馬秀梅,劉曉燕,代青措,馬 瓊

(1.青海省氣象臺,青海 西寧 810001； 2.青海省氣象災害防御技術中心，青海 西寧 810001；3.青海省氣象服務中心，青海 西寧 810001)

地質災害是由內因和外因多重影響產生的龐雜物理過程。地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質、植被覆蓋等稱為內因；自然要素和人為要素稱為外因。驟然發(fā)生的地質災害主要是由氣象引起的，高強降雨是引起地質災害的癥結所在。滑坡、泥石流等地質災害研究成為當下全球關注的重要問題，自1990年代始很多學者針對地質災害和降雨的關系開展研究分析工作，而由于局部暴雨型強降雨的預報難度大、準確率低，同時引起地質災害的可能性高，突發(fā)性強，給地質災害預警工作造成很大困難。傳統(tǒng)的地質災害預警在準確度和實時性存在很大落后性，因此對局地高強度降雨的地質災害特征分析稱為氣象科研人員的研究熱點。

過去國內外一些專家對局部高強度降雨引起的地質災害的特征分析上存在一些問題，如劉艷輝等[1]中采用基于“命中率、漏報率和空報率”三指標的地質災害預警校驗方法，但預警區(qū)空報率偏高導致預警檢驗結果誤差較大；仇開莉等[2]中研究工作以地面綜合調查為主,而降雨條件是引發(fā)地質災害的主要因素，缺乏對降雨問題的深入研究，分析結果需要進行大量驗證；趙鵬等[3]中運用統(tǒng)計方法，從空間和時間角度對渝東北地質災害進行剖析，但是僅針對渝東北地區(qū)的地質條件進行分析，具有片面性。

針對以上文獻出現的弊端，文章提出基于局部高強度降雨的地質災害特征分析方法，其將雨量閾值和預警判據圖相結合，對局部高強度降雨的地質災害特征進行全面分析。

1 局部高強度降雨的地質災害特征分析

1.1 地質災害的雨量閾值算法

通過查閱觀測和統(tǒng)計資料得知，臨界雨量閾值是判別地質災害特征時的重要因素之一。雨量閾值也稱降雨下限方法，根據誘發(fā)地質災害的歷史降雨記錄實行總結研究從而判定引起地質災害的雨量閾值[4]，并用來描述實時降雨觀測的參照值對發(fā)生地質災害的時間進行預警[5]。想要獲取引起地質災害的臨界降雨量需要把引起地質災害的降雨因素繪制在笛卡兒坐標、半對數坐標和雙對數坐標中，數據部分的下部接線即為閾值。

通過降雨強度、持續(xù)時間和平均降雨量等指標設立的地質災害臨界組合判別式是閾值法的關鍵方法。指標詳情如以下公式所述。

降雨強度-歷時閾值也稱ID法：

I=c+bDa。

(1)

式中：I表示降雨開始到產生地質災害時的平均降雨強度(mm/h)；降雨歷時用D描述，表示降雨的持續(xù)時間(h);參數分別用a,b,c來描述，并且c≥0。

表1 地質災害雨量閾值

由于地質條件的差異，引起地質災害的雨量閾值也不相同，為了使閾值曲線圖更加清晰完整，使用平均年降雨量也簡稱MAP法對降年雨量的閾值進實行規(guī)格化[6]，則計算公式為：

IMPA=c+bBa。

(2)

式中：MPA代表平均年降雨量，在雨量觀測站的記載歷史中可以得到，其體現了該地區(qū)的氣候特征(mm)；降雨歷時用D描述(h)；IMPA代表規(guī)格化后的降雨強度，通過降雨強度除以平均年降雨量得出，即IMPA=I/MAP，其單位是1/h；參數用a，b，c來描述。

通過公式(1)和公式(2)得出的降雨量來獲取產生地質災害時的雨量閾值，有關降雨量的常用物理量分為日降雨量、前期降雨量、過程累積雨量、規(guī)格化的過程降雨量。由于地質災害本身具有滯后性[7]，其中過程累計雨量和降雨歷時結合后的雨量計算為:

E=c+bDa。

(3)

式中：過程累計雨量用E來描述，D是降雨歷時，參數是a，b，c。若a的值是1的時候，則E用D的分段函數來描述。

不一樣的地質災害雨量閾值也是有所差異[8]，滑坡是地質災害的最常見的類型，受雨量多少的影響并不大；泥石流在大暴雨或特大暴雨等強降雨影響下容易產生[9]，雨量的判斷尤為重要，且影響面大、災情嚴重；崩塌或塌陷一般是發(fā)生在持續(xù)降雨過程累計雨量多的時候[9]。具體特征分類如表1所示。

1.2 預警判據圖

基于以上小節(jié)所述，通過雨量閾值對地質災害進行判別，然后結合預警判據圖對局部高強度降雨的地質災害特征分析[10]。有關規(guī)定表明，全國地質災害預警通常分為以下5個等級[11]：一級：可能性很??；二級：可能性較?。蝗墸嚎赡苄暂^大；四級：可能性大；五級：可能性很大；省級地質災害氣象預警分為以下3個等級：三級：可能性較大，預報級(黃色)；四級：可能性大，預警級(橙色)；五級：可能性很大，警報級(紅色)。

想要獲取某地區(qū)未來1,2,3,…,n日里的氣象預報每個等級的降雨區(qū)間值(n通常不大于15 d)[12]，需要構建預警判據圖；統(tǒng)一規(guī)定引起地質災害的臨界降雨量閾值為α線和β線，預警等級是1～2級時稱為不預報區(qū)，是在α線以下的A區(qū)，預警等級是3～4級時稱為預報或預警區(qū)，是在α～β線的B區(qū)，當預報等級是5級的時候，即是警報區(qū)[13]，處于β線之上的C區(qū)。詳情如圖1所示。

圖1 預警判據原理示意圖

2 實驗分析

為了驗證本文提出新的局部高強度降雨的地址災害特征分析方法的有效性，實驗以長江三峽庫區(qū)為例進行地質災害分析實驗(圖2)，在梅雨(6-7月)季節(jié)，長江三峽庫區(qū)降雨量多，是我國受到降雨產生的地質災害次數頻繁具有代表性的地域。依據地質、地貌和氣候因素，把齊岳山設成界限，把三峽庫區(qū)區(qū)分成A區(qū)和B區(qū)，奉節(jié)往西是A區(qū)，奉節(jié)往東是B區(qū)，進行局部地質災害特征分析。

圖2 三峽庫區(qū)月均災害次數和月均降雨量

因為雨量站和災害點相隔甚遠，站點觀測的雨量和發(fā)生災害的地方實際雨量數據不符，本文方法通過雨量閾值的方法進行判別減小偏差[14]，由于滑坡本身具有滯后性，因此4 d內雨量超過50 mm的災害點也一起計算。因此提取出相符的有關災害點一共110處，其中A區(qū)89處，B區(qū)21處。

A、B區(qū)的臨界降雨引起的地質災害特征有所差異，A區(qū)出現災害的時間以2000、2004、2010、2012年內為主；B區(qū)主出現災害的時間以2001、2005、2008、2014年為主。依據A、B區(qū)的概況標繪處災害點降雨量散點圖，通過散點排列情況，并把災害點整體情況呈現出來為主[15]，提取出現災害時降雨量上下限擬合曲線，詳情見表2、圖3和圖4。

表2 三峽庫區(qū)地質災害預警上、下限降雨量

圖3 A區(qū)氣象預警判據圖

圖4 B區(qū)氣象預警判據圖

本文方法通過表1中的雨量閾值上下限數據，以及降雨歷時每個時間段的降雨量通過歷時閾值也稱ID法進行計算可以判斷出可能造成地質災害的降雨強度，得出A、B區(qū)災害點的預警判據圖(圖3和圖4)，根據圖3、圖4可實時根據降雨量和時間來預判可能產生的地質災害類型，從而進行提前預警等措施。

為了使預警提示更加準確，實驗把依據滑坡泥石流和降雨關聯的每種科技文獻和研究報告中提取的三峽庫區(qū)42處災害點降雨量數據進行整合繪制，和預警判據圖結合應用。

通過以上所述，由于需要考慮到災害發(fā)生具有滯后性，本文方法獲取到三峽地區(qū)第2 d的降雨量預報值后，對出現地質災害的可能性進行預警判斷，并與判據圖進行結合使用，獲取A區(qū)以及B區(qū)地質災害點日降雨量以及前期降雨量情況，詳情見圖5、圖6、圖7、圖8。

圖5 A區(qū)災害點日降雨量散點圖

圖6 A區(qū)災害點前期降雨量散點圖

圖7 B區(qū)災害點日降雨量散點圖

圖8 B區(qū)災害點前期降雨量散點圖

通過圖5、圖6、圖7、圖8可知采用本文方法得出的三峽地區(qū)A、B局部地區(qū)在高強度降雨的影響下地質災害的分布特征，將圖5和圖6結合可以看出在在高強度降雨的影響下，A區(qū)的災害點隨著降雨量的增多也隨之增多，前期降雨量超過200 mm后造成的災害點本身具有滯后性，持續(xù)強降雨后導致當日地質災害點在降雨100 mm后便出現多數地質災害。將圖7和8結合可以看出在高強度降雨的影響下B區(qū)的災害點前期的降雨量大于當日降雨量，前期產生的災害點在對當日也產生潛在的災害。

由以上實驗可以看出，本文方法分析得出隨著降雨量的增大和降雨歷時的持續(xù)，實驗地區(qū)地質災害的暴發(fā)率也隨之增大，且具有滯后性、群發(fā)性和同時性特征，分布密集，本文方法實現了局部高強度降雨的地質災害特征的全面分析，具有重要的應用價值。

3 結論

文章提出基于局部高強度降雨的地質災害特征分析方法，通過降雨強度、持續(xù)時間和平均降雨量等指標設立的地質災害臨界組合判別式，使用歷時閾值也稱ID法對降雨強度進行判別。由于地質條件的差異性導致閾值的不同，使用平均年降雨量也簡稱MAP法對降年雨量的閾值進實行規(guī)格化，考慮到地質災害本身具有滯后性，使用過程累計雨量和降雨歷時結合后對雨量進行計算得出致災雨量閾值，結合預警判據圖對局部高強降雨的地質災害分布進行特征分析。實驗通過本文方法對三峽地區(qū)在局部高強度降雨環(huán)境下的地質災害特征進行分析，通過雨量閾值判斷出地質災害點數，從而結合預警判據圖對局部高強度降雨后的地質災害進行特征分析，結果表明在三峽A、B區(qū)中，出現地質災害且具有滯后性、群發(fā)性和同時性等特征。