摘 要：

区域地质灾害预警模型是气象诱发地质灾害防治的基础科学问题。新疆广泛发育冻融型地质灾害与冰川型地质灾害，这两类灾害受控于温度与降雨两个诱发因素，以往的区域地质灾害预警多考虑降雨，缺乏这两类地质灾害的温度-降雨双因素预警模型。为此，以新疆伊犁谷地冻融型地质灾害与昆仑山北麓冰川型地质灾害为研究对象，在地质灾害发育规律与主要诱发因素分析的基础上，对新疆地质灾害进行预警亚区区划，根据温度指标和降雨指标与地质灾害关系分析，建立了温度-降雨双参数地质灾害预警模型。结论如下：(1)新疆冻融型地质灾害主要分布在伊犁谷地，主要为春季温度升高和降雨诱发黄土滑坡；冰川型地质灾害主要分布在昆仑山北麓，主要为冰川融水与暴雨诱发泥石流，具有垂直分带发育特征。(2)选取灾害当日最高气温、最低气温、当日温差等参数，表征温度指标；选取当日雨量、灾害前7 d有效雨量表征降雨指标；温度指标与降雨指标作为预警模型的基础指标。(3)以当日最低气温、灾害前7 d有效雨量作为预警参数，建立了伊犁谷地3—6月冻融型地质灾害预警模型；以当日最高气温、灾害前7 d有效雨量作为预警参数，建立了昆仑山北麓6—9月冰川型地质灾害预警模型。

关键词：

地质灾害;预警模型;温度-降雨双参数;

李守定(1979—),男,正高级工程师,中国科学院大学首席教授,博士研究生导师,博士,研究方向为储层地质力学与深地工程、地质灾害与环境、超深层钻井动力学。E-mail:lsdlyh@mail.iggcas.ac.cn;

基金：

第二次青藏高原科考项目(2019QZKK0904);

国家重点研发计划(2018YFC1504803);

中国科学院重点部署项目(KFZD-SW-422,ZDRW-ZS-2021-3-1);

新疆维吾尔自治区国土资源厅科研项目(XJDZFZ-XX2013);

中国科学院关键技术人才项目;

引用：

李守定，乔华，马世伟，等．基于温度－降雨双参数的新疆地质灾害预警模型［Ｊ］.水利水电技术（中英文），２０２１，５２（１１）：２０７⁃ ２１８.

ＬＩ Ｓｈｏｕｄｉｎｇ， ＱＩＡＯ Ｈｕａ， ＭＡ Ｓｈｉｗｅｉ， ｅｔａｌ． Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ⁃ｒａｉｎｆａｌｌ ｄｕａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ⁃ｂａｓｅｄ ｅａｒｌｙ ｗａｒｎｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｉｓａｓｔｅｒｓ ｉｎ Ｘｉｎｊｉａｎｇ［Ｊ］. Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０２１，５２（１１）：２０７⁃ ２１８.

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0 引 言

以崩塌、滑坡和泥石流为代表的地质灾害，每年在全球造成了巨大生命和财产损失。20世纪80年代末，联合国“国际减轻自然灾害十年(INDR)”计划启动，推动了全球自然灾害预测预报研究，世界上20多个国家或地区开展过或正在开展区域地质灾害的早期预警与减灾服务工作。中国是世界上地质灾害分布最广、危害最严重的国家之一。中国大陆2003年开始区域地质灾害气象预警工作，取得了重大经济社会效益。

区域地质灾害预警模型是气象诱发地质灾害防治的基础科学问题。主要分为两类：一类是统计预警模型，通过收集历史滑坡数据、诱发降雨数据及地质环境条件数据，采用统计分析方法建立滑坡和降雨之间定性、半定量或定量的关系；另一类是机理预警模型，通过降雨-渗流-灾害发生的机理过程分析，建立浅层地质灾害预警模型。目前最常用的统计预警模型是根据历史降雨和滑坡的统计关系建立临界降雨阈值模型。国外而言，1985年美国旧金山湾启动泥石流预警系统采用了临界降雨阈值模型指数关系判据,降雨强度和降雨持续时间的I-D曲线成指数关系，后来又考虑斜坡渗水能力和排水能力进行了改进,意大利、哥伦比亚等多个国家参考了该模型模式。国内，1999年香港土木工程署修改了香港地区预警业务系统判据,2004年中国香港地区预警模型考虑了4种工程斜坡分别构建。中国大陆2003年启动国家级地质灾害气象预警,提出隐式统计预报、显式统计预报和动力预报模型三分法;省级或市县级滑坡预警模型，大都是在国家级模型基础上进行修正,如四川雅安、云南新平、福建德化等开展地质灾害监测预警示范区建设，并在四川青川建立了国家级地质灾害气象预警试验区。其他学者也开展了大量有益探索，如殷坤龙等进行了浙江突发性地质灾害预警；许冲等研究了逻辑回归模型在玉树地震滑坡危险性评价中的应用和检验。机理预警模型主要以无限斜坡稳定性力学分析为基础，将降雨和地下水环境的降雨入渗水文地质模型，与无限斜坡稳定性力学模型耦合判断滑坡稳定性。由于滑坡条件和降雨对滑坡作用机理的复杂性，机理预警模型构建中需要大量假设条件，复杂的参数输入和参数的不确定性，导致区域滑坡机理预警模型多处于研究阶段，或者仅应用于面积较小的区域。目前主要有斜坡稳定性分析模型、降雨入渗的水文地质模型、稳定性分析与水文地质耦合模型。

新疆受控于“三山夹两盆”的地貌特征，崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害比较发育，各地区由于其海拔高度不同，受温度与降雨的影响，区内地质灾害总的发育特征是阿尔泰山、天山、昆仑山三大山系由西向东具有由强变弱的趋势，其中以天山最为发育；在天山西段伊犁谷地和天山中部多呈环带状分布；各大山系沿沟谷和交通沿线常呈条带状发育。其中伊犁谷地黄土滑坡和昆仑山南麓的泥石流灾害非常严重，这些灾害的发育与降雨、冻融作用与冰川融水密切相关。对于冻融型地质灾害，张中琼等进行了多年冻土区冻融灾害风险性评价，彭惠等基于川藏交通走廊完成了川藏交通走廊冻融侵蚀风险评价与区划研究，朱赛楠等进行了新疆伊犁河谷黄土滑坡冻融失稳机理研究，王念秦完成了季节冻土区冻融期黄土滑坡基本特征与机理。对于冰川型地质灾害，赵飞建立了天山地区冰川泥石流危险性评价及预警体系研究，朱颖彦等对中巴喀喇昆仑公路冰川灾害进行了分析。

目前区域地质灾害预警主要是根据历史降雨数据和地质灾害资料，建立降雨与地质灾害之间的经验性的统计关系，得出临界降雨判据。国内外一般只单独考虑降雨对地质灾害的影响，对于以冻融型和冰川型地质灾害为主的区域，由于当前降雨预警模型缺少对温度诱发因素的考虑，因此缺乏适用性。本文拟在考虑温度、降雨对诱发地质灾害形成的机理研究基础上，建立基于温度-降雨双参数区域地质灾害预警模型。

1 新疆冻融型与冰川型地质灾害发育规律与预警区划

冻融型地质灾害是指由于冻融循环作用导致岩体结构、岩体物理力学性质等发生改变进而引发的地质灾害。由于温度周期性的发生正负变化，冻土层中的地下冰和地下水不断发生相变和位移，使冻土层发生冻胀、融沉、流变等一系列应力变形，形成软弱结构面夹层，造成滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生。季节性冻融作用导致地下水动、静水压力随时间不断变化， 直接影响坡体内的应力状态和坡体稳定性 。

冰川型地质灾害由冰川本身特性或运动引起的，如冰川补给水源，冰崖消解等间接引起的地质灾害，造成建筑物损毁，如冰湖溃决，冰川泥石流等。大规模的冰川运动为泥石流的发生提供了丰富的物质来源。夏季的冰山消融 、冰崩、冰舌波动等冰川活动，为泥石流等地质灾害的发生提供了充足的水动力条件和激发因素。

新疆冻融型地质灾害主要分布在伊犁谷地，春季温度升高引起坡体高水头地下水快速排泄，高动水压力诱发结构失稳，以黄土滑坡为主，冻融型地质灾害主要诱发因素为温度和降雨；冰川型地质灾害主要分布在昆仑山北麓，具有垂直分带发育特征，以泥石流为主，冰川融水与暴雨是主要诱发因素。

1.1 冻融型地质灾害发育规律与主要诱发因素

冻融型地质灾害主要分布在伊犁谷地，伊犁谷地滑坡1 706处,主要类型为黄土滑坡(1 364处)。主要诱发因素为降雨入渗与冻融作用。伊犁谷地具有典型大陆性中温带湿润气候特征，滑坡易发区主要分布在平均降水量大于400 mm区域内，发生时间为4—7月。伊犁谷地降水集中于4—6月，8—9月份减少，11—12月有所增大，降水量以春季居多；3—5月温度升高，属于融雪季节，大量雪水渗入地下，土层饱水程度增高，土体抗剪强度遇到累积性破坏，另外冻土层发生冻胀、融沉、流变等一系列结构变形，导致滑坡发生。春季时冰雪融化沿坡体后缘拉裂缝渗透进入坡体，使地下水位升高，另外温度升高使冬季坡体表层形成的冰坝突然融化，地下水快速排泄，形成高动水压力，从而导致坡体失稳，形成滑坡。代表性滑坡如新源县则克台萨伊滑坡泥石流。根据伊犁地区地层岩性与结构，将坡体结构分为6类，根据水文地质结构，分析了在降雨与冻融共同作用下，坡体变形特征和破坏特征如表1所列。

1.2 冰川型地质灾害发育规律与主要诱发因素

冰川型地质灾害主要分布于昆仑山北麓，受冰川发育影响，夏季高温引起冰川融水，常常引发地质灾害，例如中巴公路(G314)沿线发育了5条长度超过50 km的冰川，中巴公路奥依塔克—布伦口段对公路影响严重或较严重地质灾害237处，其中泥石流125处，是最主要的地质灾害。通过对中巴公路地质条件复杂区沿线(K1554奥伊塔克—K1624布伦口水电站)4次详细踏勘与地质调查，得出以下结论(见表2):

(1)海拔高程1 200～1 600 m, 行政区划通过喀什、疏附和阿克陶，公路沿着克孜勒苏河、盖孜河冲积扇向上，地质灾害不发育。

(2)奥依塔克—盖孜检查站(K1554—K1594)区间，海拔高程1 600～2 400 m, 为河流宽谷地貌，发育多级阶地，主要发育滑坡、泥石流等地质灾害，主要诱发因素为洪水和暴雨。

(3)盖孜检查站—布伦口水电站(K1594—K1624)区间，海拔高程2 400～3 400 m, 属深切V型河谷地貌，融雪型泥石流、滑坡、滑塌、流沙非常严重，主要发育泥石流、滑坡、流沙坡等地质灾害，主要诱发因素为冰川融水和暴雨。

(4)卡拉库里湖—苏巴什达坂区间，海拔高程3 400～4 300 m, 属叶尓羌河上游河谷阶地，地质灾害主要为冰川、泥石流堰塞湖，主要诱发因素为冰川融水。

(5)塔什库尔干县—红其拉普区间，海拔高程4 300～4 700 m, 位于塔什库尔干河谷河流阶地，河谷宽达数公里，此区域以积雪和季节性冻土地质灾害为主，主要诱发因素为降雪和气温。

1.3 温度-降雨双因素诱发型地质灾害预警区划

新疆境内山区所发生的崩塌、滑坡、泥石流三种地质灾害均严格受地貌地质条件控制，根据新疆“三山夹两盆”地貌背景，除去准噶尔盆地，塔里木盆地及吐哈盆地，考虑到温度-降雨双因素诱发地质灾害主要为冰川型地质灾害区(昆仑山—阿尔金山区)和冻融型地质灾害区(伊犁谷地),利用数字高程模型生成等高线，首先将整个研究区域分为三个独立的一级预警区域，由南向北依次为：A区(昆仑山—阿尔金山区)、B区(天山区)、C区(准噶尔—阿尔泰山区)。如图1所示，根据温度-降雨双因素诱发型地质灾害，仅对A区和B区进行预警亚区区划。

图1 新疆地区预警分区

冰川型地质灾害区具有明显的垂直分带性，所以将该区根据海拔高程分为5个二级预警亚区(见图2),冻融型地质灾害主要分布在伊犁谷地，预警亚区分区如图3所示中的B1。

图2 冰川型地质灾害区二级预警亚区

图3 冻融型地质灾害区预警亚区

2 温度-降雨诱发型地质灾害预警指标体系与模型

2.1 温度-降雨诱发型地质灾害指标体系

温度、降雨因素对诱发地质灾害的形成具有重要的作用。受气温的影响，冻土层发生冻胀、融沉、流变等一系列应力变形，形成具有软弱结构面的夹层，其底层多为隔水或相对隔水层，造成滑坡的形成，以及伴生的冷生现象引起的地质灾害，如冻胀丘、热融滑塌、冰椎等，以伊犁地区最为明显。降雨为地质灾害的发生提供了水动力条件，水体沿坡体后缘裂隙入渗，而坡体前缘受到流水的侵蚀，导致坡体后缘拉裂缝高静水压，前缘侵蚀切脚，易导致滑坡、泥石流的形成。根据前述新疆冻融与冰川型地质灾害发育规律和主要诱发因素，温度与降雨是该地质灾害预警模型的重要指标，选取灾害当日最高气温、最低气温、当日温差，来表征温度的影响；选取当日雨量、灾害前七日有效雨量表征降雨的影响，并将其作为预警模型的基础指标，指标体系如表3所列。

预警模型如下

式中，t为温度指标；Rc为7日有效雨量；R0为预报日降雨量。

前7 d有效雨量计算公式为

式中，Rc为7 d有效雨量；R0为发灾当日降雨量。

2.2 冻融型地质灾害温度-降雨预警模型

根据新疆维吾尔自治区地质环境监测院提供的冻融型地质灾害调查数据，选取1998—2019年有温度降雨数据冻融型地质灾害共20例，通过国家气象中心查询地质灾害发生时降雨和温度数据，其中降雨数据主要来自于巩留、昭苏、新源等气象站。图4—图7分别为灾害点和前7 d有效雨量、发灾日降雨量、发灾当日温差、发灾当日最高温、发灾当日最低温的关系，图8为上述指标相关性热力图。

图4 冻融型地质灾害点发育与前7日有效雨量、 发灾当日温差的关系

图5 冻融型地质灾害点发育与前7日有效雨量、发灾当日 最高温的关系

图6 冻融型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、发灾 当日最低温的关系

图7 冻融型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、 当日雨量的关系

图8 各指标相关性热力图 tmin—最低温度； tmax—最高温度； td—当日温差

由图7可知，地质灾害发生时其当日雨量大部分为0 mm(未降水),而前7 d有效雨量仅有一次为0 mm, 说明地质灾害点发育与当日雨量相关性差，与前7 d有效雨量相关性较好，因此选用前7 d有效降雨量来表征降雨的影响。由图8可知，地质灾害点有效降雨量与最低气温相关性较好，因此选取当日最低气温来表征温度的影响。根据地质灾害区域气象风险预警标准,当发生的灾害占统计灾害点20%以下时为蓝色预警，20%～40%为黄色预警、40%～60%为橙色预警，60%以上时为红色预警。选取有效降雨量与最低气温关系进行拟合(见图9)。

图9 冻融型地质灾害温度-降雨预警模型

因此，伊犁谷地3—6月冻融型地质灾害预警模型为

当M<fy(t,Rc)时，蓝色预警；当fy(t,Rc)<M<fo(t,Rc)时，黄色预警；当fo(t,Rc)<M<fr(t,Rc)时，橙色预警；当M>fr(t,Rc)时，红色预警。

2.3 冰川型地质灾害温度-降雨预警模型

冰川型地质灾害根据海拔高程分为5个亚区，分别为A1亚区(海拔高程<1 600 m)、A2亚区(海拔高程1 600～2 400 m)、A3亚区(海拔高程2 400～3 400 m)、A4亚区(海拔高程3 400～4 500 m)和A5亚区(海拔高程>4 500 m)。其中A1亚区多为山前冲洪积平原区，崩滑流地质灾害极少，该亚区不进行预警判别；A4亚区、A5亚区多为高山冰川，人烟稀少，地质灾害危害极小，该亚区不进行预警判别。因此，分别对A2亚区(海拔高程1 600～2 400 m)、A3亚区(海拔高程2 400～3 400 m)进行研究。

2.3.1 A2亚区

A2亚区(海拔高程1 600～2 400 m)属于中山峡谷地貌，地质灾害发育诱发因素主要为降雨和温度，降雨引起斜坡失稳，高温亦可使上游冰川和积雪融化，引起泥石流或崩塌滑坡。根据新疆维吾尔自治区地质环境监测院提供的冻融型地质灾害调查数据，选取1998年至2019年有温度降雨数据的地质灾害共80例，通过国家气象中心查询地质灾害发生时降雨和温度数据，其中降雨数据主要来自于阿克陶、且末、和田等气象站。图10—图13分别为灾害点发育和前7 d有效雨量、发灾日降雨量、发灾当日温差、发灾当日最高温、发灾当日最低温的关系。

图10 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、 发灾当日温差的关系(A2亚区)

图11 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、 发灾当日最高温的关系(A2亚区)

图12 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、发灾当日 最低温的关系(A2亚区)

图13 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、当日雨量的关系（A2亚区）

由图11可知，地质灾害点与与最高气温存在一个下限关系，即所有地质灾害均发生在最高温度≥15 ℃,因此，选取当日最高气温来表征温度的影响。由图13可知，1/2的地质灾害(40个灾害点)发生时其当日雨量为0 mm(未降水),而前7 d有效雨量均在0 mm以上，说明地质灾害点与当日雨量相关性差，与前7 d有效雨量相关性较好，因此选用前7 d有效降雨量来表征降雨的影响。选取有效降雨量与最高气温关系图进行拟合，结果如图14所示。

图14 A2亚区冰川型地质灾害温度-降雨预警模型

因此，昆仑山北麓A2亚区(海拔高程1 600～2 400 m)夏季6—9月冰川型地质灾害预警模型为

当M<fy(t,Rc)时，蓝色预警；当fy(t,Rc)<M<fo(t,Rc)时，黄色预警；当fo(t,Rc)<M<fr(t,Rc)时，橙色预警；当M>fr(t,Rc)时，红色预警。

2.3.2 A3亚区

A3亚区(海拔高程2 400～3 400 m)属于高山峡谷地貌，地质灾害发育诱发因素主要为温度和降雨，该亚区距离雪线冰川较近，高温引起冰川和积雪融化，形成小流域洪水导致引起泥石流或崩塌滑坡，所以温度是诱发地质灾害发生的主要因素，其次是局地降雨。根据新疆维吾尔自治区地质环境监测院提供的冻融型地质灾害调查数据，自1998年至2019年，记录有温度降雨数据的地质灾害共27例，通过国家气象中心查询地质灾害发生时降雨和温度数据，图15—图18分别为灾害点和前7 d有效雨量、发灾日降雨量、发灾当日温差、发灾当日最高温、发灾当日最低温的关系。

图15 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、 发灾当日温差的关系(A3亚区)

图16 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、发灾当日最高温的关系（A3亚区）

图17 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、发灾当日最低温的关系（A3亚区）

图18 冰川型地质灾害点发育与前7 d有效雨量、当日雨量的关系（A3亚区）

由图18可知地质灾害点与与最高气温存在一个下限关系，均发生在最高温度≥18°,前期有效降雨与最高气温离散性较好，地质灾害发生与前期有效降雨比当日降雨更加相关，因此选取有效降雨量与最高气温关系图进行拟合，其预警模型如图19所示。

图19 A3亚区冰川型地质灾害温度-降雨预警模型

因此，昆仑山北麓A3亚区(海拔高程2 400～3 400 m)夏季6—9月冰川型地质灾害预警模型为

当M<fy(t,Rc)时，蓝色预警；当fy(t,Rc)<M<fo(t,Rc)时，黄色预警；当fo(t,Rc)<M<fr(t,Rc)时，橙色预警；当M>fr(t,Rc)时，红色预警。

4 结论与建议

以新疆伊犁谷地冻融型地质灾害与昆仑山北麓冰川型地质灾害为研究对象，在地质灾害发育规律与主要诱发因素分析的基础上，对新疆地质灾害进行预警亚区区划，根据温度指标和降雨指标与地质灾害关系分析，建立了温度-降雨双参数地质灾害预警模型。研究得出如下结论：

(1)新疆冻融型地质灾害主要分布在伊犁谷地，主要为春季温度升高和降雨诱发黄土滑坡，主要机制为春季温度升高引起坡体高水头地下水快速排泄，高动水压力诱发坡体结构失稳；冰川型地质灾害主要分布在昆仑山北麓，主要为冰川融水与暴雨诱发泥石流，具有垂直分带发育特征。

(2)选取灾害当日最高气温、最低气温、当日温差等参数，表征温度指标；选取当日雨量、灾害前7 d有效雨量表征降雨指标；温度指标与降雨指标作为预警模型的基础指标。根据新疆“三山夹两盆”地貌背景和历史地质灾害发育规律，对伊犁谷地冻融型地质灾害与昆仑山北麓冰川型地质灾害进行了预警亚区区划。

(3)根据温度-降雨双参数与地质灾害发育的相关关系，以当日最低气温、灾害前7 d有效雨量作为预警参数，建立了伊犁谷地3—6月冻融型地质灾害预警模型；以当日最高气温、灾害前7 d有效雨量作为预警参数，建立了昆仑山北麓6—9月冰川型地质灾害预警模型。

由于冻融型地质灾害与冰川型地质灾害数据样本不足，暂时无法对温度-降雨双参数预警模型进行校验；另外，由于部分气象站点与地质灾害点距离较远，一定程度上影响了预警模型的精确性，下一步将结合新疆区域地质灾害预警工作，对预警模型进行校验和完善。

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水利水电技术（中英文）

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