摘要:基于遼寧省降雨型泥石流災害特點,分析泥石流環境因子特征,運用地理探測器探究影響因子對泥石流空間分布的貢獻權重,并探究不同環境背景下泥石流發生的前期有效降水量。結果表明:泥石流發生點主要位于海拔100~600m、坡度大于10°的低山丘陵上,土壤砂性較高,多為棕壤土和棕壤性土,以旱地、林地為主;暴雨日數與土壤類型、植被類型、高程交互對泥石流空間分布密度貢獻值最高,泥石流風險預測要充分考慮多個因子共同作用的影響;誘發第一、二、三類泥石流的當日有效降水量均值分別為59、90、110mm,前3日累計有效降水量均值分別為91、115、135mm,前7日累計有效降水量均值分別為90、120、152mm。該研究成果可為災害預警及防治工作提供理論參考。

　　關鍵詞:泥石流;影響因子;危險度;遼寧省

　　泥石流是山區常見的自然災害,具有突發性、群發性、伴生性、時段性、破壞性等顯著特點[1],松軟的地層巖性和斷裂構造是泥石流形成的內在因素,起伏的地形與松散地表物質為泥石流提供了本底條件[2],連續性降水或短期高強度降水、河流沖刷、地震及人為生態破壞是泥石流的直接誘因[3]。

　　我國山地眾多,人口稠密,泥石流災害嚴重威脅居民的生命財產安全,對各類建筑物、道路等基礎設施造成極大破壞。2014年,云南省怒江州福貢縣發生特大型泥石流,造成1人受傷、17人失蹤,直接經濟損失達2107萬元;2016年,新疆喀什地區發生特大型泥石流,致使8人受傷、7人失蹤、35人死亡,直接經濟損失達2.8億元[4]。

　　前人對泥石流成災機理與降水閾值研究主要集中于海拔2000m以上的高山泥石流,國內研究集中在西南、西北地區的山地泥石流。胡凱衡等[5]選取11個因子探討了橫斷山區泥石流發生的時空規律,發現泥石流影響因子的定量統計具有明顯的空間分異性,濕度指數是泥石流溝空間分布最主要的影響因子;劉海知等[6]、鐘燕川等[7]分別采用相關性分析、主成分分析法對四川省泥石流致災因子與前期降水特征進行了研究。

　　趙艷萍[8]研究了白龍江流域約40年的泥石流空間分布的環境特征,并分析得出地層巖性、暴雨和地形坡度是對于該區泥石流影響程度最深的因子;ZHUANGJ等[9]、馬超等[10]、GUOX等[11]對橫斷山區泥石流空間分布特征及降水閾值進行了深入探討。以上對泥石流影響因子與降水閾值預警的研究均采用定量分析,客觀評價了我國不同地區泥石流的誘因。遼寧省是我國北方泥石流典型高發省區,頻發的泥石流災害給當地居民的生活帶來嚴重影響[1]。但目前對該區泥石流多種環境因子和分類預警的綜合研究不多。

　　曹永強等[12]探究了不同時間尺度下遼寧省泥石流與降水因子的關系,并定量分析得出短期內泥石流發生的前期降水閾值。在此基礎上,本文研究遼寧省近60年來泥石流空間分布的環境因素,運用地理探測器探究單因子與多因子交互對泥石流空間分布密度的影響程度,并對泥石流進行聚類分析,得到誘發不同類別泥石流的環境因子量化范圍和前期降水量,從而為該區及具有相同環境背景下的泥石流災害預警與防治工作提供一定的理論支撐。

　　1研究區概況

　　遼寧省東部和南部低山丘陵分布廣泛,地形復雜,地勢起伏較大,由東向西逐漸平緩。該區地質條件不穩定,構造運動頻繁,河流較多,風化作用等外力侵蝕活動導致下墊面巖體松軟,地處溫帶大陸性季風氣候區,夏季降雨集中,受來自黃海和渤海的夏季風攜帶大量水汽的影響[13],易在山地迎風坡形成地形雨,該區是我國北方泥石流高發區;中部為遼河平原,西部以山地、丘陵為主,但降水較少,泥石流災害少見。

　　2研究數據及方法

　　2.1因子的篩選與數據來源

　　陡峻的地形、松軟的物質來源和充分的水動力是泥石流形成的3個基本條件[14]。地形因子是泥石流災害發生的先決條件,起伏山坡的巖石和土體的穩定性較差,為泥石流下泄提供良好的坡面條件[15]。高程影響地表覆蓋、河流及人類活動的空間分異[9],坡度影響地表水沖刷速度和坡面物質的穩定性,不同坡向水熱狀況不同,巖石風化侵蝕程度和種類不同,地表物源松軟度和土壤水分飽和度不同。

　　松軟的巖石碎屑與土體是泥石流形成的物源條件,土壤類型反映泥石流組成物質特性,影響地表土體的易受沖刷程度,土地利用則揭示地表的人為干預程度[14],植被可反映區域水土保持情況,上述因子能在很大程度上反映下墊面物質特征[8]。降水是泥石流的重要組成物質和誘發動力,遼寧省降雨型泥石流與臺風關系密切,而暴雨是必要的誘發因素,表現為短期內高強度降水。

　　本文選取暴雨日數、泥石流發生當日、前3日和前7日累計有效降水量作為降水因子時對遼寧省泥石流空間分布進行關聯度和預警值研究。遼寧省1950—2019年泥石流災害數據和各項地理信息數據來源于中國地質環境監測研究所和資源環境科學數據中心。遼寧省地面氣象站監測的逐日降水數據來源于國家氣象科學數據中心。

　　2.2研究方法

　　2.2.1核密度分析法

　　核密度分析[16]的工作原理是根據落入研究區點的權重,使用核函數[9]計算區內單位面積的量值。其特點是可視性好,考慮周全,結果分布較平滑。本文利用核密度分析法對泥石流災害點進行表面內插,把區域內災害點的密度作為因變量與同一區域內各影響因子的類值(自變量)進行權重分析。

　　2.2.2地理探測器法

　　地理探測器法[17]是探測空間分異性及其驅動因子關系的新統計學方法,該法既可探測多個單因素對因變量的關聯程度,又可分析任意兩因子對因變量的交互作用,可用于自然和社會科學等研究領域[3]。本文運用地理探測器軟件探測遼寧省泥石流的各個影響因子與災害空間分布密度的權重貢獻率。

　　2.2.3普通克里金插值法

　　克里金法(Kriging)最早由南非金礦工程師丹尼·克里格開創,后法國統計學家喬治斯·馬瑟倫提出普通克里金空間插值算法[18]。該方法是基于區域客觀采樣點指定指標為自變量進行無偏估計的空間插值法,能估出區域量化屬性。它是變量區域化的線性估計[16],是地統計學的方法之一。本文運用普通克里金插值法對已知泥石流災害發生當日、前3日、前7日降水量的雨量站數據進行插值,估算出泥石流發生當日、前3日、前7日遼寧省區域內的降水量,以提取各泥石流點發生當日、前3日、前7日的降水量。

　　3結果分析

　　3.1泥石流發生區的環境因子特征

　　3.1.1地形因子特征

　　根據泥石流點與高程、坡度、坡向的空間分布關系。泥石流發生區高程范圍在海拔100~1000m,95%的泥石流發生點分布在海拔100~700m的低山區及遼東半島。其中海拔低于200m的泥石流發生次數占泥石流發生總次數的58%,海拔300~500m的泥石流發生次數占總發生次數的36%,高于500m的地區泥石流發生點數量明顯減少。

　　遼寧省泥石流主要發生在坡度0°~40°區域,54%的泥石流災害發生在坡度大于10°的區域,坡度在10°以下區域也有較多泥石流事件發生,這與附近人類活動、土體性質與水文條件有關[8]。各坡向條件均有較多泥石流災害發生,其中多發生于北向(95次)和南向(80次)、東向(67次)、西北向(66次),其次為東南、東北、西、西南向。從泥石流的空間分異看,高海拔山地發生泥石流的概率并不大,泥石流集中發生于中海拔和低海拔的低山丘陵地區,若探究原因,就要剖析不同海拔高度的巖土性質及降雨條件。

　　山地高海拔地區地形坡度較大,土壤厚度較小,山地表面對于松散物源的承載力低,加之暖濕氣流遇地形阻擋抬升,降雨多在山坡,高海拔山地空氣濕度降低,降雨相比于山坡少,泥石流發生概率降低,此地帶山地災害以崩塌為主[8]。相反,在中海拔山坡地帶,松散物質易堆積,陡坡滑動面的不穩定性加強,在夏季暴雨作用下泥石流高發。

　　遼寧東、西部的巖石風化侵蝕過程與氣候有著密切關系,冬季風勢力強,寒潮天氣頻繁發生[20],在山地的北坡、西北坡形成強大侵蝕動力,使該坡向巖石物理風化作用較強,松散碎屑巖較厚;夏季降雨豐富且集中[20],主要在南坡、東坡、東南坡、北坡形成地形雨,充足的水動力飽和、沖刷松軟巖土,使該區域泥石流災害易發。另外,河網密布、山地坡度較大等是導致其他坡向也有較多泥石流災害發生的重要原因。值得注意的是,省域內平坦地區泥石流發生次數較多,這與地表水量大和較多的人類建設活動是分不開的。

　　3.1.2地表物質特征

　　遼寧省地表特征與泥石流點空間分布和發生頻次的關系，泥石流發生區的土壤類型多為棕壤土和棕壤性土、草甸土、酸性粗骨土,少部分為水稻土、潛育水稻土、褐土;各種土地利用類型均有泥石流分布,其中泥石流集中分布在旱地與山地的有林地中,部分分布在農村居民點、灌木林、水田、城鎮用地、疏林地等,這些地方多分布闊葉林和糧食作物,災害點植被覆蓋度整體較高。

　　地表物質組成是形成泥石流事件的必要因素。由于人類過度砍伐植被等原因,遼東、遼南山地丘陵區的棕壤土體穩定性相對較差,多為粗骨薄層,水土保持能力較差[21];棕壤性土多分布于灌木叢處,土壤侵蝕嚴重,土壤質地較輕,石礫含量高[22],這些土壤條件可為此區域泥石流的形成提供物質來源。

　　研究區的土壤特征取決于氣候與地形條件,相對較多的地表水和夏季極端降雨對土壤的侵蝕作用強,冬季降雨少,且受西北季風的影響,北部干旱半干旱氣候區土體碎屑物易在此地堆積,故砂土含量較高。從泥石流分布區的土地利用狀況分析結果來看,由于人類對旱地的不合理開墾方式和灌溉方式導致旱地土壤肥力下降,顆粒膠結度下降,松散物質增加,土地荒漠化程度提高,低質量旱地利用率低,加大了泥石流發生的風險。

　　另外,遼東山地的有林地泥石流高發,究其原因是,人類過分追求經濟建設,開礦、修路、城建等對林地破壞加劇,坡面碎屑物質受到地表水侵蝕作用,易導致水土流失,引起山地次生災害。可見,不合理的人類活動較大程度上加重了下墊面的破壞力度,提高了泥石流高發區災害的風險率。人類工程建設作用下地表環境破壞力度增強,加之降雨的沖刷,為泥石流的形成提供了必要條件。為避免此現象的頻繁發生,最直接的措施是加強河流沿岸的植被保護和植被建設,增強流域內植被涵養水源的能力,同時加強水利工程設施建設,預防雨季河流決堤導致的次生不利影響。

　　3.2潛在影響因子與泥石流空間分布密度的關聯度

　　在本底環境條件滿足的情況下,暴雨是遼寧省泥石流暴發的主要誘因[23]。國家氣象部門規定,50mm≤日降水量<100mm為暴雨[24]。整理統計與泥石流災害對應年份的暴雨日數,并以之作為影響遼寧省泥石流形成的降水因子。基于泥石流災害點空間分布數據進行核密度分析,分別提取泥石流點所在柵格單元的密度值作為因變量,提取災害點影響因子的類值作為自變量,運用地理探測器的新統計學方法探測泥石流影響因子對災害發生的敏感程度,為探究泥石流災害的防范重點及災害預警起理論指導作用。

　　3.3不同環境特征下泥石流前期降水量預報

　　短期高強度降水的測算對降雨型泥石流有警示作用[24]。計算泥石流發生當日、前3日和前7日累計有效降水量,并以之作為泥石流的短期降水因子。運用K-均值聚類方法探究遼寧省不同區域泥石流環境量化特征范圍與前期降水量。將泥石流事件(T1~T532)按照各項環境指標分為3個類別。

　　1)第一類泥石流事件個數所占比例較少,分布于海拔85~155m、坡度3°~16°的平原和丘陵上,多位于湖泊和水庫周圍的水域和林地,植被類型為闊葉林、針葉林。該類泥石流事件發生時,當日、前3日、前7日累計平均有效降雨量分別為59、90、111mm。

　　2)第二類泥石流事件個數約占總數的26%,分布于海拔低于691m、坡度小于44°的丘陵、山地上,土壤類型為草甸土、酸性粗骨土、水稻土,多位于城鎮居民點、耕地、林地、水域,植被類型為草甸、灌木叢、闊葉林、栽培植被、針葉林。該類泥石流事件發生時,當日、前3日、前7日累計平均有效降雨量分別為79、113、146mm。

　　3)第三類泥石流事件個數占總數的78%,分布于海拔998m以下、坡度小于39°的平原、丘陵和山地上,土壤類型為暗棕壤土、褐土、棕壤土和棕壤性土,多位于草地、林地、耕地和城鎮居民點,植被類型為草甸、灌叢、闊葉林、栽培植被、針闊混交林和針葉林。該類泥石流事件發生時,當日、前3日、前7日平均累計有效降雨量分別為90、120、152mm。

　　4結論與討論

　　1)泥石流高發區位于海拔100~700m、坡度大于10°的低山丘陵上,其中北坡和南坡泥石流災害較為集中;土壤類型多為棕壤土和棕壤性土、草甸土、酸性粗骨土,少部分為水稻土、潛育水稻土、褐土;各種土地利用類型中均有泥石流事件發生,但集中分布于旱地與山地的有林地中,部分災害點分布在農村居民點、灌木林、水田、城鎮用地、疏林地等。植被類型多為闊葉林和糧食作物。

　　2)暴雨日數是泥石流空間分布密度關聯度最大的因子。多因子交互作用比單因子對泥石流空間分布密度具有更高的貢獻值,暴雨日數與其他因子交互作用尤其大。暴雨日數與土壤類型、植被類型、高程的交互對泥石流空間分布密度貢獻值最高。泥石流風險預測要充分考慮多個因子共同作用的影響。

　　3)依據泥石流環境因子和前期降雨特征對538起降雨型泥石流事件的聚類分析表明,3種不同環境背景下的降雨型泥石流的前期降水預測值不同,誘發第一類、第二類、第三類泥石流的當日有效降雨量均值分別為59、90、110mm,前3日累計有效降雨量均值分別為91mm、115mm、135mm,前7日累計有效降雨量均值分別為90mm、120mm、152mm。

　　泥石流的發生是由多種因子促成的,但并非所有災害點與影響因子空間分布均呈正相關;誘發因子對泥石流的形成有直接促進作用,降水、土壤類型及高程與泥石流的空間分布呈高程度正相關,且因子的交互進一步提升了泥石流發生的風險率。可見,在地形、地表松散物質基本滿足的自然本底條件下,某誘發因子會直接促成泥石流災害。因此,在災害防治預警方面,要重視集中降雨期的降雨量和降雨強度的測定,同時制定山區人口及建設規劃,在保護生態環境的前提下進行經濟開發,實際落實可持續發展對策。對泥石流危險區,應設立災害隱患點和雨量觀測站,并加強山區陡坡加固,預防致災物質失穩滾落,減少人員傷亡。

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　　作者：曹永強1,張若凝1,范帥邦2