东南地区引发地质灾害降水分型及阈值分析
发布时间：2020-02-03
摘要:降水是引发地质灾害的最重要因素。该文综合利用2013-2016年东南地区(浙、闽、粤三省)地质灾害数据、国家气象中心逐小时降水量资料，通过对灾害特征和降水量等资料的统计，初步分析了降水因子与地质灾害的关系，并重点针对地质灾害的降水影响因子进行灾害降水的分型，根据降水分型(短临降水型、短时降水型、短期降水型、长历时降水型)，基于最小临界雨量法，建立了各类型降水在东南地区的引发地质灾害的降水阈值分布。利用该降水阈值的分布特征，检验了2017年的各分类降水引发地质灾害的降水量，发现阈值雨量的判别方法较为科学，具有较强的参考价值。
关键词:地质灾害;降水类型;灾害降水阈值;东南地区
引发地质灾害的因素很多，对滑坡而言主要有降水、土壤岩性、植被覆盖、人类工程活动、地形坡度、地形切割、地表水和地下水、地质构造等;对泥石流而言，主要有降水、土壤岩性、植被、水土流失、沟口堆积扇、抬升幅度、物源条件、沟道密度等。其中，降水是引发地质灾害的最重要因素。一般来说，在有较为充分的前期降水条件下，如果出现突发性暴雨，则爆发滑坡、泥石流等地质灾害及其他灾害的可能性非常大。若前期降水非常充沛，下垫面含水量已达一定程度，则即使较小的降水也极有可能激发滑坡、泥石流等地质灾害。这给地质灾害预报带来很大的难度。
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1990年代初以来，全球变暖的趋势加剧，降水事件特别是极端降水事件在某些地区有增加趋势，使得降水引发的地质灾害越来越频繁。应对防灾减灾的服务需求也越来越迫切，且极具挑战性。而过去十几年中，针对降水引发的地质灾害降水特征的分析及灾害过程的总结比较薄弱，近年来，随着定量降水预报的发展和小时加密自动观测降水资料的完善，基于阈值的地质灾害风险预警业务逐步开展，精细化的降水资料与地质灾害的结合更为紧密，除了地质灾害的日降水特征分析外，为短时和短临降水引发的地质灾害过程总结提供便利条件。
根据自然资源部统计，2013-2016年全国共发生地质灾害44244起，造成1429人死亡、332人失踪、直接经济损失256.79亿元。汛期，西南、中南和东南沿海地区以及西北部分地区是地质灾害发生和危害的重点地区。西南地区的易发性风险高，针对西南地区的地质灾害研究已广泛开展，而我国东部、南部及沿海地区，尤其是台风期，经济发达、人口稠密、城市化水平高，一旦发生地质灾害则损失严重。因此对东南地区降水引发的地质灾害等的研究还需进一步深入。
1990年代初开始，国内学者对降雨强度、降雨持续时间、降雨量或累计降雨量等[1-5]与地质灾害发生的关系进行研究，建立了基于临界雨量的地质灾害模型[6-9]，逐步开展了地质灾害预警预报方法研究等[10-12]。近年来，国内以降水为主要指标开展了相应的地质灾害气象预警研究。刘传正等[13]开展了中国地质灾害气象预警研究，先后建立了地质灾害隐式和显式预报两代模型;宋光齐等[14]通过对地质灾害发生与气象因素的耦合关系研究，建立了基于地质灾害危险性和降水发生概率的地质灾害气象预报预警模型;周玉才、张铁军、唐红梅等[15-17]，通过滑坡、山洪等与降水关系研究建立了基于强降水、持续性降水、日综合雨量的预测模型;陈平等[18]结合地质灾害发生和小时雨量形成了湖南省地质灾害气象预警方法;高华喜等[19]通过对降雨与滑坡灾害的分析，建立了滑坡预警预报阈值;陈静静等[20]结合致灾雨量阈值给出不同类型降雨对地质灾害发生的贡献率，显示了分县致灾临界雨量及不同降雨型地质灾害的易发区。因此，基于降水与地质灾害关系分析基础上的地质灾害气象阈值分析是可行的[21]。
本文即在此研究基础上，基于小时雨量对引发地质灾害的降水类型及阈值进行研究。
1资料及方法
本文使用地质灾害灾情信息由自然资源部中国地质环境监测院提供的2016年东南地区地质灾害灾情信息共569条;由中国气象局提供的2017年5-9月东南地区地质灾害灾情信息62条。
本文降水实况资料来源于国家气象中心国家区域自动站的小时降水资料，统计的自动站有53652个，时间为2013-2017年。
本文以国家气象中心现有的地质灾害气象预报业务和科研成果为基础，以提升地质灾害预报经验为目的，开展我国代表性区域(东南地区)的降水引发的地质灾害的时间空间分布、类型、规模等分析;依据降水与地质灾害的关系，确立地质灾害的降水特征影响因子，分析东南地区的地质灾害灾情、前期降水、当前降水等的关系及其引发地质灾害的共性，总结不同类型地质灾害的降水阈值等;目前，国家级的地质灾害气象风险预警业务主要是在统计模型基础上建立，本文根据降水特征，对地质灾害进行分类，在分类基础上用最小临界雨量法确定出各站点降雨造成地质灾害的降雨量阈值，为东南地区地质灾害气象预报提供阈值参考。同时本文选取典型个例进行地质灾害预报过程总结，通过总结，加强预报员在地质灾害预报业务中的敏感度和把握度。
22016年1-9月东南地区地质灾害特征
2.1东南地区地质灾害总体灾情特征
2016年1-9月用于统计分析的东南地区地质灾害共559起，造成92人死亡、23人失踪、33人受伤，直接经济损失1.45亿元。其中特大型2起，大型3起，中型22起，小型532起，小型地质灾害占到总数的96%。且主要以滑坡、崩塌和泥石流为主，占灾害总数的99%，其中泥石流为62起，占总数11%，占比高于全国平均水平。
2.2东南地区地质灾害空间分布特征
从东南地区地质灾害发生的省市分布来看(图1)，浙江发生次数最多，为234次，是发生次数最少的福建(125次)的1.8倍。在发生的市一级分布可以看出，发生次数最高的温州，为132次，是排名第二的肇庆(65次)的两倍，发生次数超过20次有9个市，占比26%。
对灾害发生的规模进行分析(图略)，发现温州中型以上规模的地质灾害次数最多，其次是韶关和杭州，大型规模地质灾害分布来看韶关两起、温州1起，三明泰宁和丽水遂昌出现特大型灾害。
浙江虽然是发生地质灾害次数最多的省份，但从死亡失踪人数来看(图略)，福建是因灾死亡和失踪人数最多的省份，达55人，这主要是由于福建三明泰宁2016年5月8日发生特大型泥石流，因灾死亡失踪36人，占比福建省致灾死亡失踪人数的66%。浙江省死亡失踪人数为39人，其中丽水28人，占总数的70%，这其中由于丽水发生了一起特大滑坡灾害，2016年9月28日17时35分，浙江省丽水市遂昌县苏村(距离遂昌县城37公里)发生一起山体滑坡灾害，约20幢居民楼被泥石流冲毁，造成5人死亡，22人失踪。
而从损失程度来看(图略)，浙江损失最重，为8000万元，是广东的2倍，福建的近3倍。而经济损失最重的市为温州，为3541万元，这与温州灾害次数最多有关，韶关和丽水的损失分别为2894、2705万元，分列二、三位，这与两市大中型以上灾害占比较重有关。除三明、龙岩、杭州损失超过500万元外，其余市的损失均在500万元以下。
2.3东南地区地质灾害时间分布特征
地质灾害发生时间是预报的关键，这里将灾情发生的时间做详细的分析。从灾害发生的时间段分布来看，8～15h是地质灾害发生频次最高的时段，发生数占总数的近一半，特别是9～12h，地质灾害发生数最多。另一次高发时段为2～3h，相对于全国地质灾害相对易发于夜间到早上的特点，东南地区更易发于白天上午之前。另外，东南地区有明显的低发时段，主要分布于18～20h(图2)。
而从东南地区地质灾害发生时间的空间分布来看(图略)，夜间发生的地质灾害多发生于东南地区的北部和西部，即浙江和广东境内较多，而福建则白天发生灾害较多。
总之，从2016年东南地区地质灾害灾情数据分析来看，浙江温州发生灾害发生最多，损失也最重，但造成死亡失踪人数的地质灾害主要在福建，这主要是由于福建三明泰宁2016年5月8日发生特大型泥石流，温州中型以上规模的地质灾害次数最多，其次是韶关和杭州。从灾害发生的时间段分布来看，8～15h是地质灾害发生最高的时段，发生数占总数的近一般，特别是9～12h，地质灾害发生数最多。浙江和广东境内夜间地质灾害发生较多，福建则白天发生灾害较多。
3地质灾害的降水特征分类及降水阈值分析
3.1地质灾害的降水特征分析
根据研究表明，对地质灾害的发生影响最大的降雨一般在地质灾害发生前3d，而10d内降雨对灾害发生影响也很大[22-24]，结合国家级业务应用经验，前15d有效降雨对地质灾害的产生也有一定影响[25-26]，因此结合实际预警时效，规定短临降雨为0～1h、短时降雨为0～12h、短期降雨为1～3d、中期为4～6d、长期为7～15d[27-28]，本文使用国家气象中心区域自动站资料的小时降水资料，统计的自动站有53652个，时间为2016年1-12月每日24h。根据灾害发生时次，计算提取灾害发生时次前1～15d的逐日降雨及前3d的逐时降雨。
3.2不同降水引发地质灾害的阈值分析
3.2.1短时及短临降水引发地质灾害阈值分析
结合实际业务中的>20.0mm/h为短时强降水，29次短时降雨引起的灾害样本中，均发生10mm/h以上的强降水，25次发生20mm/h以上的短时强降水，15次发生大于30mm/h的短时强降水，8次发生大于40mm/h短时强降水，强降雨主要发生在灾前9h，其中最多发生强降雨时次的是前5～6h时间段和临近灾害发生时段(图4)，且灾害前的降雨峰值最多也是出现在1～3h时间段。
根据降水分布时段的大小关系确定出贡献率较大的降雨时段以及该时段对应的有效雨量。用最小临界雨量法确定出各站点短时降雨造成地质灾害的降雨量阈值，29次样本中，当12h短时降水大于32.4mm，则灾害可能发生。同时，根据本次样本情况，2016年东南地区的12h短时强降水影响地质灾害的雨强临界阈值为10mm/h，所有地质灾害样本的雨强都大于10mm/h;85%的灾害，雨强大于20mm/h，即雨强大于10mm/h时，地质灾害才有可能发生。由短时降雨引发地质灾害的雨量分布图(图5)可以看出，广东北部梅州等地、福建东部莆田等地、浙江中北部丽水等地12h有效降雨阈值达到30～40mm有可能引发地质灾害，广东南部、福建大部、浙江南部部分地区12h有效降雨阈值超过100mm才可能引发地质灾害。
当短时强降水(前0～12h)降水的80%以上发生在灾害前0～2h内，则认为是由短临降水引发的地质灾害，在本次样本集中仅搜集到4次，针对4次的2h降水最小值为34.1mm，初步认为，当短临降水达到34.1mm时，地质灾害易发。
3.2.2短期降水引发地质灾害阈值分析
同样，用最小临界雨量法确定出各站点短期降雨造成地质灾害的降雨量阈值，339次样本中，当前1～3d短期降水大于26.2mm，则灾害可能发生。从图6可以看出，3d有效降雨阈值在东南地区大部均超过50mm，其中浙江东部、福建西部、广东中部局部地区短期有效降雨超过100mm可能引发地质灾害，浙江东部沿海短期有效降雨超过250mm才可能引发地质灾害。
3.2.3长历时降水引发地质灾害阈值分析
同样，长历时(前4～15d)造成地质灾害的降雨量阈值，45次样本中，当4～15d长历时降水大于27.4mm，则灾害可能发生。从图7可以看出，长历时有效降雨(前4～15d)阈值在东南地区大部分地区均达到25mm以上，其中广东西部、福建西部和东部沿海、浙江东南部局部地区短期有效降雨超过60mm才可能引发地质灾害。这一结论在实际应用中具有一定的参考意义，但由于东南地区的雨水丰富，长历时降雨达到60mm的情况较多，因此对灾害的预报性指示意义较小，因此考虑长历时降雨不大时，引起的地质灾害个例需更多的与发生灾害的下垫面地理地质条件相结合，以利于进一步的分析。
4典型地质灾害过程总结及阈值检验
4.1阈值检验
根据中国气象局提供的2017年5-9月东南地区地质灾害灾情信息63条，其中，降雨型灾害50条，短期降雨型灾害42条，长历时降雨型灾害8条，在短期降雨类型中，17次灾害是由短时强降雨造成(其中12次短时强降水分布在灾害发生前12h，5次分布在灾害发生前12～24h)。短时强降水引发的灾害中，短临降雨型灾害仅1条。根据上文分析的东南地区各种类型的降雨类型相应阈值，在短时降雨型地质灾害样本中，59%的灾害降雨达到了阈值，在短期降雨型地质灾害样本中，76%的灾害降雨达到阈值，长历时降雨的所有样本均达到相应降雨阈值，由此可见，上文的阈值分析较为科学合理，可对基于阈值的地质灾害预警提供一定参考依据。2017年的样本较少，站点较为稀疏，但大部分灾害也是由短期降雨引起(图8)。
4.2广东梅州市滑坡过程检验[29-32]
2017年6月12-18日，受台风“苗柏”影响，华南大部、江南东部和南部等地的部分地区累计降水量在100mm以上，其中，福建南部、广东东部沿海和东北部等地的部分地区累计降水量超过250mm，局地超过500mm。本次降水过程中，累计雨量极大值为826mm，出现在广东东部沿海地区。12-18日期间，广东梅州地区累计降水最大值为414mm，降水过程主要时段是13日和15-18日。13日08时至14日08时，梅州西部和中北部地区出现暴雨，其中北部地区出现大暴雨，累计降水最大值为196.4mm;15-18日，广东梅州东部地区自北向南有一次暴雨过程，单日24h累计雨量最大值为106.2mm(17日08时至18日08时)。
据气象部门灾情系统，整个过程引发了广东梅州、潮州、河源和深圳等地多地质灾害。至6月15日14时止，广东省梅州市大埔县共发生山体滑坡179处，房屋崩塌54处，房屋倒塌14间、房屋受损18间，转移危险区(山洪灾害、工棚、在建工程、依山建房、危房)群众234人。其中2017年6月15日07:30，大埔县茶阳镇因发生滑坡，灾害造成2人伤亡。以大埔县自动降水(图9)为例，整个降水过程累计雨量352.7mm，包含两个主阶段:①从13日02时开始，14日16时结束，持续时间为39h，累计雨量198.0mm;②从15日12时起，至18日04时，累计雨量152.1mm。根据上文分析，首先判断此次地质灾害过程属于短期降雨造成，对应短期降雨阈值(图6)，广东大埔县附近3d有效降雨超过100mm可能引发地质灾害。这次灾害过程雨大，3d有效降雨171.9mm，有效降雨远超过了相应阈值。
同时，也以大埔站附近雨量较大的自动站715123站为例(图10)，降水从13日03时开始，15日07时结束，持续时间为52h。明显降水时段分两个，第一个时段为13日14时至19时，持续时间6h，时段累计降水量为96.5mm，最大小时降水量为20.8mm/h，第二个降水时段为14日00时至04时，持续时间5h，时段累计降水量为86.5mm，最大小时降水量为28.9mm/h。该站3d有效降雨也超过了相应阈值。
