深圳市區(qū)域性滑坡與降雨關(guān)系研究

1深圳降雨與滑坡的統(tǒng)計(jì)關(guān)系在滑坡的內(nèi)部條件（如地形和地質(zhì)條件）既定的情況下，雨下的許多外部因素，尤其是大量降雨和降雨，無(wú)疑是激勵(lì)斜坡的主要外部因素之一。國(guó)內(nèi)外已有許多研究者在充分考慮邊坡的地形地貌、地質(zhì)條件和力學(xué)性質(zhì)等內(nèi)在因素條件下研究降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨過(guò)程與滑坡在時(shí)空分布上的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而開展區(qū)域滑坡災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)研究,已取得了顯著成效,然而,根據(jù)文獻(xiàn)資料得知,深圳地區(qū)當(dāng)前還未見降雨與滑坡相關(guān)性研究的報(bào)道。至此,筆者基于該思想探討了深圳市降雨與滑坡災(zāi)害之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系,利用滑坡與降雨的歷史資料,運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理,建立臨界降雨強(qiáng)度或降雨量閥值模型,來(lái)推測(cè)區(qū)域滑坡發(fā)生的可能性,得出了一些有益的結(jié)論,為深圳市雨季滑坡防災(zāi)減災(zāi)工程提供科學(xué)依據(jù)。區(qū)域性滑坡產(chǎn)生與否與降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間等因素關(guān)系十分密切。以往的研究者基本是運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法—彼德森法來(lái)確定每種因素的相關(guān)系數(shù)(權(quán)重),即確定每種降雨因素對(duì)該地區(qū)滑坡的具體影響程度,但這種方法存在著一定的偏頗之處。彼德森法在統(tǒng)計(jì)降雨和滑坡的歷史資料分析其對(duì)滑坡發(fā)生的觸發(fā)作用時(shí)只是局限于單因素分析,沒有綜合考慮上述諸多因素的共同作用,比如,研究滑坡與降雨量、降雨時(shí)間之間的關(guān)系時(shí),在滑坡數(shù)量和降雨量間的相關(guān)關(guān)系中實(shí)際還包含了降雨時(shí)間對(duì)其的影響,即降雨時(shí)間會(huì)對(duì)降雨量產(chǎn)生影響,因此,單純地用彼德森法顯然不能準(zhǔn)確地反映事物之間的復(fù)雜關(guān)系,亦無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確地反映滑坡與降雨量因子間的相關(guān)關(guān)系。筆者在分析時(shí),通過(guò)剔除其時(shí)間因素,即計(jì)算滑坡與降雨量間的偏相關(guān)系數(shù)。比較簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù),前者有夸大的成分,而后者更為符合實(shí)際。2地形地貌條件深圳市位于廣東省中南部沿海,海岸線長(zhǎng)約230km。亞熱帶海洋性氣候,降雨量豐富。全市由東南向西北可劃分為3個(gè)地貌帶,即半島和海灣地貌帶、海岸山脈地貌帶、低山丘陵地帶,形成深圳市的地勢(shì)由東南向西北逐級(jí)降低之勢(shì)。受北東向深圳大斷裂構(gòu)造帶的影響,使本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造趨于復(fù)雜化,褶皺多并與斷裂相伴產(chǎn)生,再由于受到多次斷裂構(gòu)造及巖漿侵入破壞的作用,巖層破碎,溝谷縱橫,土壤層發(fā)育。土層在區(qū)內(nèi)不同地貌單元中發(fā)育程度不盡相同,東部丘陵地區(qū),厚度多為0~2m;西部臺(tái)地區(qū),厚度大于15m,最厚達(dá)54m。經(jīng)過(guò)20年來(lái)的經(jīng)濟(jì)建設(shè),深圳市可建設(shè)用地已被耗之殆盡,如今大量的工程建設(shè)通過(guò)移山要地(羅湖插花地)、填?；蛱詈?寶安機(jī)場(chǎng))要地而實(shí)現(xiàn),甚至向?yàn)?zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)要地來(lái)達(dá)到目的,由此不僅導(dǎo)致了工程造價(jià)增加,而且為滑坡災(zāi)害發(fā)生提供了良好的地形地貌條件,在降雨的作用下滑坡事件頻繁發(fā)生?；戮哂幸?guī)模小,幾千方至幾萬(wàn)方占絕大多數(shù),但其造成的危害巨大的特點(diǎn)。與此同時(shí),深圳市為滿足城市發(fā)展的需要開展了一系列地質(zhì)工作,自2003年建立了汛期地質(zhì)災(zāi)害巡查制度,現(xiàn)已對(duì)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度有較為全面的認(rèn)識(shí),本文應(yīng)用的滑坡資料為20世紀(jì)90年代至今。3降水的時(shí)空分布特征3.1降水與降水特征深圳年平均降雨量為1879.8mm,年平均降雨日數(shù)為145d。4~9月為雨季,降水量為1516.1mm,占年降水量的78%,前汛期(4~6月)多年平均降水量為573.9mm,占雨季降水量的38%;后汛期(7~9月)多年平均降水量為942.2mm,占雨季降水量的62%。旱季月降水量多在100mm以下,旱季7個(gè)月的總降水量約417.2mm,僅占全年降水量的22%(圖1)。雨季降水強(qiáng)度大,日平均降水強(qiáng)度15~20mm;11~3月降水強(qiáng)度較小,日平均降水強(qiáng)度4~7mm;10月和4月降水強(qiáng)度適中,日平均降水強(qiáng)度10mm左右。受海洋及山脈地形影響,深圳市降雨量呈西北向東南遞增趨勢(shì),據(jù)水文站的資料顯示,東南部南澳、葵涌等地年降水量在2000mm以上,中部為1700~2000mm,西部為1700mm以下,等雨量線從東北向西南延伸,只有1700mm線近似南北向。降雨量的地區(qū)差異與盛行風(fēng)向和地貌相關(guān),東南部屬于半島和海灣地貌,雨量多;西部地形平坦,缺乏地形降雨,雨量較少。3.2暴雨和強(qiáng)降濕的次數(shù)和降水的年際變化深圳每年均出現(xiàn)大量暴雨,暴雨概率為0.03,即11次左右,以4~9月較為集中,暴雨日數(shù)占全年暴雨日數(shù)的90%,見表1。按日平均降水量為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算,暴雨(大于50mm)、大暴雨(大于100mm)、特大暴雨(大于200mm)的次數(shù),年平均分別為6.5,3.2,0.4次。暴雨以鋒面雨和臺(tái)風(fēng)雨為主,多年平均臺(tái)風(fēng)降雨量為689mm,降水量約占年降水量的36%,日最大臺(tái)風(fēng)降雨量達(dá)385.8mm。表1顯示,10月份的大暴雨和特大暴雨次數(shù)的比例也很大,說(shuō)明該月降水量的年際變化大,10月份多年平均降水量為96.2mm,但有些年份(1964年和1974年)10月的降水量超過(guò)500mm,暴雨特多;有些年份(1955年,1959年,1960年)10月降水量小于10.0mm。暴雨及持續(xù)性暴雨(3d或以上連續(xù)暴雨)具有空間極端的不均勻性。深圳市2005年8月20日龍華站降雨量為303.8mm,而松崗站只有131.8mm。4深圳滑動(dòng)特性4.1滑坡次數(shù)對(duì)滑坡次數(shù)的影響4~9月份(尤其7~9月)為滑坡災(zāi)害多發(fā)季節(jié),災(zāi)害次數(shù)占全年的80%左右,而干旱季節(jié),降雨較少,滑坡次數(shù)也相對(duì)較少,僅占全年滑坡總次數(shù)的20%左右?；碌募竟?jié)性與降雨的季節(jié)性相吻合,尤其與暴雨、大暴雨的頻次相吻合,特別是持續(xù)大暴雨,災(zāi)害成群出現(xiàn),次數(shù)急劇增加,如1994年6月21日暴雨,1997年8月4日暴雨均導(dǎo)致不同程度的滑坡群產(chǎn)生,2005年8月20日特大暴雨產(chǎn)生滑坡達(dá)數(shù)十處,歷史資料足以表明,暴雨或特大暴雨是誘發(fā)滑坡產(chǎn)生的主要因素。4.2滑坡主要集中于各區(qū)域經(jīng)過(guò)20余年的發(fā)展,深圳地質(zhì)環(huán)境的改造程度較高,滑坡遍布整個(gè)市區(qū)。在寶安區(qū)中部一帶、羅湖區(qū)、龍崗區(qū)中部及西部滑坡密集,南山區(qū)與鹽田區(qū)稍為稀疏,如羅湖區(qū)、龍崗二線“插花地”、羅芳-蓮塘、福田區(qū)安托山-香蜜湖-筆架山、鹽田區(qū)、龍崗東部沿海公路及采石場(chǎng)、南山西麗洞尾山-塘朗山的南北側(cè)、蛇口的大南山和小南山及寶安區(qū)羊臺(tái)山等地為滑坡災(zāi)害的易發(fā)區(qū)域?；轮饕杏诟鲄^(qū)域的公路沿線、采石場(chǎng)、靠山住宅、海岸帶、港務(wù)地塊以及斷裂構(gòu)造發(fā)育、巖石強(qiáng)烈破碎風(fēng)化等的山區(qū)和丘陵地帶,為滑坡災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。隨著挖山填海工程等工程活動(dòng)的強(qiáng)度及規(guī)模的不斷增大,滑坡易發(fā)區(qū)范圍也在不斷地?cái)U(kuò)大。深圳市降雨具有強(qiáng)度大、雨量多及降雨時(shí)間集中等特點(diǎn),降雨變化特征與滑坡頻次間有很好的對(duì)應(yīng)性,為進(jìn)一步定量研究滑坡與降雨因子之間的關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。5滑梯度與降水的結(jié)合分析5.1對(duì)材料的顯著性檢驗(yàn)對(duì)簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)r的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)是計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t:式中:t服從n-2個(gè)自由度的t分布。r≥0.8時(shí),高度相關(guān);0.5≤r<0.8時(shí),中度相關(guān);0.3≤r<0.5時(shí),低度相關(guān);r<0.3時(shí),變量之間的相關(guān)程度極弱,可視為不相關(guān)。偏相關(guān)系數(shù)r12,3假設(shè)有3個(gè)變量:x1、x2、x3,剔除x3的影響后,x1和x2之間的偏相關(guān)系數(shù)r12,3為式中:r12為x1與x2的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù);r13為x1與x3的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù);r23為x2與x3的簡(jiǎn)單相關(guān)系數(shù)。顯著性檢驗(yàn)公式為式中:n為個(gè)案數(shù);t統(tǒng)計(jì)量服從自由度為n-3的t分布。降雨量Q、降雨時(shí)間T及平均雨強(qiáng)I三者存在Q=TI的關(guān)系,若知2個(gè)參數(shù)值,則另一個(gè)參數(shù)就被確定,故只有2個(gè)是相互獨(dú)立的參數(shù),即在計(jì)算滑坡次數(shù)與降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨時(shí)間之間的相關(guān)系數(shù)時(shí),滑坡次數(shù)和降雨量之間的關(guān)系中實(shí)際還包含了降雨時(shí)間對(duì)其的影響,在這種情況下,需要剔除降雨時(shí)間因素來(lái)進(jìn)行偏相關(guān)系數(shù)計(jì)算,對(duì)于滑坡次數(shù)與降雨強(qiáng)度僅作簡(jiǎn)單相關(guān)關(guān)系分析即可,將歷史資料數(shù)據(jù)代入式(1)與式(2),分析與計(jì)算結(jié)果詳見表2及表3,表中偏相關(guān)系數(shù)及相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。5.2日降雨影響經(jīng)統(tǒng)計(jì),滑坡的發(fā)生與當(dāng)日降雨量及前1~2d的降雨量密切相關(guān),這種降雨主要以大暴雨、特大暴雨為主。表2顯示,日降雨量在100mm及以上時(shí)相關(guān)性最好,其相關(guān)系數(shù)均在0.8以上,即高度相關(guān),表明滑坡與大暴雨、特大暴雨有非常好的相關(guān)性。進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),深圳地區(qū)在發(fā)生群體滑坡前的5d之內(nèi)至少降過(guò)1~2次大暴雨或特大暴雨,可見滑坡與暴雨的關(guān)系十分密切,暴雨出現(xiàn)的次數(shù)越多,滑坡發(fā)生的次數(shù)和數(shù)量也就越多,尤其是大暴雨及特大暴雨。5.3滑坡發(fā)生的降雨從表3可知,滑坡與1~4d及一次降雨過(guò)程的累計(jì)降雨偏相關(guān)性較好,偏相關(guān)系數(shù)均在0.8以上,表明滑坡與臨滑前短時(shí)間內(nèi)的降雨相關(guān)性較好,符合深圳市降雨強(qiáng)度大、降雨量集中的特點(diǎn),也符合滑坡體規(guī)模小滲水易于飽和的特點(diǎn)?？梢娀碌陌l(fā)生受降雨兩方面的影響:一是短期降雨,這種降雨主要以大暴雨、特大暴雨為主,一般發(fā)生在滑坡起動(dòng)前的當(dāng)天及前1~2d內(nèi),如2005年8月20日大暴雨到特大暴雨,產(chǎn)生滑坡達(dá)數(shù)十處。二是前期的累計(jì)降雨量,部分滑坡發(fā)生的當(dāng)天及前1d內(nèi)未見暴雨,但在發(fā)生前的第3天或第4天一般有暴雨或大暴雨現(xiàn)象,亦即表現(xiàn)出滑坡發(fā)生的滯后性。5.4暴雨期間滑坡的發(fā)生時(shí)間通過(guò)表4可以看出,暴雨發(fā)生的當(dāng)天,便有45.3%的滑坡出現(xiàn),21.9%的滑坡在暴雨的第2天發(fā)生,在暴雨、大暴雨結(jié)束后的3d內(nèi)已經(jīng)有86.7%的滑坡發(fā)生,僅有13.3%的滑坡滯后于暴雨的3d以后,但這種滯后時(shí)間不會(huì)很久,一般在4d左右,這符合于深圳滑坡體結(jié)構(gòu)松散、規(guī)模小、滑帶易于浸潤(rùn)飽和的特點(diǎn),為暴雨期間滑坡災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)工程提供了依據(jù)。深圳市2005年8月20日出現(xiàn)特大暴雨,80%以上的滑坡發(fā)生在暴雨的當(dāng)天及第2天90%以上的滑坡已在8月25日前發(fā)生。綜上所述,一次特大暴雨就可以引發(fā)一大批滑坡,特大暴雨的當(dāng)天發(fā)生滑坡的概率最高,滑坡與大暴雨的出現(xiàn)時(shí)間上基本一致。另外,滑坡的發(fā)生時(shí)間與季節(jié)性降雨也相吻合。6雨棚值及報(bào)警預(yù)測(cè)模型6.1降雨強(qiáng)度對(duì)滑坡點(diǎn)密度的影響有效降雨量模型確定有效降雨量為式中:Rc為有效降雨量;R0當(dāng)天降雨量;Ri為第i日降雨量;i為降雨日數(shù);α為降雨系數(shù)。α通過(guò)對(duì)計(jì)算降雨量與滑坡發(fā)生的次數(shù)間的相關(guān)性進(jìn)行確定,α=0.8。根據(jù)全市滑坡災(zāi)害分布情況,綜合考慮人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)、自然環(huán)境、地質(zhì)環(huán)境、災(zāi)害體結(jié)構(gòu)條件等,以滑坡災(zāi)害綜合危險(xiǎn)性指數(shù)將深圳市滑坡災(zāi)害劃分為高易發(fā)區(qū)、中等易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)4個(gè)等級(jí),然后將高易發(fā)區(qū)和中等易發(fā)區(qū)滑坡點(diǎn)密度與其對(duì)應(yīng)的有效降雨量與降雨強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),見圖2和圖3。對(duì)于低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū)其地質(zhì)環(huán)境一般較好及人類活動(dòng)強(qiáng)度有限,故沒有進(jìn)行統(tǒng)計(jì),實(shí)際上對(duì)其統(tǒng)計(jì)的意義也不大。從圖2可知,隨著降雨強(qiáng)度的增加,高、中等易發(fā)區(qū)滑坡點(diǎn)密度不斷增大,滑坡數(shù)量相應(yīng)增加,降雨量較小時(shí)滑坡數(shù)量增加緩慢。當(dāng)降雨達(dá)60mm和140mm時(shí),高易發(fā)區(qū)曲線明顯變陡,斜率增加,滑坡點(diǎn)密度出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象,而降雨量在60~140mm之間時(shí),滑坡增加數(shù)量又趨于緩慢,如2005年8月19日降雨強(qiáng)度為59.4mm/d,發(fā)出3級(jí)預(yù)報(bào),高易發(fā)區(qū)已有零星滑坡出現(xiàn),而在8月20日降雨強(qiáng)度為208.4mm/d,僅龍崗區(qū)就有20余處滑坡出現(xiàn)。從中等易發(fā)區(qū)曲線斜率變化分析可知,其跳躍時(shí)間明顯晚于高易發(fā)區(qū),這主要是由于其地質(zhì)環(huán)境較后者優(yōu)越所致,需要更大的降雨才可能導(dǎo)致其滑動(dòng)。鑒于滑坡災(zāi)害的安全防范,將高易發(fā)區(qū)的這些特征降雨強(qiáng)度作為適時(shí)降雨強(qiáng)度閥值,見表5。圖3表明,隨著有效雨量的增加,滑坡數(shù)量逐漸增加,有效降雨量為120mm和220mm時(shí),高易發(fā)區(qū)滑坡點(diǎn)密度明顯的增加,曲線變陡,斜率增加;當(dāng)降雨量小于120mm時(shí),120~220mm時(shí)曲線斜率變化平緩,滑坡數(shù)量增加緩慢,對(duì)于中等易發(fā)區(qū)曲線斜率變化與之類似,如2004年8月31日深圳二線關(guān)插花地長(zhǎng)排村發(fā)生擋土墻倒塌事故,根據(jù)洪湖雨量站的降雨數(shù)據(jù),當(dāng)日降雨量?jī)H為10.8mm,但8月29日至31日3d的累積降雨量為136.5mm。因此將這些特征有效降雨量值作為滑坡預(yù)報(bào)等級(jí)劃分指標(biāo),見表5。6.2預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)的確定依據(jù)中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院2005年1月5日地質(zhì)災(zāi)害氣象預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)要求,建立以可能發(fā)生的降雨量為外部輸入條件、地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)范圍和程度為輸出結(jié)果的數(shù)值模型,結(jié)合深圳市降雨之特點(diǎn),開展一般性預(yù)警預(yù)報(bào)與適時(shí)預(yù)報(bào)。按照以上的降雨強(qiáng)度閥值與臨界降雨量,將降雨與滑坡災(zāi)害易發(fā)區(qū)等級(jí)疊加,結(jié)果見表5。根據(jù)有效降雨量模型分析前期有效降雨量值以及氣象臺(tái)傳送的未來(lái)24h降雨強(qiáng)度值開展預(yù)報(bào),在降雨強(qiáng)度及有效降雨量中有一項(xiàng)先達(dá)到某一指數(shù)時(shí)就以該項(xiàng)為依據(jù)開展相應(yīng)的等級(jí)預(yù)報(bào)。香港與深圳毗鄰,具有非常相似的地質(zhì)環(huán)境和氣候條件,所得降雨判據(jù)與其基本相符,在實(shí)際應(yīng)用中效果良好。7滑坡與地面降雨的關(guān)系(1)深圳市4~9月臺(tái)風(fēng)頻繁,降雨量多,為暴雨、大暴雨多發(fā)季節(jié);滑坡活動(dòng)時(shí)間與暴雨、大暴雨及特大暴雨在時(shí)間上相吻合;在空間上滑坡與地質(zhì)環(huán)境和人類工程活動(dòng)強(qiáng)度關(guān)系密切。(2)應(yīng)用偏相關(guān)分析方法對(duì)降雨量與區(qū)域滑坡發(fā)生與否的關(guān)系進(jìn)行了分析,結(jié)果表明滑坡與1~4d強(qiáng)降雨及短期的累計(jì)降雨呈高度相關(guān),符合深圳市降雨及滑坡體結(jié)構(gòu)