湖南省降雨型滑坡灾害发生的关键性因子研究

李明波， 陈 平， 陈植华

(1.中国地质大学(武汉)环境学院，湖北 武汉 430074；2.湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007)

据统计，中国70%以上的滑坡灾害集中发生在每年的主汛期(6月至9月)、且96%以上的突发性滑坡灾害是由大气降雨直接诱发的或与气象因素相关(刘传正等，2004)。在降雨型滑坡灾害的发生过程中会受到各种因子的影响，在这些影响因子中，有一些因子与滑坡的变形失稳及分布之间并不存在明确的相关关系，在这种情况下，考虑的因子越多将会使结果产生很大的误差，甚至出现不合理的结果。因此要想获得较好的预测结果，需要分析出哪些是对滑坡有显著影响作用的因子，这对把握降雨型滑坡的发生具有重要的意义。本文采用确定性系数即CF分析法，对降雨型滑坡灾害的发生因子进行了分析研究。

湖南省面积21.18万km2，以丘陵岗地与山地为主，占全省面积的80.5%，是全国地质灾害最为严重的省份之一，地质灾害高、中易发区面积达16.45万km2，占全省面积的77.6%。截止2016年底，全省已确认的地质灾害隐患为20 176处，包括有泥石流、崩塌、滑坡、地面塌陷等，这些地质灾害隐患威胁县城20个，威胁集镇200多个，威胁学校400余所，受威胁的人口总数超过153万，潜在经济损失不可估计。其中重要的灾害类型是降雨型滑坡(鲍其云等，2016；薛凯喜等，2012)。

1 对选用资料的分析处理

开展滑坡灾害分析，研究滑坡与降雨的关系，基础地质地理资料、滑坡发生准确时间以及滑坡发生点的精确降雨量是必不可少的数据信息。笔者所需资料来源于湖南省地质环境监测总站的湖南省1∶5万地质灾害详细调查数据，湖南省气象台3 454个雨量站点逐12小时与逐日降雨资料。

据湖南省1∶5万地质灾害详细调查数据统计，全省有滑坡灾害点14 221处，受降雨影响的滑坡灾害达7 353起，按照时间要求(2013—2017年)与灾害信息的有效性进行统计汇总，最终在灾害类型、灾害等级与灾害发生时间、发生地点方面形成5 294条有效的地质灾害信息(图1)。之后对3 454个雨量站点按照逐12小时与逐日得到的累计降雨资料进行均一化的处理，按照格式统一，以站号进行标识的方式建立雨量文件库。根据分析结果，降雨型滑坡灾害发生的地点一般位于无常规的雨量观测站，靠近中小尺度区域站的资料年限比较少，因此在灾害发生点的雨量统计上选用距离比较近的观测站降雨资料比较合理。

图1 湖南省降雨型滑坡灾害分布图Fig.1 Distribution of rainfall-type landslide disaster in Hunan province

2 确定性系数分析方法概述

确定性系数即CF分析法指的是对某一事件的发生具有一定影响作用的各个因素进行分析的方法，对降雨型滑坡的发生构建一个概率函数进行分析。该方法1975年由Shortliffe提出， Heckerman(1986)进行了有效改进。具体的计算公式如下：

(1)

式中，PPs是降雨型滑坡在研究区域中发生情况的先知概率，在特定的研究区域下是一个确定的值，用研究区域内滑坡的总面积与研究区域内的总面积进行对比表示；PPa指的是在影响因素中a所发生情况的概率条件分析，具体用a中产生的滑坡面积与分类a具体面积的比值进行表示。CF的选择区域为-1～1。零值表示先验概率与条件概率比较接近，对于评价单元是否是降雨型易滑坡地区难以进行准确判断；CF为负数时表示该区域不易发生滑坡灾害；CF为正数时说明易发生滑坡灾害。与信息量法相似，CF分析法也是一种二元统计方法(王春华，2016；郭瑞等，2016)。

3 降雨型滑坡灾害发生的关键性因子分析

可能造成坡体失稳的因素分为两组：剪切强度降低、下滑力增加的因素以及增加剪切强度和抗滑力的因素(孙广忠等，1988)。根据全省滑坡灾害发育特征分析，评价降雨型滑坡灾害的关键性影响因子主要包括：高程、坡度、坡向、坡型、岩组和人类工程活动6个因子。

3.1 高程

通常认为降雨型滑坡的发生与高程之间没有直接的决定关系，地面高程对于降雨型滑坡的影响主要体现在地形所导致的植被类型与覆盖面积以及集水区的面积等，导致了滑坡与地形之间产生了一定的联系。在研究中将高程按照<100 m，100～200 m，200～400 m，400～800 m，800～1 200 m，>1 200 m划分出6个等级，根据各区域确定性系数的分析，全省有利于滑坡发生的高程在200～1 200 m的范围，其中400～800 m区间是滑坡的最敏感发生区域(图2)。这是因为湖南省以低山、高丘地貌为主，这个区间内人类工程建设活动强烈，对地形条件改变比较大，使得原有的地质条件产生了不同程度的影响，导致了滑坡灾害的发生(陈立华等，2016)。

图2 湖南省地面高程分区CF值Fig.2 Ground elevation partition CF value of Hunan province

根据短期降雨量的频次分布图(图3a)，在2013—2017年以张家界为中心的湖南西北部地区发生地质灾害的频率最高，高达1 400处以上，其次是西南部与东南部地区，这也证明了地面高程分布对于降雨型滑坡发生的影响。中长期降雨量的分布具体如图3b，长沙、株洲与湘潭作为重要的中长期降雨分布区，与降雨型滑坡的高程分布也具有一定的联系。

图3 湖南省降雨量等值线图Fig.3 Rainfall contour map in Hunan province

3.2 坡度

坡度因子对于滑坡的分布以及应力分布情况具有重要的影响，是滑坡发育分布的重要决定因素之一。湖南省的斜坡以中缓坡为主，低于40°的斜坡居多，同时也有部分地区坡度大于60°。根据斜坡坡度特征和地质灾害发育情况，将地形坡度以5°作为间隔点对于不同坡度分级区间面积进行了统计，占比最大的是20°～50°的斜坡，占比为71.9%，集中表现在30°～45°最多，大于50°的陡坡占比较小，仅为3.7%。根据确定性系数的分析理论，滑坡产生的最常见范围在10°～35°之间。当坡度在10°～20°时，滑坡分布占比为16.4%，虽然CF值较大，但产生的滑坡分布比较有限，原因是坡度范围面积较小，一定程度上提升了CF值。20°～35°的坡度，随着CF值的提升，产生的滑坡数量也比较多，占比为46.1%。

一般认为，斜坡越陡滑坡越容易发生，这是因为下滑剪切力会随之提升。因此随着斜坡坡度增大，滑坡发生的数量也会随之有一定增多，其中为30°～35°的占比最大，达到18.1%。但之后随着坡度增大，滑坡的数量又随之减少，总体呈现一种近似正态分布，这一分析结论说明，滑坡发生的数量并不一定随坡度增大而持续增加，达到一定临界值之后，滑坡的发生会有所降低，根据护坡发生数量统计，这一临界值可确定为斜坡坡度30°～35°。原因是当斜坡上升到一定程度之后，土壤等松散物不容易堆积，不利于滑坡的形成，除此之外还因为人类活动逐渐减少(王琛茜，2015)。

3.3 坡向

坡向是降雨型滑坡发生的一个重要指标之一，对土壤湿度、降雨强度以及斜坡曝光度等具有重要影响作用。确定性系数最大的CF值为S坡向与SE方向上，朝南的坡向上最容易爆发降雨型滑坡，除此之外是西坡向上。

不同坡向上太阳辐射不同影响了地面蒸发值、坡面侵蚀以及植被覆盖等，对于地下水孔隙压力的分布与岩土力学特征具有重要的影响，由此产生对滑坡与斜坡的影响。当坡面朝南的时候，因为日照比较多，松散层厚度就比较大，岩石风化比较强烈，就容易导致降雨型滑坡的发生。同时朝南的坡向上也是重要的居民聚集点，具有0.92的关联性比较强的相关系数。

图4 居民点坡向与滑坡坡向概率分布图Fig.4 Probability distribution diagram of slope direction and landslide slope in residential area

3.4 坡度曲率即坡型

在地学建模与地形表面几何形态中经常用到曲率这一概念，曲率大于零是凸形坡；小于零是凹形坡；曲率近似于零说明坡面比较平直。根据研究结果，凹形坡和凸形坡CF值均为正值，滑坡变形失稳的确定性增高，均有利于滑坡灾害的发生，其中凹形坡CF值最大，比凸形坡更容易发生滑坡。在降雨型滑坡研究中降雨是重要的诱发原因，凹坡的地形有利于雨水的汇集，并且沿着斜坡入渗到地下，降低了岩体土层的强度，导致了滑坡的发生。在凸坡中水比较容易流散，因此不易发生滑坡。

表1 斜坡类型分区及CF值

3.5 岩组

在降雨型滑坡发生过程中地质要素也扮演着重要的角色，构造与岩性的不同会导致岩石的强度与土壤的渗透性之间存在差异。在对工程地质岩组进行11个等级的划分，滑坡发生占比最大的岩石分布为砂砾岩岩组(Src)、泥岩和粉砂岩岩组(Sf)、紫红色砂岩以及碳酸盐岩夹碎屑岩岩组(Tcc)。其中分布占比最多的是Sf岩组，占比46.3%。除此之外，降雨型滑坡高发的岩石组还有碳酸盐岩岩组、闪长岩等中性岩岩组和砂砾岩岩组。

3.6 人类工程活动

影响滑坡灾害发育的人类工程活动包括：道路开挖、建房切坡、采矿活动、工程建设、农业活动等。根据湖南省滑坡灾害分布特征可知，降雨型滑坡灾害呈条带状集中分布于道路沿线两侧。道路切坡开挖会导致边坡失稳、后缘应力增大与坡脚负荷减少，在降雨情况下易产生滑坡，是滑坡灾害发生的重要原因之一。

为定量分析全省道路对滑坡的控制作用，对道路做<200 m，200～400 m，400～600 m，600～800 m，800～1000 m，>1000 m不同距离的缓冲分析(图5)，得到不同的影响分区。通过计算，距离道路越近的CF值越高，说明距离道路越近的地区越容易爆发降雨型滑坡。这是因为距离道路200 m范围内也是人类主要聚集区，工程活动相对强烈，形成大量的不稳定边坡，在降雨情况下易集中爆发滑坡灾害。而大于200 m范围内距离道路越远，滑坡越不易发生，但在400～600 m范围内的CF为正，说明这一区域易发生降雨型滑坡灾害，原因是该区域内人类活动对滑坡灾害的发生影响较小，主要由其他因素控制灾害发生。

图5 湖南省道路缓冲分区CF值Fig.5 CF value of road buffer zone in Hunan province

4 结论

运用GIS叠加功能与确定性CF系数分析法对湖南省降雨型滑坡的影响因子进行了分析，通过对CF值的分析得出了关于不同影响因子的分析结论。

(1)在高程方面，虽然与滑坡的发生没有直接的关系，但是400～800 m区间是滑坡的重要敏感发生区域；在坡度方面，滑坡产生的最常见范围为10°～35°，35°是一个重要的分界点。

(2)在坡向上，确定性系数最大的CF值为S坡向与SE方向上，朝南的坡向上最容易爆发降雨型滑坡，除此之外是西坡向上。

(3)在坡型上，凹坡比凸坡更容易发生滑坡。除此之外，人类工程活动也对滑坡的发生具有重要的影响作用。

参考文献

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