基于区域临界雨量的广东省泥石流灾害易发区预测

第23卷第6期水土保持学报

Vo l. 23No. 6

基于区域临界雨量的广东省泥石流灾害易发区预测

刘希林1, 2, 燕丽萍1, 尚志海1

(1. 中山大学地理科学与规划学院, 广州510275; 2. 中山大学自然灾害研究中心, 广州510275)

*

摘要:暴雨是广东省大部分泥石流的激发条件和主要动力, 采用区域临界雨量用于广东省泥石流灾害易发区的空间预测, 在已有广东省地质灾害预测分区研究成果的基础上, 通过将原有1798个网格单元转换为以县市区为基本单元的97个研究单元, 判别出37个县市区满足泥石流发生的孕灾环境。借鉴单沟泥石流发生概率判别所用的暴雨强度指标, 以及广东地区可能发生泥石流的雨量界限值, 建立了用于广东省泥石流灾害发生区域空间预测的区域临界雨量判别公式。基于此, 结合满足泥石流孕灾环境的37个县市区, 预测出广东省泥石流易发区共23个县市区, 占总数的23. 7%。其余14个和60个县市区分别为非泥石流易发区和无泥石流危险区, 分别占总数的14. 4%和61. 9%。据此, 绘制了广东省泥石流灾害易发区预测图。1975-2003年间61次泥石流灾害事件的发生地点检验了本预测结果具有约70%的可靠性。

关键词:暴雨泥石流; 区域临界雨量; 易发区预测

中图分类号:P642. 23 文献标识码:A 文章编号:1009 2242(2009) 06 0071 04

Prediction of Debris Flow Hazard prone Areas Based on Regional

Critical Rainfall in Guangdong Province

LIU Xi lin 1, 2, YAN Li ping 1, SH ANG Zhi hai 1

(1. School of Geog r ap hical S ciences and P lanni ng , Sun Yat Sen Univ ers ity , Guangz hou 510275;

2. N atur al D isaster Resear ch Center , Sun Yat S en Univer sity , Guangz hou 510275)

Abstract:Rainfall induced debris flow is one of the g eo logic hazar ds in Guang do ng province w her e rainfall is the trig gering factor and the r unoff is the driving force for the fo rmation of debr is flow s. This paper adopted regional cr itical rainfall to predict the debris flow s hazar d pro ne ar eas in Guang dong. Based on the previous study on geolo gic hazard zonatio n, by transfo rming the 1798grid units to 97research units w ith counties, o f w hich 37w as identified as to satisfy debris flow forming env ironment. U sing the sto rm intensity indicator for indication the probability of debr is flow occurrence, and the probable threshold value of rainfall in Guang dong, this paper has established the r eg io nal critical rainfall equation and predicted 23co unties among the 37counties fitting to the g eolog ic environment for debris flow. T he other 14and 60counties may be, respective ly, reg arded as the non prone areas and non dang er ous areas for debris flow hazards. T esting w ith the loca tions of 61debris flow occurrences during 1975to 2003, the predictio n is o f a go od reliability.

Key words:rainfall induced debris flo w; reg io nal critical r ainfall; prediction of debris flow prone areas 暴雨泥石流的发生与降雨过程和降雨特性(雨型、雨量和强度) 有直接而密切的关系。以泥石流形成的触发条件为主进行泥石流灾害空间预测, 确定泥石流发生的临界雨量和建立与降雨相关的泥石流预报统计模型[1], 是国内外泥石流预测预报的主要研究内容之一。20世纪70年代, 前苏联学者提出了泥石流时间预报、空间预报、规模特征值预报的概念, 克列姆库洛夫提出了发生泥石流的临界水深判别模型[2]。日本学者奥田节夫1972年提出了10min 雨强的泥石流触发雨量概念, 后有学者采用10min 雨强、1h 雨强与日雨强的组合判别式, 以及有效雨量和有效降雨强度的组合判别式等[3]。意大利学者Aleotti 通过研究意大利西北部降水事件与泥石流发生的关系, 确定了该区域泥石流发生的降水阈值[4]。在泥石流灾害空间分布的可视化表达方面, GIS 技术得到了较为广泛的应用[5]。我国从20世纪60年代开始重视泥石流预测预报, 研究方法主要有临界雨量预测法、危险频率预测法、临界土体含水量预测法等, 其中以临界雨量预测法运用较多[6]。谭万沛等提出了区域泥石流发生的单因子临界雨量值和泥石流发生的多因子雨量组合判别式[7], 谭炳炎和程尊兰等分别用24h, 1h 和10min 最大降雨量和各个因子临界雨量阈值建立泥石流多因子判别指标模型[8 9]。白利平等针对北京市泥石流触发雨量监测数据少

*

收稿日期:2009 08 03

基金项目:中山大学二期 985 工程队伍建设项目(3171313)

) , , , , E ail. sysu. 。

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水土保持学报

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第23卷

的情况, 提出了用灾害与降雨频率分析方法来计算临界雨量。区域临界雨量是暴雨泥石流空间预测的关键指标。广东省泥石流灾害在这方面的专门研究较少, 泥石流易发区预测涉及不多。

广东省泥石流绝大部分属于暴雨泥石流。陆显超等对广东省地质灾害的分区进行了针对性研究[17], 并绘制了地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流) 分区图。该图的分区指标主要考虑已发和潜在地质灾害、地貌、地层岩性构造、水文地质工程地质条件、降雨和水土流失、人类工程活动, 其中降雨指标只做出暴雨、大雨、中雨和小雨4类定性划分, 是作为对地质灾害有共性影响而非触发作用的降雨背景因素来考虑的, 只占全部指标权重的7%, 基本上代表的是基于孕灾环境的下垫面分区。该文将全省以10km 10km 剖分成约1798个单元格, 进行18个定性和定量指标的综合评判后, 确定每个单元格的地质灾害易发程度。需要说明的是, 地质灾害包括崩塌、滑坡、泥石流等, 它们既有共性、又有个性, 泥石流与崩塌和滑坡的形成条件有相同之处、也有不同之处, 其中明显的不同表现为降雨是泥石流形成不可缺少的3大条件之一, 且在大多数地形坡度和松散固体物质储量条件满足的情况下, 是决定泥石流最终发生与否的直接触发因素。因此, 已有地质灾害分区只能作为泥石流灾害易发区预测分区的基础, 即作为满足泥石流孕灾环境的下垫面区域。在此基础上结合区域泥石流暴雨临界雨量判别式, 预测广东省泥石流灾害易发区。

1 研究区域概况

广东省地处亚热带, 北依南岭, 南濒南海, 全年湿热多雨, 夏季多台风暴雨, 地质构造比较活跃, 经济建设活动强烈, 地质灾害较为频繁。根据全省地质灾害的成灾特点, 分为6个地质环境区[13]:粤北中低山丘陵崩塌、滑坡、地面塌陷、泥石流为主地质环境区; 粤东低山丘陵崩塌、滑坡、地面塌陷为主地质环境区; 粤西低山丘陵崩塌、滑坡、地面塌陷、泥石流为主地质环境区; 珠江三角洲平原台地软基沉陷、地面塌陷为主的地质环境区; 沿海台地平原软基沉陷为主地质环境区; 雷州半岛台地平原地面沉降、地裂缝为主地质环境区。其中泥石流灾害主要分布在粤北、粤东和粤西的中低山丘陵区。广东泥石流灾害发生频率较低, 但规模较大且暴发时涉及面较广, 使之成为影响广东经济发展的不可忽略的地质灾害之一。广东全省现有121个县、市、区, 由于某些市辖区面积较小, 为了便于研究, 将其适当归并后, 本研究划分出97个以县、市、

区为基本区域的预测单元。

2 泥石流易发区预测方法

本研究利用已有的广东省地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流) 分区图, 采用ArcGIS 操作平台下的ArcM ap 软件为工具进行数据分析, 得出满足泥石流孕灾环境的样本区域, 叠加触发因子降雨资料, 进行广东省泥石流易发区空间预测。

2. 1 满足泥石流孕灾环境区域的确定

广东省满足泥石流孕灾环境区域的确定, 是在广东省地质灾害预测分区的基础上[12], 针对泥石流孕灾所需的下垫面条件, 将已划定为地质灾害易发区包括高易发、中易发和低易发区域, 以县市区为基本单元提取出来, 这就要

图1 广东省满足泥石流孕灾环境地质条件的行政区域求将原有的10km 10km 的单元格转换为以

县市区为基本单元的研究区域。本研究设定的转换规则是:当属于地质灾害易发区网格的几何中心点位于某一行政区域单元内且网格覆盖面积达到或超过该行政区域单元的50%时, 认为该行政区域单元满足泥石流孕灾环境, 即泥石流灾害发生所需的下垫面条件; 反之, 则认为该行政区域单元不满足泥石流孕灾环境。基于上述规则和ArcMap 图形处理, 得出广东省内满足泥石流孕灾环境的行政区域共计37个县市区, 面积83362. 752

km , 占全省面积的46. 48%, 主要分布于粤北、粤西和粤东北的中低山区以及珠江三角洲北部的部分低山丘陵区(图1) 。从孕灾环境的地质条件来看, 广东省泥石流主要发育在山地坡度相对较陡, 地表切割强烈, 花岗岩风化强烈的地区以及部分人工切坡的地段。2. 2 触发泥石流的区域临界雨量的确定

[14]

本文根据单沟泥石流暴雨强度指标计算公式, 在 超过临界雨量即有可能触发泥石流 这一基本原则不变的情况下, 通过改变降雨指标属性数据的输入, 将单沟泥石流暴雨强度指标拓展为用于区域泥石流易发区预测的区域临界雨量指标。

第6期 刘希林等:基于区域临界雨量的广东省泥石流灾害易发区预测

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2. 2. 1 单沟泥石流暴雨强度指标 单因子临界雨量特征值有24h, 1h, 30m in, 10min 雨量等。多因子临界雨量组合指标法是把两个以上单因子以某种形式组合, 构成一个临界雨量的判别式, 以谭炳炎提出的24h, 1h, 10min 降雨3个参数的组合模式为代表性[15], 2006年国土资源部颁布了 泥石流灾害防治工程勘察规范 [14], 附录中给出了24h, 1h, 10min 降雨3个参数组合的单沟泥石流暴雨强度指标R 值的计算公式

R =K (H 24/H 24(D ) +H 1/H 1(D) +H 1/6/H 1/6(D) ) (1)

式中:R 暴雨强度指标; K 前期降雨量修正系数, 无前期降雨量时, K =1, 有前期降雨量时, K >1, 但目前尚无可信的成果可供应用, 现阶段可暂时假定:K =1. 1~1. 2; H 24, H 1, H 1/6 24h 最大雨量, 1h 最大雨量、10m in 最大雨量; H 24(D ) , H 1(D) , H 1/6(D ) 可能发生泥石流的24h, 1h, 10m in 限界雨量。我国年均降雨量大于1200mm 地区可能发生泥石流的H 24(D) , H 1(D ) , H 1/6(D) 限界雨量值分别为100, 40, 12[14], 代表地区为:浙江、福建、台湾、广东、广西、江西、湖南、湖北、安徽及云南西部、西藏东南部等省山区。

表1 用于计算区域泥石流临界雨量指标的基础数据(1994-2003年) R

~0. 8; R >10, 发生机率>0. 8。2. 2. 2 区域泥石流临界雨量指标 对降雨数据作如下必要处理:(1) 用各县市区1994-2003年间各雨量监测站点的年最大24h 雨量、最大1h 雨量、最大10min 雨量的10年平均值表示该区域内多年降雨总梅州市的特征; (2) 广东省内大多数县市区内通常有多个雨量监测站点, 为表征区域内平均降雨特征, 分别取年最大24h 雨量、最大1h 雨量、最大10min 雨量的10年平均值的多个雨量监测站点数据的平均值。通过上述数据处理, 对式(1) 中的降雨参数作肇庆市如下调整:用每个研究单元内1994-2003年最大24h 降雨量平均值、最大1h 降雨量平均值和最大10min 清远市降雨量平均值, 即H 24, H 1, H 1/6取代

式(1) 中单沟泥石流单次单点的24h 广州市最大雨量H 24, 1h 最大雨量H 1、10深圳市min 最大雨量H 1/6, 建立区域泥石流临界雨量指标计算公式

R =K (H 24/H 24(D) +H 1/H 1(D ) +

H 1/6/H 1/6(D ) )

(2)

式中:R 触发泥石流的区域临界雨量指标, 判别标准与式(1) 中的R 相湛江市同; 其他符号同式(1) 。由于表示的是阳江市

江门市区域平均降雨特征, 故K 值可取1。

云浮市河源市地级市

县市区乐昌市

仁化县南雄市始兴县翁源县新丰县梅县梅江区五华县兴宁市蕉岭县龙川县和平县连平县紫金县东源县怀集县封开县德庆县广宁县清城区清新县连南县花都区从化市深圳市罗定市云浮县郁南县新兴县化州市高州市信宜市廉江市阳春市阳东县恩平市

雨量站10min 最大雨量1h 最大雨量24h 最大雨量点数/个[***********][***********]5

平均值/mm 19. 2518. 7720. 0020. 1619. 9819. 4717. 8320. 5020. 7018. 1021. 1717. 9220. 0218. 1021. 0319. 6621. 4621. 1621. 6223. 7021. 8322. 0718. 8520. 5020. 8020. 7020. 1820. 4521. 2320. 3323. 1522. 4022. 1021. 5521. 3422. 8021. 74

平均值/mm 41. 2345. 3053. 3546. 4250. 7446. 1345. 8546. 0049. 4053. 1045. 1043. 1846. 3243. 1848. 7049. 2049. 1049. 6451. 8756. 6861. 6760. 2247. 9054. 6551. 9557. 7551. 5051. 6552. 3751. 9763. 3861. 1761. 3066. 0558. 2975. 8558. 98

平均值/mm 93. 53110. 30120. 10119. 36126. 88141. 43117. 08108. 50126. 90139. 90123. 13107. 58113. 36118. 22149. 53133. 27119. 18111. 12109. 23128. 00151. 57165. 12145. 30128. 50137. 10194. 80122. 56120. 95107. 53154. 30158. 05176. 69153. 10164. 63214. 45133. 00206. 56

3. 573. 794. 204. 034. 204. 193. 843. 944. 224. 234. 123. 643. 963. 774. 464. 204. 204. 114. 194. 674. 874. 994. 224. 354. 405. 114. 194. 204. 154. 535. 095. 164. 905. 095. 375. 125. 35

韶关市

茂名市

表1为整理后的广东省37个满足泥石流孕灾环境县市区的用于计算区域泥石流发生概率的降雨特征值。

3 结果与分析

由图2可知, 在97个县市区基本单元中, 有37个县市区满足泥石流孕灾环境。在这37个县市区中, 区域泥石流临界雨量指标 4. 2的23个县市区确定为泥石流灾害易发区, 占总数的23. 7%; 有14个县市区为泥, ; ,

2

统计结果表明, 泥石流易发区面积为54500km , 占全省面积的30%; 泥石流非易发区面积为2886122

km , 占全省面积的16%; 无泥石流危险区面积为95975km , 占全省面积的54%

。

粤北中低山丘陵区易发生泥石流的县市包括连南县、清新县、清城区、翁源县、南雄县, 面积9384km 2。该区地形较陡峻, 地质构造较复杂, 岩体节理裂隙和风化裂隙发育, 且完整性差, 易诱发各种地质灾害, 除了泥石流灾害之外, 滑坡、崩塌等地质灾害也易发生。每年5-8月台风暴雨期间是该区泥石流集中发生期, 该区在1975-2003年共发生泥石流灾害18次, 占全省同期泥石流灾害数量的30%。

粤西低山丘陵区易发生泥石流的县市包括怀集县、广宁县、云安县、新兴县、阳春市、高州市、化州市、信宜市, 面积21051km 2。除地貌和地质因素外, 人类工程活动对地质环境的

图2 广东省泥石流灾害易发区预测图扰动也加剧了泥石流灾害的发生。泥石流灾

害主要形成在广大山区农村削坡建房的地段和矿山废渣堆积区, 在部分采矿场也常有泥石流灾害发生。该区1975-2003年发生泥石流灾害7次, 占全省同期泥石流灾害数量的11. 5%。

粤东低山丘陵区易发生泥石流的县市包括东源县、紫金县、五华县、兴宁市, 面积13327km 2。该区有大面积花岗岩和变质岩分布, 风化土层厚, 侵蚀、剥蚀作用强烈。崩岗发育, 水土流失严重, 遭遇暴雨后容易发生泥石流灾害。该区域1975-2003年发生泥石流灾害20次, 占全省同期泥石流灾害数量的32. 8%。

珠江三角洲平原台地区易发生泥石流的县市主要分布在北部与粤北山区接壤的少部分地区, 包括从化市、

花都市、恩平市、深圳市(仅限于人类活动引发的泥石流) , 面积6170km 。该区人类工程活动强烈, 修建公路形成的陡坡为泥石流提供了地形和物源条件, 在台风暴雨作用下易发生泥石流灾害。该区1975-2003年发生泥石流灾害11次, 占全省同期泥石流灾害数量的18%。

1975-2003年 广东省防灾减灾年鉴 中记录的泥石流灾害共计61次[16], 主要集中于粤西信宜市、云浮市、阳春市, 粤北清远市、连南县、英德市、佛冈县、南雄县, 粤东紫金县、五华县、普宁市、梅县、揭西县、汕尾市东涌镇, 以及珠江三角洲北部的从化市鳌头镇、花都区梯面镇等地。得到泥石流易发区和已发泥石流灾害点对比图2。由图2可知, 61个历史泥石流灾害点中有46个位于泥石流灾害易发区内, 占77. 1%, 划分的23个泥石流灾害易发县市区中有16个在1975-2003年发生过泥石流, 占69. 6%。以上数据表明, 本文中的泥石流易发区预测分区结果具有较高的可靠性。

2

4 结论

(1) 广东全省有泥石流易发区23个县市区, 占总数的23. 7%, 泥石流灾害易发区总面积54500km 2, 占全省总面积的30%; 从县市区数量或从易发区面积来看, 泥石流灾害在全省范围并非十分严重, 但其主要分布在粤北、粤东和粤西中低山丘陵区, 特别是粤东低山丘陵区中2/3的面积属于泥石流易发区, 这与此前广东省国土资源厅所编的 地质灾害防治规划 (2001-2015) 中仅将粤东低山丘陵区定为崩塌、滑坡、地面塌陷为主而无泥石流发育的地质环境区有明显的不同。

(2) 1975-2003年 广东省防灾减灾年鉴 中记录的61次泥石流灾害, 有46次发生在本研究划定的泥石流灾害易发区内, 占77. 1%; 划定的23个泥石流易发县市区中有16个在1975-2003年发生过泥石流, 占69. 6%。从已有灾害实况检验结果来看, 本研究所得预测结果的可靠性约为70%。

(3) 某些非泥石流易发区也发生了泥石流, 因为其具备泥石流发生的潜在条件, 只要降雨条件达到要求, 即可触发泥石流。尽管一个地区的气候条件具有相对稳定性, 但并非一成不变。在少部分划定为无泥石流危险区的地区, 其历史上也发生过泥石流, 出现这种情况是由于将地质灾害易发区网格单元转换成满足泥石流孕灾环境的行政区域单元时, 人为设定的覆盖率标准为大于等于50%。但这并不等于说地质灾害易发区网格单元覆盖面积没有达到50%时的县市区就一定不会发生泥石流。人为设定覆盖比例必然造成技术误差, 但无论设定何种比例, 都会产生预测误差。

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责任编辑:李鸣雷 刘 英

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责任编辑:李鸣雷 刘 英