四川省康定市泥石流災害與降水預報閾值確定

王 敏,王嚴琪,孫樹峻,徐 瑗

（四川省甘孜藏族自治州氣象局，康定 626000）

引言

康定市地處川西高原和四川盆地的過渡帶，地形復雜，氣候多樣，年平均氣溫3.5～7.1℃，年降水量600～1000mm，4～9 月降水占全年降水量的90%，降水空間分布不均，呈由東南向西北減少的趨勢，其中東部地區(qū)在800mm 以上[1]。由于特殊的地形地貌影響，強降水的集中時段極易引發(fā)地質(zhì)災害。近年來，康定市境內(nèi)泥石流災害均造成不同程度的災害，嚴重影響了人民群眾的生產(chǎn)生活，制約著地區(qū)的社會、經(jīng)濟發(fā)展。2009 年7 月23 日康定魚通鎮(zhèn)發(fā)生泥石流，造成16 人死亡，38 人失蹤，省道S211 線公路多處中斷，直接經(jīng)濟損失約8700 萬元。2010 年6 月14 日康定捧塔鄉(xiāng)發(fā)生泥石流，造成23 人死亡，7 人受傷。因此，研究泥石流發(fā)生的原因并制訂科學的預報預警機制在防災減災中具有重要意義。

相關研究[2?11]已在泥石流與降水的關系以及泥石流災害預報等方面取得了一系列進展。薛建軍等[2]對區(qū)域性地質(zhì)災害氣象預報方法進行研究，從氣象的角度，基于對全國地質(zhì)災害預警區(qū)域的劃分，利用歷史地質(zhì)災害記錄以及歷史氣象資料，運用了日降水量、前期累計有效降水、連續(xù)降水天數(shù)作為預報因子，分區(qū)建立了全國范圍的區(qū)域氣象潛勢預報模型，并從2003 年6 月1 日開始投入業(yè)務應用，總體預報服務效果較好，取得了較好的社會效益。白學文等[3]利用鄉(xiāng)鎮(zhèn)加密雨量站，對玉溪滑坡、泥石流與降水關系及氣象預警預報做了研究，分析2004～2006 年不同地質(zhì)結構山體滑坡、泥石流與降水的關系，提出鄉(xiāng)鎮(zhèn)雨量點在氣象地質(zhì)災害中三站平均雨量應用方法，重點分析了觸發(fā)滑坡、泥石流的降水類型、降水強度和地質(zhì)結構，得出不同地質(zhì)結構和降水條件下的滑坡、泥石流等級預報指標，在結合降水預報和實況降水的基礎上建立玉溪市山體滑坡氣象預警預報等級。郁淑華等[4]通過對1991～2001 年四川盆地發(fā)生泥石流、滑坡災害的氣象成因(強降水)進行分析，得出了四川盆地不同的地質(zhì)地貌條件下泥石流、滑坡預測雨量標準，建立了四川盆地泥石流、滑坡產(chǎn)生的強降水預報方法。劉海知等[5]研究了四川省典型區(qū)域滑坡、泥石流與降水的關系，結果表明：四川省滑坡典型區(qū)域在川東地區(qū)，泥石流典型區(qū)域在阿壩州地區(qū)，15d 有效降水、3d有效降水與降水氣候特征間的關系密切，可分別作為典型區(qū)域滑坡、泥石流預報因子。譚萬沛等[6]建立了四川省泥石流預報的區(qū)域臨界雨量指標，并且研究了區(qū)域臨界雨量指標確定的幾種方法，結果表明：川西高原的臨界雨量最小，臨界日雨量為25～35mm，臨界小時雨量為15～20mm。總的說來，研究結果大多指出了日降水量、前期降水量及小時降水量均與泥石流的發(fā)生關系密切。本研究擬在揭示康定市境內(nèi)泥石流活動和降水時空分布關系的基礎上，探討引起泥石流的降雨量預報因子和閾值確定，為康定市泥石流災害的監(jiān)測預警及防治提供理論指導。

1 資料與方法

1.1 資料來源

2000～2019 年康定境內(nèi)發(fā)生的泥石流災害數(shù)據(jù)由州應急管理局提供。2000～2019 年降雨量資料由康定國家氣象站提供。所有泥石流發(fā)生點的降雨量取距離最近的氣象站數(shù)據(jù)，如果該站數(shù)據(jù)有誤或缺失，再按就近原則選其他站點雨量代替。所使用的區(qū)域自動氣象站數(shù)據(jù)和單雨量站數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制。

1.2 研究方法

本文對泥石流個例和降雨量的對應關系進行統(tǒng)計分析。有效雨量計算方法使用經(jīng)驗公式計算，降雨量區(qū)間概率數(shù)計算采用回歸分析法、最小二乘法等方法。研究將泥石流氣象風險等級分為5 級，分別確定出不同級別的雨量預報閾值。

2 康定市地質(zhì)地貌概況

康定市境地處四川盆地西緣山地和青藏高原的過渡地帶，地勢由西向東傾斜。地跨29°08"～30°46"N、101°02"～102°30"E，轄區(qū)面積1.16 萬km2。大雪山中段的海子山、折多山、貢嘎山由北向南縱貫縣境，將其分為東西兩大部分，西部和西北部為丘狀高原及高山深谷區(qū)。東部為高山峽谷，多數(shù)山峰在5000m 以上，市境內(nèi)海拔最高點為“天府第一峰”貢嘎山主峰，最低點在大渡河。大渡河流經(jīng)境內(nèi)，境內(nèi)山高坡陡，河谷幽深，峰巒重疊，溝壑交錯，地形起伏大，地勢西高東低，新構造運動強烈，形成典型的高山峽谷地貌。河流兩岸支溝發(fā)達，與大渡河成正交分布，在其交匯處多形成洪積扇或洪積錐地貌，河谷或溝谷均呈“V”型，谷緣到谷底相對高差較大，一般在2000～3000m，最高達到6500m。新構造運動成為康定市泥石流松散固體物質(zhì)補給來源最基本的因素[12?13]。加之人類開發(fā)活動頻繁，境內(nèi)共發(fā)育泥石流溝140 余條，泥石流類型多樣，并且汛期降水時段集中，泥石流災害成為康定市最嚴重的地質(zhì)災害（圖1）。

圖1 康定市主要泥石流溝空間分布

3 康定市泥石流災害與降水的關系

泥石流的發(fā)生是一個由多種自然因素包括人為因素共同作用下的從緩慢變化到突變的復雜過程，但在一定的地質(zhì)結構特征及環(huán)境條件下，降水（包括持續(xù)性降水和短時強降水）是泥石流的最主要的誘發(fā)因素[14]。降水增加了巖土的含水量，軟化巖土體，引起地表土層被沖刷，發(fā)生水土流失，降低斜坡的穩(wěn)定性，從而造成了泥石流發(fā)生[15]。由于造成重大災害損失的主要是中型泥石流及以上的災害，因此本文著重研究中型及以上泥石流災害等級與降水的關系。經(jīng)普查，2000～2019 年康定市共發(fā)生52 起造成災害的中、大型泥石流，均因降雨因素引發(fā)，且多發(fā)生在地質(zhì)災害易發(fā)區(qū)。

3.1 康定市泥石流災害與降水的空間關系

依據(jù)2000～2019 年期間泥石流災害資料，分別統(tǒng)計不同地域和24h 內(nèi)不同時段出現(xiàn)的泥石流災害次數(shù)與其對應的降雨日數(shù)、降雨量及降雨強度。結果表明：康定市境內(nèi)各地均有發(fā)生泥石流災害的可能性；市區(qū)附近的爐城街道辦、雅拉鄉(xiāng)靠近城區(qū)地域占27.1%；魚通鎮(zhèn)、麥崩鄉(xiāng)、姑咱鎮(zhèn)、孔玉鄉(xiāng)沿大渡河河谷地帶占41.7%；捧塔鄉(xiāng)、金湯鎮(zhèn)的大部分地帶占20.8%；沿營九線從松林口開始至貢嘎山鎮(zhèn)境內(nèi)色巫絨河等地的河谷地帶和雅拉鄉(xiāng)至爐城街道至老榆林的大渡河右岸等地的高山峽谷區(qū)占10.4%；康定市折多山東部地區(qū)特別是大渡河沿岸一帶是泥石流極易高發(fā)區(qū)，折多山以西地區(qū)發(fā)生泥石流的概率相對較小。從相應的降雨量看，折多山東部地區(qū)平均降雨日數(shù)150～173d，平均降雨量630～858mm，整體多于折多山以西地區(qū)的131～152d 和623～783mm。折多山東部地區(qū)（康定東部地區(qū)）最大小時降雨量為33.7mm，最大日降雨量為65.4mm；折多山西部地區(qū)（康定西部）最大小時降雨量為22.3mm，最大日降雨量為50.6mm。綜合分析來看：降雨量大、降雨日數(shù)多、降雨強度大的折多山東部地區(qū)泥石流發(fā)生頻率高于降雨量小、降雨日數(shù)少、降雨強度小的折多山西部地區(qū)。

3.2 康定市泥石流災害與降水的時間關系

分析2000～2019 年發(fā)生的52 起泥石流災害個例可知：年降水量超過多年年平均量值的有8 年；在發(fā)生較多（泥石流發(fā)生次數(shù)≥4 次）泥石流的年份，年降水量均較多年平均值偏多年份占57.1%；2017 年偏多最多（16.0%），全年共發(fā)生五起泥石流災害。可見泥石流的發(fā)生率與年降雨量有一定的關聯(lián)性，即降雨強度較大的年份發(fā)生泥石流的概率亦較高，但這種規(guī)律不存在普遍性，泥石流的發(fā)生與單次暴雨強度和持續(xù)降雨過程的累計降雨量以及久旱轉雨等因素的關系更為密切。

分析統(tǒng)計了泥石流發(fā)生次數(shù)所對應月份占比（圖2）：6 月為34.6%，7 月為28.9%，8 月為21.2%，5 月為9.6%，9 月為3.8%、4 月為1.9%。可見康定市泥石流災害在4～9 月均有可能發(fā)生，相對集中時段在6～8 月。對應的歷年平均降雨量：4 月為63.3mm，5 月為108.3mm，6 月為173.5mm，7 月為124.3mm，8 月為119.0mm，9月為128.7mm，10 月為52.5mm。在每年4～10 月是康定降水集中的季節(jié)，6～9 月總降雨量大，雨日多，但在6～8 月短時降雨強度大，9 月以連陰雨天氣為主?？梢?，泥石流發(fā)生與總降雨量的大小和短時強降水的強度有密切關系，降雨量大且降雨強度強的月份易發(fā)生泥石流災害。

圖2 2000～2019 年康定市泥石流發(fā)生數(shù)與暴雨的逐月關系 與作者確定是暴雨次數(shù)還是降雨次數(shù)？

3.3 泥石流發(fā)生時日最大短時強降水的變化

根據(jù)康定氣象站提供的鄉(xiāng)鎮(zhèn)單雨量站和區(qū)域站降水數(shù)據(jù)，結合泥石流發(fā)生情況，分析降水強度、降水時間、前期累計降水量誘發(fā)泥石流的概率。其中，降水強度是指在一定時間內(nèi)降水量的多少，通常是用1h、3h 和1d 的降水量來衡量。短時強降水是指短時間內(nèi)降水強度較大，一般1h 降水量超過20.0mm 的天氣現(xiàn)象[16]。短時強降水具有突發(fā)性強、來勢猛、降水時間集中等特點，因此短時強降水常常會造成城鎮(zhèn)內(nèi)澇、山體滑坡等氣象衍生災害。但是在高原地區(qū)，由于地質(zhì)結構各種因素的影響，小時降雨量<20.0mm時也可能引發(fā)泥石流災害。統(tǒng)計康定市有短時強降水資料的泥石流共40 次，有2 次小時降水量>20.0mm，占5.0%；有30 次小時降水量15.0～20.0mm，占75.0%；6 次小時降水量在10.0～14.9mm，占15.0%；2 次小時降水量≤10.0mm，占5.0%。從泥石流發(fā)生當日短時強降水發(fā)生的時間段（圖3）來看，60.0% 發(fā)生在19:00～02:00，30.0% 發(fā)生 在14:00～19:00，10% 發(fā)生在02:00～08:00，08:00～14:00 沒有強降水發(fā)生的記錄。由此可見，康定市強降水出現(xiàn)頻率最高的時段與泥石流高發(fā)時段相吻合；短時強降水的雨強越大，發(fā)生災害的風險越大；強降水出現(xiàn)頻率最高的時段也是泥石流高發(fā)時段。

圖3 2000～2019 年康定市泥石流發(fā)生數(shù)與短時強降水發(fā)生時段的動態(tài)關系

4 康定市泥石流災害降水預報因子閾值

4.1 方法

（1）泥石流氣象風險預警等級

泥石流氣象風險等級共分為5 個等級，而泥石流氣象風險預警等級共分為4 個等級，分別對應泥石流氣象風險等級4 級到1 級，泥石流氣象風險等級5 級為泥石流風險較低，一般不發(fā)預警。

4 級：藍色預警，表示預警區(qū)內(nèi)泥石流氣象風險有一定風險。

3 級：黃色預警，表示預警區(qū)內(nèi)泥石流氣象風險較高。

2 級：橙色預警，表示預警區(qū)內(nèi)泥石流氣象風險高。

1 級：紅色預警，表示預警區(qū)內(nèi)泥石流氣象風險很高。

（2）雨量閾值的確定

1h、3h 雨量閾值用泥石流個例統(tǒng)計分析得出。

（3）有效雨量的計算

本文在分析地質(zhì)災害與前期降雨的關系時，考慮災害發(fā)生前7 天和災害發(fā)生當天的降雨量及累計雨量。根據(jù)石興瓊等[17]和沈毅等[18]的研究，有效雨量公式為：

式中：Rn為災害發(fā)生前n天 有效雨量，Ri為災害發(fā)生前第i天的雨量，0.8i為第i天的雨量衰減系數(shù)，災害發(fā)生當天i=0，災害發(fā)生前一天i=1，……。

4.2 1h 和3h 降雨量閾值

通過對康定市有小時降雨的資料個例統(tǒng)計，1h 降雨量≥20mm 有2 個，1h 降雨量10～20mm 有36 個，1h降雨量5～10mm 有53 個。分析對應發(fā)生的泥石流災害可知：1h 降雨量>20mm 的均發(fā)生了泥石流；1h 降雨量10.0～20.0mm 的 有36 次發(fā)生泥石流；1h 降雨量5～10mm 的有2 次發(fā)生泥石流。統(tǒng)計相應時段3h 降雨量分別是>45.0mm/3h、15～45mm/3h、10.0～14.9mm/3h。通過對比災害當日降水量以及前7 天降雨量資料，并綜合考慮泥石流發(fā)生地的地質(zhì)狀況等因素，根據(jù)泥石流氣象風險對應的五個等級，綜合確定出1h 和3h 降雨量預警閾值：當降水強度<10mm/h、20mm/3h 時，有出現(xiàn)泥石流的可能性，泥石流災害氣象風險等級為4～5 級；當降水強度達到10～20mm/h、21～35mm/3h 時，發(fā)生泥石流的可能性較大，風險等級為3 級；當降水強度達到21～35mm/h、36～50mm/3h 時，泥石流發(fā)生的可能性大，風險等級為2 級；當降水強度>35mm/h、50mm/3h 時，泥石流發(fā)生的可能性極大，風險等級為1 級。

4.3 前期有效降雨量閾值

4.3.1 降雨量總體分布特征

通過分析泥石流記錄和泥石流發(fā)生前0～7 天有效降雨量，得出降雨量與泥石流的相互關系，找出各時間尺度降雨量的分布區(qū)間，總結出臨界降雨量指標。確定各時間尺度降雨量與泥石流的相關程度(因子的重要性)，用于確定預警模型中各因子的權重，提高泥石流氣象風險預報模型的精度。

取5mm 為一區(qū)間，分別計算每一區(qū)間發(fā)生的泥石流數(shù)量占該區(qū)間歷史降水量的比例，即用不同量級降水的泥石流個數(shù)除以該量級降水出現(xiàn)的天數(shù)，得到不同降雨量級下每天可能發(fā)生的泥石流個數(shù)（概率），來確定泥石流風險等級。由于日降水量采用的國家站資料，而與泥石流發(fā)生地區(qū)域站降水量有一定差別，可能造成分母為0，分子不為0 的情況，故將分母為0的數(shù)據(jù)做無效處理。結果如表1 所示，泥石流當天雨量對泥石流敏感性最好，發(fā)生泥石流當天平均雨量達到了23.43mm；其次是前1 天和前2 天平均雨量超過10mm；而前6 天到前7 天敏感性相對較差，平均雨量分別為6.77mm、5.85mm。從泥石流發(fā)生前的平均有效雨量來看，誘發(fā)康定泥石流的強降雨主要發(fā)生在泥石流發(fā)生當天以及災害發(fā)生前2 天的累計降水，第3天到第7 天的平均降雨量變化不大。

表1 康定市泥石流災害發(fā)生時降雨量分布情況

4.3.2 降雨量區(qū)間概率數(shù)的計算

用于泥石流災害分析的雨量數(shù)據(jù)一般是當天及前幾天（每天）的雨量記錄，有些地區(qū)也選用小時甚至分鐘雨量來進行分析，但是考慮到泥石流發(fā)生的特點以及本地的實際監(jiān)測情況，當天及前幾天的雨量則成為最重要、最通用的分析數(shù)據(jù)。但是由于地表徑流的產(chǎn)生、水分的蒸發(fā)等過程，使得進入巖土體的雨量小于實際記錄雨量，即記錄到的雨量特別是前期降雨不能全部對泥石流的發(fā)生產(chǎn)生影響。故本文采用前期有效降水量的概念[19]，所謂“前期有效降水量”是指災害發(fā)生前的降雨過程中對斜坡巖土體穩(wěn)定性產(chǎn)生作用的雨量。國外學者對此已做過相應的研究，并提出了計算進入巖土體雨量的經(jīng)驗公式[20]：

式中：ra0為 第 0 天的前期有效降水量，k為有效降水量系數(shù)(k≤1)，rn為前第n 天的降水量。有效降水量系數(shù)k表示巖土體對雨水滯留能力的大小，它由區(qū)域內(nèi)巖土體總體性質(zhì)決定，一般取0.65～0.85。盡管這一方法及k值是根據(jù)北美某地區(qū)的數(shù)據(jù)計算得到的，但是在世界其他許多地方的檢驗效果都比較理想[21]，本文取0.8。將R0～R7的降雨量進行回歸分析，采用最小二乘法進行參數(shù)估計。R2為回歸平方和與總離差平方和的比值，表示總離差平方和中可以由回歸平方和解釋的比。這一比例越大越好，模型越精確，回歸效果越顯著。R2取值介于[0，1]，R2越高，越接近1，回歸擬合效果越好，一般認為超過0.8 的模型擬合程度較高。其回歸方程如下：

式中：x分別為泥石流發(fā)生當天到前7 天累計有效雨量，y為泥石流可能出現(xiàn)的概率。

經(jīng)分析，降水量與泥石流發(fā)生的概率呈正相關，且呈指數(shù)函數(shù)增長態(tài)勢，故將降水量與發(fā)生地質(zhì)災害的概率用指數(shù)函數(shù)進行擬合（圖4）。

圖4 康定市降水量與泥石流發(fā)生概率的關系

4.3.3 泥石流氣象風險等級前期有效雨量閾值

將泥石流頻次y<0.1 定為發(fā)生泥石流風險較低，5 級；0.1≤y<0.4 定為發(fā)生泥石流有一定風險，4 級；0.4≤y<0.7 定為發(fā)生泥石流的風險較高，3 級；0.7≤y<1 定為發(fā)生泥石流的風險高，2 級；y≥1 定為發(fā)生泥石流的風險較很高，1 級。氣象風險預警各等級雨量閾值見表2（雨量四舍五入取整）。

表2 康定市泥石流氣象風險等級前期有效雨量閾值（單位：mm）

4.4 泥石流氣象風險等級預警因子關系確定

綜合考慮1h 預報降雨量、3h 預報降雨量、當日降雨量、前期有效降雨量作為降雨量預報因子，當其中一個因子預報等級為最高時，直接賦予權重系數(shù)為1，其他因子權重系數(shù)為0。

5 結論與討論

本文通過對康定市歷史泥石流災害資料與歷史氣象降雨資料進行統(tǒng)計分析，揭示了康定市泥石流災害與降雨的關系特征，并在此基礎上，研制了康定市1h、3h 降雨量誘發(fā)泥石流預警指標，主要結論如下：

（1）康定市境內(nèi)各地均有發(fā)生泥石流災害的可能性，東部是泥石流的高易發(fā)區(qū)；17:00～02:00 是泥石流發(fā)生的高發(fā)時段。泥石流災害發(fā)生與當日降雨量、短時強降雨、前期有效降雨量關系密切，雨強越大，發(fā)生災害的風險越大。泥石流災害對前7 天及以下累計有效降水條件較為敏感，前期有效累計雨量越大，發(fā)生的風險越大。

（2）當降水強度<10mm/h、20mm/3h 時，有出現(xiàn)泥石流的可能性，泥石流災害氣象風險等級為4～5 級；當降水強度達到10～20mm/h、21～35mm/3h 時，發(fā)生泥石流的可能性較大，風險等級為3 級；當降水強度達到21～35mm/h、36～50mm/3h 時，泥石流發(fā)生的可能性大，風險等級為2 級；當降水強度>35mm/h、50mm/3h時，泥石流發(fā)生的可能性極大，風險等級為1 級。

泥石流的氣象風險預報是以降水預報為基礎來進行的，客觀上要求降水預報更精細、更具體、更準確，包括降水量、降水持續(xù)時間、降雨落區(qū)、1 小時降水強度、出現(xiàn)時刻等。相信隨著預報技術的不斷發(fā)展和在對泥石流形成機理的進一步認識基礎上，泥石流預報將會有長足的發(fā)展，預報結果將會更加接近實際。從康定市的實際情況看，泥石流發(fā)生的次數(shù)比本文收集到的樣本要多，尤其是較小型的沒有形成明顯災情的樣本沒有進行收錄分析，還有下墊面水汽蒸發(fā)、近年來環(huán)境和植被的變化等許多因素沒有進行考慮，該項研究還需繼續(xù)深入。