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我国是世界上登陆台风最多、灾害最重的国家之一。对于地质状况脆弱地区,台风带来的强降雨极易引发山体滑坡、泥石流和崩塌等地质灾害,造成严重财产损失和人员伤亡。加强对台风强降雨诱发地质灾害的预报技术研究无论是对社会和经济的长远发展规划还是解决现实中迫切的减灾防灾问题都有着重大意义。
本论文以我国台风伴随强降雨诱发地质灾害(后统称台风地质灾害)的时空分布规律为基础,根据对台风和非台风天气系统降雨触发地质灾害(后统称非台风地质灾害)中降雨条件和地质影响因子差异的分析,确定了台风地质灾害的雨量因子环境和影响因子。通过对台风地质灾害的环境影响因子的分析,建立了我国台风影响区域内台风地质灾害的危险性评估模型。以浙江乐清为研究区,引入支持向量机和广义线性模型进行地质灾害易发性分区,采用统计模型检验方法,在研究区内建立了具有动态预报能力的台风强降水引发地质灾害的统计预报模型。综合利用卫星、雷达联合雨量计估测地质灾害点的雨量,尝试解决预报模型中地质灾害触发雨量的判别问题。对2004年以来三个典型台风导致的群发地质灾害测试样本进行了拟合和检验,并对台风强降雨诱发滑坡进行了数值模拟,检验和模拟结果均表明所构造的模型可以为台风强降水引发地质灾害提供客观预报方法。通过该项研究,主要结论和研究成果可归纳如下:
我国台风降水诱发地质灾害主要集中在6-8月。一半以上的登陆台风诱发地质灾害发生在浙江和福建,广东和湖南也是台风地质灾害频发地区。台风地质灾害向内陆逐渐明显减小,这与台风登陆后降雨强度逐渐向内陆减弱相一致。
通过对台风和非台风地质灾害的环境因素和降水条件差异的比较结果发现,与非台风降雨相比,在台风强降雨条件下,发生地质灾害的地质环境条件明显降低,地质灾害易发性显著增加。对雨量条件差异比较分析发现,台风诱发地质灾害发生前降雨持续2-3天,而对非台风地质灾害主要以前期3-7天和1-2天的持续降雨为主;台风地质灾害发生时往往前期有效雨量较小,大多集中在0-150mm之间。而非台风地质灾害的前期有效雨量较大,多集中在100-300mm之间;非台风地质灾害临界雨强主要集中在O-150mm/d,而台风诱发地质灾害当日降雨一般大于200m。
本文引入TRMM卫星估计降雨联合雨量计二次订正产品用于台风影响区雨量空间分析。另外,引入灾害点高程因子,并且考虑气候降水,采用三维薄板样条技术对台风影响区内的地质灾害触发雨量进行空间分析,两种方法都较传统的雨量插值重新确定的地质灾害触发雨量或采用就近雨量站和二维插值作为代表雨量具有更小的均方根误差,为解决地质灾害的触发雨量的代表性问题提供了信的思路和可行性方案。
本文对研究区域(浙江乐清市)采用雷达联合雨量计估测台风降雨用于触发地质灾害雨量特征分析,结果表明过程累计雨量和降雨持续时间在触发地质灾害方面起重要作用。地质灾害滞后台风最大雨强1-3小时,台风地质灾害过程触发累计雨量为300mm,规模大多在10 m3以上。通过统计回归方法建立了研究区域台风强降雨诱发地质灾害的平均雨强和累计雨量的关系模型,分析表明,与一般降雨型地质灾害相比,在同样的降雨持续时间下,台风地质灾害需要更大的临界雨强。通过比较支持向量机和广义线性模型,对研究区域(浙江乐清市)进行易发性区划,支持向量机方法根据环境变量做出预测,将高易发区设定在最有效的区域,预测结果更接近真实的地质灾害危险分布,同时模型具有较好的稳定性。
利用研究区域的地理信息静态因子和降雨动态因子建立了地质灾害预报模型。在综合考虑试验区地质灾害危险性评价结果和台风强降水诱发地质灾害关系基础上,采用统计模型检验方法,建立了具有动态预报能力的台风强降水引发地质灾害统计模型,拟合准确率达到90%。
对台风强降雨诱发典型滑坡进行的数值模拟进一步揭示了暴雨型滑坡形成的机理,当降雨入渗到非饱和土体内时,非饱和土体内的负孔隙水压力开始升高,从而导致了土体的抗剪强度的降低。当滑面上的抗剪强度减小到比下滑力还小的时候,斜坡就会发生失稳。在减小降雨强度来模拟一般暴雨情况的敏感性实验中,在同样的降水时间和地质条件下,斜坡一直呈现稳定状态。说明与一般暴雨条件相比,台风的高强度降雨能迅速导致斜坡中含水量增加,导致斜坡失稳。
总之,本研究首次系统比较分析了台风和非台风地质灾害诱发降雨条件和地质环境条件的差异,初步确定了各自地质灾害发生前期有效雨量、临界雨强等量化指标,为地质灾害监测预报、风险评估等提供了量化数据。
首次系统地研究了我国台风地质灾害的特点,并利用不同尺度范围内的台风地质灾害的特点,分别对全国台风影响区、浙江乐清市、单体滑坡三个尺度的分析提出了对诱发地质灾害雨量监测、预报的要求,实现了在对各种资料的应用和方法的选择。为进一步研究不同尺度的地质灾害致灾原因及气象预报技术提供了基础。
本研究综合利用卫星、雷达等遥感手段联合雨量计估测地质灾害的雨量和引入地形高程作为协同变量的统计方法,为更加精确地确定地质灾害触发雨量提出了较好的解决方案。
系统分析了我国台风诱发地质灾害的特点,并进行了我国台风诱发地质灾害的易发性区划。
通过比较支持向量机和广义线性模型,探索了台风诱发地质灾害的预报模型,基本建立了具有动态预报能力的台风强降雨诱发地质灾害的统计预报模型。