云南省不同降水型地质灾害的降水特征对比分析

杨竹云，许彦艳**，许迎杰，李华宏，刘博文

(1.云南省气象台，云南 昆明 650034；2.中国气象局横断山区（低纬高原）灾害性天气研究中心，云南 昆明 650034)

云南地质灾害点多面广，是中国地质灾害最严重的地区之一.据普查云南省有地质灾害及隐患点3 4 000 多处，其中滑坡、泥石流和崩塌是云南多发且危害较大的3 种地质灾害类型，严重威胁人民的生命财产安全，防灾减灾形势严峻[1-2].由于云南地理环境和气候背景复杂，地质条件脆弱、区域性局地强降水天气突出，诱发了严重的山洪地质灾害[3-4].云南地质灾害主要发生在雨季（5—10 月），但是冬季强降水过程也会诱发相关灾害.此外，怒江中上游2—4 月为桃花汛，发生地质灾害也较多[1,5].近年来，许多学者针对云南降水与滑坡和泥石流的关系做了很多分析研究工作.万石云等[6]指出，云南滑坡泥石流与强降水的变化具有显著的相关关系，与暴雨的相关关系最好；陶云等[7-8]认为除去人类活动影响后，低纬高原地区滑坡和泥石流与主汛期降水关系密切，滑坡及泥石流灾害高发区与暴雨中心有很好的对应关系；胡娟等[9]考虑前期降雨量和当日雨量累加是作为山洪地质灾害的主要诱因，因此有效雨量理论同样适用于云南省山洪地质灾害的分析.

以往的研究已经表明降水是引起岩块、土体失稳的重要诱因，也是触发滑坡泥石流的关键因素.然而，由于之前灾害样本不足、相关研究缺失等原因，之前的研究及云南现有的地质灾害气象风险预警业务没有分灾种开展降水特征分析，地质灾害预警业务的精细化、可用性亟待进一步提升.从地质灾害的定义上看[10-11]，滑坡是受降水和地形等因素影响，地表斜坡上的岩块和土体整体或分散地向下滑动的现象；泥石流是山区由暴雨或其他灾害形成的一种携带大量泥沙和石块等物质的特殊洪流；崩塌（崩落、垮塌或塌方）是较陡斜坡上的岩块和土体在重力作用下突然脱离母体的地质现象.3类地质灾害与降水方面的关系描述上明显不同，特别是对降水强度方面，例如强降水条件对泥石流的发生更为关键[12-13].之前针对云南降水和灾情的研究主要以“县”和“天”为单位，灾害点匹配的降水资料时空尺度较大，缺少自动站及短时降水资料匹配，出现短期降水与地质灾害的相关关系与实际情况出入太大[14-15].因此本文在前人研究基础上，利用时空分辨率更高的地质灾害信息和气象区域自动站降水资料，依据降水与地质灾害的关系，挑选出降水诱发的滑坡、泥石流和崩塌灾害，并分析诱发3 类地质灾害的降水特征，期望能在降水诱发地质灾害的分类预警业务方面提供基础技术支撑.

1 资料和方法

本文所用资料为云南省自然资源厅提供的云南省2014—2020 年的2 573 起地质灾害信息；云南省气象局提供的125 个县（市或区）级地面观测数据及经过质量控制的2 801 个乡（镇）级自动站的降水资料.挑选降水型滑坡、泥石流和崩塌灾害样本的方法如下所述.

首先，采用灾害点周边临近区域内的县（市或区）级地面站和乡（镇）级自动站降水资料代表灾害发生点的雨量.其次，结合云南省级气象部门业务应用经验[16]，对不分类地质灾害有影响的降水天数取前11 d（包括灾害发生当天，下同），根据灾害发生的具体时次，计算提取灾害发生时次前1～11 d的逐日降水及前1 d 的逐时降水资料.图1 给出了本文研究所用到的地质灾害信息点和气象站点的空间分布.由图1 可见，地质灾害点临近中小尺度范围内基本都能匹配到相对应的气象站，经技术处理后，核对在2 573 起地质灾害中有2 329 起（约占总样本的91%）地质灾害信息能就近匹配到有效气象站的数据.

图1 地质灾害点和气象站点的空间分布Fig.1 The spatial distribution of geological hazard and meteorological stations

从2 329 个地质灾害样本发生前11 d 的滑动累积降水中各降水等级出现的灾害频次（图略）可以看出，灾害发生前3～11 d 滑动累积降水＜15 mm的降水区存在1 个呈水平分布的灾害大值区，即随时间向后滑动累积降水和灾害样本数基本无变化，这部分灾情与降水相关性不大.因此，需要建立合理的判据剔除由非降水因素引起的地质灾害，得到主要由降水造成的地质灾害信息.这里采用灾害前有效降水量进行分析，其计算公式[17]为：

式中：变量R1～11和Ri分别为灾害发生时次前11 d的总有效降水量和第id 的实际降水量（单位：mm）；变量ki-1为 灾害发生时次前第id 的衰减系数，其中常数k取崔鹏等[18]实测计算的0.78（下同），由此得到灾害发生前1～11 d 的衰减系数（表略）.结合实际气象业务预报时效，气象预报规定短期降水为1～3 d、中期为4～6 d、长期为7～11 d，根据式（1）可计算1～3 d、4～6 d、7～11 d 的有效降水量分别为R1～3、R4～6、R7～11[19].

参照陈静静等[20]提出的降水型地质灾害判别方法，结合云南本地诱发地质灾害降水特征的经验统计，当R1～11≥25.0 mm，则判定该条地质灾害信息为降水型地质灾害；当R1～11＜ 25.0 mm 时，但R1～3、R4～6、R7～11中任意一项降水＞10 mm，也可判定该条地质灾害信息为降水型地质灾害；除上述情况外，均判定为非降水型地质灾害.经上述方法统计，在2 329 起地质灾害信息中筛选得到1 868 起（约占80%）降水型地质灾害信息，即前3～11 d 滑动累积降水量＜15 mm 对应呈水平分布的非降水型地质灾害大值区被剔除.在1 868 个降水型地质灾害中，根据地质灾害类型挑选，滑坡灾害1 305 起、泥石流灾害328 起和崩塌灾害194 起，分别约占总样本的70%、18%和10%，其它类地质灾害只占2%，所以下文只针对诱发滑坡、泥石流和崩塌灾害的降水特征进行详细分析.

2 诱发滑坡、泥石流和崩塌灾害的降水特征分析

2.1 前期累积降水量特征滑坡、泥石流和崩塌灾害信息在前期滑动累积降水量中的频次分布（图2）显示，灾害大值区位于前2 d 累积降水量＜30 mm 的区域，且前1 d 均有一个相对大值中心，随着向前累计天数的增加，灾害样本分布相对大值区都向累积降水量较大的区域转移.图2（a）显示，在滑坡灾害发生前1 d 对应降水量约为40 mm 有一个相对大值中心，在累计3、5、11 d 前、后均有相对大值区，对应累积降水量约为60、90 mm 和120 mm，因此分析滑坡灾害时取前11 d 的总有效降水量RL；泥石流灾害[图2（b）]在前1 d 对应降水量约70 mm 有一个相对大值中心，在累计3 d、5 d 和9 d 前、后均有相对大值区，对应累积降水量约为60、110 mm 和180 mm，所以分析泥石流时采用前9 d 的总有效降水量RD；崩塌灾害的前期累积降水量[图2（c）]上限明显低于滑坡和泥石流灾害，说明崩塌灾害发生的降水条件低于滑坡和泥石流.崩塌灾害发生前1 d 有一个相对大值区对应约40 mm 的降水量，且前3 d 内这个相对大值区一直存在，在累计4、8 d 前、后各有一个相对大值区，对应累积降水量约为60 mm 和90 mm，所以分析崩塌灾害时采用前8 d 的总有效降水量RC.

图2 降水型地质灾害样本在前期滑动累积降水量中的频次分布Fig.2 Frequency distribution of precipitation type geological hazard samples in early sliding cumulative precipitation

综上所述，滑坡、泥石流和崩塌地质灾害分布大值区均位于前2 d 累积降水量＜30 mm 的区域，这部分灾情可能是前期累积降水量较大，土壤含水量已饱和，具备随时发生地质灾害的激发因素；在灾害发生前1 d 均有一个相对大值中心，其中泥石流发生前1 d 降水量（约70 mm）比滑坡和崩塌（约40 mm）高了1.7 倍，说明强降水容易激发各类地质灾害，短时暴雨条件对诱发泥石流更为关键；随着向前累计天数的增加，灾害样本分布相对大值区都向累积降水量较大的区域转移，在累计3 d、4～5 d、8～11 d 前、后均有相对大值区.

2.2 降水类型判别由2.1 节的分析表明，诱发滑坡、泥石流和崩塌灾害的降水类型相似，都有短期降水和长历时降水，即地质灾害的发生不仅与总有效降水量有关，而且与降水类型也有较大关系.为了判别滑坡、泥石流和崩塌灾害的致灾降水类型，确定诱发地质灾害发生时的主要降水特征，引入判别系数Zj[20]确定滑坡、泥石流和崩塌灾害的致灾降水类型：

定义Pj为短期降水量对滑坡、泥石流和崩塌灾害的贡献率：

根据式（1）可得滑坡、泥石流和崩塌灾害的总有效降水量Rj和短期有效降水量Rj1～3为:

在（2）～（4）式中，变量j代表地质灾害类型，在分析滑坡（Landslides）、泥石流（Debris flow）和崩塌（Collapses）灾害时，j分别为 L、D和 C，对应常量m分别取11、9 d 和8 d（下同）；变量ki-1为灾害发生时次前第id 的衰减系数，由此得到3 类灾害发生前1～md 的衰减系数（表略）；变量Rj1～3、Rj和Rji分别为3 类地质灾害发生时次前3 d 的有效降水量、前md 的总有效降水量和第id 的实际降水量（单位：mm）.

通过（2）式计算，滑坡、泥石流和崩塌的判别系数分别为0.56、0.59 和0.61，即常数Zj＞0.5 时，可以用来判别地质灾害发生前短期有效降水量在总有效降水量中所占权重.因此，当Pj＞Zj时，则认为此次地质灾害主要由短期降水诱发；当Pj≤Zj时，认为此次地质灾害由长历时降水造成.由此可知，在1 305 个滑坡样本中有1 014 个主要由短期降水造成，约占78%；328 个泥石流样本中有271 个主要由短期降水造成，约占83%；194 个崩塌样本中有146 个主要由短期降水造成，约占75%.说明云南的地质灾害主要由短期降水造成，其中泥石流占比最高，其次是滑坡和崩塌灾害（表1）.

表1 各类降水引发地质灾害的样本数及所占比例Tab.1 Sample number and proportion of geological disasters caused by various precipitation

2.2.1 短期降水型地质灾害的强降水特征分析 由于云南超过78%的地质灾害主要由短期降水造成，本节侧重分析短期降水型滑坡、泥石流和崩塌灾害发生前3 d 的强降水特征.结合云南中短期天气业务标准[4]，文中把日降水量R24＞25 mm 定为强降水事件，R24＞50 mm 定为暴雨事件，表2 给出了主要由短期降水造成的地质灾害样本中前3 d 内强降水和暴雨事件所占比例.由表2 可以看出，灾害发生前3 d 有超过75%的样本出现强降水事件，前1 d 出现强降水事件的概率超过50%.其中，在1 014 个主要由短期降水造成的滑坡灾害中，灾害发生前3 d 内出现强降水事件的灾害样本占88%，出现暴雨事件的样本超过一半；在271 个主要由短期降水造成的泥石流灾害中，灾害发生前3 d 出现强降水事件的样本高达96%，出现暴雨事件的样本所占比例也相对较高（约58%）；在146 个主要由短期降水造成的崩塌灾害中，灾害发生前3 d 内出现强降水事件的样本约占76%，出现暴雨事件的样本不足40%.说明短期内出现强降水和暴雨事件，比较容易引发各类地质灾害，且短期内强降水条件是泥石流发生的关键因素.

表2 短期降水型地质灾害样本中前3 d 强降水和暴雨事件占比Tab.2 Proportion of heavy precipitation and rainstorm events in the first three days of geological disaster samples mainly caused by short-term precipitation %

从表2 也可以看出，在主要由短期降水诱发的滑坡、泥石流和崩塌灾害中，超过一半的样本前1 d 出现强降水天气，滑坡和泥石流更是超过了60%，这说明主要由短期降水造成的地质灾害中，部分是由短时强降水诱发的.因此，在主要由短期降水造成灾害中，若灾害发生前1 d 内12 h 降水Rj12/Rj1～3＞0.8，则认为该次灾害由短时强降水造成[20].通过计算，1 014 个主要由短期降水造成的滑坡灾害中有141 个（其中117 个发生在前12 h，24 个发生在后12 h）是由短时强降水造成的（约占14%）；271 个主要由短期降水造成的泥石流灾害中，有62 个（其中57 个发生在前12 h，5 个发生在后12 h）是由短时强降水造成的（约占23%）；在146 个主要由短期降水造成的崩塌灾害中，有20 个（其中15 个发生在前12 h，5 个发生在后12 h）是由短时强降水造成的（约占14%）（表3）.说明短时强降水对地质灾害的激发作用十分明显，特别是泥石流对短时强降水响应最显著（超过20%），且在主要由短时强降水诱发的地质灾害中，较强降水主要发生在灾害发生前12 h，其中泥石流灾害为92%，滑坡为83%，崩塌为75%.

表3 短时强降水型地质灾害样本数及占比Tab.3 Sample number and proportion of geological disasters caused by short duration heavy precipitation

再进一步分析主要由短时强降水造成的地质灾害样本中前24 h 内各时次发生短历时强降水（降水量＞20 mm·h-1）频次分布（图3）.由图3 可知，短历时强降水主要发生在滑坡灾害发生前1～12 h，发生强降水时次较多的是灾害发生前1～4 h，发生最多时次是前2 h，其次是前1 h [图3（a）]；短历时强降水主要发生在泥石流灾害发生前1～10 h，最多时次是前1 h，远高于其它时次[图3（b）]；短历时强降水主要发生在崩塌灾害发生前2～23 h[图3（c）].

图3 诱发地质灾害的短历时强降水发生频次Fig.3 Frequency of short-time heavy precipitation inducing various geological disasters

2.2.2 各类降水型地质灾害的空间分布 由前面的分析表明，诱发降水型滑坡、泥石流和崩塌灾害的降水类型主要是短期降水、长历时降水和短时强降水，3 种降水类型诱发地质灾害的空间分布如图4 所示.由图4 可以看出，云南大部地区滑坡、泥石流和崩塌灾害主要由短期降水引起，特别是滇西北怒江地区最明显.胡娟等[5]研究也表明怒江州的地质灾害主要由短期降水造成，短期内降水强度起到十分重要的作用.图4（a）显示全省大部均会发生降水型滑坡地质灾害，密集区主要分布在哀牢山沿线及以西的保山、德宏、临沧、普洱北部和东部、红河西南部和昭通等地；次密集区位于大理、丽江和怒江等地，而昆明西部、楚雄等地滑坡灾害相对较少.大部分滑坡灾害是由短期降水造成的，怒江、迪庆、德宏西部、临沧、红河等地由此类降水造成的灾害最多；长历时降水引起的滑坡灾害主要位于丽江和保山的西部、德宏东部、普洱南部等地；短时强降水引起的此类灾害相对较少.图4（b）显示降水型泥石流灾害自西北向东南迅速减少，密集区分布在怒江、迪庆、丽江、大理北部、德宏，次密集区主要分布在昭通、临沧、普洱、红河等地，其它地区泥石流灾害比较稀疏.绝大多数泥石流灾害是由短期降水造成的，怒江、迪庆、丽江北部、德宏等地由此类降水造成的地质灾害最多；短时强降水诱发的地质灾害主要分布在丽江南部；昭通地区的泥石流灾害主要由短期降水和短时强降水诱发；长历时降水诱发的泥石流地质灾害相对较少.降水型崩塌与滑坡[图4（a）]分布相似，只是滑坡比崩塌灾害数量上多了近7 倍，密集区分布在怒江、迪庆西部、保山南部、临沧、昭通等地，楚雄发生崩塌地质灾害的次数最少.全省大部分降水型崩塌地质灾害主要由短期降水引起，特别是怒江、保山、德宏、临沧、文山西部、红河南部和昭通等地由此类降水引发的灾害最多；长历时降水引起的崩塌灾害主要分布在文山东部；短时临近降水诱发的崩塌灾害相对较少，丽江南部的崩塌灾害主要由此类降水引起.

图4 各类降水诱发地质灾害的空间分布Fig.4 Spatial distribution of geological disasters induced by various precipitation

3 结论

（1）经有效降水量筛选，云南80%的地质灾害由降水诱发，并以滑坡、泥石流和崩塌3 类地质灾害为主，分别占降水型地质灾害样本的70%、18%和10%.滑坡、泥石流和崩塌灾害发生前累积降水量特征显示，在累计前1 d、3 d、4～5 d、8～11 d前、后均有灾害相对大值区，即诱发滑坡、泥石流和崩塌灾害的降水类型相似，都有短时强降水、短期降水和长历时降水.

（2）由短期降水造成的泥石流、滑坡和崩塌灾害样本分别占83%、78%和75%，长历时降水造成的地质灾害相对较少.在主要由短期降水造成的滑坡、泥石流和崩塌灾害中，超过75%的灾害发生前3 d 内出现强降水事件，泥石流灾害更是高达96%；有超过一半的滑坡和泥石流灾害发生前出现暴雨事件.

（3）在短期降水型滑坡、泥石流和崩塌灾害中，短时强降水引起的地质灾害分别占14%、23%和14%.该类滑坡和泥石流灾害的短历时强降水主要发生在前12 h，其中滑坡灾害发生短历时强降水时次最多的是前1～4 h，泥石流灾害发生短历时强降水最多时次是前1 h，远高于其它时次.崩塌灾害发生短历时强降水的次数相对较少.

（4）云南大部地区滑坡、泥石流和崩塌地质灾害主要由短期降水引起，特别是滇西北怒江地区最明显；丽江南部的泥石流灾害主要由短时强降水造成.

根据相关文献和云南本地的地质灾害发生情况，本文初步分析了降水型滑坡泥石流和崩塌灾害的降水特征，在气象预报预警方面有一定的指导意义.但是，在区域性强降水过程中，各类地质灾害经常会相伴发生，并且本文的结果主要基于经验统计分析法，在以后的工作中需要进一步客观、科学的验证和改进.