秦巴山区地质灾害气象预报预警判据.docx
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秦巴山区地质灾害气象预报预警判据
图3、秦巴山区地质灾害发育强度空间分布图
第五章地质灾害预报预警判据
5.2秦巴山区地质灾害气象预报预警判据
秦巴山区地处秦岭南麓和巴山腹地,受秦巴山区特殊地理环境和气候条件影响,具有自然灾害种类多,强度大,成灾重等特点,突发性强降水引起的地质灾害是陕西省也是全国地质灾害最严重的地区之一,境内每年都受到地质灾害的严重影响,经常给局部地区带来毁灭性灾害。
2000年7月13日地处巴山腹地的紫阳、镇巴等地出现了百年不遇的特大暴雨,紫阳县联合乡24小时雨量达220.0mm。
这次特大暴雨使得汉江干、支流洪水暴涨,诱发了多处严重的山体滑塌和泥石流,紫阳县的联合、麻柳等20多个乡镇造成局部毁灭性破坏,死亡276人,失踪10人,直接经济损失2亿元以上。
2002年6月9日,位于秦岭南坡的佛坪、宁陕等地突降暴雨,诱发特大地质灾害,经调查,暴雨中心最大降雨量达461mm,因洪灾死亡人数达639人,直接经济损失20亿元。
地质灾害预测预报技术和方法研究一直是世界性的难题,目前地质灾害预报预警技术方法已进入各种半定量—定量预测模型共存,确定性模型、统计模型、灰色模型和信息模型共同发展的阶段。
特别是20世纪90年代以来,数字化信息预测技术、人工智能预测预报模型和非线性预测预报模型的发展,给地质灾害预测预报研究带来了新的挑战和希望。
陈百炼[5]、李芳[3]等利用GIS技术结合地质和气象资料分析,提出了基于GIS技术的地质灾害预报预警方法。
李芳[3]的基于GIS技术的地质灾害预报预警方法在秦巴山区应用了三年,效果良好。
王川[11]、李玉文[8]等用诱发地质灾害降雨量临界值研究了秦巴山区地质灾害的预报预警问题,也取得了很好的预警效果,而且更易在地质灾害预报预警中使用,在此基础上作者用更详细的资料和数理统计方法分析了秦巴山区地质灾害临界雨量指标,也称地质灾害预报预警判据,以提升秦巴山区突发地质灾害的预报预警能力。
5.2.1地质灾害与降雨类型、强度的关系
为了准确分析地质灾害与降水之间的关系,降雨资料除用气象部门的降水资料外,还使用了水文(2001―2007年)资料。
对1971年-2007年地质灾害和暴雨历史资料进行分析,发现秦巴山区由降水诱发的地质灾害主要是滑坡和泥石流,而且常常相伴发生,滑坡、泥石流的发生时段和暴雨出现的时段基本一致。
重大滑坡泥石流的发生时段和大暴雨的出现时段一致。
百分之九十以上的滑坡泥石流是由降水诱发产生的。
降水类型和强度对地质灾害的形成、发育影响不同。
统计发现(见表)由突发强降水引起的地质灾害有238次,占29.6%,由连阴雨(连续3天有大于0.1mm降水)引起的566次,占70.4%,而连阴雨天气过程中出现暴雨的有316个,占连阴雨个例的55.8%,可见连阴雨天气中的暴雨是引发地质灾害频率较高的因子,对降水强度进行分级统计显示:
日降水大于38毫米的大到暴雨日分别占强降水和连阴雨型地质灾害总数的50.4%和76.5%;日降水大于50毫米的分别占47.5%和55.8%;强降水和连阴雨合并统计显示大到暴雨诱发占70.1%,暴雨诱发占53.4%,这说明大到暴雨、暴雨是诱发地质灾害的主要原因,特别是连阴雨中出现的暴雨,更易诱发严重地质灾害。
表5.1 日降水强度和降水类型与地质灾害统计关系表
总数
>38次数
百分率
>50次数
百分率
>75次数
百分率
>100次数
百分率
>150次数
百分率
>200次数
百分率
强降水
238
120
50.4
113
47.5
64
26.9
40
16.8
17
7.1
17
7.1
连阴雨
566
433
76.5
316
55.8
190
33.6
99
17.5
41
7.2
10
1.8
合计
804
563
70.1
429
53.4
254
31.6
139
17.3
58
7.2
27
3.4
降雨诱发地质灾害主要是通过地下水作用间接体现。
很多滑坡都发生在暴雨之后,并且大多具有明显的滞后性。
“大雨大塌,小雨小塌,无雨不塌”,这句话形象的说明了降雨强度与地质灾害之间的密切关系。
大量的调查分析结果表明秦巴山区地质灾害与降雨类型和强度的密切关系有以下特点:
滑坡、泥石流等灾害有80%以上发生在雨季,特别是在雨中或雨后不久;连续降雨时间越长,发生地质灾害的可能性越大;降雨强度越大,地质灾害发生的次数越多;强降水天气持续时间超过5小时,峰值雨量超过40mm/h,就会发生严重的地质灾害;阴雨连绵天气过程中的暴雨天气诱发的地质灾害多;长期大雨比连绵细雨时诱发的地质灾害多;局部突发性暴雨,特别是突发性大暴雨和特大暴雨在秦巴山区发生的频率高,这类地质灾害的特点是降水集中,很快形成暴雨或大暴雨,甚至达到特大暴雨,突发性强,成灾迅速、损失巨大,是秦巴山区地质灾害预防的重中之重,也是预报预警难度最大的一种。
1998年7月9日商洛市丹凤县双槽乡6小时降雨量达1400mm,短时间山洪、滑坡、泥石流俱下,造成187人死亡的毁灭性灾害。
5.2.2地质灾害与前期降雨的关系
前期降水偏少或偏多,对地质灾害的发生都有利,降水偏少也就是前期长时间的持续干旱致使地表岩土体疏松,抗剪力大大减小,一旦出现较强度降水,降水很快沿裂隙下渗,造成坡体不稳定,导致地质灾害容易发生。
如2000年6月下旬秦巴山地出现的滑坡、泥石流灾害。
前期降水偏多,地表岩土体的含水量基本饱和,一旦出现强降水天气,地表岩土体的重量很快超过其有效荷载的承受极限,从而诱发地质灾害,如2000年7月13日巴山腹地紫阳等地出现的特大地质灾害。
表1秦巴山区地质灾害发生频次与前期累积降水量相关系数分析表
累积雨量
当天
前1天
前2天
前3天
前4天
前5天
前6天
前7天
前8天
前9天
前10天
相关系数
0.48
0.58
0.57
0.54
0.48
0.46
0.42
0.39
0.38
0.37
0.37
从上表可看出地质灾害发生频次与累计降水量有较好的相关关系。
由于滑坡次数所占比例大,所以地质灾害发生频次与前3天的累积降水量相关系数最大。
再往前相关系数明显减小,到第9、10天相关系数只有0.37,说明地质灾害的发生与其前10天以内的累积降水量有关,超过10天的累积降水量对地质灾害发生的影响较小。
大量研究表明,日综合雨量[4]
能够较好地反映前期降水对当日地质灾害的影响,它可以比较不同降水过程对地质灾害形成的作用,因此,用日综合雨量来表达强降水和连阴雨降水过程对地质灾害的影响。
公式:
为日综合雨量,
为地质灾害发生当日雨量,
为降水衰减系数,l为地质灾害发生前的天数,
为自动雨量观测点数或乡镇数,i,j为
雨量观测点的座标。
统计分析发现一次较强降水导致滑坡、泥石流大量发生在1至4天内,超过10天的较少,这与王川[11]分析的结论一致,结合表1地质灾害发生频次与前期累积降水相关性分析确定l取10天。
用历史上诱发滑坡、泥石流的降水资料,取日综合雨量均方差与日综合雨量最大值之商最小作为目标函数,通过优化求取[4],计算得
=0.75,用
l表示降水对地质灾害影响随时间变化。
为了提高预报对象的概括率,减少漏报现象,同时也为了提高地质灾害预警准确率将累加地质灾害频率达5%、30%、50%时所对应的日综合雨量值作为预报(启动)、临报(加速)、警报(临灾)3个状态的临界雨量值,分别用
、
、
表示。
用历史上诱发滑坡、泥石流的降水资料,取日综合雨量均方差与综合雨量最大值之商最小作为目标函数,通过优化求取,计算得
=0.75
值的确定:
(1)取其当天及前十天日综合雨量均方差,并除以max(
),取其最小,
值由1.0—0.1,每隔0.1取值,由上式计算得下表:
Stdev(
)/max(
)
1
0.153********8021
0.9
0.130********7005
0.8
0.12445438141017
0.7
0.124227094891849
0.6
0.125026362963362
0.5
0.125911697055026
0.4
0.126873199448152
0.3
0.128037667213457
0.2
0.129511119850956
0.1
0.131********2987
(2)
值再由0.8—0.61每隔0.01细化取值,计算方法同上,得下表:
=0.75时,值最小,所以0.75是
的最佳值。
Stdev(
)/max(
)
0.80
0.12445438141017
0.79
0.124301*********
0.78
0.124192029112924
0.77
0.124119164474109
0.76
0.12407691052731
0.75
0.124060149131874
0.74
0.124064*********
0.73
0.124086*********
0.72
0.124122366098462
0.71
0.124170042169983
0.70
0.124227094891849
5.2.2.2临界雨量值
为了提高预报对象的概括率,减少漏报现象,同时也为了提高地质灾害预警准确率,将累加地质灾害频率达5%、30%、50%时所对应的日综合雨量值作为预报(启动)、临报(加速)、警报(临灾)3个状态的临界雨量值,分别用
、
、
表示。
图5.2地质灾害发生频次百分率与日综合雨量对应关系图
由图5.2可见地质灾害预报值
应为45 mm,临报值
应为75mm,警报值
应为100mm。
5.2.2.3各易发区临界值
图5.3各易发区地质灾害发生频次与日综合雨量关系曲线
根据秦巴山区地质灾害易发分区的地质灾害发生频次与日综合雨量关系曲线图(图5.3)可见,在地质灾害低易发区地质灾害发生频次很少,随着雨量增大发生灾害次数无明显变化;在高易发区地质灾害发生频次最高,并随雨量增大而增加;在中易发区地质灾害发生频次小于高易发区,随雨量增大而增加趋势与高易发区相近。
日综合雨量在45至155毫米之间地质灾害发生频次明显增加,曲线斜率明显增大。
同时还可看出日综合雨量临界值在高、中、低三个易发区的值是不同的,高易发区最小,中易发区次之,低易发区最大。
表5.2日综合雨量与地质灾害预警等级综合指标
地质灾害 日综合雨量/mm
易发程度<3838-45 45-75 75-100 100-150≥150
高易发区Ⅱ级 Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级 Ⅴ级Ⅴ级
中易发区Ⅱ级 Ⅱ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级
低易发区Ⅰ级 Ⅱ级Ⅱ级 Ⅲ级 Ⅳ级Ⅴ级
不易易发区Ⅰ级 Ⅰ级 Ⅱ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级
5.2.3地质灾害与其发生前逐时降雨关系
研究结果表明,秦巴山区降水诱发的地质灾害和降水的持续时间和降雨强度都密切相关,暴雨强度越大,地质灾害发生的次数越多,同时还有一个临界暴雨强度。
达到或超过这个强度,就易诱发滑坡、泥石流等灾害。
统计分析表明:
在陕南山区,强降水天气持续时间超过5小时,峰值雨量超过40mm/h,就会发生严重的地质灾害。
图5.4是四个典型泥石流的累积降雨曲线图可见,在地质灾害发生过程中,开始有一降水累积量过程,该时段降水量一般称初始雨量,间断2小时左右,开始出现强降水,泥石流就发生在这段强降水中,这四个个例曲线与泥石流雨型概化曲线“B型”一致。
最大雨强每小时为49.6—173mm。
图5.4a2007年7月28日商洛市丹凤县
铁峪铺镇泥石流累积降水量曲线图
图5.4b1988年8月13日商洛市柞水县
九间房泥石流累积降水量曲线图
图5.4d1979年07月14日安康市紫阳县
燎原乡泥石流累积降水曲线图
图5.4c1988年08月8日汉中市留坝县
龚家院泥石流累积降水曲线图
统计分析陕南山区诱发滑坡、泥石流的降雨过程的逐时降水资料,发现灾害的发生时间和降水峰值的出现时间有比较密切的关系,滑坡、泥石流灾害的发生时间滞后于降雨的峰值出现时间,一般滞后1-2小时,而且峰值雨量多超过每小时30毫米。
图5.5是两次比较典型的诱发特大滑坡泥石流的暴雨的降水过程曲线,“7.13”暴雨为典型的秦巴山区单峰型降水(图5.5a),降水峰值出现在10-12时,12时后降水逐渐减弱,14至15时一小时降水量仅为1.5毫米(表5.3),特大滑坡泥石流发生在13时30分左右。
分析“8.29”暴雨降水过程曲线,发现降水主要出现在夜间和上午时段,午后降水减弱,这和“7.13”暴雨的时间分布特征略有不同,为秦巴山地的典型双峰型降水(图5.5b),峰值分别在28日21时到22时和29日12时到13时(表5.4),特大滑坡泥石流发生在13-14时。
图5.5a2000-7-13暴雨降水过程曲线
图5.5b2003-08-29暴雨降水过程曲线
表5.3“7.13”暴雨麻柳水文站13日逐时降水量统计表单位:
mm
时间2-88-99-1010-1111-1212-1313-1414-1515-18合计
降水量42.68.04.940.558.224.513.11.59.3212.6
表5.4“8.29”暴雨宁陕气象站28-29日逐时降水量统计表单位:
mm
时间
20-21
21-22
22-23
23-24
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
雨量
9.7
59.9
24.8
18.0
12.4
6.3
0.7
1.1
3.0
4.9
19.8
0.0
时间
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
雨量
2.5
0.6
21.3
29.1
62.9
0.7
7.1
0.0
0.0
0.1
0.2
8.0
5.2.4地质灾害气象预报预警判据
大量的调查资料表明降雨与地质灾害有下列关系:
一、滑坡、泥石流等灾害有80%以上发生在雨季,特别是在雨中或雨后不久,很少发生在旱季或非雨天。
二、连续降雨时间越长,发生地质灾害的可能性越大。
三、暴雨强度越大,地质灾害发生的次数越多。
强降水天气持续时间超过5小时,峰值雨量超过40mm/h,就会发生严重的地质灾害。
四、阴雨连绵天气较短促的暴雨天气诱发的地质灾害多。
五、长期大雨比连绵细雨时诱发的地质灾害多。
六、突发性暴雨,特别是突发性大暴雨和特大暴雨在秦巴山区发生的频率高。
这类地质灾害,降水集中,很快形成暴雨或大暴雨,甚至达到特大暴雨。
突发性强,成灾迅速、损失巨大,是秦巴山区地质灾害预防的重中之重,也是难度最大的一种。
陕南地质灾害有90%以上是降水引发的,强降水占29.6%,连阴雨占70.4%,大到暴雨及以上强降水占70.1%
陕南山区引起地质灾害的日综合雨量临界值分别为:
启动值45mm,加速值75mm,临灾值100mm。
陕南山区引起泥石流的日综合雨量临界值分别为:
启动值60mm,加速值100mm,临灾值150mm。
第七章降雨型地质灾害典型个例
7.1黄土高原降雨型地质灾害典型个例
2002年7月4日子长特大暴雨典型个例
7.2秦岭山区降雨型地质灾害典型个例
2003年8月28-29日秦巴山地的宁陕、石泉、镇安、柞水等地再度出现暴雨天气,强降水诱发山洪、滑坡、泥石流等山地灾害。
汉江安康段最大洪峰流量为15300m3/s。
包括安康城区、宁陕县城在内的60多个城镇组织了人员大撤离,宁陕县城几乎遭受灭顶之灾。
受灾人口200多万人,农作物受灾200余千公顷,因灾死亡32人,失踪52人。
紧急转移安置20余万人,直接经济损失数十亿元,仅宁陕县因灾造成直接经济损失达10亿元。
7.2.12007年7月28日-29日丹凤、商南特大暴雨诱发地质灾害
7.2.22003年8月28-29日宁陕特大暴雨诱发地质灾害
7.2.2.1“8.29”大暴雨的时空分布特征
8月29日——9月1日陕南出现持续性大范围暴雨天气,有1个站次的降水量在300.0mm以上(宁陕);2个站次的降水量在100.0mm以上;12个站次的降水量在50.0mm以上;23个站次的降水量在38.0mm以上。
从8月28日晚到9月2日宁陕、石泉、镇安、柞水等县先后出现暴雨和特大暴雨。
降雨中心位于秦岭南坡的宁陕县的关口(城关镇)、汤坪等一带(图7.3),特别是宁陕县28日20时40分到29日零时降水量126mm,日降水量304.5mm(逐日降水量详表7.3)。
图7.32003-8-28-20h至8-29-20h降水量分布图
表7.38月28日20时—9月1日20时各站降水量统计表单位:
mm
站名西乡佛坪宁陕石泉汉阴旬阳白河紫阳安康平利岚皋镇坪柞水镇安
29日3.971.5304.573.615.30.00.10.00.00.00.00.097.327.6
30日43.537.044.942.542.552.220.3126.453.116.643.28.029.438.4
31日29.332.753.774.168.040.138.578.443.210.821.28.530.232.5
1日38.321.034.77.647.341.246.964.151.738.453.022.837.038.1
合计115.0162.2437.8227.8173.1133.5105.8268.9148.065.8117.439.3193.9136.6
分析本次降水过程的时间分布特征,发现降水主要出现在夜间和上午时段,午后降水减弱,为秦巴山地的典型双峰型降水(图5.5b),峰值分别在28日21时到22时和29日12时到13时(表7.4)。
表7.4“8.29”宁陕气象站逐时降水量统计表单位:
mm
时间
20-21
21-22
22-23
23-24
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
雨量
9.7
59.9
24.8
18.0
12.4
6.3
0.7
1.1
3.0
4.9
19.8
0.0
时间
8-9
9-10
10-11
11-12
12-13
13-14
14-15
15-16
16-17
17-18
18-19
19-20
雨量
2.5
0.6
21.3
29.1
62.9
0.7
7.1
0.0
0.0
0.1
0.2
8.0
7.2.2.2“8.29”暴雨影响系统分析
图7.4a2003-08-28-20h500hpa形势图
图7.4b2003-08-28-20h700hpa形势图
2003年8月下旬副热带高压异常强大,陕西大部受副热带高压控制,天气炎热。
从26日开始副热带高压减弱,26日20h500hPa形势图上,副热带高压西伸脊点位于101°E、32°N附近,28日20h500hPa形势图上,副热带高压西伸脊点位于105°E、30°N附近,东北到河套西部为一低槽,乌拉尔山维持一阻塞高压,脊前为一槽区,并不断有冷空气下滑,与副热带高压外围的西南暖湿气流在陕西南部交汇。
700hPa和850hPa形势图上,在陇南有低涡生成,四川到陕西南部为一低压槽,槽前为一致的偏南风。
高低空形势的配置对强降水的形成十分有利。
29日08h副热带高压的强度有所减弱,700hPa和850hPa形势图上在陇南形成了一个“人”字型切变,偏南急流将暖湿气流源源不断的向北输送,为暴雨提供了充足的水汽来源。
7.2.2.3低空急流与水汽条件对比分析
低空急流是一种动量、热量和水汽的高度集中和输送带,为发生暴雨提供动力和热力条件。
对不稳定能量的积累、输送和释放起了关键作用。
两次特大暴雨都与低空偏南急流密切相关,从纬向水汽通量垂直空间剖面图看(图略),水汽最大输送中心与低空偏南急流对应。
分析暴雨区上空的水汽通量和水汽通量散度可见:
这两次特大暴雨开始前在700hPa附近有水汽通量最大中心和水汽通量散度的最大辐合中心出现。
P/hpa
从暴雨区上空时间空间剖面图看,暴雨区上空的水汽通量(水汽输送)中心比水汽通量散度(水汽辐合)中心形成早,水汽通量散度中心形成比暴雨开始早。
本研究中的两次过程提前12小时以上。
图7.5“8.29”暴雨水汽通量散度时间空间剖面图
(单位:
10-7g.(hpa.cm2.s)-1)
“8.29”暴雨过程中,28日08h在甘肃南部有一低涡,四川盆地到甘肃南部为一低空急流,雨区上空水汽通量散度最大在850hPa附近达-11×10-7g/(hPa·cm2·s)。
29日08时位于甘肃南部的低涡东南移,低空急流也随之东移南压,陕南地区为一湿中心,河南到安康的西部为一“人”字型切变,水汽沿着急流轴不断地向北输送,辐合进一步加强,
图7.62003-08-29-08h700hPa水汽通量散度场
(单位:
10-7g.(hpa.cm2.s)-1)
7.2.2.4高空急流和动力条件对比分析
降雨期间雨区始终位于正涡度和负散度区,也有力地说明了垂直运动很强,上升气流使水汽不断凝结,因而产生了强降水。
“8.29”暴雨过程中,28日20h,雨区上空最大辐合中心在925hPa~850hPa,最大辐散中心在250hPa,强度为20×10-5·s-1,29日08h高层辐散增强,500hPa以上全为辐散层,最大中心在250hPa,强度达50×10-4·s-1,对应垂直速度时间空间剖面图上上升运动连续增强,达-20×10-3hPa·s-1,高度抬升到达300hPa(图7.7)。
对应在300hPa形势图上38°N附近也有一支急流轴为东西走向的高空急流,急流带的风速在40m/s以上,陕南正处在急流轴入口区的右后侧。
图7.7“8.29”暴雨垂直速度时间空间剖面图
(单位:
10-3hpa·s-1)
图7.82003-8-29-08h沿108°E散度剖面
降水过程中高低空急流都是耦合出现的,强降水区都出现在高低空急流相交的第三象限内。
低空急流为强降水源源不断地输送暖湿空气,高空急流输送冷平流,从而增加了大气不稳定度,而且高低空急流耦合产生的次级环流中的上升气流触发不稳定能量的释放,促进中小尺度系统的发展产生强降水。
7.2.2.5卫星云图分析
图7.9a2003-08-28-20h红外云图
图7.9b2003-08-28-22h红外云图
分析卫星云图的发展演变,中尺度对流云团的发展加强,直接造成秦巴山区的
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- 秦巴山区 地质灾害 气象预报 预警 判据