氣候因素對蔣家溝泥石流輸沙量的影響分析研究
2015-04-20 11:51:16王裕宜
水土保持研究 2015年5期
田 冰, 王裕宜
(1.河北師范大學 資源與環境科學學院, 石家莊 050024; 2.河北省環境演變與生態建設實驗室,石家莊 050024; 3.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 成都 610041)
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氣候因素對蔣家溝泥石流輸沙量的影響分析研究
田 冰1,2, 王裕宜3
(1.河北師范大學 資源與環境科學學院, 石家莊 050024; 2.河北省環境演變與生態建設實驗室,石家莊 050024; 3.中國科學院 山地災害與地表過程重點實驗室, 成都 610041)
根據云南小江流域蔣家溝泥石流1965—2007年的觀測資料與會澤氣象站1961—2005年的氣象資料，采用相關分析法，詳細分析了蔣家溝泥石流輸沙量與氣候因素特別是降雨的相關性。分析結果表明：蔣家溝泥石流輸沙量與年降水量、年極端降水量和夏季極端降水量呈現出很好的正相關關系，分別通過了α=0.01，α=0.05的置信度檢驗，隨著降水量以及極端強降水的增加，泥石流輸沙量都表現出增加的趨勢。盡管隨著夏季氣溫的增加會影響泥石流形成的土源條件的含水量，但因為降水因素的對泥石流啟動的影響要遠遠大于氣溫因素，因此在以變暖、變濕為特征的小江流域氣候變化的背景下，泥石流輸沙量呈現出增加的態勢。
相關分析; 泥石流; 輸沙量; 氣候變化
氣候變化的影響是全方位、多尺度、多層次的，正面和負面影響并存，但它的負面影響更受關注。全球氣候變暖，極端異常氣候事件頻率的增加[1-2]，造成了全球水土流失與生態環境的惡化，這些已經危及到人類的生存空間。長江流域是全球氣候變化區域響應的重要地區之一[3]，而長江上游金沙江下游的小江流域是降雨型泥石流災害頻繁暴發的典型區域[4]，該區域氣候因子的年內和年際變化對泥石流暴發的規模和頻率具有重要的影響。陡峻的地形、豐富的松散固體物質、充沛降水是泥石流發生的3大條件。在特定的區域內，如果未發生大的地質活動，形成泥石流的陡峻地形、豐富的松散固體物質在一定時段內不會變化，降水就成為泥石流形成的最活躍因素。為了將泥石流災害所造成的損失減輕到最小，研究氣候因子變化對泥石流活動的影響，提前做好年際間的防御工作，這是一種重要的防災減災途徑。
位于小江流域右岸的蔣家溝是典型的降雨型泥石流溝，其特殊的地質和地貌條件，使得該流域坡面和溝道泥石流源地的產沙、產流臨界雨量、雨強均較低，在一年中可暴發數至數十次泥石流。在全球變暖的大背景下，該區域氣候也呈現出變暖、變濕的趨勢，特別是20世紀90年代以來，氣溫升高，降水顯著增加，強降水事件出現的頻率也呈現出增加的趨勢，這些氣候變化導致泥石流暴發的頻率增加，規模增大。在地形條件和松散固體物質來源沒有大的改變的前提下，該溝泥石流發生、發展的規模和頻率主要受降雨的周期性、季節性和突發性等因素的控制和制約[5-6]。本文根據小江流域會澤站1961—2005年氣象數據以及蔣家溝流域1965—2007年泥石流輸沙資料[7-8]，對由于氣候因子變化引起的泥石流活動的影響進行詳細分析，以期找到泥石流活動在氣候變化大背景下的變化規律，以便為當地的生產實踐活動提供理論指導和依據。
1 數據來源及處理方法
由于蔣家溝流域(1982—2004年)的降水資料觀測困難，完整性較差，而云南會澤站(1961—2005年)的國家氣象資料數據時間系列長，完整性好，且蔣家溝泥石流的形成區和會澤站處于同一高度的雨區。本文擬采用云南會澤站的氣象資料研究蔣家溝流域泥石流活動對氣候因子的響應，但由于兩地在地理位置上有一定的距離，因此將蔣家溝流域平均降水資料(1982—2004年)和會澤站的同期降水資料進行相關性分析。
相關性分析[9]是研究兩個變量間線性關系的程度，用相關系數r來描述，計算公式為：
(1)
對相關系數r的統計檢驗時計算統計量t[10]：
(2)
如果變量Y與X間是統計關系，-1
將23 a(1982—2004年)間的蔣家溝5個觀測站的平均降水數據和會澤站降水數據，進行了相關分析。由分析結果可知，蔣家溝流域平均降水與會澤站降水相關系數為0.813，為高度相關，另外，從圖1也可以看出，兩站在1982—2004年的降水變化趨勢基本一致，因此本文采用會澤站的降水資料進行有關分析。
圖1 1982-2004年蔣家溝流域平均降水量與會澤降水量比較曲線
2 泥石流輸沙量與降水量的關系
泥石流的輸沙量不僅反映了泥石流形成區的獨立環境特征和泥石流的搬運能力，也反映了泥石流規模的大小。
2.1 泥石流輸沙量與年降水量、季節降水量的相關分析
在同一條泥石流溝中，流域內的物質條件、溝床條件在一定時間內是相對穩定的，而降雨條件的時空變化對泥石流的產生及形成規模的大小都有很大的關系。本文采用相關分析法，對多年平均降水量和各季節降水量和泥石流輸沙量進行相關性分析，各降水要素與泥石流輸沙量的相關系數如表1所示。
表1 蔣家溝泥石流年輸沙量與會澤站降水因素的相關系數
注：**代表通過0.01(p=99%)置信度檢驗，*代表通過0.05(p=95%)置信度檢驗，下表同。
從表1可以看出，在各降水要素中，年降水量與年輸沙量的相關系數最大，為0.540，達到α=0.01檢驗，這說明年降水量在泥石流輸沙量中起到了重要作用，雖然蔣家溝暴雨型泥石流多在雨季暴發，但是旱季降水量的多少在某種程度上可以改變土體的濕潤程度，相對增加了泥石流暴發前的前期降水量。其次是夏季降水量，這主要因為：一是夏季降水量占到全年降水量的比重最大；二是由于降水型泥石流大多在夏季發生，所以其相關系數較大。而春季降水量在全年降水量中的比重最小，其相關性相對也是最差的。
由圖2可以看出，蔣家溝流域泥石流輸沙量與降水量變化趨勢在個別年份上有所差別，大多數年份都是同步的。蔣家溝泥石流輸沙量在1968年開始減少，在1972—1982年有幾次小的波動，1982年后又呈現出增加的趨勢，之后一直是波動式上升，到2000年后開始下降。這與會澤的降水趨勢基本一致，泥石流輸沙量大的年份也恰好是降水量多的年份，如1997年泥石流輸沙總量為657萬m3，是多年平均值的近3倍，降水量為1 034.4 mm，也比多年平均降水多出了200 mm。而在輸沙量少的年份，也正是降水量較少的年份，如1969年。這說明了蔣家溝流域泥石流規模大小的主要驅動因素是大氣降水，隨著降水量的增加，輸沙量呈現出增加的趨勢(圖3)。
圖2 1965-2002年年降水量與輸沙量對應關系
圖3 年降水量與輸沙量關系
2.2 泥石流輸沙量與極端強降水的相關分析
近些年來，全球氣候變暖背景下的極端降水事件的變化引起了廣泛關注，有關學者的研究表明長江上游金沙江水系的極端強降水量呈現顯著增加趨勢[11]，這與一些相關研究分析的小江流域極端強降水量在1961—2002年顯著增加的結論相一致[12]。小江流域降水的年內和年際變率大，隨著氣候變暖導致印度洋海洋溫度增加，夏季風的水循環進一步加快，降水時空分布可能更加不均勻，本流域處于烏蒙山西坡，呈東西走向，東高(最高點為3 269 m)西低(最低點為1 042 m)，正對著印度洋夏季風的前進方向，為迎風多雨區。夏季常常會產生中尺度對流云團，這些云團生命史很短，但會產生局地強對流降水天氣[11]。這些都有可能導致極端氣候事件的發生，它們對流域內泥石流暴發的規模和頻率，都會產生重要的影響。
對于不同的地區，極端強降水事件是不能完全用全國統一固定的日降水量簡單定義的。因此在云南會澤站的極端強降水事件的選取上，采用百分位的方法，把第95個百分位值作為極端值的閾值，當該站的某日的降水量超過該閾值，就稱之為極端降水事件[13-14]。通過對會澤站1961—2002年逐日降水資料的統計匯總，得出該站的極端強降水事件的閾值為13.6 mm。本文以小江流域會澤站1961—2002年發生的年強降水事件和夏季強降水事件，分析它們對泥石流輸沙量大小的敏感程度。極端強降水要素與泥石流輸沙的相關系數如表2所示。
表2 蔣家溝泥石流年輸沙量與會澤站強降水因素的相關系數
從表2可以看出，在極端強降水的要素中，年極端降水量和年極端降水事件發生的天數與年輸沙量的相關系數較大，其中年極端降水量通過了α=0.05的置信度檢驗，這說明年極端降水在泥石流輸沙量中起到了一定的作用。
由圖4—5可以看出，蔣家溝流域泥石流輸沙量與極端降水量變化趨勢在1961—2002年表現基本一致。這主要因為該流域的年極端降水占到全年降水的57.2%，而且蔣家溝流域的暴雨中心都出現在2 500～3 000 m地帶，正好與泥石流形成區同位，根據蔣家溝流域1995—1997年43場泥石流輸沙觀測數據和降水資料的統計分析，表明由強降水引發泥石流的輸沙量占到輸沙總量的近40%[15]，所以年極端降水量大的年份，蔣家溝泥石流輸沙量也呈現出增加的趨勢，而年極端降水少的時段內，泥石流的規模也較小。
圖4 1965-2002年極端強降水量與輸沙量對應關系
夏季正是泥石流暴發最集中的季節，而小江流域的夏季極端降水量以及降水天數均占到了全年極端降水的65%以上，因此夏季極端強降水量的多寡對泥石流災害的暴發規模的大小也起著極為重要的作用。從表2中可以看出，在夏季極端降水要素中，夏季極端降水量和夏季極端降水事件發生的天數與年輸沙量的相關系數較大，其中夏季極端降水量通過了α=0.05的置信度檢驗。從圖6中可以看出，隨著夏季極端降水量的增加，輸沙量也呈增加趨勢。
圖5 極端降水量與輸沙量關系
圖6 夏季極端降水量與輸沙量關系
2.3 泥石流輸沙量與溫度的相關分析
流域內氣溫變化作為熱量指標對泥石流的影響主要表現在：(1) 影響流域的蒸發量，從而影響了泥石流形成的土源條件——固體物質的土壤含水量程度；(2) 改變流域高山區降水形態；(3) 改變流域下墊面與近地面層空氣之間的溫差從而形成流域小氣候，從而對泥石流形成的降水條件產生影響。
近幾十年的觀測資料顯示，小江流域氣溫呈明顯的上升趨勢，本文選取流域1970—2002年的多年平均氣溫和各季節平均氣溫，分析它們在泥石流活動中的貢獻。其單因素相關系數如表3所示。
表3 蔣家溝泥石流年輸沙量與會澤站氣溫因素的相關系數
由表3可以看出，氣溫要素與輸沙量呈負相關關系。其中夏季氣溫與年輸沙量的相關系數較大，并且通過了α=0.05的置信度檢驗，其次是年均溫，其他各季節均溫的相關性都較小。這主要因為夏季溫度較高，對流域內蒸散發以及物質風化都能產生一定的影響，而該流域暴雨型泥石流大多數都形成于夏季，因此其相關性也比其他季節的好。由圖7可以看出，隨著夏季溫度的升高，輸沙量表現為減少的趨勢。這主要因為溫度升高，流域的蒸發量增大，影響了土體表層，但僅僅是對很薄的表層有抑制作用，在某種程度上影響了泥石流形成所需土源—固體物質的土壤含水量程度，從而對泥石流規模有一定程度的影響，特別是以前期降水型為主的暴雨型泥石流[13]。
圖7 夏季均溫與輸沙量關系
由圖8可以看出，輸沙量與降水、氣溫之間為明顯的非線性關系，在溫度不變的情況下，輸沙量隨降水量的增加表現增加的趨勢，而在降水量不變的情況下，輸沙量隨夏季溫度的升高，總體趨勢顯示為小幅減小，但是在降水量和溫度都增加的情況下，輸沙量呈現出增加趨勢。
圖8 小江流域夏季均溫、降水量與輸沙量的相關關系
3 結 論
(1) 蔣家溝泥石流輸沙量與年降水量的相關性最好，系數為0.540，通過了α=0.01的置信度檢驗，這是因為蔣家溝暴雨型泥石流雖然多在雨季暴發，但是旱季降水量的多少在某種程度上可以改變土體的濕潤程度，相對增加了泥石流暴發前的前期降水量，其次是夏季降水量，說明降水量在泥石流輸沙量中起到了重要作用。而在極端降水中，泥石流輸沙量與年極端降水量和夏季極端降水量的關系都比較密切，均通過了α=0.05的置信度檢驗，隨著降水量的增加，輸沙量也表現為增加的趨勢。
(2) 泥石流輸沙量與氣溫因素則呈現出負相關關系，其中與夏季氣溫的相關性較好，隨著夏季氣溫的增加，輸沙量呈現為減少的趨勢，主要是因為溫度升高，流域的蒸發量增大，影響了土體表層，但僅僅是對很薄的表層有抑制作用，在某種程度上影響了泥石流形成所需土源——固體物質的土壤含水量程度，從而對泥石流規模的大小產生一定程度的影響。
(3) 泥石流輸沙量與降水、氣溫之間表現為明顯的非線性關系，在溫度不變的情況下，輸沙量隨降水量的增加基本表現增加的趨勢，而在降水量不變的情況下，輸沙量隨夏季溫度的升高，總體趨勢小幅減小，在降水量和溫度都增加的情況下，輸沙量呈現增加趨勢，降水因素的影響要遠遠大于氣溫要素。
致謝：作者深深地感到本項研究無論是38年的氣象觀測資料的獲得，還是近48年泥石流侵蝕輸沙量的觀測資料的獲得，都凝聚著二代人長期野外工作的艱辛。在此作者對國家氣象觀測站與中國科學院東川泥石流觀測研究站的新老同仁們表示最誠摯的敬意和感謝。
[1] 蘇布達,姜彤.長江流域降水極值時間序列的分布特征[J].湖泊科學,2008,20(1):123-128.
[2] 張小玲,陶詩言,衛捷.20世紀長江流域3次全流域災害性洪水事件的氣象成因分析[J].氣候與環境研究,2006,11(6):669-682.
[3] Plummer N, Salinger M J, Nicholls N, et al. Changes in climate extremes over the Australian region and New Zealand during the twentieth century[J]. Climatic Change,1999,42(1):183-202.
[4] 任洪玉,趙健.長江上游滑坡泥石流災害現狀與預警系統建設探討[C]∥中國科學技術協會.2007年中國科學技術協會年會論文集,2007.
[5] 田冰,王裕宜.基于功率譜分析的蔣家溝泥石流侵蝕輸沙量準周期的探討[J].水土保持研究,2012,19(4):244-246.
[6] 王裕宜,李昌志,洪勇.暴雨泥石流輸沙年際變率的旋回性研究:以云南東川蔣家溝泥石流為例[J].自然災害學報,2000,9(4):99-533.
[7] 康志成,崔鵬,韋方強,等.中國科學院東川泥石流觀測研究站觀測試驗資料集(1961—1984)[Z].北京:科學出版社,2006.
[8] 康志成,崔鵬,韋方強,等.中國科學院東川泥石流觀測研究站觀測試驗資料集(1995—2000)[Z].北京:科學出版社,2007.
[9] 張超,楊秉賡.計量地理學基礎[M].2版.北京:高等教育出版社,1991.
[10] 黃嘉佑.氣象統計分析與預報方法[M].3版.北京:氣象出版社,2004.
[11] 蘇布達,姜彤,任國玉,等.長江流域1960—2004年極端強降水時空變化趨勢[J].氣候變化研究進展,2006,2(1):9-14.
[12] 王裕宜,詹錢登,田冰,等.極端強降水變化與泥石流侵蝕輸沙特征相關性分析:以長江上游小江流域蔣家溝泥石流為例[J].水土保持通報,2009,29(3):165-169.
[13] 王志福,錢永甫.中國極端降水事件的頻數和強度特征[J].水科學進展,2009,20(1):1-9.
[14] 翟盤茂,潘曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化[J].地理學報,2003,58(S1):1-10.
[15] 田冰,王裕宜,洪勇.泥石流預報中前期降水量與始發日降水量的權重關系:以云南省蔣家溝為例[J].水土保持通報,2008,28(2):71-75.
Research for the Influence of Climatic Factors on Sediment Runoff of Debris Flow in Jiangjia Ravine
TIAN Bing1,2, WANG Yuyi3
(1.CollegeofResources&EnvironmentalScience,HebeiNormalUniversity,Shijiazhuang050024,China;2.HebeiKeyLaboratoryofEnvironmentalChangeandEcologicalConstruction,Shijiazhuang050024,China;3.KeyLaboratoryofMountainHazardsandSurfaceProcess,ChineseAcademyofSciences,Chengdu610041,China)
Based on the observation data of debris flow in Jiangjia Ravine from 1965 to 2007 and the climatological data in Huize meteorological observation station from 1961 to 2005, the correlation between debris flow sediment runoff and climatic factor was analyzed using correlation analysis method. The results showed that there was a positive correlation between the sediment runoff of Jiangjia Gully debris flow and annual rainfall, annual extreme rainfall, and summer extreme rainfall. The correlation coefficient passed the confidence level (α=0.01，α=0.05 ). The sediment runoff increased with the increase of rainfall. However, the increase in summer temperature will affect the soil moisture of the formation of debris flow. But the effect of rainfall has larger influence than the temperature. Therefore, under the background of climate change characterized as the warming and wetting, the sediment runoff of debris flow shows the increasing trend.
correlation analysis; debris flow; sediment runoff; climate change
2014-11-05
2014-12-10
國家自然科學資助項目(40671026);河北省高等學校科學技術研究青年資助項目(Q2012114);河北師范大學博士科研基金(L2008B14);河北省高校重點學科建設資助項目
田冰(1973—),女,天津人,副教授,博士,主要從事泥石流的觀測研究。E-mail:tbjyp@sina.com
P642.23; P333.4
1005-3409(2015)05-0218-05
