暴雨与高温对地质灾害的影响研究

刘长林，王 莉,渠群英

(1.山东省海河淮河小清河流域水利管理服务中心，山东 济南 250100；2.山东调水工程运行维护中心东营分中心，山东 东营 257300)

现有统计研究表明，大多数降水型边坡的失稳往往发生在暴雨阶段或者暴雨结束一段时间内，此外，很多地质灾害的发生长期处于高温气候状态，强降水以及高温天气耦合极易形成地质灾害，引发滑坡、泥石流等。通常，研究表明，地质灾害是自然因素及人为活动共同引起的，地质灾害一旦发生，往往会带来巨大的人员财产损失。此外，研究表明，温度升高会导致降水增多，冰雪融化加速，进而导致地质灾害发生频率增大，随着经济的发展，地灾灾害问题引发了越来越多的关注，因此需加强该方面的预报预警。

许英姿等[1]以某碎石岩地区地质灾害报告为研究对象，通过数学统计法分析了暴雨导致的地质灾害发生机制，系统研究了降水历时、降雨量以及降雨强度等敏感参数的影响。并得到了地质灾害发生的前5d之内的降水量对地质灾害的影响水平。代贞伟等[2]基于三峡某堆积层滑坡的失稳破坏，研究了地理环境因素和自然因素对该滑坡的影响，并采用非稳态非饱和渗流方法研究了该滑坡的失稳破坏过程，但未能考虑高温暴雨的耦合影响，结果不准确。陈才等[3]基于观测数据综合考虑了暴雨及高温对地质灾害的影响，该方法对于合理对地质灾害的预警预报具有重要意义。

考虑目前研究的不足，本文提出暴雨和高温耦合因素对于地质灾害的影响，全面分析地质灾害的致灾机理，本文的研究具有重要科学意义。

1 地质灾害的影响机理研究方法

1.1 暴雨高温诱发地质灾害预报

根据目前的研究成果，日降水量可描述日降水量对地灾的影响，日温度值可描述温度对地灾的影响[4]。本文引入降水和温度对地质灾害的影响，以及其致灾机理。其中，日综合降水这一物理量代表强降雨过程的影响，进一步引入日综合温度这一物理量代表高温过程的影响：

(1)

(2)

式中，Pc、Cc—某地的日降水量和温度值；P0、C0—发生地质灾害时的降水量和温度；d—灾害发生前的时间，d；ηd、λd—降水量和温度对地质灾害的影响随时间变化的因子；e—观测点降水雨量观测站点个数；i、j—表示坐标。

1.2 降水量和温度对灾害预警等级

研究表明，将地质灾害累计频率设为15%，其对应的日综合温度和降雨量作预报状态的温度和降雨值，将地质灾害累计频率设为30%，其对应的日综合温度和降雨量作临报状态的温度和降雨值，将地质灾害累计频率设为50%，其对应的日综合温度和降雨量作警报状态的温度和降雨值，这可有效为减少地灾的漏报率[5]，本文按此方法进行研究。表1给出了不同状态下的日综合温度和降雨量。

表1 滑坡灾害预警等级的日综合降雨量和温度关系

1.3 地质灾害影响机理模型

本文除了考虑温度和降雨量对地质灾害的影响，还考虑了地貌与生态因素[6]对灾害影响，并进一步得到到泥石流、坍塌、滑坡等地质灾害影响机理模型：

Gf(e)=α(e)×[Pc(e)+Pf(e)]

(3)

Gw(e)=α(e)×Pc(e)

(4)

Hf(e)=β(e)×[Cc(e)+Cf(e)]

(5)

Hw(e)=β(e)×Cc(e)

(6)

式中，α(e)—某点的降雨影响系数；β(e)—某点的温度影响系数，与该区地形地貌相关[7]；Pc(e)、Cc(e)—灾害发生前期的降水以及日温度值，可通过降雨观测站和气象观测站得到；Pf(e)、Cf(e)—观测点的未来降水量和温度值；Gf(e)、Gw(e)—对地灾的影响程度；Hf(e)、Hw(e)—预警等级。

1.4 地质灾害气象监测及预报预警

如果已知降水量及高温具体数值，可采用软件监管温度、降雨实况，通过日综合温度、降水量预报发布地质灾害预报或预警。图1汇总得到了预报预警流程，该图表示6、12、24h地质灾害预报。进一步表明，如果某站点的6、12、24h可能会发生3级及以上的降水和高温时，便可立即启动预警警报，并采取响应防护措施。另一方面，如果将气象站和温度站点数据及时更新，那么可以大大提高预警信息的准确度[8- 9]。

通常在计算某地区的日综合降水量和温度时乘以降水衰减系数作为结果，地质灾害预报预警的结果应为数值模型预报结合卫星云图分析、降水为雷达回波、当日温度的研究结果。

2 实验结果

为例验证本文所提方法的有效性，本文对试验地区用所提方法进行验证。获取得到我国某个地区降水对地质灾害的影响机理。

2.1 地质灾害与日降水的关系

表2汇总得到了降雨强度对地质灾害的影响，包括泥石流、滑坡等发生次数及比例。结果表明，当日降水量大于200mm时和日降水量大于150mm时，发生降水型滑坡的概率分别为32.1%和30.3%，当日降水量大于100mm时，发生降水型滑坡的概率为16.9%；当日降水量大于200mm时，发生泥石流的概率为39.5%。该数据证明，泥石流、滑坡发生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨条件的影响。

图1 地质灾害预报预警流程

表2 降雨强度对地质灾害的影响

2.2 地质灾害与高温天气的关系

虽然降水是影响地质灾害发生的重要因素之一，但是通常地质灾害的发生时受多种因素控制的，一般如果降水量比较少，说明该地处于高温干旱状态，土体强度较低，降水可能导致土体劣化，诱发地质灾害。

为研究高温气候对地质灾害的影响，表3统计了地质灾害与高温天气的相关关系。本文主要统计了研究区地质灾害的前10d结果。结果表明，在地质灾害发生前3d，累计高温天数与地质灾害的相关性都比较大，其相关系数均大于0.5，最大相关系数可达0.57；另一方面，随着时间的增多，在地质灾害发生的前4d和前8d，两者的相关系数明显降低，到发生前第10d时，相关系数仅为0.36，证明累计高温天气与地质灾害的相关性较差。也即超过10d时，高温天气对地质灾害的影响程度很弱。表4汇总得到了后10d高温天气的地质灾害发生次数，结果表明，累计灾害发生的次数合计186次，占后10d高温天气总地灾发生次数比例为44.7%，高温发生第2天出现地质灾害的次数为115次，占总地灾发生次数比例为27.6%，合计高温发生当前和第2天的地质灾害发生概率为72.2%，这结果表明，后1d和后2d时发生地质灾害的高峰期。实际应用中应严格对该时段进行监测与控制。

2.3 滑坡坍塌与小时降水量分析

基于目前研究成果，分析短时强降水类型A，连续性降水B和持续强降水C型对地质灾害的影响，图2和图3汇总得到研究区A和B型降水在地质灾害36h的逐时和累计降水量。图2表明，如果研究区的降雨类型为A型，地质灾害现象通常发生在最大降雨时或降雨后几个小时内。

表3 地质灾害发生次数与高温天气累计时长

表4 高温天气10d内每日地质灾害发生次数

图2 崩滑灾害前36h逐时和累积降雨量(A型)

图3 崩滑灾害前36h逐时和累积降雨量(B型)

图3为连续降雨类型结果，结果表明，两次或多次的B型降雨，当降水峰值大于30mm时，在第二次强降雨后，该区域可能发生滑坡等地灾。

表5 本文方法的专家评价结果(100分制)

2.4 方法评价

采用专家评价法和非饱和渗流两种研究手段对地质灾害影响机理分析结果进行评估表明(见表5—6)，表5表明，专家评价法对短时强降雨A型、连续降雨B型、持续强降雨C型、短时高温D型的平均得分均大于96分，仅对持续高温E型得分为95.8分，证明本文结果对地质灾害的影响效果评价结果较好。表6表明，专家评价法得到的非稳态饱和渗流对地质灾害的影响评分均在70分以下，相对来说结果低于表5结果。通过与试验的对比证明，本文所提出的方法可很好的研究暴雨和高温的影响，也证明了本文方法的有效性。

表6 非饱和渗流地质灾害的影响机理的专家评价结果(100分制)

3 结语

本文提出了引入综合日降水量和日综合高温对暴雨和高温下的地质灾害的影响程度进行分析及预警，得到以下结论：

(1)泥石流、滑坡发生的重要原因是暴雨，文中所提出的方法可以有效研究不同暴雨条件的影响，并能实现地质灾害的预报预警。

(2)降水和高温发生的后1d和后2d时发生地质灾害的高峰期。实际应用中应严格对该时段进行监测与控制。

(3)结果表明，在高温发生当前和第2d的地质灾害发生概率为72.2%，因此除暴雨外，高温也是导致滑坡、泥石流地质灾害发生的关键因素。实际应用过程中，应在该时段加强监测及设置防范措施。