，因此是影響地質(zhì)災害發(fā)生的一個重要因素。北部灣經(jīng)濟區(qū)斷裂按照其規(guī)模分為普通斷裂和深大斷裂，普通斷裂一般影響范圍1～5 km，深大斷裂一般影響范圍5～30 km。根據(jù)其分布，取最大影響范圍。計算其影響程度及兩種斷裂加權影響程度及范圍。

(3)地形地貌因素

地形坡度、曲率對斜坡應力分布、地表水徑流與沖刷、地下水、松散物質(zhì)堆積及植被分布等具有影響。

(4)人類工程活動解析

人類工程活動是誘發(fā)地質(zhì)災害的重要因素，其中影響較大的是農(nóng)村削坡建房、不進行邊坡處理的縣鄉(xiāng)級公路及其等級以下道路建設工程、采礦活動。根據(jù)2014年北部灣經(jīng)濟區(qū)自然村、礦山及縣、鄉(xiāng)道路工程現(xiàn)狀，分別計算繪制北部灣經(jīng)濟區(qū)村密度、礦山密度圖、道路密度圖。以上數(shù)據(jù)是進行概化解析，與實際情況有一定的出入。這里引入分辨率為8 m的綠色光譜衛(wèi)片，作為地表植被破壞，即人類工程活動強弱的指標。

(5)降雨

降雨是誘發(fā)滑坡、崩塌地質(zhì)災害的主要因素。特別是超常強度降雨最易導致群發(fā)性的崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災害。受北部灣經(jīng)濟區(qū)南部易受臺風暴雨影響，根據(jù)經(jīng)濟區(qū)各地降雨量數(shù)值，計算繪制年均降雨量及月均降雨量分級圖 以上圖件解析的柵格尺度為15 m×15 m。

將以上各因素分別與崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災害密度進行矩陣相關分析。計算公式：

(1)

式中：r——相關系數(shù)；Oi——A柵格單元矩陣樣本值O1、O2、O3……On；

Pi——B柵格單元矩陣樣本值P1、P2、P3……Pn；

按照公式(1)通過崩塌(危巖)、滑坡、泥石流地質(zhì)災害與以上不同因子之間的兩兩計算，計算結果見表1。

表1 各影響因子與經(jīng)濟區(qū)崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災害密度相關系數(shù)表

(6)評價因子的綜合計算分析

根據(jù)表1的計算結果，分人類工程活動、巖性、力學參數(shù)、斷裂影響、地形地貌等因素，分別計算其影響程度。計算公式為：

RLi=∑(Kct×CTi+Kdl×DLi+Kks×KSi)

(2)

YXi=∑(Kqm×QMi+Kpy×PYi+Khgl×HGLi

+Kly×LYi+Khly×HLYi+Kny×NYi+……+

Khy×HYi+Kysy×YSYi+Khg×HGi)

(3)

YLi=∑(Kgky×GKYi+Ksky×SKYi+Krh×RHi)

(4)

DLi=∑(Kddl×DDLi+Kpdl×PDLi)

(5)

DMi=∑(Kpd×PDi+Kpoq×POQi+Kpiq×PIQi)

(6)

JYi=Kyjy×YJYi

(7)

式中：K為表1當中的相關系數(shù)，RLi、CTi、DLi、KSi分別為柵格i人類工程活動強度、村屯密度、道路密度、礦山密度，其余的計算因子見表1。

按照表1中的數(shù)據(jù)，通過公式(2)～(7)，在ArcGis軟件平臺，利用柵格加權疊加工具，分別計算出人類工程活動因素、巖性因素、巖石力學因素、斷裂影響因素、地貌因素柵格圖。

(7)地質(zhì)災害易發(fā)程度分析計算

地質(zhì)災害的發(fā)生主要受自然因素及人為因素影響。根據(jù)以上計算的人類工程活動強度因素、巖性因素、巖石力學因素、斷裂影響因素、地貌因素，以此計算崩塌(危巖)、滑坡泥石流地質(zhì)災害的易發(fā)程度大小[2]。

計算公式為：

Ri=∑(Rli/Vrlmax×2.5+YXi/Vyxmax×1.5

+YLi/Vylmax×1.5+DLi/Vdlmax×0.5+

DMi/Vdmmax×0.5)

(8)

式中：Ri——柵格i地質(zhì)災害易發(fā)程度值；Rli——柵格i人類工程活動對地質(zhì)災害影響值；Vrlmax——類工程活動對地質(zhì)災害影響柵格圖最大值；

YXi——柵格i巖性因素對地質(zhì)災害影響值；

Vyxmax——巖性因素對地質(zhì)災害影響柵格圖最大值；

YLi——柵格i巖石力學因素對地質(zhì)災害影響值；

Vylmax——巖石力學因素對地質(zhì)災害影響柵格圖最大值；

DLi——柵格i斷裂因素對地質(zhì)災害影響值；

Vdlmax——斷裂因素對地質(zhì)災害影響柵格圖最大值；

DMi——柵格i地貌因素對地質(zhì)災害影響值；

Vdmmax——地貌因素對地質(zhì)災害影響柵格圖最大值。

經(jīng)前述計算結果：人類工程活動因素、巖性因素、巖石力學因素、斷裂影響因素、地貌因素柵格圖，按照公式(8)計算，在ArcGis軟件平臺，利用柵格加權疊加工具，計算出經(jīng)濟區(qū)崩塌、滑坡、泥石流地質(zhì)災害易發(fā)程度圖。

經(jīng)濟區(qū)易發(fā)程度分3個等級，計算值1～3，為地質(zhì)災害低易發(fā)區(qū)，面積23 321.09 km2，占經(jīng)濟區(qū)陸地總面積(不含島嶼，下同)的55.75%，主要分布在北海市區(qū)、合浦縣、欽州市欽南區(qū)、防城港市上思縣、東興市、南寧市江南區(qū)、武鳴縣、賓陽縣、橫縣、隆安縣等地勢平緩、人類工程活動相對較弱的碎屑巖、紅層碎屑巖、碳酸鹽巖區(qū)；計算值4～6，為地質(zhì)災害中易發(fā)區(qū)，面積16 192.18 km2，占經(jīng)濟區(qū)陸地總面積的38.71%，主要分布在防城港市防城區(qū)板八鄉(xiāng)-欽州市欽北區(qū)大寺鎮(zhèn)-浦北縣平睦鎮(zhèn)，北東向展布的深大斷裂影響帶當中的碎屑巖、紅層碎屑巖、花崗巖區(qū)，南寧市青秀區(qū)-邕寧區(qū)南陽鎮(zhèn)等人類工程活動強烈的紅層碎屑巖區(qū)；計算值7～10，為地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)，面積2 319.97 km2，占經(jīng)濟區(qū)陸地總面積的5.54%，主要分布在防城港市防城區(qū)峒中鎮(zhèn)-欽州市欽北區(qū)大峒鎮(zhèn)-靈山縣寨圩鎮(zhèn)，北東向展布的深大斷裂影響帶當中的花崗巖、碎屑巖高陡邊坡區(qū)，南寧市賓陽縣昆侖山周邊花崗巖高陡邊坡區(qū)域，其中欽州市浦北縣城也處于地質(zhì)災害高易發(fā)區(qū)當中(圖2)。

圖2 經(jīng)濟區(qū)(崩、滑、流)地質(zhì)災害易發(fā)程度圖Fig.2 The occurrence level of geological hazards district (collapse, slide, flow) in Economic Zone

3 經(jīng)濟區(qū)臺風暴雨與地質(zhì)災害關系及有效雨量

(1)經(jīng)濟區(qū)臺風暴雨與地質(zhì)災害關系的分析

北部灣的臺風暴雨主要來源于西太平洋臺風、南海和北部灣區(qū)域內(nèi)生成的熱帶風暴。從地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量分析，2007年、2008年、2009年、2010年、2013年、2014年為較少的年份(2015年無臺風影響)，臺風期間地質(zhì)災害占比分別為13.64%、43.04%、17.95%、22.22%、9.72%、25.58%；2006年、2011年地質(zhì)災害數(shù)量較多，同時是臺風(熱帶風暴)誘發(fā)地質(zhì)災害的高發(fā)年，臺風(熱帶風暴)期間地質(zhì)災害占比分別達到97.64%、78.57%(圖3)。北部灣經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害發(fā)生數(shù)量受臺風(熱帶風暴)帶來的暴雨影響顯著[3]。

圖3 北部灣經(jīng)濟區(qū)2006年至2014年地質(zhì)災害數(shù)量與臺風關系圖Fig.3 The relationship of the number of geological hazards and typhoon from 2006 to 2014 in Beibu Gulf Economic Zone

(2)誘發(fā)地災災害的有效降雨量

一次降雨事件發(fā)生后,降雨量并不能完全作用斜坡體，同時地質(zhì)災害發(fā)生的也受累積降雨量的影響,而不僅僅是當日降雨量，降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害是通過雨水下滲到坡體內(nèi)部,對坡體產(chǎn)生作用而發(fā)生的，即有效雨量[4]。

通過對地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析，北部灣經(jīng)濟區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災害的有效雨量，最多累積前5天的降雨量。

其關系曲線為：

Y=K0×Y0+K1×Y1+K2×Y2+

K3×Y3+K4×Y4

(9)

式中：Y——有效雨量;Y0——當天降雨;K0——當天降雨的有效系數(shù)，在北部灣經(jīng)濟區(qū)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當天降雨量的相關分析，為0.534;

Y1——前1天降雨;

K1——前1天降雨的有效系數(shù)，在北部灣經(jīng)濟區(qū)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當天降雨量的相關分析，為0.403 6;

Y2——前2天降雨;

K2——前2天降雨的有效系數(shù)，在北部灣經(jīng)濟區(qū)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當天降雨量的相關分析，為0.22;

Y3——前3天降雨;

K3——前3天降雨的有效系數(shù)，在北部灣經(jīng)濟區(qū)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當天降雨量的相關分析，為0.20;

Y4——前4天降雨;

K4——前4天降雨的有效系數(shù)，在北部灣經(jīng)濟區(qū)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)與當天降雨量的相關分析，為0.196。

(3)誘發(fā)地災災害的臨界有效雨量

根據(jù)2006年至2015年廣西突發(fā)性地質(zhì)災害與降雨強度的之間的關系統(tǒng)計。北部灣經(jīng)濟區(qū)誘發(fā)地質(zhì)災害的臨界有效雨量為當?shù)貧v年月均降雨量的30%。

4 地質(zhì)災害風險評價

(1)風險評價模型建立

根據(jù)前述的數(shù)據(jù)整理分析，構建北部灣特殊氣象條件下(臺風、暴雨)地質(zhì)災害風險評價模型[5]。

Ri=(Yiv有效/Yic)×Si×(Vi/Vvmax)

(10)

式中；Ri——為柵格i災害風險程度指數(shù)，越高代表其風險程度越高；

Yiv——為柵格i有效降雨量；

Yic——為柵格i臨界有效降雨量，北部灣經(jīng)濟區(qū)臨界雨量為柵格i歷年月均降雨量×0.3。

Si——為柵格i地質(zhì)災害易發(fā)程度值；

Vi——為柵格i人口財產(chǎn)等量值；

Vvmax——為人口財產(chǎn)等量值柵格圖最大值。

(2)模型驗證

為驗證北部灣特殊氣象條件下(臺風、暴雨)地質(zhì)災害風險評價模型，選擇2011年9月30日至10月8日期間，201117納沙臺風帶來的暴雨期間，驗證北部灣經(jīng)濟區(qū)2011年10月1日地質(zhì)災害發(fā)生的風險(這一天發(fā)生的地質(zhì)災害數(shù)量較多)。

根據(jù)廣西氣象局氣象臺站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分布繪制2011年9月26日至10月1日的日降雨量等值線圖。按照公式(9)計算2011年10月1日的有效雨量(圖4)。根據(jù)公式(10)計算經(jīng)濟區(qū)2011年10月1日地質(zhì)災害風險(圖5)。

(3)評價結果分析

通過提取各個地質(zhì)災害點的信息。發(fā)現(xiàn)所發(fā)生的地質(zhì)災害點風險值均超過3，大部分超過4。風險值較低的點，其降雨量較小。分析其原因，是降雨監(jiān)測點沒有覆蓋到這些點的周圍，以至降雨插值數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，影響了計算結果。

圖4 2011.10.1北部灣經(jīng)濟區(qū)有效降雨分布圖Fig.4 Effective rainfall division in Beibu Gulf Economic Zone in 2011.10.1

圖5 2011.10.1北部灣經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害風險分布圖Fig.5 The risk of geological hazards division in Beibu Gulf Economic Zone in 2011.10.1

5 結論

基于ARCGIS10.0軟件平臺，解析了北部灣經(jīng)濟區(qū)基礎地質(zhì)環(huán)境背景，包括地層的巖性分類構成、力學參數(shù)、構造，降雨(歷年月均降雨、重點時段每天降雨)、人類工程活動(分辨率8 m綠色光譜衛(wèi)片解譯)、地形地貌(1∶5萬尺度DEM)。解析尺度為15 m×15 m。

通過歷年地質(zhì)災害調(diào)查數(shù)據(jù)與巖性分類構成、力學參數(shù)、構造、人類工程活動的矩陣相關分析，得到了其相關系數(shù)，以此計算繪制了北部灣經(jīng)濟區(qū)的地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)劃圖。

解析臺風、強降雨期間突發(fā)性地質(zhì)災害的時空分布、巖性構成、力學參數(shù)、實時降雨等參數(shù)，提取廣西地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡相關監(jiān)測數(shù)據(jù)。通過SPSSV21軟件平臺進行數(shù)據(jù)分析。求取了有效降雨量、誘發(fā)地質(zhì)災害的臨界有效雨量。進一步構建北部灣經(jīng)濟區(qū)強降雨條件下地質(zhì)災害風險評價模型，并進行了驗證。

該模型可以在北部灣經(jīng)濟區(qū)地質(zhì)災害預警預報工作中提供一定的基礎及應用。同時可以為經(jīng)濟區(qū)工程建設提供部分參考。

存在的問題：

(1)區(qū)域歷史降雨數(shù)據(jù)每個縣區(qū)只有一個站點，基于這些數(shù)據(jù)構建的區(qū)域降雨資料，不能完全反映北部灣經(jīng)濟區(qū)降雨的實際情況。應進一步收集整理各氣象站點每小時尺度的降雨資料，構建更接近經(jīng)濟區(qū)實際降雨分布的基礎數(shù)據(jù)。

(2)廣西地質(zhì)災害專業(yè)監(jiān)測網(wǎng)絡正在建設完善當中，其數(shù)據(jù)量還有累積的空間。需要進一步加強這方面的工作。

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Risk assessment on geological disaster caused by typhoon and rainstorm in Beibu gulf economic zone of Guangxi zhuang autonomous region

ZENG Weigang,WU Fu

(GuangxiGeologicalEnvironmentMonitoringStation,Guilin,Guangxi541004,China)

Typhoon and rainstorm are the important factors in evoking geological disasters in Guangxi Beibu Gulf Economic Zone. Through quantitative analysis on those affecting the development of geological hazards such as formation lithology, mechanical properties, fracture structure, human engineering activities, rainfall, slope, relief of topography, etc.,geological hazards prone areasare able to be divided and identified. In order to building a risk assessment model of geological disasters, statistical analysis of professional monitoring datas of geological hazards and obtainment of effective rainfall, critical effective rainfall as well as other parameters are necessary.Proven that it has a certain timeliness, the model can help provide certain basic applications in warning and forecasting geological disasters for Beibu Gulf Economic Zone. Meanwhile, it can be applied into the construction of economic zone for reference.

quantitative analysis; effective rainfall; the criticality of effective rainfall; professional monitoring data; risk evaluation

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.01.19

2016-07-15;

2016-08-04

廣西科學研究與技術開發(fā)計劃項目北部灣經(jīng)濟區(qū)特殊氣象條件下(臺風、風暴潮、暴雨)地質(zhì)災害防治研究(桂科攻0992027-7)

曾維剛(1967-)，男，廣西人，高級工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。E-mail:zengwg@163.com

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