黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系_邹浩.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：湖北省地质局 年度科技项目（）作者简介：邹 浩（），男，湖北公安人，高级工程师，博士，主要研究方向为岩土体稳定性评价与地质灾害防治。：通信作者：何 霏（），女，湖北襄阳人，工程师，主要研究方向为水文地质、工程地质、环境地质。：，（）：黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系邹 浩，何 霏，白俊龙（湖北省地质局 第三地质大队，湖北 黄冈；资源与生态环境地质湖北省重点实验室，武汉；武汉工程大学 土木工程与建筑学院，武汉）摘 要：湖北省黄冈市属于低山丘陵地区，多发生小规模滑坡灾害，降雨是诱发滑坡灾害最主要的外因之一，分析降雨型滑坡各影响因素对滑坡数量贡献率的大小及其与雨量之间的关系，对黄冈地区的防灾减灾具有重要作用。利用 年黄冈市 个气象观测站雨量数据资料，结合滑坡灾情数据，分析了区内降雨型滑坡的区域性分布特点，并根据月平均降雨量、工程岩组和坡度对降雨型滑坡数量的贡献率，将区内降雨型滑坡划分为高易发区、中易发区和低易发区，选择关键期日均降雨量与前期日均降雨量作为雨量阈值判定标准，给出各个易发区在预报、预警和警报 种状态下所对应的降雨量参考值，为区域滑坡灾害防治提供了基础数据和科学依据。关键词：降雨型滑坡；雨量关系；贡献率；黄冈地区；易发区中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景滑坡是我国的主要地质灾害类型，是仅次于地震的第二大自然灾害。在各种自然因素引发的滑坡中，降雨型滑坡占比达到 以上，其发生的频率最高，分布的地域最广，造成的灾害最严重，故开展区域性降雨型滑坡灾害预警预报研究，是我国目前防灾减灾工作的客观且紧迫的需求。黄冈地处我国南方亚热带大陆性季风气候区，夏季高温多雨，地质灾害以滑坡为主，多分布于以山地丘陵地貌单元为主的中北部、东北部和丘陵岗地地貌单元为主的东南部。特殊的气候条件和地形地貌，使该地区成为湖北省小规模、降雨型滑坡的频发区。根据滑坡灾害与降雨事件内在关联性，通过区域降雨特征来开展大范围滑坡灾害的预报预警，是预防降雨型滑坡灾害的重要途径。其中，确定诱发降雨型滑坡的雨量阈值成为急需解决的问题，。目前关于滑坡与降雨关系的研究主要有 种方法：一是基于极限平衡稳定性分析的确定性模型方法；二是基于滑坡和降雨历史数据的统计分析方法。确定性模型的各项计算参数通常较难准确获取，故对于区域性降雨滑坡关联与响应分析，一般采用统计分析方法和经验阈值模型。朱文慧等基于滑坡特征统计分析时，发现黄冈地区滑坡特点以平缓浅层小型或中型堆积层滑坡为主，而该类型滑坡对降雨的响应过程更为敏感，这为通过降雨量分析实现黄冈地区的滑坡灾害预警预报提供了有力理论依据。本文基于区域历史滑坡灾害数据，运用统计方法分析了黄冈地区滑坡灾害与降雨量的关系，并着重分析了 年滑坡与前期降雨量的关系，根据月平均降雨量、工程岩组和坡度对降雨型滑坡数量的贡献率，实现对区内降雨型滑坡的分布分区，并针对各个易发区给出对应的滑坡临界降雨量参考值。研究区概况黄冈市地处湖北省东部、大别山南麓、长江中游北岸，市域总面积万，共包括 个市辖区县市。区内以山 地、丘 陵 为 主（分 别 占 总 面 积 的 和），地势总体呈西南低东北高，北东为大别山低山丘陵，海拔普遍在 之间，主要分布在罗田县与英山县的绝大部分县域和麻城市的东部区域；中部为丘陵岗地，海拔为 ，南部为长江冲积平原，较为平坦。其工程地质岩类主要包括变质岩、岩浆岩、松散土、碎屑岩和碳酸盐岩 种。在空间上从东北向西南依次由岩浆岩、变质岩、松散土 类工程地质岩类组成，呈阶梯分布，碎屑岩工程地质岩类则主要分布在变质岩与松散土的过渡区间。研究区属亚热带大陆性季风气候，江淮小气候区。降水时空分布不均，年降水量在 之间，其最小值出现在红安县，最大值出现在英山县，梅雨期亦出现局地暴雨洪涝。灾害类型黄冈市地质灾害发育，截至 年 月 日，统计到地质灾害点共 处，主要包括滑坡、崩塌、泥石流和地面塌陷 大类。黄冈地区地质灾害以滑坡为主，占总灾害数的，其次为崩塌，占，其中由降雨因素引起的滑坡占。而在所有发生地质灾害年份中，又以 年发生的灾害点最多，各类灾害数达 起，仅该年的崩塌数就占到总崩塌数的，滑坡占到，而泥石流更是占到了。这与 年发生的“”和“”两次强降雨有着密切关系，。图 黄冈市各地质灾害点分布 灾害分布从黄冈市各地质灾害点分布（图）可以发现，地质灾害点在各县市均有发生，主要分布在英山县和罗田县境内，分别占和。两县均位于湖北省东部的大别山区，区内以低山丘陵地形为主，中低山次之，地势自东北向西南倾斜。英山县北部大别山主峰 天堂寨，向东北延伸，构成了云峰顶、石鼓寨、五峰山、黄梅尖等一系列山峰，再向西分支为三列山脊，夹着东、西两条大河，贯穿全境，形成“三山夹两河”的基本轮廓，平均坡度为。罗田县境北部 第 期邹 浩 等 黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系群山环抱，重峦叠障，以上高山 座，其余山脉均在海拔 以上；中部地势渐趋开阔，丘陵广布，多为海拔 以下的呈波状起伏的浑圆浅丘。全县山脉以天堂寨为主体，分 支向南偏西方向延伸，纵贯全县。两县特殊的地形地貌为各种地质灾害的孕育、发生、发展提供了有利条件。红安、麻城和蕲春三县市的地质灾害数量相当，平均占总灾害数的左右。区内山地、丘陵、平原兼具，且呈现多层次立体分布。地势东北高、西南低，由东北向西南渐次倾斜，使得在过渡地带易发生地质灾害。黄州、团风、黄梅、浠水和武穴区内地貌格局多以丘陵、平原为主，地势相对平缓，地质灾害相对较少，各区域地质灾害数占比在之间。整体上看，年各县市的地质灾害均显著增加，其中红安、罗田和团风增加最为明显，该年灾害数占总灾害数的 左右，武穴、黄州和浠水也都在 左右。之前发生灾害相对较少的地区，在 年均发生较多地质灾害，这足以表明降雨是黄冈地区地质灾害发生的主控外部因素。综上，黄冈地区地质灾害主要以滑坡为主，且因各县市的地形地貌、降雨量等差异较大，灾害发生的数量也相差甚远。因此，开展黄冈地区滑坡影响因素及雨量关系研究，并将降雨型滑坡进行分区与雨量阈值分析，对黄冈地区滑坡灾害的预防与精细化治理具有重要指导意义。贡献率分析与分区 影响因素对降雨型滑坡数量贡献率分析贡献率分析法最早用于经济效益的评价，其原理是通过统计方法分析各影响因素对经济增长的贡献程度。使用该方法从统计角度，可定量评价区域性降雨型滑坡的各影响因素贡献程度，且能够反映各影响因素与滑坡数量贡献率之间的内在联系。根据黄冈地区 处滑坡灾害点数据资料，定量评价月平均降雨量（、月份平均值）、工程岩组和地形坡度 个因素与降雨型滑坡数量之间的关系。各降雨型滑坡影响因子区间（类）的滑坡数量贡献率计算公式为()（）。（）式中：（）为各降雨型滑坡影响因子区间（类）的滑坡数量贡献率；为降雨型滑坡影响因子集，（、），为不同月平均降雨量区间，为不同工程地质岩土类型，为不同地形坡度区间；（）为各降雨型滑坡影响因子区间（类）的滑坡数量；为降雨型滑坡总数。月平均降雨量依据不同月平均降雨量区间与降雨型滑坡数量统计结果（表），得到不同月平均降雨量区间与降雨型滑坡数量贡献率关系曲线（图（）。表 月平均降雨量划分 月平均降雨量区间月平均降雨量范围 降雨型滑坡数量（，（，（，（，（，不同月平均降雨量区间降雨型滑坡数量贡献率，可用以下不等式表示，即()()()()()。（）式中：()、()分别为不同月平均降雨量区间降雨型滑坡数量贡献率。由表 和图（）可知，当、月份的月平均降雨量为（，时，月平均降雨量的降雨型滑坡数量贡献率最大，易发生降雨型滑坡灾害。工程岩组依据不同工程地质岩类与降雨型滑坡数量统计结果（表），得到不同工程地质岩类与降雨型滑坡数量贡献率关系曲线（图（）。表 工程地质岩类划分 工程地质岩土类型岩类名称降雨型滑坡数量松散土变质岩岩浆岩碎屑岩碳酸盐岩 不同工程地质岩类降雨型滑坡数量贡献率，可用以下不等式表示，即()()()()()。（）式中：()、()分别为不同工程地质岩类降雨型滑坡数量贡献率。由表 和图（）可知，当工程地质岩类为变质岩时，工程地质岩类的降雨型滑坡数量贡献率最大。变质岩完整性较好，与坡体表面松散土之间存在明显的分层，且降雨时雨水不易下渗，只能在层间流动，使表层土体逐渐剥离，破坏土体整体稳定性，故极易发生降雨型浅层滑坡。地形坡度依据不同地形坡度与降雨型滑坡数量统计结果（表），得到不同地形坡度与降雨型滑坡数量贡献率关系曲线（图（）。长江科学院院报 年 表 地形坡度区间划分 地形坡度区间坡度范围降雨型滑坡数量，），），），），图 降雨型滑坡影响因子与其数量贡献率之间的关系曲线 不同地形坡度降雨型滑坡数量贡献率，可用以下不等式表示，即()()()()()。（）式中：()、()分别为不同地形坡度降雨型滑坡数量贡献率。由表 和图（）可知，当地形坡度在，）时，地形坡度的降雨型滑坡数量贡献率最大；地形坡度在，）时，其贡献率次之。这表明地形坡度在 之间时，降雨型滑坡的发生概率对地形坡度最为敏感，当地形坡度时，滑坡数量骤减，这表明黄冈地区降雨型滑坡在地形坡度较小的情况下就容易发生。降雨型滑坡分区通过 节分析，分别计算出了黄冈地区月平均降雨量、工程地质岩类和地形坡度对降雨型滑坡数量的贡献率，利用 绘图可得到各因素贡献率在空间上的分布情况。从月平均降雨量贡献率空间分布（图（）可以看出，贡献率最大的月平均降雨量区间（，主要分布在麻城、罗田、英山和浠水大部分地区，贡献率偏小的月平均降雨量区间（，主要分布在红安、团风、黄州、蕲春、武穴和黄梅地区；从坡度贡献率空间分布（图（）可以发现，贡献率最大的坡度区间，）主要分布在罗田、英山、红安大部分地区、团风大部分地区、麻城大部分地区、蕲春大部分地区，贡献率偏小的坡度区间，）则主要分布在黄梅、武穴、黄州、浠水地区；从工程地质岩类贡献率空间分布（图（）可以发现，贡献率最大的变质岩主要分布在英山、浠水、麻城、红安大部分地区、罗田大部分地区，贡献率偏小的岩浆岩主要分布在武穴大部分地区和蕲春大部分地区。图 不同影响因素对降雨型滑坡数量贡献率空间分布 利用 的重分类功能对研究区各影响因子贡献率区间进行赋值，得到单因子图层；然后基于 空间叠加功能对单因子图层进行权重叠加，得到多因子图层；最后运用自然间断法进行图层叠加，可将黄冈地区降雨型滑坡划分为低易发区、中易发区和高易发区 个区域（图），各区的具体特征如下（表）：（）高易发区主要分布在罗田县、英山县和麻城市 个区域，其月平均降雨量区间为（，、坡度区间为，）、工程地质岩组为变质岩和岩浆岩。（）中易发区主要分布在红安县、浠水县、团风县和蕲春县 个区域，变质岩或岩浆岩的工程地质岩类为主控因素、坡度区间为，）、月平均降雨量区间为（，。（）低易发区主要分布在黄梅县、武穴市和黄州区 个区域，其月平均降雨量区间为（，、坡度区间为，）、工程地质岩组为碎屑岩、松散土和碳酸盐岩。第 期邹 浩 等 黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系图 黄冈地区降雨型滑坡易发性区划 表 各易发区对应特征 易发性分区分布县市月平均降雨量区间 工程地质岩组坡度区间高易发区罗田县、英山县、麻城市（，变质岩、岩浆岩，）中易发区红安县、团风县、浠水县、蕲春县（，变质岩、岩浆岩，）低易发区黄梅县、武穴市、黄州区（，碎屑岩、松散土、碳酸盐岩，）滑坡灾害与降雨量关系分析地质灾害的发生与降雨雨型即降雨历时、降雨强度和降雨量都有着密切关系。地质部门对我国某些地区特定时期的突发性地质灾害的统计分类结果表明，连续降雨和暴雨对地质灾害影响较大，持续性降雨诱发的地质灾害占总数的，而局部暴雨诱发量占约。通过统计分析 年黄冈市 个气象观测站雨量数据资料，也可将黄冈地区降雨雨型分为持续强降雨和局地暴雨 种类型。年滑坡灾害与降雨关系 年黄冈地区发生严重的地质灾害，无论涉及的范围、发生数量和灾害规模均较大，均为湖北省历史罕见。在这一年里，滑坡灾害主要集中在 月份中下旬和 月份上旬，共统计到各气象站附近发生的滑坡 处，详见表。月份共统计到 处滑坡，多发生于强降雨当天及强降雨之后，降雨量主要集中在；月份共统计到 处滑坡，且多发生于持续强降雨后一天，其中 月份的降雨强度与持续时间均要强于 月份，降雨量主要集中在 之间，故 月份的滑坡无论数量、范围和规模均远远超过 月份灾害。滑坡与日降雨量关系日降雨量对地质灾害特别是群发性滑坡灾害起着主导作用，降雨强度越大，对应发生滑坡灾害的延后时间越短。按照降雨强度的标准，可以将降雨分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨 个等级，其对应的降雨强度分别为：（，）、，）、，）、，）、，）、，）。对区内 处（表）因降雨诱发的滑坡灾害与当日降雨量进行分析。由统计结果可知，有的滑坡灾害发生当日有降雨，说明降雨对滑坡灾害的产生有直接控制影响。有的滑坡灾害发生当天降雨强度达到暴雨及以上，由此可以看出滑坡灾害的发生与强降雨关系十分密切。滑坡与前期降雨天数关系由表 可知，有的滑坡发生于 持续降雨之后（期间有过 短暂的停雨），累计降雨量在 之间不等，主要集中在 左右。其中前期降雨阶段发生在停雨前，主要有 连续降雨，该阶段长时间的降雨使得土体吸水饱和、软化，土体自重增加、下滑力增大，坡体整体稳定性降低，起到孕育滑坡的作用；而后 短暂的停雨期，延缓了大部分滑坡的发生，使得在 月份发生的滑坡灾害表现出“滞后性”的特点；在经历“”又一轮大暴雨之后，持续的雨水渗透和地表水流的冲刷，对土体产生了切割作用，土体内部孔隙增大，滑带土的抗剪强度减小，最终于 月 日触发了大规模、群体性滑坡的发生。而这 累计降雨量在 之间，平均累计降雨量在 左右，成为触发该批次滑坡发生的关键。易发区降雨量阈值分析根据 节降雨型滑坡分区所对应的县市滑坡时具体的降雨量数据，对其求取加权平均值得到高易发区、中易发区与低易发区发生滑坡灾害时所对应的降雨量情况。如图 所示，关键期日均降雨量、前期日均降雨量和累计日均降雨量均由高易发区到中易发区再到低易发区呈逐渐减小的趋势，而累计降雨天数的变化规律则刚好相反。此外，对于高易发区其关键期日均降雨量与前期日均降雨量相差较大，接近于 倍的关系，而低易发区的关键期日均降雨量与前期日均降雨量则相近。故由此可以推断，黄冈地区降雨型滑坡高易发区的降雨量特征主要表现为短时暴雨，低易发区的降雨量特征则表现为持续降雨，中易发区的降雨量特征则介于二者之间，表 长江科学院院报 年 表 年黄冈地区滑坡灾害发生前周边气象站连续降雨情况统计 地域范围易发区气象站当日降雨量关键降雨天数关键期累计降雨量 停雨天数前期连续降雨天数前期累计降雨量 累计总降雨量 武穴市武穴市武穴市武穴市武穴市低易发区大金水库大金水库荆竹水库荆竹水库西畈村团风县团风县团风县团风县蕲春县红安县浠水县浠水县中易发区杜皮林家桥四组李家大湾贾庙龙泉花海李家站策湖兰溪罗田县罗田县罗田县罗田县麻城市麻城市麻城市麻城市麻城市英山县英山县英山县英山县英山县英山县高易发区王烈湾东冲河三里畈大崎黄土岗大快地茶铺站福田河福田河国营长冲茶场东汤河杨柳四口冲长冲水库河口 注：表中关键期指紧靠滑坡发生前连续降雨天数；前期指关键期前暂停过一次降雨，暂停之前连续降雨天数；累计总降雨量指关键期累计降雨量与前期累计降雨量之和。现为持续强降雨。因此，在发生短时暴雨时，应加强对高易发区的滑坡监测，而对于连续多天发生强降雨或降雨时，则应重点关注中易发区与低易发区的滑坡监测。高易发区 中易发区 低易发区降雨天数/d降雨量/m m关键期日均降雨量前期日均降雨量累计日均降雨量累计降雨天数1 0 08 06 04 02 04.5 4.0 3.5 3.0 2.52.01.51.0图 易发区与降雨量关系 基于上述分析，故将关键期日均降雨量作为高易发区的降雨量阈值标准，前期日均降雨量作为低易发区的降雨量阈值标准，中易发区则介于二者之间。综合区内地形地貌和地层岩性，并根据前述滑坡灾害与降雨量关系，以及由此推导出的各易发区降雨量阈值标准，赋予各分区预报状态（滑坡灾害发生可能性较大，通知监测人员和威胁住户注意）、预警状态（地质灾害发生可能性大，停止作业，各岗位人员到岗待命）、警报状态（地质灾害发生可能性很大，无条件紧急疏散，密切观测）共 种状态下的临界降雨量，滑坡灾害临界降雨量具体参考值见表。表 黄冈地区降雨型滑坡临界降雨量参考值 易发性分区关键期日均降雨量 前期日均降雨量 预报预警警报预报预警警报高易发区，），中易发区，），），低易发区，），注：关键期持续时间 ；前期持续时间 。第 期邹 浩 等 黄冈地区降雨型滑坡影响因素及与降雨量的关系 结 论（）黄冈地区地质灾害以滑坡为主，其中由降雨因素引起的滑坡占；在空间上，降雨型滑坡主要分布在英山县和罗田县境内，分别占总灾害数的和；在时间上，黄冈地区尤其以 年发生的滑坡灾害最多。（）采用贡献率法分析得到，月平均降雨量为（，、地形坡度在，）、工程地质岩类为变质岩时，对降雨型滑坡数量贡献率最大；将黄冈地区降雨型滑坡分为高易发区、中易发区和低易发区，并对应了具体的县（市、区）。（）分析 年黄冈地区 处降雨型滑坡附近气象站当日降雨量、前期降雨量与滑坡之间的关系发现，的滑坡灾害发生当日有降雨，且其中的滑坡灾害发生当天降雨强度达到暴雨及以上。（）将关键期日均降雨量和前期日均降雨量作为降雨量阈值评估标准。并针对各个易发区分别给出了预报、预警、警报 种状态下所对应的降雨量参考值。参考文献：林巍，李远耀，徐勇，等 湖南慈利县滑坡灾害的临界降雨量阈值研究 长江科学院院报，（）：邓夕胜，张 元，唐 煜 基于失效概率的边坡降雨阈值曲面探讨 中国地质灾害与防治学报，（）：邵山，汤明高，聂兵其，等 宣汉地区降雨型滑坡空间发育规律及敏感性分析 长江科学院院报，（）：，陈悦丽，赵琳娜，王 英，等 降雨型地质灾害预报方法研究进展 应用气象学报，（）：邹 浩，陈金国，吴恒，等 年多轮强降雨影响下黄冈市地质灾害发育规律浅析 资源环境与工程，（）：，（）：陈洪凯，魏 来，谭 玲 降雨型滑坡经验性降雨阈值研究综述 重庆交通大学学报（自然科学版），（）：朱文慧，陈金国，邹浩，等 基于滑坡特征统计研究黄冈市 年汛期滑坡成因机理 资源环境与工程，（增刊）：陈洪凯，董平，高阳华，等 重庆地区降雨型滑坡统计降雨入渗耦合预报模型 重庆师范大学学报（自然科学版），（）：曹洪洋，王 禹，满 兵 基于 的区域群发性降雨型滑坡时空预报研究 地理与地理信息科学，（）：，丁 赞，沈铭 基于层次分析法和变异系数法的黄冈市地质环境承载力研究 资源环境与工程，（增刊）：，张长城，李 云，李永辉 湖北省英山县地质灾害与降雨的相关分析 资源环境与工程，（）：王章琼，晏鄂川，王鲁男，等 地形坡度对鄂渝地区水库型堆积层滑坡贡献率研究 工程地质学报，（）：张 明，王章琼，范 尧 地质背景对倾倒变形体发育的贡献率 武汉工程大学学报，（）：杜继稳 降雨型地质灾害预报预警：以黄土高原和秦巴山区为例 北京：科学出版社，：巨玉文，齐琼，董震，等 山西西部地区黄土地质灾害与降雨的关联性分析 自然灾害学报，（）：杨春发 闽北山区（延平区）地质灾害临界降雨量研究水利与建筑工程学报，（）：（编辑：黄 玲）堤防抢险技术导则编制组赴海河水利委员会调研 年 月 日，长江科学院副院长杨文俊率领水利行业标准堤防抢险技术导则编制组赴海河水利委员会开展调研工作。水利部防御司高度重视该导则编制工作，委派一级调研员闫淑春等专家全程参与调研。海河水利委员会副总工程师徐和龙、漳卫南运河管理局一级巡视员张永顺等领导参加座谈。调研组现场查看了卫河浚县新镇彭村段堤防和卫河滑县王湾分洪口门，以座谈交流等形式详细了解了海河流域和漳卫南运河堤防管理、近年堤防险情及处置技术、抢险重难点以及经验教训等情况，并听取了相关领导和技术管理人员对导则编制的需求和意见。调研为全面掌握我国堤防抢险技术现状，进一步提高导则编制的科学性、系统性和时效性奠定了基础。海河水利委员会、漳卫南运河管理局、卫河河务局等单位的相关部门负责人和技术管理人员参加调研和座谈。长江科学院科研计划处、土工研究所相关负责人及技术骨干参加调研。（摘自：长江水利科技网）长江科学院院报 年