孫 瑜，韋 瑋，王寶亮，李宏俊

(1.四川省核工業(yè)地質(zhì)調(diào)查院，四川 成都610061；2.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610000； 3.云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院，云南 昆明652501)

四川地跨中國(guó)Ⅰ、Ⅱ級(jí)地貌臺(tái)階，地質(zhì)環(huán)境較為脆弱，屬于全國(guó)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育最嚴(yán)重的省份之一，近年極端天氣成頻發(fā)、多發(fā)、高發(fā)態(tài)勢(shì)，地質(zhì)災(zāi)害防治工作形勢(shì)嚴(yán)峻。降雨是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害失穩(wěn)的“元兇”之一[1-2]，尤其對(duì)滑坡、崩塌之類(lèi)的斜坡地質(zhì)災(zāi)害的形成起決定性作用。

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展研究滑坡和降雨量的關(guān)系，已提出不同的滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)方法[3-7]。研究發(fā)現(xiàn)，滑坡失穩(wěn)破壞在過(guò)程降雨量和降雨強(qiáng)度兩個(gè)參數(shù)中，均存在臨界值[8]，當(dāng)某次降雨發(fā)生時(shí)，其累計(jì)降雨量或降雨強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)其臨界值，極可能導(dǎo)致滑坡災(zāi)害成群出現(xiàn)。本文選擇四川丘陵區(qū)遂寧市船山區(qū)為研究區(qū)，應(yīng)用氣象-地質(zhì)耦合模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警分析。

船山區(qū)地處涪江中游，位于四川盆地腹心，境內(nèi)溝谷迂回，丘包群立，寬緩展布，屬于四川盆地典型的因構(gòu)造剝蝕而成的丘陵景觀(guān)，涪江兩岸大量分布河流堆積階地。研究區(qū)位于新華夏系第三沉降帶，地處四川沉降褶皺帶之川中褶皺帶內(nèi)，其構(gòu)造特點(diǎn)表現(xiàn)為以褶皺為主，構(gòu)造形跡主要為近東西向，褶皺寬闊平緩，區(qū)域上表現(xiàn)為排列有序的箕狀向斜和鼻狀背斜。境內(nèi)主要出露中生界侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、上統(tǒng)遂寧組(J3s)和蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，以及第四系全新統(tǒng)(Q4)地層，基巖主要為近水平狀的紅色泥巖、砂巖。全區(qū)處于四川盆地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛，氣候溫和，季風(fēng)氣候顯著，具有冬暖春早、夏熱秋涼、云霧多、日照少、無(wú)霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)。船山區(qū)多年平均氣溫為17.6℃，每年降雨主要發(fā)生在4—10月，占全年降水量的74.6%。

1 降雨與滑坡的關(guān)系

根據(jù)對(duì)2001—2020年船山區(qū)降雨資料分析，區(qū)內(nèi)多年平均降雨量約982.8 mm，常年降雨量549.8～1 311.0 mm，最大日降水量50.2～323.7 mm。通過(guò)分析該區(qū)近年開(kāi)展的多次地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查、排查及核查資料，收集當(dāng)?shù)馗餍袠I(yè)管理的相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，得到區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害隱患點(diǎn)歷年變化情況(表1)。

通過(guò)分析歷年滑坡失穩(wěn)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的當(dāng)日降雨量和月累計(jì)降雨量數(shù)據(jù)，可以編繪對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)滑坡數(shù)量與日最大降雨量關(guān)系圖(圖1)、失穩(wěn)滑坡數(shù)量與月累計(jì)降雨量關(guān)系圖(圖2)。

表1 船山區(qū)2001—2020年的降水量和滑坡統(tǒng)計(jì)表

圖1 日最大降雨量與失穩(wěn)滑坡數(shù)量關(guān)系圖

圖2 月累計(jì)降雨量與失穩(wěn)滑坡發(fā)生數(shù)量關(guān)系圖

1.1 滑坡頻度與最大單日降雨量的關(guān)系

從圖1可以看出，船山區(qū)日最大降雨量在30～80 mm之間所引起的滑坡數(shù)量較多，在日最大降雨量超過(guò)190 mm后滑坡失穩(wěn)數(shù)量達(dá)到峰值。在一般年份下，滑坡多發(fā)生在日降雨量位于20～50 mm之間。位于圖1上方的兩個(gè)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)2013年6月30日和2013年7月1日的兩次較大的降雨事件，相應(yīng)的單日降雨量分別為323.7 mm和197.1 mm，其引發(fā)的滑坡數(shù)量最多。

1.2 滑坡頻度與月累計(jì)降雨量的關(guān)系

從圖2可以看出，船山區(qū)滑坡多發(fā)生在月累計(jì)降雨量超過(guò)100 mm時(shí)，而累計(jì)降雨量達(dá)到330 mm時(shí)，失穩(wěn)滑坡數(shù)量達(dá)到峰值。

參考陳偉[8]的框架：降雨誘發(fā)滑坡與前期降雨以及當(dāng)日降雨關(guān)系密切。本文選用滑坡失穩(wěn)破壞前3 d期降水量(R3)和當(dāng)日降水量(R0)作為預(yù)警預(yù)報(bào)參數(shù)，由于船山區(qū)內(nèi)各雨量站建站時(shí)間不一，控制范圍有限，并不能完全反映滑坡失穩(wěn)處局地實(shí)際降水量，基于偏安全考慮[8]，將圖3中左下角位于滑坡點(diǎn)總數(shù)10%的邊界作為滑坡發(fā)生概率為10%的下包絡(luò)線(xiàn)，將此下包絡(luò)線(xiàn)做平行線(xiàn)移至上方包括滑坡點(diǎn)總數(shù)90%的位置，此線(xiàn)作為上包絡(luò)線(xiàn)，根據(jù)上、下包絡(luò)線(xiàn)中間區(qū)域滑坡數(shù)據(jù)分布的離散特征，以包羅盡量多的高頻降雨量激發(fā)的滑坡點(diǎn)數(shù)據(jù)為原則，確定滑坡發(fā)生概率Pro=50%對(duì)應(yīng)界線(xiàn)[9]，相應(yīng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

圖3 船山區(qū)滑坡降雨預(yù)警模型

表2 滑坡不同發(fā)生概率對(duì)應(yīng)R0、R3值

2 滑坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警設(shè)置建議

2.1 不同設(shè)計(jì)頻率最大暴雨量

船山區(qū)年最大1/6 h、1 h、6 h、24 h點(diǎn)雨量均值和變差系數(shù)主要來(lái)源《四川省暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖集(川水發(fā)[2010]15號(hào))》，結(jié)合Cs=3.5Cv的皮爾遜Ⅲ型曲線(xiàn)的分析，獲取不同頻率對(duì)應(yīng)的模比系數(shù)，從而計(jì)算得出不同設(shè)計(jì)頻率對(duì)應(yīng)最大暴雨量(表3、表4)。

表3 不同時(shí)間段設(shè)計(jì)降雨量基礎(chǔ)參數(shù)

2.2 滑坡預(yù)警

滑坡預(yù)警應(yīng)結(jié)合滑坡隱患點(diǎn)的基本地質(zhì)特征、形成機(jī)制及發(fā)展變化趨勢(shì)，在全面統(tǒng)籌考慮的基礎(chǔ)上，合理確定有效預(yù)測(cè)參數(shù)[10-12]。通常情況下，淺表層位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是滑坡隱患預(yù)測(cè)的基本參數(shù)，降雨量、地下水動(dòng)態(tài)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)屬于滑坡隱患預(yù)測(cè)的表征參數(shù)。同時(shí)，滑坡預(yù)警亦需全面考慮宏觀(guān)前兆變形現(xiàn)象。

(1)預(yù)警模型?；骂A(yù)警模型建立和預(yù)警判據(jù)確定，建議參照以下方法和原則：

①合理建立適宜的滑坡地質(zhì)模型，輔以科學(xué)的監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)內(nèi)容，確定有針對(duì)性的滑坡預(yù)警模型。

②積極建立工程地質(zhì)類(lèi)比分析、決策樹(shù)、層次分析、邏輯回歸、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)和隨機(jī)森林等數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行多因子和多模型的綜合評(píng)判，保證滑坡預(yù)警的準(zhǔn)確度。

③滑坡預(yù)警模型建立后，積極利用已獲取歷史上的滑坡失穩(wěn)監(jiān)測(cè)資料，進(jìn)行反演分析，并檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m宜性和有效性，最后確定相應(yīng)的滑坡災(zāi)害預(yù)警判據(jù)。

④通過(guò)對(duì)宏觀(guān)地表變形跡象、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)分析，以及區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)的綜合研判，參考地表位移、位移變形速率和位移加速度等監(jiān)測(cè)結(jié)果，從而確定滑坡預(yù)警模型，最后確定四級(jí)預(yù)警的相關(guān)指標(biāo)。

⑤通過(guò)不同類(lèi)型預(yù)警指標(biāo)獲取相應(yīng)參數(shù)來(lái)確定預(yù)警等級(jí)存在差異性，預(yù)警結(jié)果應(yīng)結(jié)合上述參數(shù)綜合判定。

滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型可見(jiàn)圖4。

(2)預(yù)警方案。監(jiān)測(cè)階段主要結(jié)合滑坡誘發(fā)因素和變形失穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，采用地表裂縫位移監(jiān)測(cè)、降雨量監(jiān)測(cè)[13-16]。按坡體變形破壞的變形特點(diǎn)、發(fā)展階段及可能發(fā)生的時(shí)間，可將滑坡預(yù)警監(jiān)測(cè)概括為四類(lèi)[17]：Ⅰ級(jí)(警報(bào))、Ⅱ級(jí)(警戒)、Ⅲ級(jí)(警示)、Ⅳ級(jí)(注意)?；谛逼伦冃窝莼A段理論進(jìn)行預(yù)警分級(jí)(圖5)。

表4 不同設(shè)計(jì)頻率最大暴雨量計(jì)算表

圖4 滑坡地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警模型

圖5 滑坡變形的三階段演化圖

①Ⅰ級(jí)(警報(bào))：滑坡處于臨界變形狀態(tài)，如圖5所示DE段，短期臨滑前變形征兆特征極為顯著，在數(shù)小時(shí)或數(shù)日內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)的概率極大。由警報(bào)降雨量、變形位移、變形速度、變形加速度等指標(biāo)確定。降雨量達(dá)到警報(bào)雨量閾值，同時(shí)參考位移參數(shù)變化情況確定。采取措施：組織應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)伍，第一時(shí)間撤離危險(xiǎn)區(qū)和影響區(qū)的所有人員，并對(duì)相關(guān)區(qū)域進(jìn)行交通管制。

②Ⅱ級(jí)(警戒)：滑坡處于初始加速變形階段，如圖5所示CD段，局部地段出現(xiàn)滑坡宏觀(guān)變形前兆特征，在數(shù)日內(nèi)或數(shù)周內(nèi)發(fā)生破壞的概率較大。由警報(bào)降雨量、變形位移、變形速度、變形加速度等指標(biāo)確定。降雨量達(dá)到相應(yīng)的警報(bào)雨量閾值，并結(jié)合地表位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況綜合確定。采取措施：增大所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)頻率，啟動(dòng)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，劃定滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)和影響區(qū)，組織危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的所有人員迅速撤離避讓?zhuān)?duì)滑坡危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行交通管制。

③Ⅲ級(jí)(警示)：滑坡處于勻速變形階段，如圖5所示BC段，坡體出現(xiàn)明顯變形，在數(shù)月或1年內(nèi)發(fā)生破壞的概率很大。由警報(bào)降雨量、變形位移、變形速度、變形加速度等指標(biāo)確定。降雨量達(dá)到相應(yīng)的警報(bào)雨量閾值，并結(jié)合地表位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況綜合確定。采取措施：組織專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)人員進(jìn)行專(zhuān)業(yè)加密監(jiān)測(cè)。

④Ⅳ級(jí)(注意)：滑坡處于初始變形階段，如圖5所示AB段，1年內(nèi)發(fā)生破壞的可能性不大。由警報(bào)降雨量、變形位移、變形速度、變形加速度等指標(biāo)確定。降雨量達(dá)到相應(yīng)的警報(bào)雨量閾值，并結(jié)合地表位移監(jiān)測(cè)指標(biāo)變化情況綜合確定。采取措施：加強(qiáng)群測(cè)群防工作，并制定應(yīng)急預(yù)案。

根據(jù)滑坡變形各類(lèi)相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)參數(shù)達(dá)到某一預(yù)警等級(jí)值或情況時(shí)，按“就高不就低”的原則，賡即啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)警預(yù)案。根據(jù)船山區(qū)實(shí)際情況，降雨量作為首要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，當(dāng)小時(shí)降雨量、日降雨量、累計(jì)降雨量達(dá)到預(yù)警值時(shí)，即可確定相應(yīng)預(yù)警等級(jí)；此外，地表裂縫位移監(jiān)測(cè)作為次要監(jiān)測(cè)指標(biāo)，同時(shí)考慮雨水等的影響；在上述基礎(chǔ)上，結(jié)合滑坡隱患點(diǎn)群測(cè)群防監(jiān)測(cè)員獲取的實(shí)時(shí)情況相應(yīng)啟動(dòng)適宜的預(yù)警等級(jí)。綜合上述情況，當(dāng)?shù)卣畱?yīng)及時(shí)組織專(zhuān)家、政府管理人員進(jìn)行會(huì)商，啟動(dòng)相應(yīng)的滑坡應(yīng)急預(yù)案，重點(diǎn)是優(yōu)先級(jí)應(yīng)急預(yù)案。

(3)預(yù)警閾值。根據(jù)表3至表5獲取的降雨相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合船山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控機(jī)制，提出相應(yīng)的滑坡災(zāi)害隱患點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值，按照“一點(diǎn)一策”的原則調(diào)整單點(diǎn)的降雨閾值?；骂A(yù)警等級(jí)同時(shí)結(jié)合“船山區(qū)近年開(kāi)展的地質(zhì)災(zāi)害自動(dòng)化實(shí)時(shí)專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)體系建設(shè)項(xiàng)目”監(jiān)測(cè)預(yù)警閾值參數(shù)確定(表5)。

3 結(jié)論和討論

(1)遂寧市船山區(qū)內(nèi)發(fā)育的滑坡失穩(wěn)與降雨關(guān)系密切，尤其是滑坡失穩(wěn)破壞前3 d期降水量(R3)和當(dāng)日降水量(R0)，可以作為滑坡失穩(wěn)的主要判識(shí)參數(shù)。

(2)基于20年歷史降雨數(shù)據(jù)分析，初步建立滑坡降雨相關(guān)預(yù)警模型，獲取滑坡在不同發(fā)生概率時(shí)對(duì)應(yīng)的R0、R3值，結(jié)合不同設(shè)計(jì)頻率最大暴雨量計(jì)算結(jié)果，綜合考慮從地質(zhì)成因機(jī)制分析得出的滑坡不同變形階段的破壞特征，提出船山區(qū)滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警模型、預(yù)警方案和預(yù)警閾值，有助于指導(dǎo)當(dāng)?shù)鼗聻?zāi)害防御和主動(dòng)避災(zāi)防災(zāi)。

(3)鑒于滑坡失穩(wěn)受多因素控制，基于氣象降雨模型的監(jiān)測(cè)預(yù)警未全面納入全部滑坡影響因子，上述監(jiān)測(cè)預(yù)警方案在接下來(lái)的地質(zhì)災(zāi)害防治實(shí)踐中，仍需結(jié)合每年實(shí)際新增的滑坡災(zāi)害隱患情況，進(jìn)行相應(yīng)修正，提高預(yù)警精度，才能達(dá)到有效服務(wù)于船山區(qū)滑坡災(zāi)害預(yù)警的目的。

表5 滑坡監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)表劃分