時空維度降雨對碳酸鹽巖地區崩塌的影響

蘇士星，何飛

(1.河南省有色金屬礦產探測工程技術研究中心， 河南 鄭州 450016； 2.河南省有色金屬地質礦產局第四地質大隊， 河南 鄭州 450016)

0 引言

崩塌是指地質體在重力作用下，從高陡坡突然加速崩落、滾落或者跳躍，具有明顯的拉斷或傾覆的地質現象(中華人民共和國國土資源部，2015)。我國地質災害的分布具有點多面廣等特點(劉傳正和陳春利，2020)，崩塌是我國主要的地質災害類型之一。中國自然資源部2022年1月13日發布的《2021年全國地質災害災情及2022年地質災害趨勢預測情況》顯示，2021年全國共發生地質災害4772起，其中崩塌1746起(中華人民共和國自然資源部，2022)，占比36.59%，造成嚴重的人員傷亡和財產損失。

對于地質災害的研究目前已有很多，如利用GIS和層次分析法對青海省果洛州甘德縣的地質災害進行了危險性評價(段順榮等，2021)；運用基于信息量法對重慶市云陽縣三峽庫區的地質災害進行了易發性評價(張利芹等，2020)；王偉等(2021)分析研究了廣西壯族自治區德?？h地質災害的形成條件及影響因素；對甘肅省酒泉市肅北蒙古族自治縣的地質災害形成條件與發育規律進行了相關研究。這些研究主要基于GIS技術對研究區域進行地質災害易發性、危險性分級以及對地質災害的形成條件的研究，可以為政府進行防災減災、土地利用和基礎規劃等活動提供決策性依據(殷坤龍和朱良峰，2001)。但很少有針對單一因素對地質災害影響的深入研究。

降雨是引發崩塌發生的主要自然因素之一(高楊等，2017；狄靖月等，2019；許強，2020)。自20世紀90年代，很多學者針對地質災害和降雨的關系開展研究分析工作，其中大多數是引發地質災害降雨閾值及地質災害預警的研究，如劉艷輝等(2016)基于“命中率、漏報率和空報率”等三個指標的地質災害預警的校驗方法；仇開莉等(2014)以地面綜合調查為主，以降雨條件是引發地質災害的主要因素，研究引發地質災害降雨閾值；趙鵬等(2017)運用統計方法，從空間和時間角度研究引發渝東北地質災害的降雨閾值；馬秀梅等(2019)提出基于局部高強度降雨的地質災害特征分析方法。

但很少有人研究降雨對同一地層巖性中單一災害類型的影響。眾所周知，降雨對不同地質災害的影響不同，同一地質災害也會受到地形地貌、地質構造、地層巖性、水文地質、植被覆蓋等內因，與自然和人為要素等外因的影響(曾貞和張志強，2018；張秦華等，2018；陳緒鈺等，2019)。本次選擇從時間、空間兩個維度，研究廣西壯族自治區靖西市的碳酸鹽巖地區的降雨對崩塌的影響，目的就是盡可能消除其他因素對地質災害產生的影響。

靖西市位于我國西南部邊境，隸屬廣西壯族自治區百色市，地理坐標：北緯22°51′～23°34′、東經105°56′～106°48′，東西最大橫距99 km，南北最大縱距75 km，面積3331 km2。該區外力地質作用主要類型有風化作用、重力地質作用、地面流水地質作用等，由外力地質作用誘發的環境地質問題或不良地質現象主要有滑坡、崩塌、泥石流等(李文新，2017)，在人類活動地區，它們往往造成地質災害。靖西市年平均降雨量為1596.2 mm(1961～2003年)，多集中在5～8月間，占全年降雨量70%，12月至次年的2月降雨最少，月平均雨量不足30 mm，8月份為全年降雨高峰，月平均降雨量達300 mm以上。

1 研究方法

1.1 數據采集和處理

1.1.1 降雨數據采集

筆者團隊收集了靖西南坡國家氣象觀測站(N6073)、靖西龍邦國家氣象觀測站(N6123)、靖西渠洋國家氣象觀測站(N6193)、靖西氣象觀測站(59218)、靖西果樂連境氣象觀測站(N6163)、靖西新甲氣象觀測站(N6173)、靖西祿峒榮勞氣象觀測站(N6183)、靖西武平氣象觀測站(N6203)、靖西魁圩氣象觀測站(N6213)、靖西湖潤古龍山風景區氣象觀測站(N6003)、靖西地州氣象觀測站(N6013)、靖西壬莊氣象觀測站(N6023)、靖西安寧氣象觀測站(N6043)、靖西岳圩氣象觀測站(N6053)、靖西安德氣象觀測站(N6063)、靖西同德氣象觀測站(N6083)、靖西吞盤氣象觀測站(N6093)、靖西化峒氣象觀測站(N6113)、靖西龍臨龍門氣象觀測站(N6143)19個氣象觀測站，自2010年1月1日至2018年12月31日的每日降雨數據。

1.1.2 崩塌地質災害數據收集

根據廣西壯族自治區靖西市1∶5萬地質災害詳細調查結果可知，靖西市地質災害類型主要有滑坡、崩塌、不穩定斜坡、地面塌陷4種，地質災害總數為276處(包含隱患點179處)，其中主要災種為崩塌，共有231處，占全市地質災害總數的83.6%；滑坡18處，占6.5%；不穩定斜坡22處，占7.9%；地面塌陷5處，占1.8%。

靖西市域內出露的沉積巖地層有寒武系、泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系，其中泥盆系、石炭系分布最廣，巖性以碳酸鹽巖為主；二疊系主要分布在測區的中部及南部地區，巖性以碳酸鹽巖為主；下三疊統巖性以碳酸鹽巖為主，主要分在中部的大甲、高京一帶，中三疊統巖性為碎屑巖，分布在魁圩北面及地州鎮上屯一帶；白堊系小面積出露于測區西面的平江街，巖性為礫巖、砂巖；寒武系巖性由碎屑巖組成，僅分布在果樂一帶及吞盤街一帶。

本次研究選取靖西市碳酸鹽巖地區的崩塌地質災害點共216處，共發生崩塌293次，其中可統計到月份的崩塌地質災害244次。

1.1.3 降雨數據處理

在時間維度上計算靖西市1—12月的月平均降雨量(表1)。

在空間維度上計算19個氣象觀測站的年平均降雨量，并利用ArcGIS10.2.2軟件對這19個氣象觀測站的年平均降雨量在靖西市范圍內做克里金插值(柵格大小為1 km×1 km)，得到降雨等值圖，共得到3107個柵格數據(圖1)。

由圖1可以看出，靖西市的降雨分布規律為以地州鎮為中心，降雨量向四周減少，其中靖西市北部渠洋鎮、魁圩鄉一帶降雨量最少，大體呈南多北少的趨勢。

圖1 靖西市碳酸鹽巖地區降雨量等值柵格圖

將得到的降雨等值圖以50mm為梯度分為1300～1350 mm、1350～1400 mm、1400～1450 mm、1450～1500 mm、1500～1550 mm、1550～1600 mm、1600～1650 mm、1650～1700 mm、1700～1750 mm和1750～1800 mm 10個梯度，并統計每個梯度的面積。

1.1.4 碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害數據處理

利用ArcGIS10.2.2軟件對293次崩塌地質災害進行核密度分析(柵格大小為1 km×1 km)，得到靖西市碳酸鹽巖地區崩塌地質災害的密度，共得到3107個柵格數據(圖2)。

圖2 靖西市碳酸鹽巖地區崩塌密度柵格圖

由圖2可以看出，靖西市碳酸鹽巖地區崩塌地質災害集中發生在靖西市中部新靖鎮、武平鎮一帶，靖西市北部魁圩鄉一帶崩塌地質災害的密度也較大。

統計12個月，每月的地質災害發生次數(表1)?？梢?，崩塌集中發生在6月和7月。

表1 月平均降雨量與崩塌地質災害次數

統計10個降雨梯度中地質災害發生次數(表2)?？梢?，崩塌密度較高處為第10梯度帶。

表2 柵格年平均降雨值與崩塌地質災害次數

1.2 數據分析

1.2.1 數據標準化分析

利用公式對月平均降雨值、柵格年平均降雨值、柵格地質災害密度進行標準化分析。

(1)

式(1)中，S為標準值，ai為當前值，amin為a的最小值，amax為a的最大值。

1.2.2 線性回歸分析

分別對每月的標準化后的降雨值和地質災害點數量、柵格化后的降雨值和地質災害點密度值、不同梯度降雨值和不同梯度地質災害點密度通過SPSS軟件進行線性回歸。

2 結果

2.1 時間維度降雨對碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害的影響

對每月平均降雨量的標準值和每月發生災害次數比例進行線性回歸分析，結果如表3和圖3所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.247·X

(2)

式(2)中，X為月平均降雨量的標準值，Y為月發生災害次數比例，R2=0.810，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認為，在時間維度上，降雨量增加可導致碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害發生的數量增加。

表3 每月平均降雨量的標準值與災害次數比例線性回歸顯著性表

圖3 每月平均降雨量的標準值與災害次數比例線性回歸圖

2.2 空間維度降雨對碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害的影響

2.2.1 不同降雨梯度的崩塌地質災害的線性回歸分析

對降雨梯度和不同降雨梯度地質災害點密度標準值進行線性回歸分析，結果如表4和圖4所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.014·X

(3)

式(3)中，X為降雨梯度，Y為地質災害點密度標準值，R2=0.864，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認為，在空間維度上，降雨量增加可導致碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害發生的數量增加。

表4 降雨梯度和不同降雨梯度地質災害點密度標準值線性回歸顯著性表

圖4 降雨梯度和不同降雨梯度地質災害點密度標準值線性回歸圖

2.2.2 不同地質柵格的降雨與崩塌地質災害的線性回歸分析

對每個地質柵格的降雨量標準值和地質災害點密度標準值進行線性回歸分析，結果如表5和圖5所示?？傻玫骄€性方程：

Y=0.464·X

(4)

式(4)中，X為降雨量標準值，Y為地質災害點密度標準值，其R2=0.648，顯著性為0.000小于0.01。

由此可以認為，在空間維度上，降雨量增加可導致碳酸鹽巖地區崩塌(危巖)地質災害發生的數量增加。

表5 地質柵格的降雨量標準值和地質災害點密度標準值線性回歸顯著性表

圖5 地質柵格的降雨量標準值和地質災害點密度標準值線性回歸圖

3 結論與討論

通過線性回歸分析可以發現，在時間維度上，降雨量增加可以明顯增加崩塌發生的次數，而在空間維度，降雨量增加在一定程度上能夠增加崩塌的密度，但并不像時間維度一樣呈單調上升。

在降雨梯度與地質災害密度線性回歸圖(圖6a)中，可以在梯度3處把曲線分成2部分(即紅框和藍框)，每一部分均呈現降雨量增加，崩塌密度也增加的情況，但紅框部分卻比藍框前半部分的崩塌密度高。

在地質柵格的降雨量標準值和地質災害點密度線性回歸圖(圖6b)中，也可以將散點圖畫成紅、藍、黃三部分，每部分均呈現降雨量增加，崩塌密度增加的情況，但是紅色部分的增速最大，藍色部分次之，黃色最小。

圖6 空間維度降雨量標準值和地質災害點密度標準值線性回歸對比圖a—降雨梯度和不同降雨梯度地質災害點密度標準值線性回歸圖；b—地質柵格的降雨量標準值和地質災害點密度標準值線性回歸圖

由降雨等值圖可以看出，靖西市降雨呈現以地州鎮為中心，降雨量向四周減少的趨勢。1300～1450 mm降雨帶分布在靖西市北部魁圩鄉、果樂鄉、新甲鄉、渠洋鎮等區域，災害點密度在該區域也較高；同時在降雨量1400～1500 mm的吞盤鄉，災害點密度也出現較高值。

造成魁圩鄉一帶崩塌地質災害密度較高原因在于魁圩鄉一帶山體較多，地形起伏度相對較大，因此崩塌發生較多。而吞盤鄉一帶，處于碳酸鹽巖和碎屑巖交界處，土層較厚，這一帶發生的崩塌也多為土質崩塌。同時在進行地質災害詳細調查時，該區正處于施工階段，對山體邊坡開挖較大，且尚未進行邊坡修復，不當的人工活動會加劇地質災害的發生(張淑虹，2017；陳誠等，2020)。因此，該區崩塌地質災害發生較多。

由此，在降雨量預警劃分時，可將靖西市碳酸鹽巖地區劃分為3個區域，即I區(靖西市北部魁圩鄉—果樂鄉—新甲鄉—渠洋鎮)、II區(靖西市吞盤鄉)和III區(靖西市大部分安德鎮—龍臨鎮—祿峒鎮—新靖鎮—武平鎮—同德鄉—南坡鄉—化峒鎮—地州鎮—安寧鄉—龍邦鎮—岳圩鎮—湖潤鎮)。其中I區的降雨預警值可在1400 mm左右、II區在1500 mm、III區在1700 mm。

在今后進行區域地質災害的降雨警戒閾值預測工作時，一定要根據地質環境的不同，先進行劃分處理，再分區域利用相關數據進行降雨預警工作。