北京市暴雨-突发地质灾害量化关系分析.pdf

第 卷 第 期 年 月人 民 长 江.收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:王海芝女正高级工程师硕士主要从事地质灾害预报预警 :.文章编号:()引用本文:王海芝许冰翟淑花等.北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析.人民长江():.北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析王 海 芝许冰翟 淑 花张 翊 超(.北京市地质灾害防治研究所北京 .中国科学院大学北京 .中国科学院 地质与地球物理研究所北京)摘要:强降雨是突发地质灾害的主要诱发因素不同特点的强降雨诱发不同数量的突发地质灾害研究暴雨强度与突发地质灾害之间的数量关系成为防灾减灾工作的重要突破点之一 采用典型案例对比分析方法在对北京 场典型特大暴雨及其激发的突发地质灾害特点分析的基础上引入了暴雨强度指数和突发地质灾害响应指数初步研究了降雨强度与突发地质灾害数量的关系 结果表明:暴雨强度指数越高暴雨的致灾能力越强暴雨强度与突发地质灾害数量存在指数关系 研究结果可为突发地质灾害防灾减灾和应急救灾部署提供参考为有效提高防灾减灾的效率提供技术支撑关 键 词:突发地质灾害 降雨强度指数 突发地质灾害响应指数 案例对比分析法 指数关系 北京市中图法分类号:文献标志码:./.引 言北京作为中国首都具有人口密度大与基础设施发达的特点因此地质灾害往往会造成巨大损失 据不完全统计自 年以来北京市共发生各类突发地质灾害 起造成各类经济损失数百万元 强降雨是突发地质灾害的主要触发因素 以上的突发地质灾害是由暴雨激发的 因此暴雨与突发地质灾害关系的研究是突发地质灾害的重要研究内容相关学者通过数值统计、实验分析等方法研究了各个时段降雨量、雨强对突发地质灾害发生的影响 提出了泥石流发生的临界阈值 临界雨量是触发地质灾害的最小降雨量或降雨强度高于这一值时就可能触发地质灾害而低于这一值时地质灾害就不可能发生 临界雨量的确定方法概括起来可分为两类:基于物理模式估计 基于经验雨量模式估计 目前国际通用的经验模式是基于 提出的降雨强度 持续时间模型建立和衍生而来的即 (为降雨强度 为降雨持续时间、和 为常数)该模型是目前应用最广泛、研究最深入的临界雨量厘定方法应用范围几乎涵盖了全球的各个大陆和地区 此外不同学者采用的临界雨量降雨指标存在较大差异常用的降雨指标可分为四大类型:结合具体降水事件获得的降水测量值的临界雨量 包含前期降水的临界雨量 其它临界雨量包括水文条件阈值 降水事件 强度临界阈值 国际上多数研究和预警系统中应用的是基于降水事件获得降水量的降雨强度 持续时间临界雨量模型上述研究从多个角度研究了触发突发地质灾害降雨阈值但是对于降雨量与突发地质灾害数量之间的关系研究较少 研究者在进行降雨量与突发地质灾害数量统计时发现降雨强度越大灾害次数就越多由于数据记录缺乏完整性对于降雨与突发地质灾害之间的定量关系目前尚未深入研究 地质灾害数量是部署防灾减灾工作的重要依据因此关于降雨量与 人 民 长 江 年突发灾害之间量的关系探讨成为防灾减灾工作的重要突破口近年来随着突发地质灾害管理工作专业化、规范化发展降雨与突发地质灾害数据完整保存了下来为研究降雨与突发地质灾害的数量关系提供了良好的基础数据 本文以近 来北京市发生于 年 月 日、年 月 日及 年 月 日(以下分别简称“”“”“”)场特大暴雨及其激发的突发地质灾害为研究对象采用典型案例对比分析的方法系统分析了 场暴雨及其激发的突发地质灾害特点初步探讨了暴雨的致灾能力、突发地质灾害对暴雨的响应能力建立了暴雨强度与突发地质灾害数量的关系式探索用暴雨强度指数 突发地质灾害响应指数为分级依据进行有效的防灾减灾部署工作 研究区概况北京市由西北部山地和东南部平原两大地貌单元组成 山地面积 .占北京市总面积的.以昌平关口为界山区分为西部山区和北部山区 其中西部山区属太行山脉是新构造运动强烈上升区经外力长期侵蚀切割形成起伏山峦主要由中生界、古生界和中新元古界地层组成岩性以碳酸盐岩、各类碎屑岩及火山岩为主岩性坚硬节理裂隙发育 北部山区大部分区域属燕山山脉以近东西向的山地为主体主要由中上元古界沉积岩、中生界侵入岩组成山体具有块状分散、地势陡峻、起伏较大的特点中、低山区是突发地质灾害高易发区丘陵是中低易发区 其中中山区主要分布于北京市北部与西部山区的边缘地带面积 海拔高程大于 地形高差一般在 以上山势险峻地形坡度多大于 中山区山高坡陡山体高大阻碍气流云团移动迫使云团沿地形抬升导致局部地区强暴雨的形成是大型崩塌、滑坡及泥石流形成的重要地段 低山区广布于北京市山区面积 .海拔 地形起伏较大平均坡度在 左右 地形切割强烈松散物质丰富是突发地质灾害发生的主要区域北京地区位于中纬度季风气候区多年平均降水量为 (见图)北京市年降水量自 年以来整体呈减少的趋势 但是在大气候变暖的大背景下极端降水事件明显增多局地或全市暴雨、特大暴雨事件时有发生 受地形影响西部及北部山前迎风坡(密云区、怀柔区及房山区)降水明显多于其他地区 复杂的地形地貌叠加强降雨导致多起突发地质灾害发生 图 北京市多年平均降雨量分布(单位:).典型特大暴雨过程与激发地质灾害特征.暴雨过程 年以来北京市发生了 场特大暴雨分别出现在 年 月 日 年 月 日与 年月 日 这 场暴雨均发生在“七下八上”的主汛期时段为全市性降雨均出现局部暴雨或特大暴雨(见图 )降雨时长分别为 和 场次平均降雨量分别为.和.(见表)“”“”对流性阵雨较“”显著其中“”对流性最强强降雨持续时间最长(见图)“”最高小时雨强为./(平谷挂甲峪 年 月 日:)“”最高小时雨强./(昌平花塔 年 月 日:)“”最高小时雨强 /(西白莲峪 年 月 日:)场降雨的降雨中心均位于山前其中“”“”降雨中心位于房山区“”降雨中心位于密云区 年 月 日北京地区出现了历史罕见的强降雨过程 主要降雨过程从 月 日:自西南向东北方向影响北京结束于 日凌晨:持续 此次降雨过程具有雨量大、强度高、范围广等特点 全 市 平 均 降 雨.城 区 平 均 降 雨.最大累积降雨出现在房山区河北镇降雨量达.突破 年以来气象历史记录 全市累积降雨量超过 的雨量站达个超过 第 期 王海芝等:北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析图 场降雨过程雨量分布.图 “”北京市降雨及激发突发地质灾害分布示意.的雨量站 个超过 的雨量站 个除延庆外全市大部分地区都出现 的大暴雨 特大暴雨小时雨强普遍达到 /峰值降雨持续时间达 年 月 日凌晨至 日夜间的强降雨过程中主要降雨出现在 日白天和 日凌晨至夜间两个时段持续时间约 是 场暴雨中平均降雨量最大的降雨全市平均降雨量.城区平均降雨量.也是 年以来场次降雨量最大的降雨过程降雨总量超过“”暴雨 降雨总量的空间分布大致由西南向东北递减 暴雨极值点均位于海拔 范围内的山前地带暴雨中心出现在房山区、门头沟区和昌平区东偏北方向呈带状分布长度近 中心降雨总量 以上此次降雨过程有 个雨量站累积雨量超过 个雨量站累积雨量超过 个雨量站雨量超过 “”暴雨呈“一小一大”双峰雨型第二个雨峰过程是主降雨过程降雨总量达.年 月 日的暴雨是 场降雨中持续时间最长的图 “”北京市降雨及激发突发地质灾害分布示意.一次开始于 月 日:结束于 日:持续时间达 尽管此次降雨持续时间长但其平均雨量是 场中最小的全市平均降雨量为.最强降雨出现在 日夜间至 日上午伴有明显的短时强降水 暴雨区雨带长约 宽度 最大单站累积降水量与“”暴雨中心降雨量相当为.出现在密云西白莲峪 全市雨量站累积降水量超过 的 个 降水主要集中在 个时段:日凌晨至上午(:)日午后至前半夜(:)日早晨至上午 人 民 长 江 年(:)整体呈“三波峰”的特征单次强降水的持续时间约 过程两两间隔约 图 “”北京市降雨及激发突发地质灾害分布示意.典型暴雨激发的突发地质灾害 场暴雨均出现了 降雨量超过 大暴雨过程但激发的突发地质灾害类型、数量及空间分布却存在极大的差别(见表)场暴雨激发的突发地质灾害均发生于暴雨或以上落区范围其中“”共激发 类 处突发地质灾害数量从多到少依次为:崩塌(处)泥石流(处)不稳定斜坡(处)滑坡(处)地面塌陷(处)其中比较典型的有房山区河北镇的西区沟泥石流和房山区霞云岭乡的鱼骨寺黄台滑坡(见图、)“”激发了 类 处突发地质灾害数量从多到少依次为:崩塌(处)泥石流(处)滑坡(处)其中比较典型的有房山区 国道复线崩塌和怀柔区河北镇公路崩塌(见图、)“”激发了 类 处突发地质灾害数量从多到少依次为:崩塌(处)、不稳定斜坡(处)、滑坡(处)表 场特大暴雨激发突发地质灾害类型及数量.处降雨场次崩塌不稳定斜坡地面塌陷滑坡泥石流合计“”“”“”场暴雨激发的突发地质灾害数量及类型有较大的差别其中“”激发的突发地质灾害的数量是“”激发突发地质灾害数量的.倍是“”地质灾害数量的 倍“”激发了 类突发地质灾害囊括了北京市 类突发地质灾害类型“”“”各激发了 类突发地质灾害其中“”期间未发生地面塌陷和不稳定斜坡“”期间未发生泥石流和地面塌陷 场暴雨激发的突发地质灾害的类型、数量与降雨量及降雨强度的空间分布高度一致(见图 )均出现在降雨中心而且随降雨量的降低灾害类型和数量逐渐减少表明降雨是触发地质灾害的主控因子各类突发地质灾害发生的雨量范围具有清晰的界线泥石流均发生在特大暴雨落区内滑坡、地面塌陷发生在大暴雨及以上级别的降雨落区内崩塌、不稳定斜坡发生在暴雨及以上级别的降雨落区内各类突发地质灾害激发雨量的大小排序为:泥石流 滑坡、地面塌陷 崩塌、不稳定斜坡(见图 )上述分析进一步表明降雨量与突发地质灾害数量高度相关与前人的分析结果一致 暴雨强度与突发地质灾害定量分析.暴雨强度与突发地质灾害数量关系尽管区域地质环境背景如表层土壤类型、植被覆盖程度以及地质地貌特征对地质灾害的发生具有一定的影响但研究表明降水是北京地区地质灾害发生的表 场特大暴雨基本特征对比.降雨场次降雨整体过程降雨历时/场次平均雨量/城区平均雨量/最大单站降水量/影响系统暴雨中心移动路径按降雨峰值划分“”总历时 全市平均降雨 强降雨持时长强度大最大 雨量超过 的雨量站达到 个.(房山区河镇)低涡、切变线、低空急流西南至东北单峰“”总历时 全市平均降雨.强度大最大 雨量.最大 雨量超过历时极值的达 个.(房山区南乡)低涡、倒槽、低空急流自南向北双峰“”总历时 全市平均降水.累积降水最大出现在西白莲峪累积降水量.全市累积降水量 的站 个最大 雨强出现在密云西白莲峪 降雨量达 雨强超过“.”单点极值(.(平谷挂甲峪).(密云区西白莲峪)低空急流、辐合线、西风槽、高空冷涡西南至东北三峰 第 期 王海芝等:北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析图 “”房山区河北镇西区沟泥石流.“”图 “”房山区霞云岭乡黄台滑坡.“”图 “”房山区 国道复线崩塌.“”图 “”怀柔区渤海镇公路崩塌.“”图 “”特大暴雨激发突发地质灾害分区数量柱状统计图.“”图 “”特大暴雨激发突发地质灾害分区数量柱状统计图.“”人 民 长 江 年图 “”特大暴雨激发突发地质灾害分区数量柱状统计图.“”主要控制因素 本次研究的数据也支持了这一结论如房山区是“”“”的暴雨中心区平均降雨量基本相同分别为.和.但 场降雨激发的突发地质灾害的类型、数量却有极大的差别(见表)指示降水特征是地质灾害发生的主要控制因子表 房山区两场降雨激发的突发地质灾害统计.处降雨场次崩塌不稳定斜坡地面塌陷滑坡泥石流合计“”“”由表 可知房山区 场降雨触发的地质灾害数量及类型均有较大的差别“”激发的突发地质灾害的数量是“”激发突发地质灾害数量的 倍灾害类型是“”激发灾害类型的.倍 对比“”与“”两场降雨整体历时有较大差别其中“”特大暴雨整体历时“”特大暴雨整体历时 “”特大暴雨是单峰雨型“”特大暴雨是“一小一大双峰雨型”两场降雨平均小时雨强分别为./和./前者是后者的.倍(表)两场降雨的主峰时段均持续 主峰时段的累积降雨量分别是 和 (见图 )分别占整场降雨量的.和.平均小时雨强分别为./和./前者是后者的.倍 两场降雨在主峰时段均有一个 的强峰值时段其中“”的强峰值时段累积降雨量为 “”特大暴雨强峰值时段累积降雨量为(见图 )平 均 小 时 雨 强 分 别 为./和./前者是后者的.倍 年的 间房山区地质环境基本没有发生变化因此导致两场突发地质灾害巨大差别的主要原因是降雨特征 鉴于两场降雨的总降雨量基本相同平均雨强却相差近 倍进一步支持了降雨强度是触发突发地质灾害主要控制因素的判断表 房山区两场降雨基本特征对比分析.降雨场次整体历时/雨型场次平均雨强/()强峰值时段平均雨强/()“”单峰.“”双峰.图 “”特大暴雨强降雨时段及峰值降雨时段过程雨量分布.“”图 “”特大暴雨强降雨时段及峰值降雨时段过程雨量分布.“”根据前人的研究真正产生激发效应的是短历时的雨强 因此“”“”两场降雨激发效应最高的时段是强降雨峰值时段“”激发的 第 期 王海芝等:北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析突发地质灾害数量是“”激发突发地质灾害的 倍佐证了场次降雨中强降雨时段的激发效应理论而且降雨强度与突发地质灾害之间存在数量关系.暴雨强度与突发地质灾害量化方法对于同等级暴雨由于降雨历时、雨型、雨强不同激发突发地质灾害的类型、数量有极大差别应该用一个指标衡量暴雨致灾能力 引入反映暴雨致灾能力的概念 暴雨强度指数由相当暴雨日数与暴雨实际日数比值乘以场次降雨量:暴雨强度指数 相当暴雨日数暴雨实际日数降雨总量/暴雨强度指数的意义是:量化暴雨的致灾能力即暴雨强度指数越高暴雨的致灾能力就越强激发的突发地质灾害的类型以及数量就越多 根据上述概念计算出 场暴雨的暴雨强度指数分别为:.突发地质灾害对场次暴雨响应的最直观体现是突发地质灾害的数量即突发地质灾害的数量越多表明暴雨的致灾能力越强 为了量化体现突发地质灾害对场次暴雨的响应能力引入地质灾害响应指数概念将场次暴雨激发的突发地质灾害的数量无量纲化处理之后的数值定义为该场暴雨的地质灾害响应指数 该指数越高表明该场降雨激发的灾害数量越多 根据上述定义 场暴雨激发的突发地质灾害的响应指数分别为:.暴雨强度与突发地质灾害数量关系由于暴雨强度与突发地质灾害之间是正相关关系即暴雨强度越大突发地质灾害数量就越高 为了明确二者之间具体的数量关系将上述暴雨强度指数与突发地质灾害指数在数值软件中进行了回归分析(见图)图 暴雨强度指数与突发地质灾害响应指数关系曲线.综上所述暴雨强度指数能量化反映暴雨致灾能力突发地质灾害响应指数能量化反映突发地质灾害对场次暴雨响应能力 这两个概念的引入初步实现了暴雨强度 突发地质灾害的量化表达在暴雨 突发地质灾害强度关系的研究上做出了新的探索 鉴于目前关于降雨与突发地质灾害数量完整信息相对较少上述关系式需在以后工作中继续完善、修正.暴雨 突发地质灾害定量预警模式目前多利用临界雨量阈值进行突发地质灾害预警该方法从降雨的多个角度对激发突发地质灾害的阈值进行了界定 在实践中得到了广泛的应用这种方法的优点是给出了突发地质灾害发生的雨量激发条件但是并未涉及到可能激发的突发地质灾害数量 而突发地质灾害数量通常是进行防灾减灾部署工作中需要参考的重要技术指标:某一地区发灾数量多则需部署的技术人员及相应的物资数量就多反之需要部署的人员及物资数量就少 采用暴雨强度指数作为防灾减灾部署依据能够进一步提高防灾减灾的效率基于本次研究得到的暴雨强度指数以及对应的灾害数量提出了采用暴雨强度指数 突发地质灾响应指数参照表(见表)作为防灾减灾部署的技术参数当预报暴雨强度指数为 突发地质灾害响应指数为 时应急调度指数为 此时应急部署可安排 个应急小组开展现场应急工作每组负责 处 以此类推有序开展现场应急工作实现了应急部署的量化目标大大地提高了应急工作的效率表 暴雨强度指数、突发地质灾害响应指数、应急调度指数对应表.暴雨强度指数突发地质灾害响应指数应急调度指数 结 论()在总雨量一致的前提下高雨强及高雨强持续的时间是激发突发地质灾害类型、数量的关键因素()各类突发地质灾害的激发阈值具有清晰的界线:泥石流发生在特大暴雨落区内()滑坡、地面塌陷发生在大暴雨及以上级别的降雨落区内()崩塌、不稳定斜坡发生在暴雨及以上级别的降雨落区内()各类突发地质灾害激发雨量的顺序为:泥石流 滑坡、地面塌陷 崩塌、不稳定斜坡()暴雨强度指数是量化暴雨致灾能力的指标突 人 民 长 江 年发地质灾害指数是量化突发地质灾害对暴雨响应能力的指标暴雨强度与突发地质灾害数量之间呈指数关系()采用暴雨强度指数 突发地质灾害强度指数表部署防灾减灾工作能进一步提高防灾减灾效率提高防灾减灾效率是现代化城市安全发展的需求本文在防灾减灾部署方面的量化探索对于提高防灾减灾效率具有现实意义 但是由于突发地质灾害规范化管理的时间较短目前可用于量化研究的数据较少量化的准确度和深度需要在今后的工作中进一步加强和深入参考文献:北京市地质研究所.北京市突发地质灾害应急调查报告.北京:北京市地质研究所.:.:(/):.:.():.:.():.王海芝.北京地区暴雨泥石流预警阈值研究.第四纪研究():.王海芝胡福根于淼等.北京市崩塌地质灾害激发因素浅析.城市地质():.谭炳炎段爱英.山区铁路沿线暴雨泥石流预报的研究.自然灾害学报():.():.:.():.夏梦想李远耀吴吉民等.基于 统计模型的张家界市滑坡灾害降雨预警阈值研究.自然灾害学报():.“”.():.:.:():.():.():.():.():.().():.程尊兰朱平一刘雷激.泥石流活动与雨强的关系 以雅砻江下游金龙沟为例.自然灾害学报():.周健杜强李翠娜.降雨强度对泥石流启动影响的模型试验研究.自然灾害学报():.苏鹏程刘希林郭洁.四川泥石流灾害与降雨关系的初步探讨.自然灾害学报():.翟淑花于家烁程素珍等.北京山区暴雨泥石流预警模型研究.人民长江():.胡厚田.崩塌与落石.北京:中国铁道出版社:.王佳丽张人禾王迎春.北京降水特征及北京市观象台降水资料代表性.应用气象学报():.郝立生丁一汇.华北降水变化研究进展.地理科学进展():.朱龙腾陈远生李璐等.年北京市降水变化情势分析.水资源保护():.马京津李书严王冀.北京市强降雨分区及重现期研究.气象():.吴正华褚锁龙李海盛.北京相当暴雨日数的气候特征.大气科学():.张朝林季崇萍 等.地形对“”背景特大暴雨过程影响的数值研究.自然科学进展():.林之光.地形降水气候学.北京:科学出版社:.王宇虹徐国强贾丽红等.太行山对北京“.”特大暴雨的影响及水汽敏感性分析的数值研究.气象():.谌云孙军徐珺等.北京“.”特大暴雨的极端性分析及思考(一)观测分析及思考.气象():.杨默远潘兴瑶邸苏闯等.北京“.”特大暴雨的时空多要素分析.水文():.吴正华褚锁龙.北京暴雨与旱涝关系的分析.应用气象学报():.(编辑:李 慧)第 期 王海芝等:北京市暴雨 突发地质灾害量化关系分析 (.):.:(上接第 页)(.):.:.: