四川省九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流的時空特征及其閾值確定

李錫強， 王 敏， 冉王群， 陳政道， 牟 杰， 阿的魯驥

（1.四川省甘孜藏族自治州 九龍縣氣象局，四川 九龍626200； 2.四川省甘孜藏族自治州 氣象局，四川 康定626000； 3.蘭州大學 草地農業(yè)科技學院，甘肅 蘭州730000）

九龍縣位于四川省西部，甘孜藏族自治州東南部［1］.北連康定，東、南毗石棉、冕寧，西、南與木里接壤，是甘孜州、雅安市、涼山州藏、漢、彝3 個民族居住區(qū)結合部［2］.地理坐標為E101°00′～102°00′，N28°40′～29°20′，地處攀西平原與青藏高原的過渡地帶，地勢北高南低，高差懸殊，全縣大體上分為高山原和高山峽谷兩大地貌區(qū)［3］.受地理位置、地形及大氣環(huán)流的共同影響，大陸性高原山地季風氣候明顯，受山區(qū)地形的影響，降雨量的垂直分布特別明顯［4］.泥石流是九龍縣常見的地質災害之一［5］，幾乎每年都有泥石流災害出現(xiàn)，嚴重制約了當?shù)厣鐣洕l(fā)展.據(jù)不完全統(tǒng)計，1991—2018 年期間，九龍縣境內共發(fā)生泥石流災害51 次，造成直接經濟損失49 252.66 萬元.其中，2003 年出現(xiàn)泥石流的次數(shù)最多，共發(fā)生泥石流災害6 次，直接經濟損失為4 492.7 萬元.泥石流災害預警工作已成為一項十分重要的防災減災手段和國內外泥石流災害研究的一個熱點問題［6］.對某一地區(qū)而言，在一定時間尺度內地形和松散固體物質變化不大，因此，激發(fā)泥石流的重要條件是降雨［7-8］，其中又以暴雨為主要因素［9］，鐵永波［4］曾對九龍縣石頭溝泥石流動力學特征及其危險性評價進行了研究，但針對九龍縣全域泥石流災害預警方面的研究則鮮有報道.本研究根據(jù)九龍縣氣象局1952—2018 年的降雨數(shù)據(jù)和1990 年以來當?shù)啬嗍鳛暮︻l數(shù)，對九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流災害的發(fā)生規(guī)律進行分析，旨在找出暴雨誘發(fā)泥石流的降雨量閾值、發(fā)生時段和泥石流災害易發(fā)區(qū)，為開展泥石流預警工作提供直觀清晰的預報依據(jù)和指標.

2 數(shù)據(jù)和研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取 1952—2018 年降水資料來自九龍縣氣象局，此外還有一部分降水資料來自2009 年后建立的鄉(xiāng)鎮(zhèn)單雨量站和區(qū)域站；1991—2018 年九龍縣境內發(fā)生的51 起泥石流災害數(shù)據(jù)由九龍縣防災減災部門提供.

2.2 九龍縣暴雨特征分析 暴雨通常是指24 h降雨量≥50 mm的降水天氣過程，但四川各地區(qū)氣候差異很大，因而各地實施的標準并不相同［10］.根據(jù)四川省氣象局《四川省短期災害性天氣預報質量評定辦法》（川氣預函【2018】11 號附件1）第四章第六條規(guī)定的短期災害性天氣預報天氣標準，甘孜藏族自治州24 h 降雨量25 ～49.90 mm為暴雨，24 h降雨量50 ～99. 90 mm 為大暴雨，24 h 降雨量≥100.0 mm為特大暴雨.本研究根據(jù)九龍縣氣象局1952—2018 年的數(shù)據(jù)和2010 年以來的鄉(xiāng)鎮(zhèn)單雨量站和區(qū)域站的數(shù)據(jù)，分析九龍縣暴雨的時間特征和空間特征.

2.3 暴雨誘發(fā)泥石流的空間特征和時間特征確定

依據(jù)1991—2018 年期間暴雨分布的空間特征和時間特征，結合在此期間有記載的51 起泥石流災害，分別統(tǒng)計不同地域和24 h 內不同時段出現(xiàn)的泥石流災害次數(shù)，計算不同地域和不同時段泥石流災害發(fā)生的概率，用SPSS 18 進行相關性分析.

2.4 暴雨誘發(fā)泥石流的降水閾值確定 根據(jù)九龍縣氣象局、鄉(xiāng)鎮(zhèn)單雨量站和區(qū)域站提供的降水數(shù)據(jù)，結合泥石流發(fā)生情況，分析降水強度、降水時間、前期累積降雨量誘發(fā)泥石流的概率.其中，降水強度是指在一定時間內降雨量的多少，通常是用1 h和1 d的降雨量來衡量［10］.根據(jù)九龍縣防災、減災和預報工作實際情況，本文以1 h 內的降雨量表示降水強度（mm／h），以10 d 累計的降水總量（mm／10 d）作為前期累計降雨量.

根據(jù)2010 年以來發(fā)生的典型泥石流個例中所對應的降水數(shù)據(jù)，確定九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流的降水強度、降水強度與時長、前期累計降雨量的概率，用SPSS 18 進行相關性分析.

2.5 泥石流易發(fā)區(qū)確定 根據(jù)九龍縣暴雨空間分布特征與各區(qū)域泥石流發(fā)生地點的關聯(lián)性，來確定暴雨易發(fā)區(qū)域.

2.6 泥石流災害發(fā)生預警等級劃分 本研究根據(jù)10起典型泥石流個例發(fā)生時的降水數(shù)據(jù)及其九龍縣暴雨分布特征，將泥石流發(fā)生等級分為5 級，Ⅰ級：泥石流發(fā)生可能性??；Ⅱ級：泥石流發(fā)生可能性較小；Ⅲ級：泥石流發(fā)生可能性較大；Ⅳ級：泥石流發(fā)生可能性很大；Ⅴ級：泥石流發(fā)生可能性特別大.并將Ⅳ級和Ⅴ級定為警報級，Ⅲ級定為注意級，Ⅱ級定為提示級，Ⅰ級發(fā)生泥石流災害的可能性很小.

3 結果與分析

3.1 暴雨誘發(fā)的泥石流時空特征

3.1.1 1952—2018 年暴雨日數(shù)的分布 九龍縣是暴雨頻發(fā)的地區(qū)之一，圖1 為1952—2018 年期間九龍縣歷年暴雨日數(shù)分布圖.24 h 降雨量≥25 mm的日數(shù)平均4.4 d，其中，2003 年暴雨日數(shù)最多，為11 d；1994 年暴雨日數(shù)最少，為零.暴雨日數(shù)≥6 d有16 年，分別出現(xiàn)在1965 年、1966 年、1970 年、1975 年、1979 年、1982 年、1987 年、1990 年、1992年、1994 年、2000 年、2003 年、2004 年、2005 年、2012 年和2014 年.

圖1 九龍縣1952—2018 年期間降雨量≥25 mm的暴雨日數(shù)分布圖Fig. 1 Numbers of rainstorm days with precipitation≥25 mm from 1952 to 2018 in Jiulong County

3.1.2 暴雨誘發(fā)九龍縣泥石流災害的時間特征 圖2 顯示，1991—2018 年期間，九龍縣降雨量≥25 mm的暴雨115次，主要出現(xiàn)在4 ～10月之間，5月進入雨季以后，暴雨頻繁出現(xiàn)，并一直持續(xù)到10 月下旬.其中71.3%的暴雨出現(xiàn)在6 ～8月之間，尤以6月為甚，如2003年6月暴雨日數(shù)高達6 d.11月至翌年3月期間，則沒有暴雨天氣出現(xiàn).根據(jù)圖2 可見，1991年以來記錄的泥石流災害主要出現(xiàn)在每年的主汛期（6 ～8 月），占泥石流災害的84.31%，其次是5月和9 ～10月，占泥石流災害次數(shù)的15.69%.相關性分析表明，九龍縣泥石流發(fā)生與暴雨發(fā)生呈極顯著的正相關（P ＜0.01，Pearson 相關性系數(shù)＝0.811），由此可見暴雨的月際變化與泥石流災害發(fā)生具有明顯的關系.

圖2 九龍縣1991—2018 年泥石流發(fā)生數(shù)與暴雨月動態(tài)的關系圖Fig. 2 Relationship between the occurrence of debris flow and the month dynamics of rainstorm from 1991 to 2018 in Jiulong County

1991—2018 年期間，九龍縣降雨量≥25 mm的暴雨有55. 65%出現(xiàn)在20：00 - 02：00 期間，而9：00 -14：00 期間沒有出現(xiàn)過暴雨.從記載的51 起泥石流發(fā)生的時段來看，68.63%發(fā)生在20：00 -02：00 之間，13.73%發(fā)生在15：00 -19：00 之間，17.65%發(fā)生在03：00 -08：00 之間，09：00 -14：00沒有泥石流發(fā)生的記載.相關性分析表明，九龍縣降雨量≥25 mm 的暴雨發(fā)生與泥石流發(fā)生之間存在著顯著的正相關（P ＜0.05，Pearson相關性系數(shù)＝0.955），由此可見，九龍縣暴雨出現(xiàn)頻率最高的時段與泥石流高發(fā)時段相吻合.

圖3 九龍縣1991—2018 年泥石流發(fā)生時段與暴雨日動態(tài)的關系圖Fig. 3 Relationship between the occurrence of debris flow and the daily dynamics of rainstorm from 1991 to 2018 in Jiulong County

3.1.3 暴雨誘發(fā)九龍縣泥石流災害的空間特征 九龍縣轄2 鎮(zhèn)16 鄉(xiāng)，地勢北高南低，高差懸殊，其南部、東南部溝壑縱深，地形復雜.從圖4 可知，本研究記載的泥石流中，南部地區(qū)占41%，北部地區(qū)占19%，東南部地區(qū)占16%，東部地區(qū)占16%，西部占8%.這與九龍縣由北向南的北高南低地勢地貌及其南部、東南部溝壑縱深地理位置有關.

2010 年前九龍縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)未安裝單雨量站和區(qū)域站.本研究根據(jù)2010—2018 年各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的區(qū)域站和單雨量站的記載發(fā)現(xiàn)，九龍縣暴雨引發(fā)泥石流災害頻率是自北向南依次增加，南部魁多鄉(xiāng)、煙袋鄉(xiāng)南部是縣境內暴雨引發(fā)災害出現(xiàn)頻率最高的區(qū)域（暴雨引發(fā)泥石流頻率≥50%）；子耳鄉(xiāng)、烏拉溪鄉(xiāng)、三埡鄉(xiāng)、小金鄉(xiāng)、俄尓鄉(xiāng)、三巖龍鄉(xiāng)東南部、乃渠鄉(xiāng)西南部、踏卡鄉(xiāng)大部、灣壩鄉(xiāng)東南部以及煙袋鄉(xiāng)北部出現(xiàn)災害頻率為35% ～50%；上團鄉(xiāng)、湯古鄉(xiāng)、斜卡鄉(xiāng)、洪壩鄉(xiāng)、八窩龍鄉(xiāng)、呷爾鎮(zhèn)、三巖龍鄉(xiāng)北部、乃渠鄉(xiāng)大部、踏卡鄉(xiāng)西北部、灣壩鄉(xiāng)大部區(qū)域暴雨引發(fā)災害出現(xiàn)頻率較低，其概率小于35%.

圖4 九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流頻率分布圖Fig. 4 Spatial characteristics of debris flow induced by rainstormin in Jiulong County

3.2 暴雨誘發(fā)九龍縣泥石流災害的主要因素

3.2.1 降水強度 降水強度是誘發(fā)泥石流的主要因素之一.據(jù)分析，隨著降水強度增強，九龍縣泥石流發(fā)生概率逐漸增大（圖5），當降雨量大于25 mm／h時，泥石流發(fā)生概率在76%以上，降雨量大于30 mm／h，泥石流發(fā)生概率達到92%.降水強度與泥石流發(fā)生概率呈極顯著正相關（P ＜0.01）；夏季短時強降水誘發(fā)泥石流的可能性最大.

圖5 九龍縣降水強度誘發(fā)泥石流發(fā)生的概率Fig. 5 Probability of occurrence of debris flow induced by precipitation intensity in Jiulong County

3.2.2 降水強度與時長 降水時長也是暴雨誘發(fā)泥石流的主要因素之一.根據(jù)九龍縣2010 年后發(fā)生的10 起泥石流災害降水強度與時長情況來看（表1），1 h和3 h的降雨量達到25 ～30 mm時，暴雨誘發(fā)泥石流的概率高達80%.

表1 九龍縣2010 年后10 起典型泥石流個例與降水強度及時長的關系Tab. 1 Relationship between 10 cases of typical debris flow and precipitation intensity in Jiulong County since 2010

3.2.3 前期累計降雨量 本研究統(tǒng)計2006 年以來九龍縣危害嚴重的11 起泥石流災害案例的前期累計降雨量（表2）發(fā)現(xiàn)，當前期累計降雨量＞50 mm／10 d時，且有短時強降水或者暴雨觸發(fā)時泥石流發(fā)生概率高達90.91%.

表2 前期累計降雨量（10 d）與九龍縣泥石流發(fā)生等級的關系表Tab. 2 The relationship between the cumulative precipitation in the previous period（10 d）and the grade of debris flow in Jiulong County

3.3 九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流災害閾值確定 根據(jù)上述九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流災害的時空特征、泥石流發(fā)生時的降水特征，確定了九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流災害的預警等級（表3）.

當降水強度大于16 ～20 mm／h 時誘發(fā)泥石流的可能性較大，為注意級；降水強度在20 ～35 mm／h時誘發(fā)泥石流的可能性很大，為預警級；降水強度≥35 mm／h 時誘發(fā)泥石流的可能性極大，為警報級.

表3 九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流災害預警等級表Tab. 3 Early warning level of debris flow hazard induced by heavy rain in Jiulong County

4 討論和結論

九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流具有明顯的月際和日際變化周期.1952—2018 年期間，九龍縣24 h 降雨量≥25 mm的日數(shù)平均4.4 d，暴雨日數(shù)≥6 d有16年.其中，2003 年暴雨日數(shù)為11 d，1994 年無暴雨日數(shù)；暴雨誘發(fā)泥石流主要發(fā)生在6 ～8 月，其次是5 月和9 ～10 月，11 月至翌年4 月，自1952 年以來均無泥石流發(fā)生的記載；泥石流主要出現(xiàn)在下午15：00 后到翌日08：00.20：00 -02：00 為泥石流的高發(fā)時段，有記載的泥石流67.35%發(fā)生在該時段.另外，有28.57%的泥石流發(fā)生03：00 -08：00，其余時段發(fā)生泥石流的頻率較低，09：00 -14：00 沒有泥石流發(fā)生的歷史記載.

由于地形地貌、氣候、植被等因素的綜合作用，九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流表現(xiàn)出明顯的空間特征.從九龍縣全境內來看，深切割地形和河谷分布全縣，尤其是南部地區(qū)和東南部地區(qū)地形陡峭，坡度大，平地較少，在泥石流群發(fā)的情況下，這些區(qū)域是泥石流的流通區(qū)或者是堆積區(qū)［11］；九龍縣暴雨空間分異明顯，具有明顯的地域差異.九龍縣暴雨自北向南依次增加，南部魁多鄉(xiāng)是縣境內暴雨出現(xiàn)頻率最高的區(qū)域；九龍縣全縣森林覆蓋率47.43%，其中北部為77.8%，中部12.7%，南部僅為9.5%［12］.本研究結果表明，九龍縣境內均有發(fā)生泥石流的可能性，且發(fā)生概率表現(xiàn)為自北向南依次增加，南部是泥石流高易發(fā)區(qū)，北部、東部和東南部次之，西部地區(qū)較小，這一現(xiàn)象與森林覆蓋率密切相關.

暴雨誘發(fā)泥石流與降水強度、降水時長和10 d累計降雨量密切相關.降水強度與泥石流發(fā)生概率呈極顯著正相關（P ＜0.01），當降雨量大于25 mm／h時，泥石流發(fā)生概率在76%以上，降雨量大于30 mm／h，泥石流發(fā)生概率達到92%；夏季短時強降水誘發(fā)泥石流的可能性最大，1 h 和3 h 的降雨量達到25 ～30 mm 時，暴雨誘發(fā)泥石流的概率達到80%；當前期累計降雨量＞50 mm 時，泥石流發(fā)生概率高90.91%，相應的農業(yè)和各種受災情況越嚴重，直接經濟損失也就越大.

綜上所述，九龍縣暴雨誘發(fā)泥石流具有明顯的時空特征：九龍縣南部是泥石流的高易發(fā)區(qū)；當降水強度大于20 mm／h 時就容易誘發(fā)泥石流；20：00 -02：00 是泥石流發(fā)生的高發(fā)時段.當降水強度在16 ～20 mm／h時誘發(fā)泥石流的可能性較大，為注意級；降水強度在20 ～35 mm／h時誘發(fā)泥石流的可能性很大，為預警級；降水強度≥35 mm／h 時誘發(fā)泥石流的可能性極大，為警報級.