山東某地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害性降雨閾值分析

摘 要：本文以野外調(diào)查、綜合研究等方法，對(duì)年、月、日降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響相關(guān)性進(jìn)行分析，以揭示降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。結(jié)果表明：研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型主要為降雨型。前15d，當(dāng)降雨量為250～400mm時(shí)是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的高頻期。在此基礎(chǔ)上，建立降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值模型并獲得降雨閾值，結(jié)合大氣降雨的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)強(qiáng)降雨天氣的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行提前預(yù)警，以便提前做防范。

關(guān)鍵詞：山區(qū)；地質(zhì)災(zāi)害；降雨閾值

中圖分類(lèi)號(hào)：X 43" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

降雨型地質(zhì)災(zāi)害的降雨閾值分為狹義上的閾值和廣義上的閾值兩種[1]。狹義上的閾值通常是降雨強(qiáng)度-歷時(shí)（I-D）閾值，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種閾值。而廣義上的閾值是研究經(jīng)驗(yàn)性降雨閾值模型，主要圍繞降雨量（E）、降雨強(qiáng)度（I）和降雨歷時(shí)（D）等指標(biāo)的其他降雨指標(biāo)組合的閾值[2]。王婷等[3]采用多級(jí)模糊綜合評(píng)估模型定量評(píng)估了臺(tái)風(fēng)-洪澇-地質(zhì)災(zāi)害鏈減災(zāi)能力。許鵬飛對(duì)溫州地區(qū)[4]、廖克武等余姚地區(qū)[5]，結(jié)合區(qū)域地形地貌、氣候降雨特點(diǎn)，獲得了相應(yīng)區(qū)域的臺(tái)風(fēng)引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型與特征，并提出了防治對(duì)策。有些地區(qū)地災(zāi)災(zāi)害頻發(fā)，對(duì)人類(lèi)工程活動(dòng)和生產(chǎn)生活影響較大。

本文基于大量的調(diào)研數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，在獲得山東某山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合年、月、日降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響進(jìn)行研究，以揭示降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響。

1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類(lèi)型及特征

截至2023年10月，研究區(qū)已查明在100處地質(zhì)災(zāi)害中，崩塌46處，占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的46%?；?9處，占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的49%。泥石流5處，占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的5%。目前在庫(kù)風(fēng)險(xiǎn)防范區(qū)有30處。

2 結(jié)果與分析

2.1 地質(zhì)災(zāi)害與年降雨量的關(guān)系

統(tǒng)計(jì)各災(zāi)害發(fā)生當(dāng)年的年降雨量，并采用折線圖的形式（圖1），直觀反映地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與年降雨量間的關(guān)系。由圖1可以看出，年平均降雨量在380～3080mm劇烈波動(dòng)。研究區(qū)年降雨量與地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量相關(guān)性較好，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與年降雨量間有較為明顯的相關(guān)性，可以發(fā)現(xiàn)年降雨量超過(guò)20000mm的年份，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生數(shù)量相對(duì)較多。根據(jù)調(diào)查顯示研究區(qū)部分地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生存在一定群發(fā)性，還受短期強(qiáng)降雨影響。因此，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上研究災(zāi)害發(fā)生與降雨的深層關(guān)系是十分必要的。

2.2 地質(zhì)災(zāi)害與月降雨量的關(guān)系

2013-2023年，研究區(qū)月平均降雨量數(shù)據(jù)和地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生月份統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示，當(dāng)研究區(qū)月降雨量多時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻度相應(yīng)增加，二者具有一定的相關(guān)性，5月降雨量多，達(dá)到500mm，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害22個(gè)。6月降雨量多，達(dá)到540mm，地質(zhì)災(zāi)害達(dá)到14個(gè)。研究區(qū)5—6月的降雨量超過(guò)全年降雨量的50%，月降水量均超500mm。統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超8成的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在5—6月。這段時(shí)間是研究區(qū)降雨多、強(qiáng)度大的時(shí)期，期間出現(xiàn)連續(xù)多日的強(qiáng)降雨，因此誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的概率也隨之增加，發(fā)生群發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量多。

雖然6月平均降雨量最多，但是災(zāi)害數(shù)量最多的是5月，可見(jiàn)降雨強(qiáng)度雖然對(duì)地質(zhì)災(zāi)害影響較大，但并不是唯一決定性因素，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生可能還受降雨持續(xù)時(shí)間的影響。降雨持續(xù)多日，雖然降雨總量不多，但有效降雨量可能較多，前期降雨對(duì)降雨入滲以及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有潛在影響，因此在降雨閾值分析前要計(jì)算有效降雨歷時(shí)。

2.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與不同的降雨指標(biāo)關(guān)系

為認(rèn)識(shí)地質(zhì)災(zāi)害與日降雨量關(guān)系，本文根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析了1d、3d、6d和11d累積降雨量與地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量的關(guān)系，探討地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生與前期降雨量間的關(guān)系。

隨著前期降雨量持續(xù)時(shí)間的增長(zhǎng)，累積降雨量越多，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率越大。圖3呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)，地質(zhì)災(zāi)害與日降雨量關(guān)系不明顯，當(dāng)日降雨量為50～150mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率較高。而當(dāng)日降雨量不足50mm時(shí)，地質(zhì)災(zāi)害也會(huì)發(fā)生，這表示地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生可能具有一定滯后性，即當(dāng)降雨峰值過(guò)去后也有發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能。當(dāng)日降雨量超過(guò)200mm，地質(zhì)災(zāi)害頻度有增加的趨勢(shì)，可能是因?yàn)榇蠖鄶?shù)地質(zhì)災(zāi)害隱患區(qū)日降雨量達(dá)到150mm時(shí)已經(jīng)有誘發(fā)隱患的風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)遇到極端惡劣天氣，日降雨量超200mm時(shí)，低易發(fā)區(qū)域也將發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3 地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值分析

3.1 前期日累計(jì)降雨量-歷時(shí)閾值模型

為研究地質(zhì)災(zāi)害降雨閾值，建立P-D閾值模型（P為前期日累計(jì)降雨量，D為降雨歷時(shí)）。對(duì)研究區(qū)內(nèi)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害位置的前期日累計(jì)降雨量進(jìn)行求和，隨后求取其平均值，即P。通過(guò)上述方法統(tǒng)計(jì)并求出災(zāi)害發(fā)生前12d的日累計(jì)降雨量P，繪制圖4，并對(duì)圖中11個(gè)點(diǎn)進(jìn)行擬合。擬合的曲線表達(dá)式為P=6.1d+112（1≤d≤11），其中擬合曲線的擬合度為0.85，可見(jiàn)該曲線擬合度較好。對(duì)曲線F值進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)水平P值小于0.01。

圖中的擬合曲線可作為前期日累計(jì)降雨量-歷時(shí)閾值曲線，可將其看作“50%概率”的閾值曲線，表示可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的某潛在點(diǎn)的前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線趨于上述閾值曲線，即該潛在點(diǎn)約有50%的可能性會(huì)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。當(dāng)某位置的的前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線在閾值曲線上方時(shí)，表示該位置發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率超過(guò)一般概率，前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線離閾值曲線越遠(yuǎn)，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率越大。反之，當(dāng)某位置的的前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線在閾值曲線下方時(shí)，表示該位置發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率低于50%，離閾值曲線越遠(yuǎn)，發(fā)生概率越低。

已有研究將地質(zhì)災(zāi)害劃分為4個(gè)預(yù)警等級(jí)（按照發(fā)生的概率），其中級(jí)預(yù)警與高級(jí)預(yù)警以“50%概率”的閾值曲線作為分界線。當(dāng)前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線處于閾值曲線上方時(shí)，即為中級(jí)預(yù)警。當(dāng)前期日累計(jì)降雨量隨時(shí)間變化曲線處于閾值曲線下方時(shí)，即為高級(jí)預(yù)警。上述地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等級(jí)的劃分可為其他地區(qū)地災(zāi)預(yù)警提供指導(dǎo)。

3.2 降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值模型

根據(jù)文獻(xiàn)[1]，關(guān)于有效降雨歷時(shí)的相關(guān)計(jì)算，不同降雨歷時(shí)降雨量閾值見(jiàn)表1。在所有研究點(diǎn)中，平均降雨強(qiáng)度峰值均小于9mm/h，其中大多數(shù)災(zāi)害點(diǎn)的平均降雨強(qiáng)度都不超過(guò)4mm/h，對(duì)計(jì)算的數(shù)據(jù)取雙對(duì)數(shù)進(jìn)行繪制。如圖5所示，并根據(jù)不同概率對(duì)結(jié)果進(jìn)行擬合，可以擬合3條線用于劃分預(yù)警等級(jí)，稱(chēng)為I-D預(yù)警曲線。從圖中可以看出，降雨強(qiáng)度與降雨持時(shí)呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，降雨強(qiáng)度越大，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間越短。降雨強(qiáng)度越小，災(zāi)害發(fā)生時(shí)降雨歷時(shí)越長(zhǎng)。

根據(jù)圖5擬合結(jié)果，可以看出低概率的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警域值曲線為I15%=33.7d-0.56，中等概率地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警閾值曲線為I50%=43.1d-0.56，高概率地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警閾值曲線為I85%=54.2d-0.56。用中等概率的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警曲線對(duì)應(yīng)的降雨量進(jìn)行預(yù)警。

與圖4相同，中等概率的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警曲線也可參考“50%概率”的閾值曲線，也可作為中等、高等概率的分界線。若某地災(zāi)潛在點(diǎn)的曲線在閾值曲線上方，則發(fā)生概率大于50%，且離得越遠(yuǎn)越可能發(fā)生。反之，若某地災(zāi)潛在點(diǎn)的曲線在閾值曲線下方，則發(fā)生概率小于50%，且離得越遠(yuǎn)發(fā)生概率越小。

根據(jù)中等概率的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警域值曲線閾值擬合方程分別計(jì)算1h、3h、6h、12h和24h降雨閾值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，降雨歷時(shí)1h、3h、6h、12h和24h降雨強(qiáng)度閾值分別為43.2mm/h、23.4mm/h、15.9mm/h、10.8mm/h和7.4mm/h，對(duì)應(yīng)的降雨量分別為43.2mm、70.3mm、95.7mm、130.1mm和177.0mm。

由地災(zāi)潛在發(fā)生點(diǎn)附近的實(shí)時(shí)降雨記錄可知，將降雨強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的降雨歷時(shí)繪制成曲線。通過(guò)對(duì)比實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)繪制的曲線與初始I-D閾值曲線，可對(duì)地災(zāi)進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，當(dāng)實(shí)時(shí)曲線靠近時(shí)，便發(fā)出警報(bào)，必要時(shí)須及時(shí)轉(zhuǎn)移疏散影響范圍內(nèi)的群眾。

4 結(jié)論

本文采用野外調(diào)查、綜合研究、成果數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)等方法，在獲得研究區(qū)山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合年、月、日降雨量對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響進(jìn)行相關(guān)關(guān)系研究，以揭示降雨對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響，并得出以下結(jié)論。1）研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生主要為降雨型地質(zhì)災(zāi)害，多數(shù)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生在5—6月，5—6月降雨量占全年量的50%，月降水量均超150mm。2）地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生前3d和6d降雨量為250～300mm，前11d降雨量為250～400mm時(shí)是地質(zhì)災(zāi)害高頻發(fā)生段。本文在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了前期日累計(jì)降雨量-歷時(shí)閾值模型P=6.1d+112（1≤d≤11）。3）構(gòu)建了降雨強(qiáng)度-歷時(shí)閾值模型，I50%=43.2D-0.56，降雨歷時(shí)1h、3h、6h、12h和24h降雨強(qiáng)度閾值分別為43.2mm/h、

23.4mm/h、15.9mm/h、10.8mm/h和7.4mm/h，對(duì)應(yīng)的降雨量域值分別為43.2mm、70.3mm、95.7mm、130.1mm和177.0mm。

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