黃明奎，馬 璐

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074)

重慶市地質(zhì)災(zāi)害氣候性誘發(fā)機(jī)理分析

黃明奎，馬 璐

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074)

氣候異常已成為全球環(huán)境、工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)面臨的主要問(wèn)題，也是誘發(fā)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素之一。重慶是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一，為了研究重慶地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害氣候性誘發(fā)機(jī)理，在統(tǒng)計(jì)分析了重慶1950年以來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害和氣象資料的基礎(chǔ)上，分析了重慶市氣溫、降雨強(qiáng)度等氣候變化特征以及地質(zhì)災(zāi)害與氣候變化的耦合特征，并研究了重慶市地質(zhì)災(zāi)害的氣候性誘發(fā)機(jī)理，揭示了氣候變化特別是極端氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的影響規(guī)律，結(jié)果可為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)防和治理提供技術(shù)參考。

地質(zhì)工程；地質(zhì)災(zāi)害；氣候變化；耦合；誘發(fā)機(jī)理

0 引 言

重慶是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一，平均每年因地質(zhì)災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)4億元人民幣[1]。近年來(lái)，隨著氣候的變暖，極端氣候頻繁出現(xiàn)加劇了一些地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生[2]，引起了國(guó)內(nèi)外對(duì)氣候與地質(zhì)災(zāi)害的廣泛關(guān)注。殷志強(qiáng)等[3-4]研究了極端天氣氣候事件對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，并以不同時(shí)間尺度的地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象，分析了地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系。邢林嘯等[5]以2008年極端冰雪氣候條件為背景，研究了我國(guó)南方中低緯度地區(qū)極端冰雪氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的影響；李?yuàn)^生等[6]通過(guò)野外實(shí)地考察和遙感影像分析汶川地震驅(qū)動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害，得到了以降雨為主的氣候因素是導(dǎo)致震后汶川地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的直接誘發(fā)因素。從以上分析可知，現(xiàn)有的地質(zhì)災(zāi)害的研究主要局限在地質(zhì)災(zāi)害的分布規(guī)律，形成機(jī)理、趨勢(shì)預(yù)測(cè)以及自身發(fā)生機(jī)理等方面。但隨著全球氣候變暖和極端氣候頻繁出現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量呈現(xiàn)出成倍增長(zhǎng)的趨勢(shì)，然而有關(guān)氣候異常對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用目前還缺乏系統(tǒng)的研究，已不能滿(mǎn)足當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)體系的構(gòu)建。因此，筆者基于重慶市地質(zhì)災(zāi)害與氣候資料的統(tǒng)計(jì)研究，在分析重慶市氣溫變化特征、降雨強(qiáng)度變化特征以及地質(zhì)災(zāi)害與氣候變化的耦合特征的基礎(chǔ)上，研究了重慶市地質(zhì)災(zāi)害的氣候性誘發(fā)機(jī)理，揭示了氣候變化特別是極端氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的影響規(guī)律，結(jié)果可為地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)、預(yù)防和治理提供技術(shù)參考，為重慶市氣候性地質(zhì)災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)體系的構(gòu)建提供技術(shù)支撐。

1 資料來(lái)源與處理分析

根據(jù)2013年政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的第五次評(píng)估報(bào)告[7]：1950年以后，由于全球氣候變暖及人類(lèi)活動(dòng)的影響，極端氣候開(kāi)始發(fā)生變化，地球海平面的上升速度高于過(guò)去兩千年。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與氣候變化有著密切的關(guān)系，同時(shí)也是氣候變化引起地球表層系統(tǒng)調(diào)整的一種重要作用方式[8]。因此，為了研究分析重慶地質(zhì)災(zāi)害氣候性誘發(fā)機(jī)理，筆者重點(diǎn)對(duì)重慶地區(qū)1950年以來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害及氣候資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展研究重慶氣候性地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)機(jī)理。其中，氣象資料來(lái)自《重慶統(tǒng)計(jì)年鑒》[9]及重慶市沙坪壩氣象局監(jiān)測(cè)資料；地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)來(lái)自《重慶市人民政府公報(bào)》及重慶市國(guó)土資源和房屋管理局資料，并按災(zāi)種、年表、地點(diǎn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行詳細(xì)分類(lèi)，在統(tǒng)計(jì)中分山崩、地面裂縫、地面變形、地震和山移等5種類(lèi)型。在災(zāi)種歸類(lèi)過(guò)程中，將地陷劃歸為地面變形，并將同一時(shí)間各災(zāi)種引發(fā)的派生地質(zhì)災(zāi)害并入其中，避免重復(fù)計(jì)算。如將地震派生出的地震山崩、地震地裂、地震地陷等災(zāi)害只歸類(lèi)為地震災(zāi)害，而不另行計(jì)算。

氣候資料的分析采用國(guó)際氣象學(xué)流行的百分位法[10]，地質(zhì)災(zāi)害頻數(shù)采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法并結(jié)合5年滑動(dòng)曲線(xiàn)平均法從不同的角度進(jìn)行分析。

2 地質(zhì)災(zāi)害氣候性誘發(fā)機(jī)理分析

2.1 1950年以來(lái)重慶氣溫特征分析

為了較完整的分析1950年以來(lái)重慶地區(qū)氣溫的變化規(guī)律，將氣溫朝前延伸25年進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如圖1。從氣溫5年滑動(dòng)平均曲線(xiàn)(圖1中粗曲線(xiàn))可以看出：在1925—2013年間重慶的年均氣溫經(jīng)歷了明顯的升溫-降溫-升溫3個(gè)階段，即：從20年代中期到50年代初期氣溫滑動(dòng)平曲線(xiàn)為波動(dòng)上升階段；50年代中期到80年代中期則呈現(xiàn)明顯的降溫階段；80年代中期至今則呈現(xiàn)極為明顯的升溫階段。也就是說(shuō)，重慶近百年來(lái)氣溫呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的以30年左右為周期的冷暖交替特征。以此規(guī)律為依據(jù)可以預(yù)測(cè)，在21世紀(jì)10年代中期將是重慶氣溫從一個(gè)升溫期進(jìn)入下一個(gè)降溫期轉(zhuǎn)折點(diǎn)，并于在21世紀(jì)40年代中期達(dá)到降溫低值。事實(shí)上，在統(tǒng)計(jì)分析重慶市氣溫變化中已發(fā)現(xiàn)，自2007年起，重慶市氣溫的增溫速率已開(kāi)始減小，并于2010年增溫速率首次出現(xiàn)負(fù)值。經(jīng)計(jì)算，2007年以前的20年中重慶市氣溫的增溫速率每10年達(dá)到了0.432 ℃，而2007—2013年增溫速率僅為0.179℃/10a。 大家熟悉的2008年中國(guó)南方特大冰雪凍災(zāi)，2009年11月至2010年1月低溫暴雪襲擊北半球，這些氣候事件筆者認(rèn)為均是放緩增溫逐漸過(guò)渡到冷周期的信號(hào)。

圖1 重慶年均氣溫曲線(xiàn)Fig. 1 Annual average temperature curve of Chongqing

雖然從氣候周期波動(dòng)規(guī)律上表明重慶自21世紀(jì)10年代將進(jìn)入下一個(gè)降溫期，但由于近30年氣溫的快速增長(zhǎng)使之處于近年來(lái)的最高溫度階段，且目前重慶氣溫仍舊以較微弱的增溫速率增長(zhǎng)，加之氣候冷暖交替往往有長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的過(guò)渡階段，因此，降溫氣候并不能立即減弱升溫事件發(fā)生的頻率與強(qiáng)度，而將呈現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的氣候 “兩極化”狀態(tài)。即：一是極端高溫事件和極端低溫事件的發(fā)生頻率與強(qiáng)度均將增大；二是在同一地區(qū)、不同時(shí)間呈現(xiàn)不同的極端天氣，或者在同一時(shí)間、不同地區(qū)呈現(xiàn)不同的極端天氣。如2014年4月重慶主城區(qū)白天34.5 ℃高溫，夜間卻下起冰雹。這些氣候現(xiàn)象為氣候性地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

2.2 1950年以來(lái)重慶降雨強(qiáng)度特征分析

降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生重要的氣候性影響因素。為了分析地質(zhì)災(zāi)害的氣候性誘發(fā)機(jī)理，將重慶市1951—2013年間重慶年均降水強(qiáng)度按照年際變化繪制標(biāo)準(zhǔn)化曲線(xiàn)(如圖2，圖2中虛直線(xiàn)為線(xiàn)性擬合曲線(xiàn)，曲線(xiàn)為三項(xiàng)式擬合曲線(xiàn))，以分析重慶市的降雨強(qiáng)度變化特征。

從擬合曲線(xiàn)變化趨勢(shì)來(lái)看，1950年以來(lái)，重慶市降水強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的先降后增特征，即：50年代到80年代降雨強(qiáng)度都處于下降趨勢(shì)，自90年代以后降水強(qiáng)度開(kāi)始上升，特別在進(jìn)入21世紀(jì)后上升幅度顯著。從現(xiàn)有的降雨強(qiáng)度趨勢(shì)曲線(xiàn)可以看出，同氣溫變化規(guī)律類(lèi)似，重慶地區(qū)降水強(qiáng)度每隔約30年有一次年代際周期震蕩，50年代到80年代的震蕩幅度較小，80年代后震蕩幅度較為強(qiáng)烈。因此，可預(yù)測(cè)今后重慶地區(qū)的降水強(qiáng)度將呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢(shì)。

圖2 重慶市降雨強(qiáng)度的時(shí)間變化Fig. 2 Temporal variation of rainfall intensity in Chongqing

2.3 1950年以來(lái)重慶地質(zhì)災(zāi)害與氣候耦合特征分析

為了分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生隨時(shí)間的變化規(guī)律，現(xiàn)將災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間投影到以時(shí)間為橫坐標(biāo)的統(tǒng)計(jì)圖中以形成地質(zhì)災(zāi)害頻數(shù)—時(shí)間圖(圖3)。從圖中可以看出，從50年代至80年代中期重慶地質(zhì)災(zāi)害滑動(dòng)平均曲線(xiàn)(圖3中粗曲線(xiàn))較為緩和，80年代中期以后，曲線(xiàn)開(kāi)始陡增，且增加趨勢(shì)不斷加劇，表明重慶在這一時(shí)期地質(zhì)災(zāi)害不斷增加，呈現(xiàn)出較為活躍的態(tài)勢(shì)。

對(duì)比重慶地區(qū)氣溫變化特征圖(圖1)、降雨強(qiáng)度時(shí)間變化圖(圖2)與地質(zhì)災(zāi)害頻數(shù)-時(shí)間圖(圖3)可以發(fā)現(xiàn)，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)與氣候的變化密切相關(guān)，二者在一定程度上具有相同的變化趨勢(shì)，即地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)期出現(xiàn)在氣候的升溫階段，地質(zhì)災(zāi)害低發(fā)期則出現(xiàn)在氣候的降溫階段。在2008年以后，重慶地質(zhì)災(zāi)害呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，而氣溫則自2007年起，增溫速率已開(kāi)始衰減過(guò)渡進(jìn)入降溫階段，且地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較氣溫變化具有一定的滯后性，這說(shuō)明氣溫變化對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的影響不容忽視，二者在時(shí)間序列呈現(xiàn)出較好的耦合性特征。

圖3 重慶市地質(zhì)災(zāi)害時(shí)間——頻數(shù)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 3 Statistical histogram of geological disaster time-frequency in Chongqing

2.4 地質(zhì)災(zāi)害氣候性誘發(fā)機(jī)理分析

從前面分析可知，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與氣候變化具有密切的關(guān)系，是氣候變化的外在響應(yīng)。隨著全球氣候的變暖，重慶氣溫自20世紀(jì)80年代末期進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，引起極端氣候事件發(fā)生頻率增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1997年到2011年僅15年間，重慶就發(fā)生了9起強(qiáng)度較大的極端氣候事件(具體情況詳見(jiàn)表1)，引發(fā)了較為嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

表1 重慶市極端氣候與地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of extreme climatic and geological disaster in Chongqing

從表1中可以看出，氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生十分重要，極端氣候事件往往在年內(nèi)或年際間進(jìn)行疊加以災(zāi)害鏈形式出現(xiàn)，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出強(qiáng)弱交替的變化特征，即在極端高溫干旱的年份，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生的頻數(shù)低于正常年份的平均地災(zāi)數(shù)，隨著次年的多雨洪澇氣候的發(fā)生，地質(zhì)災(zāi)害便以數(shù)倍甚至數(shù)十倍的速率增長(zhǎng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)正常年份的平均值。這說(shuō)明氣候特別是極端氣候?qū)Φ刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有重要的誘發(fā)作用。

年內(nèi)疊加多為極端高溫事件與極端干旱事件疊加，形成當(dāng)年的極端高溫干旱災(zāi)害鏈，如1997年、2001、2006、2010及2011年，其極端高溫指數(shù)均高于1995—2013年間均值，而降水指數(shù)均低于平均值。因此，由于高溫氣候的作用，導(dǎo)致工程巖土體內(nèi)水體的蒸發(fā)，含水量降低，在一定程度上增加了土顆粒之間的摩擦強(qiáng)度，提高了巖土體的抗剪強(qiáng)度，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有抑制作用，再加上極端高溫干旱年降水偏少，因而雨水的誘發(fā)作用減弱，進(jìn)而導(dǎo)致該年份低于正常年份的平均數(shù)。

年際疊加多為極端高溫干旱事件與極端降水事件在年際間疊加，如某年為高溫干旱年，次年便為洪澇年，形成相鄰年份的旱澇交替災(zāi)害鏈，如1997年和1998年、2001年和2002年、2006年和2007年，引起地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)呈現(xiàn)出弱強(qiáng)交替的變化特征。在高溫干旱年份，同氣候年內(nèi)疊加誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害機(jī)理類(lèi)似，高溫事件降低了巖土體的含水量，增加了巖土體顆粒間的摩擦強(qiáng)度，提高了巖土體的抗剪強(qiáng)度，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有抑制作用，但隨著持續(xù)的高溫干旱，造成氣溫影響深度、強(qiáng)度增大，裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展進(jìn)一步增強(qiáng)，引起巖土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，為來(lái)年的洪澇降雨的作用創(chuàng)造了條件。次年極端洪澇降雨氣候發(fā)生時(shí)，由于上年形成的裂縫滲流較弱，降雨或融化水基本全部被裂縫容納，引起土體顆粒間的摩擦強(qiáng)度以及潛在的滑坡體(或崩塌體)與穩(wěn)定巖土體之間的抗拉強(qiáng)度降低，裂縫急劇發(fā)展，滑坡體或崩塌體產(chǎn)生壓碎、錯(cuò)位和外鼓等現(xiàn)象，進(jìn)而引起地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生。因此，上年的極端高溫干旱創(chuàng)造的裂縫等現(xiàn)象為次年的極端降雨的水的作用提供了條件，二者疊加成為次年洪澇降雨年份地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要推力。

從以上分析可以知，重慶的環(huán)境氣溫特別是極端持續(xù)高溫是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生不可忽略的重要因子，其不僅改變巖土體在不同時(shí)間段的三相組成，更為重要的是改變巖土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從宏觀上表現(xiàn)為抑制或誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，而降雨氣候因子則是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素，在氣候性地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素中起決定性的作用。高溫干旱與降雨氣候事件的疊加作用則成為地質(zhì)災(zāi)害急劇發(fā)生主要推力，在工程防災(zāi)和減災(zāi)中應(yīng)引起足夠的重視。因此，不僅要采取措施應(yīng)對(duì)單個(gè)極端高溫干旱、極端低溫事件和極端降水事件，更應(yīng)該警惕極端氣候疊加效應(yīng)引發(fā)的災(zāi)害鏈問(wèn)題。

3 結(jié) 論

通過(guò)筆者的研究分析，初步得出以下結(jié)論：

1)重慶近百年來(lái)氣溫因子呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的以30年左右為周期的冷暖交替特征。

2)1950年以來(lái)，重慶市極端降水強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的先降后增特征，大約以30年一次年代際震蕩周期，50年代到80年代的震蕩幅度較小，80年代后震蕩幅度較為強(qiáng)烈。

3)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生頻數(shù)與氣候的變化密切相關(guān)，二者在一定程度上具有相同的變化趨勢(shì)，而且地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻數(shù)與氣候的升、降溫期在時(shí)間序列上呈現(xiàn)出較好的耦合性。

4)環(huán)境氣溫特別是極端持續(xù)高溫不僅改變巖土體在不同時(shí)間段的三相組成，更為重要的是改變巖土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，從宏觀上表現(xiàn)為抑制或誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害；降雨氣候因子軟化了巖土體并降低了其抗剪強(qiáng)度，降低了災(zāi)害體與穩(wěn)定巖土體之間的抗拉強(qiáng)度，成為誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要影響因素，在氣候性地質(zhì)災(zāi)害中起到?jīng)Q定性的作用。而二者的疊加作用則成為地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的主要推力，在工程防災(zāi)和減災(zāi)中應(yīng)引起足夠的重視。

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ClimaticallyInducedMechanismofGeologicalDisastersinChongqing

HUANG Mingkui, MA Lu

(School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China)

Unusual climate has been one of the main problems for global environmental protection, engineering construction and operation today, and it is also one of the main factors that induced the geological disasters in mountainous areas. Chongqing is one of the most severe areas that generate geological disasters in China. To study the climatically induced mechanism of geological disasters in Chongqing, the climatic change characteristics, such as atmospheric temperature and rainfall intensity, and the coupling features of the geological disaster and climatic change were analyzed, which was based on the meteorological and geological disasters data since 1950 in Chongqing. Then, the climatically induced mechanism of geological disasters in Chongqing was studied. The results reveal the law of the geological disasters induced by climatic change especially extreme climate. The results also provide the technical reference for forecasting, preventing and treating geological disasters.

geological engineering; geological disaster; climatic change; coupling; induced mechanism

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.11.13

2016-04-25；

2016-07-12

重慶市教委基金資助項(xiàng)目(2019501129)

黃明奎(1975—)，男，四川隆昌人，博士后，教授，主要從事隧道及巖土工程方面的教學(xué)研究工作。E-mail: hmksmile@163.com。

P694

A

1674-0696(2017)11-066-05

(責(zé)任編輯：朱漢容)