王 登,張 晨,蘇 昌*,張 偉,朱 飛,趙 前,張慧娟

(1.湖北省地質(zhì)局 第六地質(zhì)大隊(duì),湖北 孝感 432000; 2.孝感市自然資源和規(guī)劃局,湖北 孝感 432100;3.孝感市氣象局,湖北 孝感 432020)

孝感市是湖北省地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)之一,地質(zhì)災(zāi)害主要集中在該市“北三縣”(安陸市、大悟縣、孝昌縣)[1]。汛期強(qiáng)降雨常常誘發(fā)突發(fā)性滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,具有群集發(fā)生、危害嚴(yán)重的特點(diǎn)[2]。孝感市廣泛分布的變質(zhì)巖地層受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響,巖體結(jié)構(gòu)破碎,巖性軟弱,其構(gòu)成的斜坡易沿片理、層面或強(qiáng)風(fēng)化帶產(chǎn)生變形破壞,是區(qū)內(nèi)最易崩滑的巖層[3]。此外,區(qū)內(nèi)第四系堆積層土體結(jié)構(gòu)松散,在工程活動(dòng)擾動(dòng)及強(qiáng)降雨作用下,很容易發(fā)生滑坡地質(zhì)災(zāi)害。孝感市2016年發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害94處,其中絕大部分分布在變質(zhì)巖山區(qū),給當(dāng)?shù)匕傩丈a(chǎn)、生活造成嚴(yán)重影響。因此,分析區(qū)內(nèi)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系,研究地質(zhì)災(zāi)害臨界雨量成為亟需解決的問(wèn)題。

目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地質(zhì)災(zāi)害和降雨關(guān)系的研究主要從兩個(gè)方面進(jìn)行:一是研究單體地質(zhì)災(zāi)害在降雨條件下的穩(wěn)定性,通過(guò)試驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法分析地質(zhì)災(zāi)害和降雨的內(nèi)在關(guān)系,探索地質(zhì)災(zāi)害在降雨條件下的形成機(jī)理[4-7];二是研究區(qū)域突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的降雨閾值,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析的方法,研究突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害和降雨的相關(guān)性,利用不同的指標(biāo)建立模型,并將其運(yùn)用于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警預(yù)報(bào)工作[8-11]。學(xué)者們對(duì)湖北省地質(zhì)災(zāi)害的研究,主要從地質(zhì)條件、變形特征等方面分析其致災(zāi)內(nèi)因,并進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)[12-14],而對(duì)近年來(lái)地質(zhì)災(zāi)害與其主要誘發(fā)因素——降雨的關(guān)聯(lián)性的研究甚少。本文以2014—2022年孝感市發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害為研究對(duì)象,基于年降雨量、月降雨量、日降雨量、小時(shí)降雨量、降雨日數(shù)、降雨過(guò)程等因素,全面分析地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)與陣雨的關(guān)系,對(duì)孝感市地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警具有重要的指導(dǎo)意義。

1 地質(zhì)環(huán)境概況

孝感市地勢(shì)北高南低,北部為低山區(qū),山峰海拔一般在500～800 m,最高峰為雙峰山,海拔888 m;中部為丘陵地帶,地面海拔50～150 m;南部為平原區(qū),屬江漢平原的一部分,地面海拔在50 m以下。孝感市屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,溫暖濕潤(rùn),光照充足,雨量充沛[15]。年降雨量一般為940～1 280 mm,70%的降雨集中在5—9月。

孝感市北部廣泛分布一套中深變質(zhì)巖—混合巖系、白堊系紅層,西北部大洪山地區(qū)出露有震旦系—志留系沉積巖系,表層風(fēng)化強(qiáng)烈,巖性軟弱破碎;南部平原區(qū)主要出露新近系、第四系沉積巖系。

2 地質(zhì)災(zāi)害概況

2014—2022年孝感市發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害166處,其中滑坡132處、崩塌34處;中型2處、小型164處(表1)。這些地質(zhì)災(zāi)害主要分布在孝感市北部低山區(qū),其中大悟縣發(fā)育50處、孝昌縣發(fā)育51處、安陸市發(fā)育65處。

表1 2014—2022年孝感市地質(zhì)災(zāi)害統(tǒng)計(jì)表

3 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系

3.1 與年降雨量的關(guān)系

2014—2022年孝感市年降雨量為763.2～1 663.8 mm,平均值為1 166.8 mm,其中夏季(6—8月)降雨量為280.6～1 073.9 mm,平均值為569.0 mm。由圖1可以看出,每年的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量和降雨量具有較為一致的變化趨勢(shì)。2016年為豐水年,年降雨量為歷年最高,達(dá)到1 663.8 mm,較歷年平均降雨量偏多42.6%,其中夏季降雨量為1 073.9 mm,較歷年同期平均降雨量偏多88.7%;相應(yīng)地該年發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害94處,也為歷年最多。2020年也為豐水年,年降雨量為1 631.2 mm,較歷年平均值偏多39.8%,其中夏季降雨量為919.3 mm,較歷年同期偏多61.6%;該年發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害27處,僅次于2016年。2019年為枯水年,年降雨量為歷年最少,僅763.2 mm,較歷年平均值偏少34.6%,其中夏季降雨量為296.3 mm,較歷年同期偏少47.9%;該年發(fā)生了地質(zhì)災(zāi)害4處,數(shù)量較少。值得注意的是,2020年與2016年降雨量相差不大,但地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量明顯減少,由94處大幅降為27處,可能有兩方面的原因:一是湖北省于2018—2022年大力開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)[16-17],實(shí)施了地質(zhì)災(zāi)害調(diào)(勘)查、監(jiān)測(cè)與氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、工程治理與搬遷避讓等工作,消除了很多地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn);二是2016年降雨較多且主要集中在夏季,促進(jìn)了地質(zhì)災(zāi)害的突發(fā)和群發(fā),而2020年降雨雖然也較多,但夏季降雨量明顯低于2016年同期,致使誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害有所減少。以上說(shuō)明,降雨是突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要誘因。地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量與年降雨量具有同步變化趨勢(shì),即年降雨量大的年份,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量也較多;夏季是強(qiáng)降雨高發(fā)期,降雨量與突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性更大。2018年以后,湖北省地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)成效顯著,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量與往年相比有所減少[17]。

圖1 2014—2022年地質(zhì)災(zāi)害與年降雨量的關(guān)系

3.2 與月降雨量的關(guān)系

孝感市受亞熱帶季風(fēng)活動(dòng)的影響,區(qū)內(nèi)降雨量隨季節(jié)變化明顯,冬少夏多。夏季是全年降雨量最多的季節(jié),占全年降雨量的比例超過(guò)37.1%。多年月均降雨量隨時(shí)間的分布表現(xiàn)為單峰型曲線,峰值出現(xiàn)在7月,其次是6月,5—9月的汛期是降雨的主要時(shí)段,平均降雨量為846.0 mm。統(tǒng)計(jì)2014—2022多年月均降雨量與地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的關(guān)系(圖2),顯示地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量與月均降雨量變化趨勢(shì)一致,月均降雨量增多,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量也隨之逐漸增加。6—7月降雨頻繁,降雨量最多,地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量也為全年高峰。以上說(shuō)明,突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生在汛期,發(fā)生時(shí)間與每年的月降雨量呈正相關(guān)關(guān)系。

圖2 2014—2022年地質(zhì)災(zāi)害與月均降雨量的關(guān)系

3.3 與日降雨量的關(guān)系

日降雨量是滑坡和崩塌發(fā)生的主要觸發(fā)因素之一[18]。較大的日降雨量會(huì)增加土體中的水分含量,導(dǎo)致土體重量增加,土體顆粒間摩擦力減小,從而增加了滑坡和崩塌的風(fēng)險(xiǎn)。統(tǒng)計(jì)了2016年6月21日—7月21日孝感市的日降雨量和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量(圖3),發(fā)現(xiàn)兩者之間存在一定的相關(guān)性,整體呈現(xiàn)較為同步的變化。當(dāng)日降雨量>50 mm時(shí),連陰雨加暴雨或區(qū)域暴雨過(guò)程容易誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害群發(fā)。

圖3 2016年6月21日—7月21日地質(zhì)災(zāi)害與日降雨量的關(guān)系

3.4 與降雨日數(shù)的關(guān)系

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生不僅與降雨量有關(guān),還與降雨歷時(shí)密切相關(guān)[19]。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在滯后性,與最大降雨量不同時(shí)[20]。對(duì)于連續(xù)性降雨來(lái)說(shuō),降雨開(kāi)始的當(dāng)天并不一定會(huì)誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,因?yàn)榇藭r(shí)斜坡可能還未飽和,巖土體的各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)尚未降到最低值,斜坡還處在穩(wěn)定狀態(tài)。但是隨著降雨時(shí)間的增加,雨水逐漸滲入坡體,巖土體從非飽和狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱柡蜖顟B(tài),含水量增加,坡體自重增大,抗剪強(qiáng)度下降,當(dāng)下滑力大于抗滑力時(shí),斜坡就會(huì)出現(xiàn)變形,進(jìn)而引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。利用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析了孝感市地質(zhì)災(zāi)害與前期降雨日數(shù)的關(guān)系(圖4),可以看出兩者之間存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。以占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)79.5%的滑坡為例,當(dāng)降雨日數(shù)為0 d時(shí),滑坡發(fā)生數(shù)量與其相關(guān)性系數(shù)就能達(dá)到0.7;當(dāng)降雨日數(shù)為2 d時(shí),滑坡發(fā)生數(shù)量與其相關(guān)性最明顯,相關(guān)性系數(shù)超過(guò)0.9;當(dāng)降雨日數(shù)再增加時(shí),相關(guān)性系數(shù)就開(kāi)始降低,當(dāng)降雨日數(shù)為4 d時(shí),相關(guān)性系數(shù)還能超過(guò)0.5;當(dāng)降雨日數(shù)為7 d時(shí),相關(guān)性系數(shù)略高于0.1;當(dāng)降雨日數(shù)≥8 d時(shí),相關(guān)性系數(shù)已不足0.1。以上說(shuō)明,滑坡的發(fā)生與前7 d的累計(jì)降雨量存在關(guān)聯(lián)(相關(guān)性系數(shù)>0.1),與前4 d的累計(jì)降雨量關(guān)系密切(相關(guān)性系數(shù)>0.5),與前2 d的累計(jì)降雨量關(guān)系最為密切(相關(guān)性系數(shù)>0.9),降雨當(dāng)天引發(fā)滑坡的可能性也較大(相關(guān)性系數(shù)>0.7)。這一規(guī)律與孝感市地質(zhì)環(huán)境背景有關(guān),由于孝感市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)主要位于北部變質(zhì)巖地區(qū),淺表層低強(qiáng)度的巖土體較發(fā)育,因此降雨時(shí)間較短時(shí),就足以誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害[21]。

圖4 2014—2020年地質(zhì)災(zāi)害與降雨日數(shù)的關(guān)系

3.5 與小時(shí)降雨量的關(guān)系

部分地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在降雨停止后,存在一定滯后性[20]。以2016年7月1日為例,分析當(dāng)天發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量與小時(shí)降雨量的關(guān)系。由圖5可以看出,地質(zhì)災(zāi)害不是在降雨初期發(fā)生的,而是在降雨8 h之后才發(fā)生,原因是入滲雨量需達(dá)到一定量時(shí),斜坡坡體強(qiáng)度才會(huì)降低,進(jìn)而引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

圖5 2016年7月1日地質(zhì)災(zāi)害與小時(shí)降雨量的關(guān)系

4 突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害與臨界雨量的關(guān)系

2016年6月21日—7月21日,孝感市正值梅雨期,有3次明顯的連續(xù)降雨過(guò)程,即6月21—27日、6月30日—7月8日、7月18—21日(圖6)。上述3次連續(xù)降雨過(guò)程的累計(jì)降雨量分別達(dá)到126、364、239 mm,期間發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害分別有16、50、9處,合計(jì)75處,占全年地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)(94處)的79.8%。另外7月15日有短時(shí)降雨,發(fā)生了2處地質(zhì)災(zāi)害。

圖6 2016年6月21日—7月21日地質(zhì)災(zāi)害與連續(xù)降雨的關(guān)系

圖7展示了2016年6月21—27日的降雨過(guò)程,當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到80 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始發(fā)生;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到120 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始群發(fā)。將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)投影在孝感市巖性分布圖(圖8)上,可以看出10處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在變質(zhì)巖區(qū),占該時(shí)段地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的62.5%;發(fā)生在巖漿巖區(qū)、碎屑巖區(qū)、碳酸鹽巖區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害分別有2、1、3處。將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)投影在孝感市坡度分布圖(圖9)上,可以看出在坡度為>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的區(qū)域,分別發(fā)生了5、6、3、2處地質(zhì)災(zāi)害,坡度>25°的區(qū)域共發(fā)生了11處,占比68.8%。將地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)投影在孝感市相對(duì)高差分布圖(圖10)上,可以看出在相對(duì)高差為>50、30～50、10～30、0～10 m的區(qū)域,分別發(fā)生了4、6、4、2處地質(zhì)災(zāi)害,相對(duì)高差>30 m的區(qū)域共發(fā)生了10處,占比62.5%;相對(duì)高差>10 m的區(qū)域共發(fā)生了14處,占比87.5%。

圖7 2016年6月21—27日地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系

圖8 連續(xù)降雨期地質(zhì)災(zāi)害與巖性的關(guān)系

圖9 連續(xù)降雨期地質(zhì)災(zāi)害與坡度的關(guān)系

圖10 連續(xù)降雨期地質(zhì)災(zāi)害與相對(duì)高差的關(guān)系

圖11展示了2016年6月30日—7月8日的降雨過(guò)程,降雨規(guī)模較大,當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到250 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始群發(fā)。有36處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在變質(zhì)巖區(qū),占該時(shí)段地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的72.0%;分別有7、4、3處地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在巖漿巖區(qū)、碎屑巖區(qū)、碳酸鹽巖區(qū)(圖8)。在坡度為>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的區(qū)域,分別發(fā)生了12、14、18、6處地質(zhì)災(zāi)害,坡度>8°的區(qū)域共發(fā)生了44處,占比88.0%(圖9)。在相對(duì)高差為>50、30～50、10～30、0～10 m的區(qū)域,分別發(fā)生了8、21、12、9處地質(zhì)災(zāi)害,相對(duì)高差>10 m的區(qū)域共發(fā)生了41處,占比82.0%(圖10)。

圖11 2016年6月30日—7月8日地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系

圖12展示了2016年7月18—21日的降雨過(guò)程,當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到50 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始發(fā)生;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到250 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始群發(fā)。9處地質(zhì)災(zāi)害全部發(fā)生在變質(zhì)巖區(qū)(圖8)。在坡度為>40°、25°～40°、8°～25°、0°～8°的區(qū)域,分別發(fā)生了2、3、3、1處地質(zhì)災(zāi)害,坡度>8°的區(qū)域共發(fā)生了8處,占比88.9%(圖9)。在相對(duì)高差為>50、30～50、10～30、0～10 m的區(qū)域,分別發(fā)生了5、2、1、1處地質(zhì)災(zāi)害,相對(duì)高差>10 m的區(qū)域共發(fā)生了8處,占比88.9%(圖10)。

圖12 2016年7月18—21日地質(zhì)災(zāi)害與降雨的關(guān)系

綜上所述,當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到50 mm時(shí),單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始發(fā)生;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到120 mm時(shí),坡度>25°和相對(duì)高差>30 m的變質(zhì)巖區(qū)會(huì)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到250 mm時(shí),坡度>8°和相對(duì)高差>10 m的變質(zhì)巖區(qū)會(huì)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

孝感市滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與降雨的種類和強(qiáng)度關(guān)系密切,超過(guò)90%的地質(zhì)災(zāi)害出現(xiàn)在雨天,尤其是雨中或雨后不久,且降雨強(qiáng)度越大、持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),出現(xiàn)群發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害的概率就越大。陰雨連綿過(guò)程中的局部暴雨所引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量最多,尤其是局部突發(fā)性大暴雨和特大暴雨,引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害往往突發(fā)、成災(zāi)快速且破壞嚴(yán)重?；谛⒏惺械刭|(zhì)災(zāi)害發(fā)生的臨界雨量分析,可進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的氣象預(yù)警等級(jí)劃分[22]。當(dāng)累計(jì)降雨量≥50 mm時(shí),高易發(fā)區(qū)容易發(fā)生單點(diǎn)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,應(yīng)將高易發(fā)區(qū)設(shè)為黃色預(yù)警;當(dāng)累計(jì)降雨量≥120 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害極易群發(fā),應(yīng)將高易發(fā)區(qū)設(shè)為橙色預(yù)警、中易發(fā)區(qū)設(shè)為黃色預(yù)警;當(dāng)持續(xù)強(qiáng)降雨,累計(jì)降雨量≥250 mm、最大雨強(qiáng)≥100 mm時(shí),地質(zhì)災(zāi)害更極易群發(fā),應(yīng)將高易發(fā)區(qū)設(shè)為紅色預(yù)警、中易發(fā)區(qū)設(shè)為橙色預(yù)警、低易發(fā)區(qū)設(shè)為黃色預(yù)警。

5 結(jié)論

(1) 降雨是孝感市地質(zhì)災(zāi)害突發(fā)、群發(fā)的重要誘因,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量與年降雨量、月降雨量和日降雨量呈正相關(guān)關(guān)系,降雨量越大,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量越多。

(2) 降雨歷時(shí)也是孝感市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要影響因素,部分地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在一定滯后性,多發(fā)生在降雨8 h之后;與前7 d的累計(jì)降雨量存在關(guān)聯(lián)(相關(guān)性系數(shù)>0.1),與前4 d的累計(jì)降雨量關(guān)系密切(相關(guān)性系數(shù)>0.5),與前2 d的累計(jì)降雨量關(guān)系最為密切(相關(guān)性系數(shù)>0.9)。

(3) 通過(guò)對(duì)孝感市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的臨界雨量的分析,認(rèn)為當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到50 mm時(shí),單點(diǎn)地質(zhì)災(zāi)害開(kāi)始發(fā)生;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到120 mm時(shí),坡度>25°和相對(duì)高差>30 m的變質(zhì)巖區(qū)會(huì)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害;當(dāng)累計(jì)降雨量達(dá)到250 mm時(shí),坡度>8°和相對(duì)高差>10 m的變質(zhì)巖區(qū)會(huì)群發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。

(4) 上述認(rèn)識(shí)為孝感市地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型中前期降雨日數(shù)和臨界雨量的設(shè)置提供了參考依據(jù)。