Advances in Geosciences地球科学前沿, 2015, 5, 171-185
Published Online June 2015 in Hans. /journal/ag
/10.12677/ag.2015.53021
Different Types of Heavy Rainfall Which
Triggered the Landslide in Sichuan Bazhong Area and Typical Ca Analysis
Yujie Fang1,2, Tiangui Xiao1, Qiang Xu3
1Atmospheric Science College, Chengdu University of Information Technology, Chengdu Sichuan
2Chengdu Pixian Meteorological Bureau, Chengdu Sichuan
3State Key Laboratory of Geohazards Prevention and Environment Protection, Chengdu University of
Technology, Chengdu Sichuan
Email: xiaotiangui@
Received: Jun. 9th, 2015; accepted: Jun. 23rd, 2015; published: Jun. 29th, 2015
Copyright © 2015 by authors and Hans Publishers Inc.
This work is licend under the Creative Commons Attribution International Licen (CC BY).
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Abstract
By using the weather station precipitation and NCEP 1˚ × 1˚ reanalysis data, this paper analyzed the climate characteristics of precipitation and the characteristics among three different types of heavy rain events which triggered the landslides in Sichuan Bazhong area, and the results show that: 1) Th
e annual precipitation in southern and northern is more than eastern and western of Bazhong area. 2) Yaochangping landslide triggered by persistent heavy rainfall, which characte-rized by long duration, little change of hourly precipitation and large accumulation precipitation.
Heimashan landslide is triggered by sudden rainstorm, which is characterized by short duration and large accumulation precipitation. Laohegou landslide triggered by continuous rainstorm, characterized by two or more times of precipitation events with veral hours of intermittent during the entire precipitation process, the landslide occurred in the mid-late period of the preci-pitation process. 3) Strong meridional circulation occurs early in three rainfall events in high lati-tudes, but its main impact system is slightly different. 4) There was significantly northern airflow existing in the low level during the propha of the three heavy precipitations and the cold airflow irrupted from north to south direction, with strong convective instability energy and with strong vertical upward movement. However, the height differences emerged during the upward motion.
Keywords
Landslide, Types of Heavy Rainfall Events, Influencing Systems
四川巴中地区引发滑坡地质灾害的强降水类型及典型案例分析
四川巴中地区引发滑坡地质灾害的强降水类型及典型案例分析
房玉洁1,2，肖天贵1，许强3
1成都信息工程大学大气科学学院，四川成都
2成都郫县气象局，四川成都
3成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都
Email: xiaotiangui@
收稿日期：2015年6月9日；录用日期：2015年6月23日；发布日期：2015年6月29日
摘要
运用巴中地区区域自动站逐日、逐小时降水资料和NCEP 1˚ × 1˚间隔为6 h的再分析资料分析了巴中地
区降水气候特征，并具体对比分析巴中地区引发滑坡的三种不同类型强降水特征，得出结论如下：1) 巴中地区年降水量整体表现为“南北多、东西少”的分布特征。强降水事件集中发生在6~9月，可分为持续性强降水、突发性暴雨和连续性暴雨三种类型。2) 窑厂坪的滑坡由持续性强降水引发，特点是降雨持续时间长，小时降水强度变化不大，累积降水量大。黑马山滑坡由突发性暴雨引发，其特点是降水持续时间短，累积降水量大。老河沟后山滑坡由连续性暴雨引发，特点为降水过程中出现多次强降水，强降水间有数小时的时间间歇。3) 三次降水过程前期中高纬经向环流强盛，且均出现高空急流，但其主要影响系统略有不同。4) 三次强降水过程前期在低层均有明显的偏北气流存在，冷空气由北向南侵入，存在较强的对流性不稳定能量，垂直上升运动较强，但上升运动出现的高度存在差异。
关键词
滑坡，强降水类型，影响系统
1. 引言
我国是一个地质灾害发生频繁的国家，自上世纪80年代之后，滑坡灾害的发生频率随经济的快速增长、天气气候的多端变化而逐渐增高。除山东省外，我国各省市均出现过严重的滑坡事件。其中西南
地区(包括四川、重庆、云南和贵州)地形复杂，多山地丘陵，其滑坡地质灾害尤为突出，发生在西南地区的滑坡灾害特点有规模大、形成机制复杂、造成危害严重等。严重的滑坡灾害不仅给人类的生命、财产带来严重威胁，而且对环境、资源等也带来一定的破坏，经常对城镇、矿山、公路、铁路、农田、水利水电设施等造成严重危害[1]-[9]。
研究表明，滑坡的发生与降雨类型及强度有密切关系[10]-[17]，对滑坡地质灾害影响较大的主要是连续降雨和暴雨。根据地质相关部门的统计，诱发滑坡地质灾害的降雨类型中持续性降雨占近60%，局地暴雨40%以上。连续型降雨由于雨强较小，雨水缓缓渗入土壤，滑坡地质灾害一般是在降雨过程中或降雨结束发生。暴雨由于雨强大，迅速侵蚀和通过空隙渗透使岩土体内在的摩擦阻力和凝聚力较快降低，在其自身重力的作用下失去原有的稳定状态，导致滑坡的发生，由暴雨诱发的滑坡地质灾害一般具有一定的滞后性。如果前期有连续性降雨，之后再出现暴雨，或连续性降雨中出现暴雨，就更容易引发地质
四川巴中地区引发滑坡地质灾害的强降水类型及典型案例分析
灾害[2]。
国内外已经有许多研究者从强降水的类型、降水量的多少、降水过程持续时间等多方面对降雨与滑坡的关系进行了探索研究。阚露等人[18]将引发滑坡的降水过程分为五类，以澜沧江一水电站库区滑坡
为模拟基础，针对不同类型降水过程模拟其对滑坡体的影响，研究发现递增型的降水对滑坡的影响最大，最易引发滑坡。张珍等[17]对重庆市近几十年的滑坡与降水的关系进行了研究，包括滑坡发生次数与月降水量、与当日以及前期的每日降水量、与当日及前期暴雨发生次数和多次暴雨发生的时间间隔的关系、以及与发生前期连续降水日数的关系等。张玉成等人[19]通过研究发现，滑坡的发生多具有一定的滞后性，因此针对这一特性对滑坡与当天、前三天、前十天的降水进行了对比分析，发现当滑坡前10天中有降水的天数超过5天时，发生滑坡的概率增大。阵正洪[20]和谢剑明[21]等人运用彼得森统计方法来确定滑坡受各降雨因素的影响程度。高华喜等[22]在考虑了降水时间对降雨量的影响的基础上，对深圳市滑坡与降雨量间的相关性进行了研究，结果表明是否发生滑坡与前四天的累积降水量关系最为密切。马力等人[23]研究了重庆市1970年后的降水和滑坡之间的关系，发现96.7%的滑坡由降水诱发，且滑坡的发生与否与前1天的累积降水量密切相关，前一天的阈值为20 mm。另研究发现大部分滑坡发生的滞后期不超过3天。
川东北地区位于“四川龙门山地震带”的北端，受地震影响严重，其中以巴中市为例，“5.12”汶川特大地震之后，巴中地区地质灾害多发、频发的趋势尤为明显，不仅灾害数量多、造成的损失大，而且大型、特大型滑坡、崩塌时有发生。因此本文选取川东北地区巴中市为主要研究区域，对该地区降水气候特征、强降水过程特征以及近年来滑坡前期降水特征进行具体分析。
2. 四川巴中地区的降水气候特征及引发滑坡的降雨类型
2.1. 降水气候特征
巴中市位于四川省东北部，下属辖巴州区、通江县、南江县、平昌县，整体地势为北部高南部低。山地占巴中地区总面积的90%左右；南部为丘陵，占总面积的10%左右。地质构造、地层岩性等特征导致了巴中地区地质灾害的易发。许多研究表明[2] [11] [13] [18]，滑坡地质灾害集中发生在雨季，且集中分布在降水较为集中或发生长时间持续降水的阶段。本节对巴中地区各区县的不同时间尺度降水及强降水过程特征进行了具体分析。
表1为巴中地区四个一般和基准气象站的1961~2013年平均年及四季降水量，其多年平均年降水量为1192.37 mm，受地理环境等的影响，巴中地区年降水量整体表现为“南北多、东西少”的分布特征。春季降水量从东南向西北递减，平昌降水量最大，其次为通江、巴州，而位于西北部的南江降水量最少。夏季降水量的多少与滑坡地质灾害的发生关系最为密切，其分布不同于春季，西北部南江降水最多，降水量为619.84 mm，而西南部平昌降水量最少，降水量为545.13 mm。秋季降水整体分布于年降水量类似，南北多，东西少。平昌秋季降水量最大，其次为南江，通江秋季降水量最少。冬季降水量与春季一致。
Table 1. Annual and asonal average precipitation (unit: mm)
表1. 各测站年及四季降水量(单位：mm)
巴州南江平昌通江巴中地区春233.91 226.89 296.07 246.78 250.91
夏545.13 619.84 548.14 586.72 574.96
秋335.18 337.31 343.49 322.70 334.67
冬39.73 25.07 47.90 30.58 35.82
年1150.85 1204.74 1231.26 1182.65 1192.37
四川巴中地区引发滑坡地质灾害的强降水类型及典型案例分析
另外巴中地区降水量主要集中的月份为7月和9月，月降水量表现出十分明显的双峰结构。7月各站降水量占到了其全年降水总量的21.0%左右，9月各站降水量占到16.4%左右。巴中地区整体汛期5~9月的总降水量约达到了年总降水量的3/4，由降水引发的地质灾害多发生于该时段。
2.2. 强降水事件及引发滑坡的强降水类型
本文根据百分位法[24]分别确定巴中地区各测站的强降水事件阈值(取95%百分位阈值做为强降水事件阈值），得出各站点强降水事件阈值取值为：南江39.3 mm，巴中35.9 mm，通江38.8 mm，平昌37.
0 mm。按照计算出的阈值统计巴中地区1961~2013年的强降水事件(1站以上站点日降水量超过阈值时降水事件开始，连续两天无站点降水超过阈值时事件结束)共573次，据表2分析强降水事件逐月分布可知强降水事件集中发生在6~9月，1月及12月无强降水事件发生。
根据降水强度及降水持续时间，将巴中地区的降水过程分为持续性强降水、突发性暴雨和连续性暴雨三种类型，其中：持续性强降水是指连续两天以上(包括两天)日降水量超过强降水阈值，降水过程中无明显时间间隔；突发性暴雨指强降水持续时间不超过一天的降水过程；连续性暴雨指在一次降水过程中发生了具有几小时或一天的时间间隔的两次或多次暴雨。关于不同类型强降水事件发生次数及所占比例统计结果如表3，分析表3可知，突发性暴雨发生概率最大，其次为持续性强降水。
根据上述分类原则，选取巴中地区近年来5次重大滑坡事件，分别讨论其前期降水类型，其中持续性强降水1例，突发性暴雨1例，连续性暴雨3例，具体滑坡事件发生时间、地点以及强降水事件开始、结束日期、分型结果如表4所示。
Table 2. Monthly distribution of heavy rainfall events
表2. 强降水事件逐月分布情况
月份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
次数0 1 3 32 69 93 134 119 97 29 10 0
比例0.00% 0.20% 0.50% 5.60% 12.00% 16.20% 23.40% 20.80% 16.90% 5.10% 1.70% 0.00% Table 3. Number and percentage of different types of heavy rainfall events
表3. 不同类型强降水事件发生次数及所占比例
降水类型次数比例
持续性强降水100 17.5%
突发性暴雨414 72.3%
连续性暴雨59 10.3% Table 4. 5 great landslide events and pre-precipitation characteristics
表4. 5次重大滑坡事件及前期降水特征
降水类型滑坡发生时间滑坡发生地点降水开始日期降水结束日期
持续性强降水2011.9.18 20:00 南江县高桥乡窑厂坪9.17 9.18
突发性暴雨2012.7.10 06:00 平昌县青云乡严华村7.10 7.10
连续性暴雨2012.7.7 22:00 南江县团结乡筒车村三社乌家岩7.6 7.9 2013.7.20 07:00 平昌县元山镇佛岩村7.17 7.20 2014.9.10 15:00 通江县诺水河镇玉皇坝村9.9 9.10
四川巴中地区引发滑坡地质灾害的强降水类型及典型案例分析3. 三次引发滑坡的强降水案例分析
本节针对巴中地区引发滑坡的三种不同的降水类型各选取一次个例，利用巴中地区区域自动站逐小时降水资料、NCEP 1˚ × 1˚每6 h一次的再分析资料对降水特征进行了具体分析。
3.1. 引发窑厂坪滑坡降水个例分析
2011年9月16日21时至9月18日15时南江县普降特大暴雨，图1反映了川东北地区9月17日的日降水量分布情况，巴中市北部南江县为明显的强降水中心，17日日降水量达到275.8 mm，18日降水大值中心向南移动，到达平昌县境内，但南江县日降水量仍达到了暴雨级别，为64.8 mm。此次巴中市强降雨强度达到160年一遇，由于长历时、高强度降雨作用，9月18日20:00至21:00左右，南江县高桥乡窑厂坪发生大规模滑坡。地理坐标为：106˚49'50"E，32˚05'32"N。滑坡未造成人员伤亡，但摧毁了275间房屋，导致175人无家可归。
引发2011年窑厂坪滑坡的前期降水为持续性强降水型。距离窑厂坪滑坡点最近的自动站点为南江县高桥乡，如图2(a)高桥乡此次降水过程共持续了51小时，开始于9月16日23时，结束于9月19日01时，过
程总降水量达330.5 mm，其中最大小时降水出现在9月17日00时，即降水过程开始的第二小时，小时降水量达22.3 mm，达到短历时强降水标准。但之后各小时降水均未超过15 mm，多在10 mm左右，在最大小时降水过后整个降水过程出现“三增三减”，三次降水增大分别出现在9月17日07时、17时和9月18日12时，但总体而言过程降水时间分布较为均匀。窑厂坪滑坡发生在9月18日20时左右，即发生在降水过程的后期，与最大小时降水发生时刻相比具有一定的滞后性。统计分析滑坡发生时刻前48 h逐小时降水量及累积降水量如图2(b)，从图中可以看出此次降水持续时间长，强度变化不大，累积降水量平稳增长。滑坡发生前累积降水量达到了330 mm。
图3为2011年9月17日12时的500 hPa高度场、500 hPa温度场、200 hPa高空急流、850 hPa低空急流叠加图，分析可知，在暴雨发生的前期，阻塞高压在西西伯利亚平原上空停滞，中高纬呈现典型的倒“Ω”型环流形势，暴雨发生在阻高崩溃、阻高东侧“横槽转竖”的过程中。前期横槽维持在蒙古高原上空，后转竖并缓慢东移至我国内蒙古一带，北方的冷空气由高空槽后的偏北风向南引导，进入四川东部地区。另外，生成于我国东海的热带气旋在东海停滞发展，逐渐增强，对副高起到了阻挡作用，导致副高无法西进，退至太平洋上空，脊线在130˚E附近。高原上空短波系统活跃，在降水发生的前期不断有短波槽从高原东移至降水区。
图4(a)，图4(b)为2011年9月18日06:00 (UTC) 700 hPa低空风场及流场特征，降水前期可以在川东北地区观察到十分明显的低空急流，另有低涡在川西地区生成，低涡切变从四川盆地南部一直延伸至陕
西南部。低空急流带来南部的暖湿空气与槽后冷空气相遇，并与切变辐合相配合，为强降水的产生提供充足的水汽和动力条件。从850 hPa的水汽通量及水汽通量散度图中分别讨论三次降水过程的水汽来源。图4(c)为2011年9月18日06:00 (UTC) 850 hPa水汽通量(流线)和水汽通量散度场，从图中可以明显看出，此次降水过程的水汽通道主要为东北–西南向。东海热带气旋北部的偏东气流，受到中纬度朝鲜半岛附近斜槽前部的西南向气流阻挡，并配合850 hPa的一条由华北平原延伸至西南地区的高风速带，将东海、黄海的大量水汽输送至川东北地区。降水过程中整体水汽来源较为稳定，降水区域低层水汽从15日18时(UTC)至18日12时(UTC)降水区出现南移的这段时间内一直表现出较强的辐合状态，且辐合中心明显。在降水过程的后期，水汽输送减弱，水汽通量散度表现为正值。
图5为2011年9月16日12:00~2011年9月18日18时(UTC)以107˚E、32˚N为中心(巴中地区) NCEP 资料各物理量时间–高度剖面图，用来了解整体降水过程中降水区上空的各物理量垂直分布特征，从图中可以看出，降水时段底层偏北气流明显，在17日12时和18日12时，分别在底层出现了两次明显的
