時(shí)空維度降雨對碳酸鹽巖地區(qū)崩塌的影響

蘇士星，何飛

(1.河南省有色金屬礦產(chǎn)探測工程技術(shù)研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)， 河南 鄭州 450016)

0 引言

崩塌是指地質(zhì)體在重力作用下，從高陡坡突然加速崩落、滾落或者跳躍，具有明顯的拉斷或傾覆的地質(zhì)現(xiàn)象(中華人民共和國國土資源部，2015)。我國地質(zhì)災(zāi)害的分布具有點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)(劉傳正和陳春利，2020)，崩塌是我國主要的地質(zhì)災(zāi)害類型之一。中國自然資源部2022年1月13日發(fā)布的《2021年全國地質(zhì)災(zāi)害災(zāi)情及2022年地質(zhì)災(zāi)害趨勢預(yù)測情況》顯示，2021年全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害4772起，其中崩塌1746起(中華人民共和國自然資源部，2022)，占比36.59%，造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。

對于地質(zhì)災(zāi)害的研究目前已有很多，如利用GIS和層次分析法對青海省果洛州甘德縣的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評價(jià)(段順榮等，2021)；運(yùn)用基于信息量法對重慶市云陽縣三峽庫區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性評價(jià)(張利芹等，2020)；王偉等(2021)分析研究了廣西壯族自治區(qū)德?？h地質(zhì)災(zāi)害的形成條件及影響因素；對甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣的地質(zhì)災(zāi)害形成條件與發(fā)育規(guī)律進(jìn)行了相關(guān)研究。這些研究主要基于GIS技術(shù)對研究區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性分級以及對地質(zhì)災(zāi)害的形成條件的研究，可以為政府進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)、土地利用和基礎(chǔ)規(guī)劃等活動提供決策性依據(jù)(殷坤龍和朱良峰，2001)。但很少有針對單一因素對地質(zhì)災(zāi)害影響的深入研究。

降雨是引發(fā)崩塌發(fā)生的主要自然因素之一(高楊等，2017；狄靖月等，2019；許強(qiáng)，2020)。自20世紀(jì)90年代，很多學(xué)者針對地質(zhì)災(zāi)害和降雨的關(guān)系開展研究分析工作，其中大多數(shù)是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的研究，如劉艷輝等(2016)基于“命中率、漏報(bào)率和空報(bào)率”等三個(gè)指標(biāo)的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警的校驗(yàn)方法；仇開莉等(2014)以地面綜合調(diào)查為主，以降雨條件是引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的主要因素，研究引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值；趙鵬等(2017)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，從空間和時(shí)間角度研究引發(fā)渝東北地質(zhì)災(zāi)害的降雨閾值；馬秀梅等(2019)提出基于局部高強(qiáng)度降雨的地質(zhì)災(zāi)害特征分析方法。

但很少有人研究降雨對同一地層巖性中單一災(zāi)害類型的影響。眾所周知，降雨對不同地質(zhì)災(zāi)害的影響不同，同一地質(zhì)災(zāi)害也會受到地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、水文地質(zhì)、植被覆蓋等內(nèi)因，與自然和人為要素等外因的影響(曾貞和張志強(qiáng)，2018；張秦華等，2018；陳緒鈺等，2019)。本次選擇從時(shí)間、空間兩個(gè)維度，研究廣西壯族自治區(qū)靖西市的碳酸鹽巖地區(qū)的降雨對崩塌的影響，目的就是盡可能消除其他因素對地質(zhì)災(zāi)害產(chǎn)生的影響。

靖西市位于我國西南部邊境，隸屬廣西壯族自治區(qū)百色市，地理坐標(biāo)：北緯22°51′～23°34′、東經(jīng)105°56′～106°48′，東西最大橫距99 km，南北最大縱距75 km，面積3331 km2。該區(qū)外力地質(zhì)作用主要類型有風(fēng)化作用、重力地質(zhì)作用、地面流水地質(zhì)作用等，由外力地質(zhì)作用誘發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題或不良地質(zhì)現(xiàn)象主要有滑坡、崩塌、泥石流等(李文新，2017)，在人類活動地區(qū)，它們往往造成地質(zhì)災(zāi)害。靖西市年平均降雨量為1596.2 mm(1961～2003年)，多集中在5～8月間，占全年降雨量70%，12月至次年的2月降雨最少，月平均雨量不足30 mm，8月份為全年降雨高峰，月平均降雨量達(dá)300 mm以上。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)采集和處理

1.1.1 降雨數(shù)據(jù)采集

筆者團(tuán)隊(duì)收集了靖西南坡國家氣象觀測站(N6073)、靖西龍邦國家氣象觀測站(N6123)、靖西渠洋國家氣象觀測站(N6193)、靖西氣象觀測站(59218)、靖西果樂連境氣象觀測站(N6163)、靖西新甲氣象觀測站(N6173)、靖西祿峒榮勞氣象觀測站(N6183)、靖西武平氣象觀測站(N6203)、靖西魁圩氣象觀測站(N6213)、靖西湖潤古龍山風(fēng)景區(qū)氣象觀測站(N6003)、靖西地州氣象觀測站(N6013)、靖西壬莊氣象觀測站(N6023)、靖西安寧氣象觀測站(N6043)、靖西岳圩氣象觀測站(N6053)、靖西安德氣象觀測站(N6063)、靖西同德氣象觀測站(N6083)、靖西吞盤氣象觀測站(N6093)、靖西化峒?xì)庀笥^測站(N6113)、靖西龍臨龍門氣象觀測站(N6143)19個(gè)氣象觀測站，自2010年1月1日至2018年12月31日的每日降雨數(shù)據(jù)。

1.1.2 崩塌地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)收集

根據(jù)廣西壯族自治區(qū)靖西市1∶5萬地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查結(jié)果可知，靖西市地質(zhì)災(zāi)害類型主要有滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、地面塌陷4種，地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)為276處(包含隱患點(diǎn)179處)，其中主要災(zāi)種為崩塌，共有231處，占全市地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的83.6%；滑坡18處，占6.5%；不穩(wěn)定斜坡22處，占7.9%；地面塌陷5處，占1.8%。

靖西市域內(nèi)出露的沉積巖地層有寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系，其中泥盆系、石炭系分布最廣，巖性以碳酸鹽巖為主；二疊系主要分布在測區(qū)的中部及南部地區(qū)，巖性以碳酸鹽巖為主；下三疊統(tǒng)巖性以碳酸鹽巖為主，主要分在中部的大甲、高京一帶，中三疊統(tǒng)巖性為碎屑巖，分布在魁圩北面及地州鎮(zhèn)上屯一帶；白堊系小面積出露于測區(qū)西面的平江街，巖性為礫巖、砂巖；寒武系巖性由碎屑巖組成，僅分布在果樂一帶及吞盤街一帶。

本次研究選取靖西市碳酸鹽巖地區(qū)的崩塌地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)共216處，共發(fā)生崩塌293次，其中可統(tǒng)計(jì)到月份的崩塌地質(zhì)災(zāi)害244次。

1.1.3 降雨數(shù)據(jù)處理

在時(shí)間維度上計(jì)算靖西市1—12月的月平均降雨量(表1)。

在空間維度上計(jì)算19個(gè)氣象觀測站的年平均降雨量，并利用ArcGIS10.2.2軟件對這19個(gè)氣象觀測站的年平均降雨量在靖西市范圍內(nèi)做克里金插值(柵格大小為1 km×1 km)，得到降雨等值圖，共得到3107個(gè)柵格數(shù)據(jù)(圖1)。

由圖1可以看出，靖西市的降雨分布規(guī)律為以地州鎮(zhèn)為中心，降雨量向四周減少，其中靖西市北部渠洋鎮(zhèn)、魁圩鄉(xiāng)一帶降雨量最少，大體呈南多北少的趨勢。

圖1 靖西市碳酸鹽巖地區(qū)降雨量等值柵格圖

將得到的降雨等值圖以50mm為梯度分為1300～1350 mm、1350～1400 mm、1400～1450 mm、1450～1500 mm、1500～1550 mm、1550～1600 mm、1600～1650 mm、1650～1700 mm、1700～1750 mm和1750～1800 mm 10個(gè)梯度，并統(tǒng)計(jì)每個(gè)梯度的面積。

1.1.4 碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)處理

利用ArcGIS10.2.2軟件對293次崩塌地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行核密度分析(柵格大小為1 km×1 km)，得到靖西市碳酸鹽巖地區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害的密度，共得到3107個(gè)柵格數(shù)據(jù)(圖2)。

圖2 靖西市碳酸鹽巖地區(qū)崩塌密度柵格圖

由圖2可以看出，靖西市碳酸鹽巖地區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生在靖西市中部新靖鎮(zhèn)、武平鎮(zhèn)一帶，靖西市北部魁圩鄉(xiāng)一帶崩塌地質(zhì)災(zāi)害的密度也較大。

統(tǒng)計(jì)12個(gè)月，每月的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)(表1)?？梢?，崩塌集中發(fā)生在6月和7月。

表1 月平均降雨量與崩塌地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)

統(tǒng)計(jì)10個(gè)降雨梯度中地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生次數(shù)(表2)?？梢?，崩塌密度較高處為第10梯度帶。

表2 柵格年平均降雨值與崩塌地質(zhì)災(zāi)害次數(shù)

1.2 數(shù)據(jù)分析

1.2.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化分析

利用公式對月平均降雨值、柵格年平均降雨值、柵格地質(zhì)災(zāi)害密度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析。

(1)

式(1)中，S為標(biāo)準(zhǔn)值，ai為當(dāng)前值，amin為a的最小值，amax為a的最大值。

1.2.2 線性回歸分析

分別對每月的標(biāo)準(zhǔn)化后的降雨值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量、柵格化后的降雨值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度值、不同梯度降雨值和不同梯度地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度通過SPSS軟件進(jìn)行線性回歸。

2 結(jié)果

2.1 時(shí)間維度降雨對碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害的影響

對每月平均降雨量的標(biāo)準(zhǔn)值和每月發(fā)生災(zāi)害次數(shù)比例進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表3和圖3所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.247·X

(2)

式(2)中，X為月平均降雨量的標(biāo)準(zhǔn)值，Y為月發(fā)生災(zāi)害次數(shù)比例，R2=0.810，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認(rèn)為，在時(shí)間維度上，降雨量增加可導(dǎo)致碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量增加。

表3 每月平均降雨量的標(biāo)準(zhǔn)值與災(zāi)害次數(shù)比例線性回歸顯著性表

圖3 每月平均降雨量的標(biāo)準(zhǔn)值與災(zāi)害次數(shù)比例線性回歸圖

2.2 空間維度降雨對碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害的影響

2.2.1 不同降雨梯度的崩塌地質(zhì)災(zāi)害的線性回歸分析

對降雨梯度和不同降雨梯度地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表4和圖4所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.014·X

(3)

式(3)中，X為降雨梯度，Y為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值，R2=0.864，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認(rèn)為，在空間維度上，降雨量增加可導(dǎo)致碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量增加。

表4 降雨梯度和不同降雨梯度地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸顯著性表

圖4 降雨梯度和不同降雨梯度地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸圖

2.2.2 不同地質(zhì)柵格的降雨與崩塌地質(zhì)災(zāi)害的線性回歸分析

對每個(gè)地質(zhì)柵格的降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行線性回歸分析，結(jié)果如表5和圖5所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.464·X

(4)

式(4)中，X為降雨量標(biāo)準(zhǔn)值，Y為地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值，其R2=0.648，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認(rèn)為，在空間維度上，降雨量增加可導(dǎo)致碳酸鹽巖地區(qū)崩塌(危巖)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量增加。

表5 地質(zhì)柵格的降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸顯著性表

圖5 地質(zhì)柵格的降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸圖

3 結(jié)論與討論

通過線性回歸分析可以發(fā)現(xiàn)，在時(shí)間維度上，降雨量增加可以明顯增加崩塌發(fā)生的次數(shù)，而在空間維度，降雨量增加在一定程度上能夠增加崩塌的密度，但并不像時(shí)間維度一樣呈單調(diào)上升。

在降雨梯度與地質(zhì)災(zāi)害密度線性回歸圖(圖6a)中，可以在梯度3處把曲線分成2部分(即紅框和藍(lán)框)，每一部分均呈現(xiàn)降雨量增加，崩塌密度也增加的情況，但紅框部分卻比藍(lán)框前半部分的崩塌密度高。

在地質(zhì)柵格的降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度線性回歸圖(圖6b)中，也可以將散點(diǎn)圖畫成紅、藍(lán)、黃三部分，每部分均呈現(xiàn)降雨量增加，崩塌密度增加的情況，但是紅色部分的增速最大，藍(lán)色部分次之，黃色最小。

圖6 空間維度降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸對比圖a—降雨梯度和不同降雨梯度地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸圖；b—地質(zhì)柵格的降雨量標(biāo)準(zhǔn)值和地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度標(biāo)準(zhǔn)值線性回歸圖

由降雨等值圖可以看出，靖西市降雨呈現(xiàn)以地州鎮(zhèn)為中心，降雨量向四周減少的趨勢。1300～1450 mm降雨帶分布在靖西市北部魁圩鄉(xiāng)、果樂鄉(xiāng)、新甲鄉(xiāng)、渠洋鎮(zhèn)等區(qū)域，災(zāi)害點(diǎn)密度在該區(qū)域也較高；同時(shí)在降雨量1400～1500 mm的吞盤鄉(xiāng)，災(zāi)害點(diǎn)密度也出現(xiàn)較高值。

造成魁圩鄉(xiāng)一帶崩塌地質(zhì)災(zāi)害密度較高原因在于魁圩鄉(xiāng)一帶山體較多，地形起伏度相對較大，因此崩塌發(fā)生較多。而吞盤鄉(xiāng)一帶，處于碳酸鹽巖和碎屑巖交界處，土層較厚，這一帶發(fā)生的崩塌也多為土質(zhì)崩塌。同時(shí)在進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查時(shí)，該區(qū)正處于施工階段，對山體邊坡開挖較大，且尚未進(jìn)行邊坡修復(fù)，不當(dāng)?shù)娜斯せ顒訒觿〉刭|(zhì)災(zāi)害的發(fā)生(張淑虹，2017；陳誠等，2020)。因此，該區(qū)崩塌地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較多。

由此，在降雨量預(yù)警劃分時(shí)，可將靖西市碳酸鹽巖地區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域，即I區(qū)(靖西市北部魁圩鄉(xiāng)—果樂鄉(xiāng)—新甲鄉(xiāng)—渠洋鎮(zhèn))、II區(qū)(靖西市吞盤鄉(xiāng))和III區(qū)(靖西市大部分安德鎮(zhèn)—龍臨鎮(zhèn)—祿峒鎮(zhèn)—新靖鎮(zhèn)—武平鎮(zhèn)—同德鄉(xiāng)—南坡鄉(xiāng)—化峒鎮(zhèn)—地州鎮(zhèn)—安寧鄉(xiāng)—龍邦鎮(zhèn)—岳圩鎮(zhèn)—湖潤鎮(zhèn))。其中I區(qū)的降雨預(yù)警值可在1400 mm左右、II區(qū)在1500 mm、III區(qū)在1700 mm。

在今后進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的降雨警戒閾值預(yù)測工作時(shí)，一定要根據(jù)地質(zhì)環(huán)境的不同，先進(jìn)行劃分處理，再分區(qū)域利用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行降雨預(yù)警工作。