(1.湖北省地質局 第三地質大隊，湖北 黃岡 438000； 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質湖北省重點實驗室，武漢 430034；3.武漢工程大學 土木工程與建筑學院，武漢 430074)

1 研究背景

滑坡是我國的主要地質災害類型，是僅次于地震的第二大自然災害[1]。在各種自然因素引發(fā)的滑坡中，降雨型滑坡占比達到90%以上[2]，其發(fā)生的頻率最高，分布的地域最廣，造成的災害最嚴重，故開展區(qū)域性降雨型滑坡災害預警預報研究，是我國目前防災減災工作的客觀且緊迫的需求[3-4]。

黃岡地處我國南方亞熱帶大陸性季風氣候區(qū)，夏季高溫多雨，地質災害以滑坡為主，多分布于以山地丘陵地貌單元為主的中北部、東北部和丘陵崗地地貌單元為主的東南部[5]。特殊的氣候條件和地形地貌，使該地區(qū)成為湖北省小規(guī)模、降雨型滑坡的頻發(fā)區(qū)。

根據(jù)滑坡災害與降雨事件內在關聯(lián)性，通過區(qū)域降雨特征來開展大范圍滑坡災害的預報預警，是預防降雨型滑坡災害的重要途徑。其中，確定誘發(fā)降雨型滑坡的雨量閾值成為急需解決的問題[1，6]。目前關于滑坡與降雨關系的研究主要有2種方法：一是基于極限平衡穩(wěn)定性分析的確定性模型方法；二是基于滑坡和降雨歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析方法[7]。確定性模型的各項計算參數(shù)通常較難準確獲取，故對于區(qū)域性降雨滑坡關聯(lián)與響應分析，一般采用統(tǒng)計分析方法和經(jīng)驗閾值模型[1]。朱文慧等[8]基于滑坡特征統(tǒng)計分析時，發(fā)現(xiàn)黃岡地區(qū)滑坡特點以平緩淺層小型或中型堆積層滑坡為主，而該類型滑坡對降雨的響應過程更為敏感[9-10]，這為通過降雨量分析實現(xiàn)黃岡地區(qū)的滑坡災害預警預報提供了有力理論依據(jù)。

本文基于區(qū)域歷史滑坡災害數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計方法分析了黃岡地區(qū)滑坡災害與降雨量的關系，并著重分析了2016年滑坡與前期降雨量的關系，根據(jù)月平均降雨量、工程巖組和坡度對降雨型滑坡數(shù)量的貢獻率，實現(xiàn)對區(qū)內降雨型滑坡的分布分區(qū)，并針對各個易發(fā)區(qū)給出對應的滑坡臨界降雨量參考值。

2 研究區(qū)概況

黃岡市地處湖北省東部、大別山南麓、長江中游北岸，114°25′E—116°8′E，29°45′N—31°35′N，市域總面積1.74萬km2，共包括10個市轄區(qū)縣市。區(qū)內以山地、丘陵為主(分別占總面積的34.2%和43.3%)，地勢總體呈西南低東北高，北東為大別山低山丘陵，海拔普遍在500～800 m之間，主要分布在羅田縣與英山縣的絕大部分縣域和麻城市的東部區(qū)域；中部為丘陵崗地，海拔為100～250 m，南部為長江沖積平原，較為平坦[11]。其工程地質巖類主要包括變質巖、巖漿巖、松散土、碎屑巖和碳酸鹽巖5種。在空間上從東北向西南依次由巖漿巖、變質巖、松散土3類工程地質巖類組成，呈階梯分布，碎屑巖工程地質巖類則主要分布在變質巖與松散土的過渡區(qū)間。研究區(qū)屬亞熱帶大陸性季風氣候，江淮小氣候區(qū)。降水時空分布不均，年降水量在882～1 397 mm之間，其最小值出現(xiàn)在紅安縣，最大值出現(xiàn)在英山縣，梅雨期亦出現(xiàn)局地暴雨洪澇。

2.1 災害類型

黃岡市地質災害發(fā)育，截至2020年7月9日，統(tǒng)計到地質災害點共738處，主要包括滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷4大類。黃岡地區(qū)地質災害以滑坡為主，占總災害數(shù)的80.49%，其次為崩塌，占12.20%，其中由降雨因素引起的滑坡占86.10%。而在所有發(fā)生地質災害年份中，又以2016年發(fā)生的災害點最多，各類災害數(shù)達429起，僅該年的崩塌數(shù)就占到總崩塌數(shù)的42.22%，滑坡占到58.25%，而泥石流更是占到了81.40%。這與2016年發(fā)生的“6·19”和“6·30”兩次強降雨有著密切關系[5，8]。

圖1 黃岡市各地質災害點分布Fig.1 Distribution of disaster points in Huanggang City

2.2 災害分布

從黃岡市各地質災害點分布(圖1)可以發(fā)現(xiàn)，地質災害點在各縣市均有發(fā)生，主要分布在英山縣和羅田縣境內，分別占27.91%和18.43%。兩縣均位于湖北省東部的大別山區(qū)，區(qū)內以低山丘陵地形為主，中低山次之，地勢自東北向西南傾斜。英山縣北部大別山主峰——天堂寨，向東北延伸，構成了云峰頂、石鼓寨、五峰山、黃梅尖等一系列山峰，再向西分支為三列山脊，夾著東、西兩條大河，貫穿全境，形成“三山夾兩河”的基本輪廓[12]，平均坡度為17°。羅田縣境北部群山環(huán)抱，重巒疊障，1 000 m以上高山7座，其余山脈均在海拔300 m以上；中部地勢漸趨開闊，丘陵廣布，多為海拔200 m以下的呈波狀起伏的渾圓淺丘。全縣山脈以天堂寨為主體，分4支向南偏西方向延伸，縱貫全縣。兩縣特殊的地形地貌為各種地質災害的孕育、發(fā)生、發(fā)展提供了有利條件。

紅安、麻城和蘄春三縣市的地質災害數(shù)量相當，平均占總災害數(shù)的9.80%左右。區(qū)內山地、丘陵、平原兼具，且呈現(xiàn)多層次立體分布。地勢東北高、西南低，由東北向西南漸次傾斜，使得在過渡地帶易發(fā)生地質災害。黃州、團風、黃梅、浠水和武穴區(qū)內地貌格局多以丘陵、平原為主，地勢相對平緩，地質災害相對較少，各區(qū)域地質災害數(shù)占比在1.63%～6.91%之間。

整體上看，2016年各縣市的地質災害均顯著增加，其中紅安、羅田和團風增加最為明顯，該年災害數(shù)占總災害數(shù)的80%左右，武穴、黃州和浠水也都在60%左右。之前發(fā)生災害相對較少的地區(qū)，在2016年均發(fā)生較多地質災害，這足以表明降雨是黃岡地區(qū)地質災害發(fā)生的主控外部因素。

綜上，黃岡地區(qū)地質災害主要以滑坡為主，且因各縣市的地形地貌、降雨量等差異較大，災害發(fā)生的數(shù)量也相差甚遠。因此，開展黃岡地區(qū)滑坡影響因素及雨量關系研究，并將降雨型滑坡進行分區(qū)與雨量閾值分析，對黃岡地區(qū)滑坡災害的預防與精細化治理具有重要指導意義。

3 貢獻率分析與分區(qū)

3.1 影響因素對降雨型滑坡數(shù)量貢獻率分析

貢獻率分析法最早用于經(jīng)濟效益的評價，其原理是通過統(tǒng)計方法分析各影響因素對經(jīng)濟增長的貢獻程度。使用該方法從統(tǒng)計角度，可定量評價區(qū)域性降雨型滑坡的各影響因素貢獻程度，且能夠反映各影響因素與滑坡數(shù)量貢獻率之間的內在聯(lián)系[13-14]。

根據(jù)黃岡地區(qū)585處滑坡災害點數(shù)據(jù)資料，定量評價月平均降雨量(6、7月份平均值)、工程巖組和地形坡度3個因素與降雨型滑坡數(shù)量之間的關系。各降雨型滑坡影響因子區(qū)間(類)的滑坡數(shù)量貢獻率計算公式為

Qi(m)=Oi(m)/Nk。

(1)

式中：Qi(m)為各降雨型滑坡影響因子區(qū)間(類)的滑坡數(shù)量貢獻率；m為降雨型滑坡影響因子集，m∈(aj、bj、cj)，aj為不同月平均降雨量區(qū)間，bj為不同工程地質巖土類型，cj為不同地形坡度區(qū)間；Oi(m)為各降雨型滑坡影響因子區(qū)間(類)的滑坡數(shù)量；Nk為降雨型滑坡總數(shù)。

3.1.1 月平均降雨量

依據(jù)不同月平均降雨量區(qū)間與降雨型滑坡數(shù)量統(tǒng)計結果(表1)，得到不同月平均降雨量區(qū)間與降雨型滑坡數(shù)量貢獻率關系曲線(圖2(a))。

表1 月平均降雨量劃分Table 1 Classification of monthly average rainfall

不同月平均降雨量區(qū)間降雨型滑坡數(shù)量貢獻率，可用以下不等式表示，即

Q1(a3)>Q1(a2)>Q1(a4)=Q1(a5)>Q1(a1) 。(2)

式中：Q1(a1)、…、Q1(a5)分別為不同月平均降雨量區(qū)間降雨型滑坡數(shù)量貢獻率。

由表1和圖2(a)可知，當6、7月份的月平均降雨量為(240，360]mm時，月平均降雨量的降雨型滑坡數(shù)量貢獻率最大，易發(fā)生降雨型滑坡災害。

3.1.2 工程巖組

依據(jù)不同工程地質巖類與降雨型滑坡數(shù)量統(tǒng)計結果(表2)，得到不同工程地質巖類與降雨型滑坡數(shù)量貢獻率關系曲線(圖2(b))。

表2 工程地質巖類劃分Table 2 Classification of engineering geological rocks

不同工程地質巖類降雨型滑坡數(shù)量貢獻率，可用以下不等式表示，即

Q1(b2)>Q1(b3)>Q1(b1)>Q1(b4)>Q1(b5) 。(3)

式中：Q1(b1)、…、Q1(b5)分別為不同工程地質巖類降雨型滑坡數(shù)量貢獻率。

由表2和圖2(b)可知，當工程地質巖類為變質巖時，工程地質巖類的降雨型滑坡數(shù)量貢獻率最大。變質巖完整性較好，與坡體表面松散土之間存在明顯的分層，且降雨時雨水不易下滲，只能在層間流動，使表層土體逐漸剝離，破壞土體整體穩(wěn)定性，故極易發(fā)生降雨型淺層滑坡。

3.1.3 地形坡度

依據(jù)不同地形坡度與降雨型滑坡數(shù)量統(tǒng)計結果(表3)，得到不同地形坡度與降雨型滑坡數(shù)量貢獻率關系曲線(圖2(c))。

表3 地形坡度區(qū)間劃分Table 3 Division of terrain slope inclination interval

圖2 降雨型滑坡影響因子與其數(shù)量貢獻率之間的關系曲線Fig.2 Relations between influence factors andits quantitative contribution rates

不同地形坡度降雨型滑坡數(shù)量貢獻率，可用以下不等式表示，即

Q1(c2)>Q1(c3)>Q1(c1)>Q1(c4)>Q1(c5) 。(4)

式中：Q1(c1)、…、Q1(c5)分別為不同地形坡度降雨型滑坡數(shù)量貢獻率。

由表3和圖2(c)可知，當?shù)匦纹露仍赱8°，15°)時，地形坡度的降雨型滑坡數(shù)量貢獻率最大；地形坡度在[15°，25°)時，其貢獻率次之。這表明地形坡度在8°～25°之間時，降雨型滑坡的發(fā)生概率對地形坡度最為敏感，當?shù)匦纹露?25°時，滑坡數(shù)量驟減，這表明黃岡地區(qū)降雨型滑坡在地形坡度較小的情況下就容易發(fā)生。

3.2 降雨型滑坡分區(qū)

通過3.1節(jié)分析，分別計算出了黃岡地區(qū)月平均降雨量、工程地質巖類和地形坡度對降雨型滑坡數(shù)量的貢獻率，利用ArcGIS繪圖可得到各因素貢獻率在空間上的分布情況。從月平均降雨量貢獻率空間分布(圖3(a))可以看出，貢獻率最大的月平均降雨量區(qū)間(240，360] mm主要分布在麻城、羅田、英山和浠水大部分地區(qū)，貢獻率偏小的月平均降雨量區(qū)間(120，240] mm主要分布在紅安、團風、黃州、蘄春、武穴和黃梅地區(qū)； 從坡度貢獻率空間分布(圖3(b))可以發(fā)現(xiàn)，貢獻率最大的坡度區(qū)間[8°，25°)主要分布在羅田、英山、紅安大部分地區(qū)、團風大部分地區(qū)、麻城大部分地區(qū)、蘄春大部分地區(qū)，貢獻率偏小的坡度區(qū)間[0°，8°)則主要分布在黃梅、武穴、黃州、浠水地區(qū)； 從工程地質巖類貢獻率空間分布(圖3(c))可以發(fā)現(xiàn)，貢獻率最大的變質巖主要分布在英山、浠水、麻城、紅安大部分地區(qū)、羅田大部分地區(qū)，貢獻率偏小的巖漿巖主要分布在武穴大部分地區(qū)和蘄春大部分地區(qū)。

圖3 不同影響因素對降雨型滑坡數(shù)量貢獻率空間分布Fig.3 Spatial distributions of contribution rate ofdifferent factors influencing the number of landslide

利用ArcGIS的重分類功能對研究區(qū)各影響因子貢獻率區(qū)間進行賦值，得到單因子圖層;然后基于ArcGIS空間疊加功能對單因子圖層進行權重疊加，得到多因子圖層;最后運用自然間斷法進行圖層疊加，可將黃岡地區(qū)降雨型滑坡劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)3個區(qū)域(圖4)，各區(qū)的具體特征如下(表4)：

(1)高易發(fā)區(qū)主要分布在羅田縣、英山縣和麻城市3個區(qū)域，其月平均降雨量區(qū)間為(240，360]mm、坡度區(qū)間為[8°，25°)、工程地質巖組為變質巖和巖漿巖。

(2)中易發(fā)區(qū)主要分布在紅安縣、浠水縣、團風縣和蘄春縣4個區(qū)域，變質巖或巖漿巖的工程地質巖類為主控因素、坡度區(qū)間為[0°，8°)、月平均降雨量區(qū)間為(120，240]mm。

(3)低易發(fā)區(qū)主要分布在黃梅縣、武穴市和黃州區(qū)3個區(qū)域，其月平均降雨量區(qū)間為(120，240]mm、坡度區(qū)間為[0°，8°)、工程地質巖組為碎屑巖、松散土和碳酸鹽巖。

圖4 黃岡地區(qū)降雨型滑坡易發(fā)性區(qū)劃Fig.4 Zoning of susceptibility of rainfall-inducedlandslide in Huanggang

表4 各易發(fā)區(qū)對應特征Table 4 Characteristics corresponding to areas ofdifferent susceptibilities

4 滑坡災害與降雨量關系分析

地質災害的發(fā)生與降雨雨型即降雨歷時、降雨強度和降雨量都有著密切關系。地質部門對我國某些地區(qū)特定時期的突發(fā)性地質災害的統(tǒng)計分類結果表明，連續(xù)降雨和暴雨對地質災害影響較大，持續(xù)性降雨誘發(fā)的地質災害占總數(shù)的65%，而局部暴雨誘發(fā)量占約43%[15-16]。通過統(tǒng)計分析2011—2020年黃岡市238個氣象觀測站雨量數(shù)據(jù)資料，也可將黃岡地區(qū)降雨雨型分為持續(xù)強降雨和局地暴雨2種類型。

4.1 2016年滑坡災害與降雨關系

2016年黃岡地區(qū)發(fā)生嚴重的地質災害，無論涉及的范圍、發(fā)生數(shù)量和災害規(guī)模均較大，均為湖北省歷史罕見。在這一年里，滑坡災害主要集中在6月份中下旬和7月份上旬，共統(tǒng)計到各氣象站附近發(fā)生的滑坡28處，詳見表5。6月份共統(tǒng)計到7處滑坡，多發(fā)生于強降雨當天及強降雨之后，降雨量主要集中在0～60 mm；7月份共統(tǒng)計到21處滑坡，且多發(fā)生于持續(xù)強降雨后一天，其中7月份的降雨強度與持續(xù)時間均要強于6月份，降雨量主要集中在50～150 mm之間，故7月份的滑坡無論數(shù)量、范圍和規(guī)模均遠遠超過6月份災害。

4.1.1 滑坡與日降雨量關系

日降雨量對地質災害特別是群發(fā)性滑坡災害起著主導作用，降雨強度越大，對應發(fā)生滑坡災害的延后時間越短。按照降雨強度的標準，可以將降雨分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨6個等級，其對應的降雨強度分別為：(0，10)、[10，25)、[25，50)、[50，100)、[100，250)、[250，∞) mm/d。對區(qū)內28處(表5)因降雨誘發(fā)的滑坡災害與當日降雨量進行分析。由統(tǒng)計結果可知，有96.43%的滑坡災害發(fā)生當日有降雨，說明降雨對滑坡災害的產(chǎn)生有直接控制影響。有71.43%的滑坡災害發(fā)生當天降雨強度達到暴雨及以上，由此可以看出滑坡災害的發(fā)生與強降雨關系十分密切。

4.1.2 滑坡與前期降雨天數(shù)關系

由表5可知，有53.57%的滑坡發(fā)生于8～9 d持續(xù)降雨之后(期間有過1 d短暫的停雨)，累計降雨量在75～680 mm之間不等，主要集中在435 mm左右。其中前期降雨階段發(fā)生在停雨前，主要有5 d連續(xù)降雨，該階段長時間的降雨使得土體吸水飽和、軟化，土體自重增加、下滑力增大，坡體整體穩(wěn)定性降低，起到孕育滑坡的作用；而后1 d短暫的停雨期，延緩了大部分滑坡的發(fā)生，使得在7月份發(fā)生的滑坡災害表現(xiàn)出“滯后性”的特點；在經(jīng)歷“6·30”又一輪大暴雨之后，持續(xù)的雨水滲透和地表水流的沖刷，對土體產(chǎn)生了切割作用，土體內部孔隙增大，滑帶土的抗剪強度減小，最終于7月1日觸發(fā)了大規(guī)模、群體性滑坡的發(fā)生。而這2 d累計降雨量在170～350 mm之間，平均累計降雨量在235 mm左右，成為觸發(fā)該批次滑坡發(fā)生的關鍵。

4.2 易發(fā)區(qū)降雨量閾值分析

根據(jù)3.2節(jié)降雨型滑坡分區(qū)所對應的縣市滑坡時具體的降雨量數(shù)據(jù)，對其求取加權平均值得到高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)與低易發(fā)區(qū)發(fā)生滑坡災害時所對應的降雨量情況。如圖5所示，關鍵期日均降雨量、前期日均降雨量和累計日均降雨量均由高易發(fā)區(qū)到中易發(fā)區(qū)再到低易發(fā)區(qū)呈逐漸減小的趨勢，而累計降雨天數(shù)的變化規(guī)律則剛好相反。此外，對于高易發(fā)區(qū)其關鍵期日均降雨量與前期日均降雨量相差較大，接近于2倍的關系，而低易發(fā)區(qū)的關鍵期日均降雨量與前期日均降雨量則相近。故由此可以推斷，現(xiàn)為持續(xù)強降雨。因此，在發(fā)生短時暴雨時，應加強對高易發(fā)區(qū)的滑坡監(jiān)測，而對于連續(xù)多天發(fā)生強降雨或降雨時，則應重點關注中易發(fā)區(qū)與低易發(fā)區(qū)的滑坡監(jiān)測。黃岡地區(qū)降雨型滑坡高易發(fā)區(qū)的降雨量特征主要表現(xiàn)為短時暴雨，低易發(fā)區(qū)的降雨量特征則表現(xiàn)為持續(xù)降雨，中易發(fā)區(qū)的降雨量特征則介于二者之間，表基于上述分析，故將關鍵期日均降雨量作為高易發(fā)區(qū)的降雨量閾值標準，前期日均降雨量作為低易發(fā)區(qū)的降雨量閾值標準，中易發(fā)區(qū)則介于二者之間。

表5 2016年黃岡地區(qū)滑坡災害發(fā)生前周邊氣象站連續(xù)降雨情況統(tǒng)計Table 5 Statistics of continuous rainfall in surrounding meteorological stations before the occurrence oflandslide disasters in Huanggang in 2016

圖5 易發(fā)區(qū)與降雨量關系Fig.5 Relationship between susceptibility and rainfall

綜合區(qū)內地形地貌和地層巖性，并根據(jù)前述滑坡災害與降雨量關系，以及由此推導出的各易發(fā)區(qū)降雨量閾值標準，賦予各分區(qū)預報狀態(tài)(滑坡災害發(fā)生可能性較大，通知監(jiān)測人員和威脅住戶注意)、預警狀態(tài)(地質災害發(fā)生可能性大，停止作業(yè)，各崗位人員到崗待命)、警報狀態(tài)(地質災害發(fā)生可能性很大，無條件緊急疏散，密切觀測)共3種狀態(tài)下[17]的臨界降雨量，滑坡災害臨界降雨量具體參考值見表6。

表6 黃岡地區(qū)降雨型滑坡臨界降雨量參考值Table 6 Reference values of critical rainfall inducinglandslides in Huanggang

5 結 論

(1)黃岡地區(qū)地質災害以滑坡為主，其中由降雨因素引起的滑坡占86.10%；在空間上，降雨型滑坡主要分布在英山縣和羅田縣境內，分別占總災害數(shù)的27.91%和18.43%；在時間上，黃岡地區(qū)尤其以2016年發(fā)生的滑坡災害最多。

(2)采用貢獻率法分析得到，月平均降雨量為(240，360] mm、地形坡度在[8°，25°)、工程地質巖類為變質巖時，對降雨型滑坡數(shù)量貢獻率最大；將黃岡地區(qū)降雨型滑坡分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū)，并對應了具體的縣(市、區(qū))。

(3)分析2016年黃岡地區(qū)28處降雨型滑坡附近氣象站當日降雨量、前期降雨量與滑坡之間的關系發(fā)現(xiàn)，96.43%的滑坡災害發(fā)生當日有降雨，且其中71.43%的滑坡災害發(fā)生當天降雨強度達到暴雨及以上。

(4)將關鍵期日均降雨量和前期日均降雨量作為降雨量閾值評估標準。并針對各個易發(fā)區(qū)分別給出了預報、預警、警報3種狀態(tài)下所對應的降雨量參考值。