未来气候变化对滑坡再活化的影响.doc

预计全球变化将导致气温升高和降雨类型的改变，而这些变化可能会改变斜坡的稳定性、性质和结构。本文研究了降雨类型变化对英国德贝郡Mam Tor活动滑坡的影响，在此基础上讨论了全球气候变化对滑坡再活化的潜在影响。该滑坡的形成始于更新世，一条现已废弃的道路穿过其中。在冬季，当降雨量达到1个月降雨阈值及6个月累积降雨阈值时就会发生破坏性滑坡。根据UKCIP（英国气候影响计划）2002年度报告（Hulme等，2002）中的气候变化数据，利用统计方法模拟了超越阈值的重现期。在UKCIP的“中高”气候变化情境下，由于降雨的变化，到本世纪80年代，斜坡失稳的重现期将从4.0年缩短到3.5年。然而，气温升高会导致蒸发量增大，进而影响触发滑坡的降雨阈值，最终将有利于抵消降雨变化对滑坡的不利影响。通过分析模型不确定性的根源，确定模型中影响滑坡稳定性的要素。对这些要素进行评价，可以预测气候变化对英国其它地区滑坡的潜在影响。一、背景介绍在未来100年内，相信温室气体的作用必然会引起全球范围内的气候变化全球气温升高，而这种情况将会影响降雨强度和降雨量。在英国，这些变化可能会带来一系列问题，如洪灾频发、干旱和斜坡失稳等，在根据Tyndall气候变化研究中心和Hadley气候预测研究中心共同发布的最新气候变化预测结果而编制的英国政府报告中也强调了这一点（Hulme等，2002）。地下水压力是控制土坡和岩石斜坡稳定性的重要因素，压力大小和分布（随时间和空间变化）受气候的影响。通过气候变化模型，预测英国降雨量和气温的季节与年内变化幅度将会增大（Hulme等，2002）。因此，蒸发降雨平衡将会改变，并通过如前期孔隙水压力和触发事件大小的变化而影响着控制斜坡失稳的水文环境，最终导致滑动频率、分布和模式的改变。应当将地形对上述这些变化的灵敏性作为各种诱发因素（例如降雨）和原有状况（例如前期的地下水条件）综合变化的结果。很明显，气候变化能够显著改变这些以及其它控制变量（例如植被）。必须明确气候变化如何影响斜坡失稳事件的频率和规模，这样才能评价滑坡对当前环境的影响，并制定相应的减灾措施。大量关于斜坡失稳机理（例如浅部及深部的首次滑动和再活化）和气候的文献都论述了降雨类型与斜坡失稳的关系。Chowdhury和Flentje（2002），Corominas和Mayo（1999）及Fiorillo和Fuadagno（2000）对此论述了当前的研究现状。在气候变化对斜坡失稳的潜在影响方面，不同的学者给出了大量的研究实例：Dehn等（2000）研究了意大利Dolomites的Alvera泥流，van Beek（2002）研究了西班牙的Alcoy地区，Collison等（2000）研究了英格兰东南部肯特郡Hythe附近的Roughs滑坡。这些研究证实了本文所用方法的适用性，并肯定了考虑未来气候变化对斜坡失稳研究的重要性。然而，诱发因素和前期降雨阈值具有高度的局部性和区域性，因此，不能简单的把已有的研究成果用于其它地区的滑坡预测，因为不同地区的气候类型可能不同。英国各地的地质情况不同，从前寒武纪到第四纪的地层均有出露，各个时期都有其代表性岩石。在东南部地区，比较年轻的、广泛发育褶皱的沉积岩构成了那里起伏不平的地貌景观。向西北方向，出露地表的岩石逐渐变老。威尔士和苏格兰高地由最古老的、变质程度不同的变质岩构成。火成岩分布于西南和西北地区，侵入岩和喷出岩均有出露。总之，英国漫长的地质历史造就了丰富而复杂的地质特征。英国属于温带气候，年降雨量为800mm（东南部）1500mm（西北部），年内气温变化范围为25-5，南部气温较高，北部气温较低。英国气候复杂，降雨和气温变化尤其剧烈。本文讨论的是天然斜坡中再活化滑坡的非稳定性。在英国内陆地区，很少发生斜坡的首次失稳；但是，有很多以前的滑坡，很容易再活化。诱发滑坡的主要因素是地下水位的上升。再活化的滑坡一般滑动很缓慢，因此很少威胁到人类的生命安全，但对财产和基础设施具有极强的破坏性，因此带来的损失也很严重。位于英国德贝郡Mam Tor的一个活动滑坡一直以来对降雨趋势比较敏感，本文通过研究未来的降雨类型对该滑坡的影响，讨论气候变化对此类内陆斜坡非稳定性的潜在影响。本次研究采用降雨阈值分析模型来确定降雨变化带来的影响。同时，也简要讨论了气温变化造成的影响。本文的目的是，结合降雨触发滑坡的现有信息以及可用的气候变化数据，建立一种相对简单的方法，来研究未来滑坡的一般变化趋势。需要说明的是，作者是岩土工程师，而非气候专家（只是气候变化数据的终端用户）。二、Mam Tor滑坡Mam Tor山位于德贝郡希望谷的西端，由石炭系砂岩和页岩构成，坐标1.48W，53.21N。山顶和坡上部由一系列页岩、粉砂岩和细砂岩组成。这些岩石覆于页岩、泥岩和薄层粉砂岩之上，称为Edale页岩。这两组地层单元均略向北倾515。滑坡位于Mam Tor山的东翼，长约1km，由西向东展布。首次活动发生在4000多年前，属旋转型滑坡，滑坡趾部形成了一个大型岩屑体。一条建于近200年前的道路穿过该滑坡，从现存的多层沥青可知，道路一直受到破坏，这一现象恰好可以作为滑坡持续滑动的证据。Skempton等人（1989）对Mam Tor滑坡进行了全面的研究。他们进行了详细的地质调查、试验和稳定性分析。该滑动体可以分为三部分：上部（以最初的山坡为界）、过渡带（由滑块的复合体组成）及下部的平移滑动带。目前，过渡带的平均运动速度为每年0.250.5m，正是过渡带的非稳定性引起了滑体其它部分的运动。由于滑坡明显的运动和昂贵的维护费用，穿越滑坡的道路于1979年被关闭。该道路长达1个世纪的维护记录见证了Mam Tor滑坡的移动历史。Waltham和Dixon（2000）利用8年滑坡运动的详细调查资料，并结合历史记录和Skempton等人（1989）的资料，提出了降雨阈值。这些阈值与某段时期内导致滑坡明显移动的累积降雨量（根据道路破坏记录判断滑坡的移动）有关。他们把附近气象站的降雨量数据与滑坡的移动记录联系起来，发现具有破坏性的滑动与1个月的触发降雨阈值和6个月的前期降雨阈值有关。他们认为，从10月到次年2月间的任意一个月，如果前一个月的降雨量超过210mm，同时前6个月的累积降雨量超过750mm，就可能出现明显滑动。 在23次降雨量超过上述两个阈值的情况下，滑坡共出现20次明显的移动。在比较干旱的冬季，其它四种情况下的滑坡运动也是很明显的，有7年的滑坡不符合上述降雨阈值规律。Rutter等（2003）认为，若提出的降雨阈值与观测的滑动不相关，则滑坡可能是Mam Tor地区降雨类型的函数。需要注意的是，Waltham和Dixon（2000）在研究过程中并未考虑气温和蒸发的影响。在19031998年间，平均每4年就发生一次明显的滑动，这恰好是该地区降雨类型的函数（Waltham和Dixon，2000）。Rutter等人（2003）在19962002年间监测了Mam Tor的变形情况，其结果证实了上述结论。虽然有时滑坡移动与降雨阈值不相关，但研究者通过降雨阈值这一简单方法可以将复杂滑体的稳定性与降雨历史联系起来。更具确定性的方法是：监测滑动面的孔隙水压力对降雨历程和气温变化的响应，计算稳定性，并将计算结果与实测的滑动相比较。然而，由于缺乏孔隙水压力和直接的变形监测记录，也就无法进行气候地下水稳定性的耦合模拟（不是只有Mam Tor滑坡缺乏数据，绝大多数滑坡都如此）。鉴于数据的缺乏，于是采用简单的概率方法，利用降雨阈值来研究历史上降雨对滑坡稳定性的控制作用，以预测未来降雨变化对斜坡失稳频率的影响。三、预测的气候变化1、气候变化模型英国政府于1997年建立了气候影响计划（UKCIP），用于研究全球气候变化的潜在影响。UKCIP2002年度报告公布了最新的气候变化预测信息（Hulme等，2002）。该报告面向大众公开，研究人员可自由使用UKCIP 2002降雨和气温的情境数据文件。UKCIP 2002利用HadCM3作为基本模型，其分辨率在嵌套局部模型后可以达到50km。UKCIP的预测值基于19611990年的数据。用19611990年的已知气候数据验证该模型，将预测的变化应用于19611990年的平均值，就可以得到未来的气温和降雨数据。根据四种不同的温室气体排放情境（低、中低、中高、高），预测了本世纪20年代、50年代及80年代的气温和降雨变化。需要说明的是，目前还没有证据表明这些情境发生的相对概率。UKCIP 2002预测了未来80年内英国的总体气候趋势：年平均气温将上升23.5，上升幅度最大的地区在英国南部和东部，大部分的升温都在夏季和秋季。降雨量预计会降低015%，不过冬季可能会更潮湿。夏季的最高气温和冬季的最大降雨量均可能增加。土壤含水量在夏季将会明显降低，在冬季会略微升高，从东南到西北呈梯度变化。2、预测的不确定性UKCIP2002年度报告给出了模拟过程中的潜在误差与不确定性（Hulme等，2002），但没有指出其发生概率。将HadCM3与西欧其它的全球循环模型相比较，发现该方法是比较可靠的。HadCM3给出的气温和冬季降雨值位于其它模型预测值的中间，但它预测的夏季气候较大多数模型的预测结果偏干燥。在分析过程中，选用气温和降雨预测的最大值和最小值（即用高情境或者低情境）是存在问题的。选用不同的极值会产生完全不同的分析结果（即非稳定性的重现期），同时却不能给出相应的概率水平和置信度。下一期的UKCIP气候变化情境（UKCIP下）预计在2008年公布，报告中将包含主要气候因素（如气温和降雨）的统计分布，这样就可以利用气候数据进行随机分析，有助于不确定性的评价。需要注意的是，气候变化预测本身具有不确定性，世界上有专门的组织在研究这个问题，如输出更小尺度内的模型结果。在评价斜坡非稳定性时，必须考虑到与土壤性质和地下水相关的不确定性。对气候变化潜在影响的研究引入了其它的不确定性。因此，本文使用的简单方法是可行而有效的，可以显示出总体的变化趋势。在我们获得充分资料进行更详细的不确定性评价之前，可以一直沿用该方法。3、预测Mam Tor气候变化的数据本文采用的历史气候数据取自Mam Tor西南10km处的气象站。Skempton等（1989）及Waltham和Dixon（2000）的前期研究表明，Mam Tor的气候数据与该气象站的记录极其相似。然而，Rutter等人（2003）的近期降雨记录表明，两套气候数据在某段时间内的差别很大。这些差别或许可以解释为什么所观测的滑坡移动与降雨阈值不符。本次研究采用的是平均降雨的月变化（变化百分数）和降雨年际变化的月变化（变化百分数）的预测值，所有数据均来自已经出版的UKCIP2002年度报告。与英国其它地区预期的气候变化相比（例如东南部和西北部；Hulme等，2002），Mam Tor的气温和降雨变化不很剧烈，主要因为Mam Tor位于英国中部。四、降雨阈值分析1、方 法为了研究Mam Tor滑坡对未来气候变化的响应，对降雨阈值进行了统计分析（RTA模型），给出了超过Waltham和Dixon（2000）提出的1个月和6个月阈值的重现期。采用19611990年的气候数据来计算Mam Tor地区月降雨量的平均值和标准差。冬季每月的降雨类型是利用Gamma分布进行模拟的，没有采用正态分布（即降雨量的时间曲线特征）。虽然正态分布比较简单，但在这里并不合适，因为月降雨量数据一侧从0开始，呈右偏分布（Wilks，1995），而Gamma分布能更好的反映这一特点。但是，前期降雨都是用正态分布模拟的，因为6个月的降雨总量越过了0边界且几乎呈对称分布。取300mm作为月降雨量最大值，超出300mm的那部分量不计入累积降雨量。这种做法考虑了近地表的土壤饱和与径流量的增加。超越1个月阈值的概率按如下步骤进行计算：（1）计算19611990年间每个月的平均降雨量。（2）根据均值计算每个月的标准偏差。（3）利用Gamma分布计算1个月阈值（210mm）的超越概率。6个月的降雨总量即总降雨阈值，是当月降雨量和前5个月降雨量之和，而当月降雨量用于评价1个月降雨阈值（210mm）的超越概率。因此，6个月的阈值必须与1个月的阈值相结合。否则可能会忽略某个触发月的异常高的降雨量，低估了这两个降雨阈值的超越概率。实际上，如果超过了1个月的降雨阈值，那么也极有可能超过6个月的阈值。将前期降雨的时间从6个月改为5个月，然后将这5个月的累积降雨量与1个月的触发降雨量相加，就得到6个月的总降雨量，用这种方法可以实现两个降雨阈值的耦合。例如，假设1月份的降雨量是220mm，那么如果前5个月（8月12月）的累积降雨量达到530mm（750-220=530mm），也就超过了6个月的降雨阈值（750mm）。按这种方法，5个月的降雨阈值将会随着1个月的降雨阈值的变化而变化，即750mm减去1个月的降雨量。5个月降雨阈值的超越概率的计算方法同上面的步骤（1）（3），不同之处是：用5个月的降雨总量代替月降雨量，用正态分布代替Gamma分布。某月的降雨量超越两个阈值的概率等于两个阈值超越概率的乘积。某年内至少有1个月超越两个阈值的概率可以从这些月超越概率中获得。这个概率的倒数是多年中超越两个阈值的重现期，也就是发生重大滑坡的重现期。在上述计算方法中，假设1个月和6个月的阈值均为独立变量。Mayes（1996）认为湿润的冬季和湿润的夏季出现的概率互不相关。因此，在湿润的冬季，某月的降雨量与前6个月的降雨量没有必然联系，可以认为预测的月降雨量是独立的。然而，存在这样的争议，即既然6个月阈值的超越概率受1个月降雨量的影响，那么这些值就是相互关联的。所以，有必要进行更深入的研究，以确定假设这些值相关将会造成的影响。下图给出了RTA模型的主要计算步骤。计算19611990年期间Mam Tor滑坡运动的重现期，并将计算值与观测值对比，来验证模型。取1个月的降雨阈值为210mm，前6个月的降雨阈值为750mm，利用前述方法进行预测，发现Mam Tor平均每4.0年就发生一次明显运动。这一结果与19611990年期间的观测值4.3年很吻合，同时也与19031990年期间的预测值4年很接近（Waltham和Dixon，2000）。分析过程中的一个关键步骤就是设置1个月降雨阈值的上限300mm，这是计入6个月累积降雨量的最大值（即考虑了土壤饱和与地表径流）。重现期的预测值与观测值吻合，说明取300mm作为上限是合适的。当然，如果能够深入研究获得特定地点的月径流阈值，那么就可以大大提高预测结果的可信度。2、降雨量的变化UKCIP2002预测了未来降雨量的变化，以此为依据对19611990年期间的月平均降雨量和标准差进行调整，这样就可以重新计算降雨变化条件下，滑坡的平均重现期。使用基于过去观测资料所确定的降雨阈值来预测滑坡未来的不稳定性，是建立在一定假设基础上的：气候变化不会改变斜坡对气候事件的基本响应（即阈值不变）。尽管滑坡再活化的机理预计不会发生明显变化，但目前还缺乏关于“气候地下水斜坡运动”相互关系的资料，因而不能确定上述假设是否合理。在UKCIP2002“中高”情境下，预计Mam Tor地区未来的年均降雨量会稍微降低；但是，冬季降雨量的变化有望增大。因此，冬季发生极端降雨事件的概率有可能增大（Hulme等，2002）。在“中高”气候变化情境下，到本世纪80年代，超越降雨阈值的平均重现期，也即滑坡运动的平均重现期将从4.0年降至3.5年。这一预测结果表明，冬季降雨量的增大有可能抵消年降雨总量及夏季降雨量降低造成的影响。计算10月到次年2月超越1个月和6个月降雨阈值的概率，发现干旱的夏季和湿润的冬季使阈值的超越概率发生了移动，即滑坡主要的不稳定期是冬季的末期（即从12月到次年1月）。同时也计算了19032002年期间，给定月份的阈值的历史超越概率，发现该概率与利用上述统计方法得出的19611990年期间的预测概率之间表现出强相关性。这一良好的吻合效果证实了该方法的可信度。预测的滑坡重现期变小了，原因在于10月和11月的阈值超越概率因前期旱季的影响而明显减小。到本世纪80年代，12月的阈值超越概率保持不变，当前期旱季的影响大于月降雨量增大的影响时，滑坡运动的概率就降低。但是到了1月，前期的累积降雨量基本不变，但月降雨量明显增大，导致阈值的超越概率显著升高。这一分析结果表明根据UKCIP 2002“中高”情境所预测的变化基本平衡，即冬季降雨量的增加和变化幅度的增大恰好超过了夏季干旱的影响。预测Mam Tor地区未来的年降雨总量将会降低，但降雨的季节变化将造成滑坡非稳定性的增强（重现期变短）。需要指出的是，UKCIP 2002预测的降雨变化是季节性的而非每个月的，目前还不能估计这些数据的误差。更详细的信息，如UKCIP 2008数据集所包含的概率数据，可以提高预测结果的可信度。在上述分析过程中主要采用了UKCIP的“中高”情境，为便于比较，本文也计算了其它3种情境下的重现期。重现期的变化反映了预测的降雨的变化，“高”情境下的重现期最短。虽然这4种情境发生的概率还不清楚（取决于未来全球的CO2排放量、工业发展趋势及国家政策），但是所有的情境均会导致滑坡重现期的缩短，只是变化的幅度（直接与情境相关）不确定。3、气温变化的影响上文提出的RTA模型并未考虑气温变化产生的影响。据UKCIP 2002的预测，冬季和夏季的气温将分别上升2和4。对比19611990年测量的月平均气温和“中高”情境下预测的月平均气温，预计Mam Tor地区未来的蒸发量将增大，土壤含水量将减少。Buma（2000）在研究阿尔卑斯山的滑坡时发现，有效降雨量（总降雨量减去蒸发量）阈值分析模型对滑坡的模拟效果优于总降雨量阈值模型。然而，Waltham和Dixon（2000）建立的降雨阈值是指总降雨量。他们没有考虑蒸发的影响，因此也就没有计算Mam Tor地区的有效降雨阈值。Waltham和Dixon（2000）认为，在19002000年间气温的影响是次要的，因为总降雨阈值与观测的重大滑坡密切相关。应该根据历史资料建立Mam Tor地区的有效降雨阈值，以便深入研究预测的气温和降雨变化对滑坡再活化重现期的综合影响。然而，气温变化影响的定量分析不在本文的研究范围内，因为缺乏Mam Tor地区计算蒸发量所需的关键参数，例如，无法利用Shaw（1994）提出的Thornthwaite方程计算蒸发量。一般认为，夏季气温越高，蒸发量就越大，土壤含水量也越低；在这种情况下，只有冬季降雨量增大才可能诱发滑坡。这样就可能增大非稳定性的重现期，但若不进行详细研究就无法确定气温变化是否会改变只考虑降雨时所预测的滑坡非稳定性增加的趋势（重现期缩短）。五、结 果本文分析结果表明，明显的季节变化（夏季和冬季的差别）和冬季降雨量变化幅度的增大将对Mam Tor地区的滑坡稳定性造成负面影响，而年降雨量的降低具有正面影响。气温升高可能也有利于滑坡的稳定，但这种观点尚未得到证实。研究上述要素在英国的分布，可以指示未来气候变化对特定地区的影响。总之，根据UKCIP 2002的气候变化资料，在英国南部地区，气候因素的变化极有可能促进滑坡的稳定性，但是在北部地区，这种促进力度相对较小。气候变化对斜坡非稳定性的潜在影响明显与特定的场地形状和地面条件密切相关。在Mam Tor地区，预计冬季降雨量升高带来的影响会被前期的旱季削弱。若滑坡的前期累积时间较短，或者对短期的降雨事件很敏感，那么冬季降雨量的升高对此类滑坡的影响将更加明显，滑坡运动的重现期也会缩短。然而，由于夏季气温升高，蒸发量增大，因此前期的累积降雨对滑坡非稳定性的影响会减小。必须针对具体地区进行深入的研究。本文的研究成果仅仅适用于那些与Mam Tor滑坡的形状和地下条件相似，且目前和未来气候变化也相似的滑坡。与本文类似的一些研究成果已经引起了当局的重视，英国的气候变化可能会造成稳定滑坡的再活化，并（或）增强不稳定斜坡的活动性，从而对交通设施及建筑物等造成破坏。目前，英国已经形成了由利益相关者（基础设施的所有者和管理者）、大学和政府机构联合构成的一个研究网络，以针对预测的气候变化对斜坡非稳定性的影响，确定未来研究的优先权。CLIFFS（斜坡的气候影响预报）网由主要创始人管理，并由英国工程和自然科学研究委员会资助。CLIFFS网正致力于将初步的研究成果（Mam Tor地区）推广到英国所有地区，以便全方位评价当前气候，预测气候及地层的综合影响，其目的是评价英国各种斜坡失稳类型（浅层滑坡、深层滑坡和流动性滑坡）在未来的稳定性。下一步研究的重点是充分利用降雨和气温预测变化的概率数据，考虑气候资料的不确定性。六、结 论UKCIP 2002预测的气候变化已被应用到降雨阈值的统计模型中，来研究英国Mam Tor滑坡未来的稳定性。根据Waltham和Dixon（2000）的研究，到本世纪80年代在UKCIP的“中高”情境下，由于降雨量的变化，同时超越1个月降雨阈值及6个月累积降雨阈值的重现期将从4.0年缩短到3.5年。在四种气候变化情境下，重现期均缩短。滑坡的多发季节也有可能从晚秋转移到冬季。该模型对平均降雨量反应灵敏，在冬季尤其如此。由于缺乏验证模型所需的历史资料，因而无法详细评价气温升高带来的影响。然而，气温升高有可能导致蒸发量增大和有效降雨量减少，因而增加了滑坡的稳定性（即滑坡运动的重现期增大）。上述分析可知，明显的季节变化和冬季降雨量变化幅度增大将对滑坡的稳定性造成负面影响，而年降雨量的降低具有正面影响。研究英国特定地区的气候变化，结合滑坡对冬季极端降雨事件的脆弱性评价，就可以利用本文提出的相对简单的方法来估计气候变化的可能影响，并利用气候和滑坡的历史记录进行验证。当然，也需要特定地区的“气候地下水斜坡的非稳定性”之间相互关系的资料，以便确定气候变化的可能影响，确保上述简单概率方法的有效性。在英国广泛关注这一问题的大背景下，建立了CLIFFS网，来协调未来斜坡的非稳定性受所预测气候变化影响的研究，并评价当前环境可能受到的影响。