暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測方法思路三

暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測方法研究思路摘要:暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理和預(yù)測方法研究，在國內(nèi)外仍是個難題和熱點。本研究的總體思路是：以江西為研究區(qū)域，從暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測理論入手，通過8個滑坡災(zāi)害易發(fā)點的監(jiān)測試驗，系統(tǒng)地研究大氣降水對地下水位、孔隙水壓力、滑坡土體應(yīng)力及滑坡穩(wěn)定性的影響，探討植被覆蓋與滑坡的關(guān)系；根據(jù)歷史資料，進行滑坡風(fēng)險區(qū)劃和暴雨型滑坡的時空分布特征分析；應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)和試驗研究相結(jié)合的方法，提出滑坡體發(fā)生滑動的臨界雨量指標(biāo)；開發(fā)基于Web-GIS的暴雨型滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并進行業(yè)務(wù)試驗。關(guān)鍵詞：暴雨滑坡形成機理預(yù)測研究0引言滑坡災(zāi)害對人類社會的影響，已成為一個不容忽視的環(huán)境難題，其危害已成為僅次于地震的第二大自然災(zāi)害。滑坡是地質(zhì)災(zāi)害中的主要類型，全國290個縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果顯示，滑坡在地質(zhì)災(zāi)害中所占比例最大可達51％。其主要誘發(fā)原因是暴雨，暴雨誘發(fā)的滑坡占滑坡總數(shù)的90％。一次集中性暴雨能誘發(fā)大量滑坡。如1998年全國范圍內(nèi)因特大暴雨誘發(fā)了大量滑坡、崩塌和泥石流，造成死亡人數(shù)1157人，受傷人員超過1萬人。江西省1998年特大暴雨引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害有11萬處，其中主要是滑坡；損失較大的重要災(zāi)害點466處，造成人員傷亡的災(zāi)害點51處，傷亡人數(shù)和直接經(jīng)濟損失超過前18a的總和。1995年6月美國弗吉尼亞州Madison縣，16h降水量達775mm，誘發(fā)了1000多處滑坡。根據(jù)世界紅十字會統(tǒng)計，1963～1996年，每年平均因滑坡災(zāi)害造成死亡人數(shù)達1550人。據(jù)估計，中國每年由于滑坡HYPERLINK""災(zāi)害造成的損失達200億元。1暴雨型滑坡HYPERLINK""災(zāi)害形成機理及預(yù)測理論基礎(chǔ)[30～35]滑坡（landslide）是指斜坡（含人工邊坡）巖土體依附于其內(nèi)在或潛在軟弱結(jié)構(gòu)面（帶），在重力等綜合因素作用下，失去原有平衡條件而產(chǎn)生的水平位移為主的滑動現(xiàn)象。滑坡HYPERLINK""災(zāi)害是指自然地質(zhì)作用和人類活動造成的惡化地質(zhì)環(huán)境，降低環(huán)境質(zhì)量，直接或間接地危害人類安全和生態(tài)環(huán)境平衡，并給社會和經(jīng)濟建設(shè)造成一定損失的斜坡變形破壞乃至整體移動事件。按動力成因分，滑坡可分為天然動力與人為動力兩大類，前者分為地震型、降雨型、匯水型等。按滑動面深度分為淺層滑坡（6m）、中層滑坡（6～20m）、厚層滑坡（20～50m）、巨厚層滑坡（＞50m）。大氣降水是滑坡致災(zāi)的最主要外因。降水對滑坡的作用是一個動態(tài)過程，大氣降水注入滑體，增加巖土的含水量、增大巖土體容重、軟化巖土、降低巖土的抗剪強度。降雨滲入到風(fēng)化巖土體之下的基巖面或斷水層面變成潤滑劑，降低了接觸面的抗滑性質(zhì)，從而導(dǎo)致滑坡的發(fā)生?；骂A(yù)測建立在預(yù)測科學(xué)和滑坡學(xué)理論基礎(chǔ)上?；孪到y(tǒng)動態(tài)規(guī)律研究包括其演化過程中各階段的特點，以及其運動學(xué)和動力學(xué)變化規(guī)律?；臼芸赜趧討B(tài)因素作用的方式、強度和歷時，其作用又常具有周期性的旋回趨勢。目前，對其研究多集中于氣候因素，尤其是降水的影響。區(qū)域性滑坡動態(tài)隨降水量而變化。統(tǒng)計結(jié)果表明，滑坡活躍期與當(dāng)?shù)亟邓S年或特大暴雨季節(jié)相對應(yīng)。位移—降水量關(guān)系統(tǒng)計模型表明，一般強度的降雨對蠕動性滑坡的運動有加速作用，且其位移量隨降水量的增大呈線性增長。降雨是影響滑坡穩(wěn)定度的重要客觀因子，滑坡穩(wěn)定性計算方法主要有費倫紐斯法（FELLENIUS）的滑坡穩(wěn)定度計算方法、畢肖普法（BISHOP）和簡布法（JANBU）等。其算法中的C（I）、W（I）、Fw（I）、h（I）、HpT（I）等因子與降水量、持續(xù)時間及降水強度有關(guān)。2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2.1滑坡預(yù)報國內(nèi)外研究動態(tài)及發(fā)展趨勢文海家、張永興、柳源[36]（2004年）指出，國內(nèi)外滑坡預(yù)報研究的發(fā)展大體歸納為3個階段：20世紀(jì)40年代至70年代，采用經(jīng)驗—統(tǒng)計學(xué)方法預(yù)報階段，日本學(xué)者齋藤時期是先驅(qū)代表之一。自20世紀(jì)80年代開始，進入預(yù)測滑坡學(xué)形成階段，預(yù)測滑坡學(xué)成為滑坡學(xué)和預(yù)測學(xué)科交叉的分支學(xué)科。許強等[37]（2004年）指出,建立滑坡預(yù)報模型和預(yù)報判據(jù)是滑坡時間預(yù)報的核心。20世紀(jì)90年代以后,滑坡預(yù)報研究的特點可歸納為3個方面：一是多種預(yù)報方法的綜合應(yīng)用；二是現(xiàn)代數(shù)理科學(xué)理論廣泛應(yīng)用于滑坡預(yù)報方法研究；三是以“3S”技術(shù)應(yīng)用為代表，滑坡監(jiān)測預(yù)報技術(shù)手段得到前所未有的發(fā)展。2.2暴雨型滑坡災(zāi)害時空預(yù)報預(yù)警研究現(xiàn)狀國內(nèi)外滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警研究大體分為2種類型：一類是以滑坡災(zāi)害位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合室內(nèi)模型實驗開展的模型預(yù)報研究，最早由日本學(xué)者Saito[38]（1965年）在20世紀(jì)60年代提出，后由Fukuzono、Voight（1989年）等得到進一步深化；另一類是基于大氣降水的觀測，研究降水量、降水強度和降水過程與滑坡災(zāi)害的空間分布、時間上的對應(yīng)關(guān)系，建立滑坡災(zāi)害時空分布與降水過程的統(tǒng)計關(guān)系，以達到預(yù)報預(yù)警之目的。2種研究途徑各有側(cè)重，前者強調(diào)滑坡災(zāi)害位移機理研究，后者強調(diào)滑坡災(zāi)害受外界觸發(fā)因素影響的統(tǒng)計學(xué)研究。山田剛二等（1977年）通過對山陰干線小田－田儀間403、400km附近的滑坡研究，結(jié)合日有效雨量、滑坡位移速率、地下水壓力隨時間的變化曲線開展滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報工作。1985年，美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）和美國國家氣象局（USNWS）聯(lián)合建立1套滑坡實時預(yù)報系統(tǒng)（Wieczorek,1990年）。該系統(tǒng)基于1982年2月3～5日在該地區(qū)發(fā)生的1次特大暴雨所引起的滑坡災(zāi)害數(shù)據(jù)，建立滑坡與降水強度和持續(xù)時間的臨界關(guān)系曲線。該曲線可作為滑坡實時預(yù)報的經(jīng)驗曲線。RobertHamilton[39](1997年)、TurrerAk,SchusterRL[40]（1996年）提出滑坡災(zāi)害早期預(yù)警主要包括：以區(qū)域滑坡災(zāi)害危險性評價、風(fēng)險區(qū)劃為主的滑坡災(zāi)害早期預(yù)警，基于地理信息的中期預(yù)警，以實時、自動和遙控遙測信息為主的短期預(yù)警。劉傳正等[41]（2004年）根據(jù)致災(zāi)地質(zhì)環(huán)境條件和氣候因素，將中國劃分為7個大區(qū)、28個預(yù)警區(qū)。通過對歷史上發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害點和災(zāi)害發(fā)生前15d內(nèi)實際降水量及降水過程的統(tǒng)計分析，創(chuàng)建了地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)警等級判據(jù)模式圖，初步制作了預(yù)報預(yù)警判據(jù)圖。在收到中國國家氣象中心全國降水預(yù)報0.5h內(nèi)，對所預(yù)報的次日降水過程是否誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害和誘發(fā)災(zāi)害的空間范圍、危害強度進行預(yù)報預(yù)警。2.3滑坡災(zāi)害與降水關(guān)系研究動態(tài)基于降水強度和持續(xù)時間的監(jiān)測，確定區(qū)域誘發(fā)滑坡的經(jīng)驗閾值，在世界許多地區(qū)得到應(yīng)用，如香港、日本、波羅黎哥、夏威夷和加利福尼亞北部等（周平根[42]，2002年）。1985～1995年，美國地質(zhì)調(diào)查局和美國國家氣象局合作，在加利福尼亞州舊金山灣地區(qū)，通過對該區(qū)域滑坡的深入研究，建立了不同地段（即不同地質(zhì)環(huán)境）降水量和滑坡發(fā)生的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上開發(fā)和運行1套降水誘發(fā)滑坡的預(yù)警系統(tǒng)，為公眾發(fā)布區(qū)域滑坡預(yù)警，并在1986年的暴雨滑坡預(yù)報中得到應(yīng)用[43]（Keeferetal.,1987年）。在香港，降水量監(jiān)測系統(tǒng)用來識別滑坡多發(fā)時段，作為政府救災(zāi)和提供防災(zāi)建議的基礎(chǔ)。殷坤龍[44]認(rèn)為暴雨量的閥值問題隨地區(qū)差別、滑坡類型差別等十分明顯。李媛等[45]（2002年）分析了國內(nèi)外滑坡與降水關(guān)系研究動態(tài)，認(rèn)為暴雨誘發(fā)滑坡在世界范圍內(nèi)是一個普遍現(xiàn)象，以往重點一般是放在滑坡巖土性質(zhì)的調(diào)查和機理分析上，而對于誘發(fā)因素沒有進行比較深入的研究和探索。早期對滑坡降水過程的研究，主要是建立滑坡發(fā)生和降水臨界值之間的經(jīng)驗公式。Onorderaetal（1974年）發(fā)現(xiàn)，在日本，累積雨量≥150mm，或每小時降雨強度≥20mm時，將發(fā)生滑波；美國SanBenito和Alameda把過程降水量累積≥180mm定為滑坡發(fā)生的臨界值；加拿大滑坡發(fā)生的臨界累積雨量值≥250mm；中國香港則≥350mm，且日雨量>100mm，小時雨量>40mm；巴西滑坡的暴雨強度臨界值為250～300mm。李曉[46]（1995年）對重慶一帶地質(zhì)、地貌特點和降水侵蝕強度等進行研究,分析了當(dāng)?shù)匕l(fā)生地表侵蝕或觸發(fā)滑坡災(zāi)害的降水強度變化規(guī)律。杜榕恒[47]（1991年）對三峽地區(qū)1982年7月暴雨誘發(fā)的80多個典型滑坡進行研究，得出了暴雨觸發(fā)滑坡的臨界降雨強度。楊順泉[48]（2002年）指出，湖南省滑坡災(zāi)害發(fā)生的降水臨界值為日雨量>120mm，小時降水量≥40mm。謝劍明、劉禮領(lǐng)、殷坤龍等[49]（2003年）研究指出，浙江省非臺風(fēng)區(qū)，當(dāng)日降水量為60mm和130mm，有效降水量為150mm和225mm時，滑坡高易發(fā)區(qū)和滑坡中易發(fā)區(qū)的滑坡點密度都有明顯增加；在臺風(fēng)區(qū)，當(dāng)日降水量為90mm和150mm，有效降水量為125mm和275mm時，滑坡高易發(fā)區(qū)和滑坡中易發(fā)區(qū)的滑坡點密度都有明顯增加。林孝松[50]（2001年）指出,降雨型滑坡的活動表現(xiàn)出周期性。Brand[51]（1984年）對香港近20a的滑坡災(zāi)害與降雨資料進行了對比分析，結(jié)果表明，香港絕大多數(shù)滑坡是由短歷時強降水誘發(fā)的，這些滑坡發(fā)生時間與最大的小時降水量時間同步，指出利用24h降水量預(yù)測滑坡具有很重要的意義。Mark&Newman[52]（1982年）通過對1982年1月降水情況分析得出，當(dāng)前期雨量≥300mm，暴雨量≥250mm，即≥年平均降水量的30%時，滑坡將大規(guī)模發(fā)生。周國兵等[53]（2003年）對重慶市20世紀(jì)70年代以來153個滑坡個例進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)降水誘發(fā)的滑坡占96.7%。其中24h降水量是誘發(fā)山體滑坡的最主要因素，同時也與連續(xù)降水的累計值有關(guān)。2.4暴雨型滑坡機制及穩(wěn)定性研究概述李先華等[34]（2001年)提出了滑坡啟動的2種不同機制。通過降水—滑體含水率—滑體容重、滑帶土內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力以及它們與滑坡穩(wěn)定系數(shù)的定量關(guān)系及其時間效應(yīng)，建立滑坡啟動速度、推力、方向和時間的預(yù)測預(yù)報模型。王蘭生[54]提出，具有不同水動力學(xué)特征的斜坡，對降雨的敏感度存在差別。戚國慶等[55]對土水特征曲線數(shù)學(xué)模型進行了研究，推導(dǎo)出具有統(tǒng)一表達式的土水特征曲線，分析得出，土水特征曲線主要受土粒的礦物成分、孔隙的大小分布、孔隙的結(jié)構(gòu)、土體的收縮性、土的應(yīng)力歷時和溫度等因素影響。劉傳正[56]（2002年）指出，以往省級地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測的重點主要局限于地下水動態(tài)觀測，在地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警方面比較薄弱。2.5基于GIS的暴雨型滑坡預(yù)報系統(tǒng)研究現(xiàn)狀殷坤龍等[44]（2003～2004年）在“浙江省地質(zhì)災(zāi)害實時預(yù)警預(yù)報及應(yīng)用示范”科技攻關(guān)項目中，開展了基于Web-GIS的地質(zhì)災(zāi)害實時預(yù)警預(yù)報研究，在地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測的基礎(chǔ)上，結(jié)合實時降雨信息和預(yù)測信息，對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害和單體地質(zhì)災(zāi)害進行預(yù)測預(yù)報，并通過INTERNET對預(yù)警信息進行發(fā)布。蘭恒星等[57]（2002年）運用GIS等技術(shù)，集成相關(guān)模型對滑坡變形失穩(wěn)進行分析，對各種分析模型及模型單元的特點及其局限性進行了分析。針對近年來暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理和預(yù)報預(yù)警服務(wù)的需要，本文作者承擔(dān)了2002年國家科技部下達的社會公益項目，對暴雨型滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃及監(jiān)測、預(yù)報、預(yù)警進行了一些嘗試，前期重點是根據(jù)歷史滑坡個例，進行江西省滑坡發(fā)生的降水特征及臨界值分析[58～60]?？傊?，國內(nèi)外在滑坡時空預(yù)測、滑坡與降雨關(guān)系、滑坡穩(wěn)定性研究方面做了許多研究，取得了不少成果。已開展的相關(guān)工作，對暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測方法研究，具有很好的借鑒作用。3需要研究的主要問題分析綜上所述，暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測方法理論與技術(shù)問題，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報理論還不盡完善，系統(tǒng)性也不夠強，能普遍推廣應(yīng)用的預(yù)測系統(tǒng)沒有建立，難以做到時空預(yù)測預(yù)報相結(jié)合?；麦w力學(xué)參數(shù)還是一灰色問題。二是從理論上，暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理研究與區(qū)域統(tǒng)計研究結(jié)合程度不高。由于滑坡災(zāi)害預(yù)警的復(fù)雜性，已建立的滑坡災(zāi)害預(yù)測預(yù)報模型具有很大的地域性、分散性，以及由于監(jiān)測資料的不足所帶來的不穩(wěn)定性，有必要建立基于暴雨型滑坡災(zāi)害發(fā)生機理的宏觀區(qū)域預(yù)警模型，這是實現(xiàn)滑坡災(zāi)害預(yù)警的重要突破點，進而可探索一條科學(xué)有效地滑坡災(zāi)害防治新思路。三是滑坡災(zāi)害與降水關(guān)系研究需有更準(zhǔn)確的模型；土體含水量和孔隙水壓力的測量方法要更精確、有效，與滑坡有關(guān)的地形、水文和地質(zhì)條件等需進一步考慮。四是在降水對滑坡穩(wěn)定性影響研究方面，對省級區(qū)域滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)選擇多個代表點進行系統(tǒng)監(jiān)測，并進行降水量入滲系數(shù)分析、降雨與滑坡體地下水位關(guān)系研究、滑坡體滑動臨界降水量研究、滑坡體水位變化延遲時間分析和滑坡穩(wěn)定性評價等綜合研究。五是在南方高森林覆蓋區(qū)，植被覆蓋對暴雨型滑坡的作用文獻報道甚少；在用有效雨量預(yù)報滑坡災(zāi)害時，需要研究蒸散量的作用。六是應(yīng)用Web-GIS技術(shù)，結(jié)合實時降水監(jiān)測和預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)，進行滑坡災(zāi)害時空預(yù)警預(yù)報的自動化系統(tǒng)研究和應(yīng)用。4江西進行暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測研究的總體思路4.1重點研究和討論的問題由上述分析可知，目前江西應(yīng)重點研究和討論的問題主要包括以下6個方面：一是開展滑坡災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究，為滑坡災(zāi)害預(yù)測提供本底數(shù)據(jù)；二是開展誘發(fā)滑坡的降水及蒸散量特征分析；三是進行暴雨型滑坡形成機理試驗研究，并探討植被覆蓋對滑坡的作用；四是進行暴雨型滑坡災(zāi)害單點預(yù)報預(yù)警方法研究；五是進行暴雨型滑坡災(zāi)害區(qū)域預(yù)報預(yù)警方法研究；六是開發(fā)基于Web-GIS的滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并進行業(yè)務(wù)應(yīng)用和效果檢驗。4.2研究目標(biāo)以江西為研究區(qū)域，系統(tǒng)地開展暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理及預(yù)測方法研究。通過定點監(jiān)測試驗、歷史資料分析，應(yīng)用滑坡穩(wěn)定性原理等方法，揭示中國東部丘陵山區(qū)暴雨型滑坡形成機制，建立滑坡穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，確定不同類型滑坡發(fā)生滑動的大氣降水臨界值，建立基于Web-GIS和臨界過程雨量、蒸散量、滑坡風(fēng)險區(qū)劃及降水預(yù)報相結(jié)合的滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。4.3研究方法采用野外觀測試驗與模擬計算相結(jié)合、實測資料定性分析與數(shù)理分析相結(jié)合的方法，對暴雨型滑坡災(zāi)害形成機理、滑坡穩(wěn)定度進行研究和模擬；應(yīng)用RS、GIS等技術(shù)，分析植被覆蓋對滑坡的影響；利用MM5中尺度數(shù)值預(yù)報模式，對近3a來誘發(fā)滑坡災(zāi)害的連續(xù)暴雨過程進行數(shù)值試驗；應(yīng)用Web-GIS技術(shù)、滑坡災(zāi)害空間預(yù)測和時間預(yù)測相結(jié)合的方法，建立滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警和產(chǎn)品自動發(fā)布業(yè)務(wù)系統(tǒng)。4.4需解決的關(guān)鍵問題一是通過研究區(qū)域代表點的監(jiān)測試驗，分析滑坡體－植被－大氣水分作用關(guān)系，建立大氣降水與滑坡穩(wěn)定度的數(shù)學(xué)模型，提出滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警指標(biāo)，研究分析植被覆蓋對暴雨型滑坡的作用；二是研究分析大氣降水、日綜合雨量、蒸散量的關(guān)系，分析試驗結(jié)果與統(tǒng)計學(xué)方法的一致性；三是建立基于Web-GIS技術(shù)的暴雨型滑坡災(zāi)害預(yù)報預(yù)警模型，以及產(chǎn)品自動發(fā)布實時業(yè)務(wù)系統(tǒng)。參考文獻1鄭孝玉.滑坡預(yù)報研究方法綜述［Ｊ］.世界地質(zhì)，2000，19（4）:370．2李媛，孟暉，董穎，等.中國地質(zhì)災(zāi)害類型及其特征—基于全國縣市地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查成果分析［Ｊ］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2004，15（2）:29～31.3FarukOcakoglu,CandanGokceoglu,MuratErcanoglu,Dynamicsofacomplexmassmovementtriggeredbyheavyrainfall:acasestudyfromNWTurkey,Geomorphology,42(2002):329～341.4Azzoni,A.,Chiesa,S.,Frassoni,A.,Govi,M.,1992.TheValpolalandslide.Eng.Geol.33,59～70.5Canuti,P.,Focardi,P.,Garzonio,C.A.,1985.Correlationbetweenrainfallandlandslides.Bull.Int.Assoc.Eng.Geol.32,49～54.6Cruden,D.M.,Varnes,D.J.,1996.Landslidetypesandprocesses.In:Turner,A.K.,Schuster,R.L.（Eds.),Landslides,InvestigationsandMitigations,TransportationResearchBoard,NationalResearchCouncil,SpecialReport247,pp.36～75.7Dikau,R.,Brunsden,D.,Schrott,L.,Ibsen,M.-L.,1996.Introduction.In:Dikau,R.,Brunsden,D.,Schrott,L.,Ibsen,M.-L.（Eds.),LandslideRecognation,Identification,MovementandCauses,ReportNo.1oftheEuropenCommissionEnvironmentProgrammeContractNo.EV5V-CT94-0454.Wiley,Chichester,pp.1～12.8Ferrer,M.,Ayala-Carcedo,F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