四川省泥石流災害的時空分布規(guī)律和降水特征*

楊紅娟，韋方強，馬振峰，江玉紅

(1. 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2. 中國科學院·水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3. 四川省氣候中心，四川 成都 610071)

四川省泥石流災害的時空分布規(guī)律和降水特征*

楊紅娟1,2，韋方強2，馬振峰3，江玉紅2

(1. 中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室，四川 成都 610041；2. 中國科學院·水利部成都山地災害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3. 四川省氣候中心，四川 成都 610071)

四川省是我國泥石流災害最嚴重的省份之一，掌握其災害分布規(guī)律是有效開展災害防治的基礎。為此，根據(jù)1990-2007年四川省619起泥石流災害數(shù)據(jù)和152個氣象站的降水資料，統(tǒng)計分析了泥石流災害的時空分布規(guī)律和降水特征。結(jié)果顯示四川省泥石流災害空間覆蓋范圍廣，泥石流高發(fā)區(qū)主要分布在安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶周圍；災害主要發(fā)生在6-8月，其年際分布和年內(nèi)分布均與暴雨雨量顯著相關，且具有夜發(fā)性特點；大部分災害發(fā)生時所在縣級行政單元氣象站所測雨量未達到大雨水平，群發(fā)性泥石流發(fā)生的當日雨量大于非群發(fā)性泥石流。此外，提出了現(xiàn)有雨量站網(wǎng)布設密度不能滿足泥石流預報需求的問題。

泥石流；分布規(guī)律；降水特征；四川

四川省位于我國大的地勢階梯的第一級和第二級的過渡地帶，境內(nèi)地質(zhì)條件復雜，新構造活動強烈，加之降水豐富，泥石流災害發(fā)生頻繁。國土資源部1999-2008年部署實施的山區(qū)丘陵縣(市)地質(zhì)災害調(diào)查結(jié)果顯示，四川省泥石流災害數(shù)量為3 171處，占全國泥石流災害總數(shù)的11%，僅次于西藏和甘肅[1]。泥石流具有暴發(fā)突然、沖擊力大、淤埋能力強的特點，而且可能堵塞主河形成二次災害，發(fā)生時往往給當?shù)厝嗣袢罕姷纳敭a(chǎn)造成巨大損失。例如，2003年6月20日，涼山州普格縣爆發(fā)了一場大型泥石流，造成10人死亡，48人受傷，直接經(jīng)濟損失約100萬元[2]。

掌握泥石流災害的分布規(guī)律是開展泥石流災害防治的基礎。許多地質(zhì)或氣象工作者對四川省泥石流災害的分布特征進行了研究，大多數(shù)研究集中于全省或某個流域泥石流的空間分布規(guī)律及其影響因素分析[3-7]，一些研究者在此基礎上開展了泥石流的危險性區(qū)劃[8-10]，但是對泥石流災害時間分布規(guī)律的研究很少。郁淑華[11]對四川省的泥石流、滑坡時空分布特征進行了分析，由于將兩種地質(zhì)災害合并起來開展研究，難以反映泥石流災害自身的特點?；诖耍疚募氈路治隽?990-2007年四川省的泥石流災害資料，研究泥石流活動的時空分布特點，以及泥石流活動的降水特征，以增強對泥石流活動規(guī)律的認識。

1 研究區(qū)概況

四川省位于97°21′ ～108°31′ E，26°03′ ～34°19′ N之間，總面積48.6萬km2。

1.1 地形地貌

四川省跨越青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地和四川盆地，地勢從西北向東南傾斜。境內(nèi)地形起伏大，山區(qū)面積占2/3以上。以龍門山和大涼山為界，西部為川西高山高原和川西南山地，海拔多在3 000 m以上，主要山脈有岷山、邛崍山、大雪山和沙魯里山，基本呈南北走向。最高峰為大雪山主峰貢嘎山，海拔7 556 m。其中川西主要為山原地貌和高山峽谷區(qū)，西南主要為次高山和中山峽谷區(qū)[12]。東部為四川盆地和盆緣山地，海拔多為500～3 000m，主要山脈有龍門山、米倉山、大巴山和大婁山。其中四川盆地以平原、丘陵地貌為主，最高點為華鎣山主峰，海拔1 704 m。盆緣山地以中低山為主，平原、丘陵零星分布于山地之間。

1.2 地質(zhì)環(huán)境

四川省大地構造單元格局以龍門山—鹽源一線為界，東為相對穩(wěn)定的揚子準地臺區(qū)，西為相對活動的松潘-甘孜地槽褶皺系，北為秦嶺褶皺系，西南為三江褶皺系[4]。不同的構造單元形成了不同的工程地質(zhì)巖組結(jié)構類型：東部地臺區(qū)主要為砂巖、泥巖和煤系頁巖構成的陸相碎屑巖類；西部地槽區(qū)以海相碎屑巖沉積為主，間夾碳酸鹽巖和火山巖、凝灰?guī)r等[13]。研究區(qū)活動斷裂十分發(fā)育，影響最大的斷裂為龍門山斷裂、鮮水河斷裂和安寧河斷裂，呈“Y”字形分布。最近50年來，研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的三次7級以上的強震(爐霍地震，1973；松潘-平武地震，1976；汶川地震，2008)均位于這些斷裂帶上。

1.3 氣象水文

四川省位于亞熱帶范圍，因地貌差異和不同季風環(huán)流的影響，氣候的區(qū)域差異顯著。川西南山地、四川盆地和周邊山地為亞熱帶季風氣候，年均溫12～20°C，年降水量多為800～1 200 mm，盆周山地多于盆底丘陵區(qū)。降水中心為盆地西緣的雅安，年降水量超過1 680 mm[14]。川西高山高原區(qū)為高原大陸性氣候，年均溫4～12°C，年降水量600～800 mm。全區(qū)干、雨季分明，5-10月降水量占全年的80%左右。研究區(qū)河流密布，除西北部的黑河和白河自南向北匯入黃河外，其他均為長江水系，主要河流有雅礱江、大渡河、岷江和嘉陵江。

2 數(shù)據(jù)來源

本研究所用泥石流災害數(shù)據(jù)來自四川省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，數(shù)據(jù)年份為1990-2007年。期間研究區(qū)共發(fā)生有記錄的泥石流災害619起，其中有規(guī)模記錄的泥石流災害396起，包括小型泥石流279起，中型泥石流84起，大型泥石流14起，特大型泥石流19起。時間記錄方面，一部分事件時間記錄不完整，有月份記錄的泥石流共587起，有日期記錄的共561起，有發(fā)生時刻記錄的僅112起。

降水數(shù)據(jù)由四川省氣候中心提供，包括152個氣象站在研究期內(nèi)的逐年降水量、雨季(5-10月)逐日降水量。利用最鄰近法對氣象站雨量進行空間插值，可以得到研究區(qū)的面平均雨量。

3 泥石流災害的分布特征

3.1 空間分布特征

以地級行政單元為基礎統(tǒng)計研究期內(nèi)泥石流災害的數(shù)量和分布密度，結(jié)果列于表1。四川省的21個地級行政單元中，除遂寧、內(nèi)江、廣安、資陽4地外，其他地區(qū)在研究期內(nèi)均發(fā)生過泥石流災害，其中涼山州、阿壩州、甘孜州和雅安市發(fā)生災害最多，占泥石流災害總數(shù)的70%。從分布密度考慮，攀枝花市的泥石流災害最為嚴重，每萬km2的泥石流災害數(shù)為55.1，為研究區(qū)平均值(12.7起/萬km2)的4.3倍?；诳h級行政單元的統(tǒng)計結(jié)果表明，四川省的181個縣級單元中超過半數(shù)(99個)在統(tǒng)計期內(nèi)發(fā)生過泥石流災害，其中雅安市的石棉縣、天全縣，涼山州的寧南縣、德昌縣、西昌市、金陽縣、喜德縣，德陽市的什邡市、綿竹市，宜賓的筠連縣均為泥石流高發(fā)區(qū)，災害分布密度超過50起/萬km2。

表1 四川省各市州1990-2007年泥石流災害數(shù)量和分布密度

泥石流的形成需要三個基本條件：地質(zhì)條件、地形條件和水源條件，其中地質(zhì)條件和地形條件為下墊面因素，為泥石流提供物源和能量，水源條件為激發(fā)因素[15]。由于地質(zhì)條件與斷層分布關系密切，因此本研究以斷層分布和坡度作為下墊面條件，簡要分析其對泥石流空間分布的影響。圖1顯示了研究區(qū)的斷層分布、坡度和每個縣級單元的泥石流災害分布密度。圖1表明斷層分布對泥石流災害影響顯著，泥石流易發(fā)區(qū)主要分布在安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶周圍，在東部的七曜山斷裂和東南部的峨眉山-宜賓斷裂上也有零星分布。主要原因是斷裂帶上巖石相對破碎，在強降水作用下坡體容易發(fā)生失穩(wěn)破壞，為泥石流的形成提供物源。從地形上講，這些區(qū)域坡度較大，水石混合物在重力作用下容易流出溝谷。西部的鮮水河斷裂帶泥石流災害密度較低，以爐霍縣為例，在研究期內(nèi)共有3起泥石流災害，但是根據(jù)蔣瑜陽等[16]的野外調(diào)查研究，1989-2005年該縣發(fā)生了46起泥石流，表明本研究所用數(shù)據(jù)對災害的統(tǒng)計尚不夠全面。

圖1 四川省泥石流災害密度、坡度和斷層的空間分布

3.2 時間分布特征

3.2.1 初、終日期分析

對每年泥石流災害發(fā)生的初日、終日進行統(tǒng)計，表明泥石流災害最早出現(xiàn)在2月24日，發(fā)生地為涼山州美姑縣，最晚出現(xiàn)在10月11日，發(fā)生地為阿壩州小金縣。盡管災害初日在2-7月均有出現(xiàn)，但是絕大部分年份出現(xiàn)在5-6月，尤其集中在5月下旬到6月上旬，占39%，這與雨季的出現(xiàn)時間同步。從地域上看，初發(fā)災害除2003年發(fā)生于阿壩州外，其他年份均發(fā)生于四川省南部、中部和東部地區(qū)，尤其是涼山州和雅安地區(qū)，分別占44%和28%，高于兩地在泥石流災害總數(shù)中所占比例(26%和12%)。

災害終日在7-10月均有出現(xiàn)，其中9月頻率最高，統(tǒng)計時段內(nèi)有1/2年份災害終日發(fā)生于9月，有1/4年份發(fā)生于9月第4候。從地域上看，每年的最后一起災害在四川境內(nèi)各地均有分布，其中有7年發(fā)生于涼山州，占39%。

圖2 泥石流災害初、終日在各月出現(xiàn)的次數(shù)

分析表明，每年的泥石流災害數(shù)與初日的年積日存在顯著負相關關系，即當年泥石流災害初日越早，當年災害數(shù)量越多，如圖3所示。

圖3 泥石流災害初日的年積日與災害數(shù)量的關系

3.2.2 年際分布

圖4顯示了1990-2007年各年的泥石流災害數(shù)?？傮w而言，1990-1997年災害較少，2003-2007年災害較多。這可能和經(jīng)濟發(fā)展有關，經(jīng)濟越發(fā)達，建房、修路等人類活動越多，活動范圍也越大，泥石流發(fā)生時更容易引發(fā)災害。另一可能因素是2003年我國頒發(fā)了《地質(zhì)災害防治條例》，地質(zhì)災害的調(diào)查、統(tǒng)計工作更加全面。研究期內(nèi)，1998年、2003年和2007年發(fā)生的泥石流災害最多，分別為77起、83起和108起。

圖4 泥石流災害數(shù)量和暴雨雨量的年際變化

研究區(qū)內(nèi)1977-2007年沒有發(fā)生過7級以上的強震，考慮到7級以下的地震影響范圍相對較小，可以認為1990-2007年研究區(qū)的下墊面條件基本穩(wěn)定，因此泥石流活動主要與降水有關。分別統(tǒng)計各年泥石流災害數(shù)量與研究區(qū)平均年降雨量、雨季雨量、大雨雨量、暴雨雨量的關系，結(jié)果表明災害數(shù)量與暴雨雨量的相關性最高，相關系數(shù)為0.59。圖4顯示了各年的災害數(shù)量和暴雨雨量，可以看出，災害數(shù)量最多的3個年份對應的暴雨雨量均超過了120 mm，與其他年份相比處于較高水平；災害數(shù)量最少的1997年對應的暴雨雨量最少，為67 mm。

3.2.3 年內(nèi)分布

統(tǒng)計泥石流災害在各月的分布，結(jié)果如圖5所示。泥石流災害主要發(fā)生在6-8月，占災害總量的77%，其中7月份災害最多，達到221起，超過災害總量的1/3。7月份也是泥石流災害地域覆蓋范圍最廣的月份，所有發(fā)生過泥石流的地級行政單元在該月均有泥石流災害發(fā)生，即覆蓋率達100%，其次為8月份，覆蓋率為76%。

圖5 雨季各月的泥石流災害數(shù)量和平均暴雨雨量

分別分析各月災害總量與研究期內(nèi)該月的平均雨量、平均大雨雨量、平均暴雨雨量的關系，表明暴雨雨量與災害數(shù)量的相關性最為顯著，相關系數(shù)為0.946，災害數(shù)量最多的7月份對應的暴雨雨量也最大。

為了更細致的研究泥石流災害的年內(nèi)分布，對各旬的災害數(shù)量和平均暴雨雨量進行統(tǒng)計，結(jié)果如圖6所示(10月份的泥石流災害數(shù)量少，圖6中不再顯示)。7月上旬的災害數(shù)量最多，達到102起，其次是7月下旬和8月上旬。暴雨雨量的分布和災害數(shù)量的分布總體趨勢接近，但并不嚴格一致。暴雨雨量有兩個峰值，分別為7月中旬和8月中旬。二者的不一致可能源于兩個方面：①泥石流災害的群發(fā)性，例如2007年5月23日松潘縣發(fā)生22起泥石流災害，當年7月4日，小金縣發(fā)生8起泥石流災害，這些群發(fā)性泥石流在統(tǒng)計方面會增加數(shù)據(jù)的波動性；②泥石流災害的發(fā)生頻率地域差異顯著，但是暴雨雨量是空間上的簡單平均值。

圖6 5-9月各旬的泥石流災害數(shù)量和平均暴雨雨量

3.2.4 日內(nèi)分布

以2 h為時間間隔，對112起有發(fā)生時刻記錄的泥石流災害進行分析，統(tǒng)計災害的日內(nèi)分布，結(jié)果如圖7所示。20:00-22:00發(fā)生的災害最多，共35起，占比31%。該極值主要緣于2007年5月23日松潘縣發(fā)生的22起泥石流均位于該時段，去掉這些數(shù)據(jù)后，該時段泥石流災害占比降為14%，仍然處于較高水平?？傮w而言，災害發(fā)生在夜間的頻率高于白天，共有85起災害發(fā)生于20:00-6:00，占比72%。表明泥石流災害具有夜發(fā)性的特點，增加了災害的防范難度。

圖7 泥石流災害數(shù)量的日內(nèi)分布

4 泥石流災害的降水特征

上述關于泥石流災害的時間分布特征的分析表明，泥石流災害事件的發(fā)生與降雨密切相關。激發(fā)泥石流的降雨分為前期降雨和當日降雨兩部分，前者影響土壤含水量，后者對土壤含水量和徑流均有影響。距離泥石流發(fā)生日越遠，其降雨對泥石流形成的貢獻越小，因此前期有效雨量通常利用下式計算[17]：

(1)

式中：k為降雨衰減系數(shù)；n為計算天數(shù)；Pi為距離事件發(fā)生日i天的降雨量。k與蒸發(fā)強度、地表植被、巖土體性質(zhì)均有關，文獻中的取值范圍為0.78～0.85，一般取0.84。盡管該值是根據(jù)北美的數(shù)據(jù)計算得到，但是在世界其他許多地方的檢驗效果都較好[18]。文獻中關于n的取值也尚無定論，從3 d到30 d不等。Zhuang等[19]在陜西省開展的雨量和土壤含水量觀測表明，降雨結(jié)束7 d后土壤含水量基本穩(wěn)定，因此建議取7 d計算前期有效雨量。

以災害點所在縣級行政單元的氣象站所測雨量數(shù)據(jù)為基礎，取k=0.84，n=7分別計算每起泥石流災害發(fā)生時的前期有效雨量和當日雨量。將雨量數(shù)據(jù)從小到大排序，計算不同雨量對應的泥石流發(fā)生比例，結(jié)果如圖8所示。50%的泥石流災害發(fā)生時當日雨量不超過11 mm，前期有效雨量不超過21 mm，80%的泥石流災害發(fā)生時當日雨量和前期有效雨量均不超過43 mm。即約半數(shù)泥石流事件發(fā)生時當日無雨或小雨，絕大部分泥石流事件發(fā)生時當日雨量未達到暴雨水平。這和前述分析的泥石流災害數(shù)量與暴雨雨量關系最為密切這一點相矛盾，可能原因是降雨的局地性。根據(jù)殷水清等[20]對黃土高原地區(qū)中小流域日降雨空間分布特征的研究，黃土高原地區(qū)單站的代表面積為70～310 km2。本研究區(qū)的縣級行政單元面積絕大部分超過1 000 km2，有的甚至超過1萬km2，站點所測日雨量的代表性較差。由于同樣的原因，大型特大型泥石流發(fā)生時的雨量并沒有顯著大于中小型泥石流發(fā)生時的雨量。

圖8 不同雨量對應的泥石流災害事件累積百分比

為進一步分析群發(fā)性泥石流和非群發(fā)性泥石流發(fā)生的雨量條件，對引發(fā)泥石流的雨量數(shù)據(jù)進行分類。若某降雨事件當天在同一縣級單元內(nèi)引發(fā)了至少3起泥石流災害，稱之為群發(fā)性泥石流；若引發(fā)了1～2起泥石流災害，稱之為非群發(fā)性泥石流。分別對兩組雨量數(shù)據(jù)(包括當日雨量和前期有效雨量)從小到大排序，計算不同雨量對應的累積百分比，結(jié)果如圖9所示。引起群發(fā)性泥石流的日雨量總體而言大于引起非群發(fā)性泥石流的日雨量，前者中80%小于79 mm，后者中80%小于39 mm。兩類事件對應的前期有效雨量差異較小。群發(fā)性泥石流通常和較大范圍的降雨過程有關，如1998年7月1日西昌市發(fā)生了3起泥石流災害，不僅西昌市氣象站所測的當日雨量為78.6 mm，鄰近的德昌縣和冕寧縣氣象站所測雨量也較大，分別為51.9 mm和50.9 mm。此時，氣象站數(shù)據(jù)更具代表性。

圖9 引發(fā)不同類型泥石流災害的降雨事件的雨量分布

5 結(jié)論

本研究對1990-2007年四川省發(fā)生的泥石流災害的時空分布規(guī)律和降水特征進行了分析，初步得到如下結(jié)論。

(1)泥石流災害分布范圍廣，四川省半數(shù)以上的縣級行政單元發(fā)生過泥石流災害；災害高發(fā)區(qū)主要分布在安寧河斷裂帶和龍門山斷裂帶附近，尤其是涼山州、雅安和德陽的部分地區(qū)。

(2)泥石流災害初日多出現(xiàn)在5-6月，終日多出現(xiàn)在9月，且災害初日越早，當年災害數(shù)通常越多；年內(nèi)分布方面，災害集中發(fā)生于6-8月，占災害總數(shù)的77%；災害的年際分布和年內(nèi)分布均顯示災害頻次與暴雨雨量關系顯著；四川省的泥石流災害具有夜發(fā)性的特點。

(3)50%的泥石流災害發(fā)生時所屬縣級行政單元的氣象站所測當日雨量不超過11 mm，前期有效雨量不超過21 mm；誘發(fā)群發(fā)性泥石流的當日雨量大于誘發(fā)非群發(fā)性泥石流的當日雨量。

研究過程中發(fā)現(xiàn)本研究所用泥石流災害數(shù)據(jù)尚不夠全面，因此對泥石流高發(fā)區(qū)可能存在漏判。另外，氣象站觀測的雨量數(shù)據(jù)代表性不足，建議氣象、國土有關部門在山地災害高發(fā)區(qū)增加雨量站網(wǎng)布設密度，以期對山地災害預報提供更準確的數(shù)據(jù)支持。

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Abstract:Sichuan Province is one of the regions in China where debris flow hazards are significantly serious. In this study, 619 debris flow events which occurred during 1990-2007 in this region were employed to analyze the spatial and temporal distribution of debris flows. It suggests that more than half of the counties have been threatened by debris flows, with counties of high debris-flow incidence generally located along the Longmenshan fault or Anninghe fault. In addition, torrential rain plays an important role in the temporal distribution of debris flows, and most debris flows occurred between June and August, with the incidence during the nighttime higher than that during the daytime. Furthermore, precipitation data measured by 152 meteorological stations were utilized to investigate the characteristics of rainfalls that triggered these debris flows. It indicates that debris-flow triggering rainfalls are below 25 mm/day in most cases, and rainfalls that triggered a group of debris flow events are generally greater than those which triggered a single debris flow event. Moreover, this study reveals that the present rain gauge network is too sparse for debris flow forecast.

Key words:debris flow; distribution regularities; rainfall characteristics; Sichuan

《災害學》雜志征訂啟事

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Spatial-temporal Distribution of Debris Flows in Sichuan Province inChina and the Corresponding Rainfall Characteristics

YANG Hongjuan1, 2, WEI Fangqiang2, MA Zhenfeng3and JIANG Yuhong2

(1.KeyLaboratoryofMountainHazardsandLandSurfaceProcess,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China;3.SichuanClimateCenter,Chengdu610071,China)

楊紅娟，韋方強，馬振峰，等. 四川省泥石流災害的時空分布規(guī)律和降水特征[J]. 災害學，2017，32(4)：102-107. [YANG Hongjuan, WEI Fangqiang, MA Zhenfeng,et al. Spatial-temporal Distribution of Debris Flows in Sichuan Province in China and the Corresponding Rainfall Characteristics[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：102-107.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.018.]

X43；P642.23

A

1000-811X(2017)04-0102-06

2017-02-14

2017-03-27

四川省科技計劃項目(2015SZ0214)；國家自然科學基金項目(41671013)

楊紅娟(1982-)，女，河南許昌人，博士，副研究員，主要研究方向為山地災害基礎理論.E-mail: yanghj@imde.ac.cn

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.018