摘要:基于遼寧省降雨型泥石流災(zāi)害特點(diǎn),分析泥石流環(huán)境因子特征,運(yùn)用地理探測(cè)器探究影響因子對(duì)泥石流空間分布的貢獻(xiàn)權(quán)重,并探究不同環(huán)境背景下泥石流發(fā)生的前期有效降水量。結(jié)果表明:泥石流發(fā)生點(diǎn)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(shù)與土壤類型、植被類型、高程交互對(duì)泥石流空間分布密度貢獻(xiàn)值最高,泥石流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)要充分考慮多個(gè)因子共同作用的影響;誘發(fā)第一、二、三類泥石流的當(dāng)日有效降水量均值分別為59、90、110mm,前3日累計(jì)有效降水量均值分別為91、115、135mm,前7日累計(jì)有效降水量均值分別為90、120、152mm。該研究成果可為災(zāi)害預(yù)警及防治工作提供理論參考。

　　關(guān)鍵詞:泥石流;影響因子;危險(xiǎn)度;遼寧省

　　泥石流是山區(qū)常見的自然災(zāi)害,具有突發(fā)性、群發(fā)性、伴生性、時(shí)段性、破壞性等顯著特點(diǎn)[1],松軟的地層巖性和斷裂構(gòu)造是泥石流形成的內(nèi)在因素,起伏的地形與松散地表物質(zhì)為泥石流提供了本底條件[2],連續(xù)性降水或短期高強(qiáng)度降水、河流沖刷、地震及人為生態(tài)破壞是泥石流的直接誘因[3]。

　　我國(guó)山地眾多,人口稠密,泥石流災(zāi)害嚴(yán)重威脅居民的生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)各類建筑物、道路等基礎(chǔ)設(shè)施造成極大破壞。2014年,云南省怒江州福貢縣發(fā)生特大型泥石流,造成1人受傷、17人失蹤,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2107萬元;2016年,新疆喀什地區(qū)發(fā)生特大型泥石流,致使8人受傷、7人失蹤、35人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)2.8億元[4]。

　　前人對(duì)泥石流成災(zāi)機(jī)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(guó)內(nèi)研究集中在西南、西北地區(qū)的山地泥石流。胡凱衡等[5]選取11個(gè)因子探討了橫斷山區(qū)泥石流發(fā)生的時(shí)空規(guī)律,發(fā)現(xiàn)泥石流影響因子的定量統(tǒng)計(jì)具有明顯的空間分異性,濕度指數(shù)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(guān)性分析、主成分分析法對(duì)四川省泥石流致災(zāi)因子與前期降水特征進(jìn)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(huán)境特征,并分析得出地層巖性、暴雨和地形坡度是對(duì)于該區(qū)泥石流影響程度最深的因子;ZHUANGJ等[9]、馬超等[10]、GUOX等[11]對(duì)橫斷山區(qū)泥石流空間分布特征及降水閾值進(jìn)行了深入探討。以上對(duì)泥石流影響因子與降水閾值預(yù)警的研究均采用定量分析,客觀評(píng)價(jià)了我國(guó)不同地區(qū)泥石流的誘因。遼寧省是我國(guó)北方泥石流典型高發(fā)省區(qū),頻發(fā)的泥石流災(zāi)害給當(dāng)?shù)鼐用竦纳�活帶來�?yán)重影響[1]。但目前對(duì)該區(qū)泥石流多種環(huán)境因子和分類預(yù)警的綜合研究不多。

　　曹永強(qiáng)等[12]探究了不同時(shí)間尺度下遼寧省泥石流與降水因子的關(guān)系,并定量分析得出短期內(nèi)泥石流發(fā)生的前期降水閾值。在此基礎(chǔ)上,本文研究遼寧省近60年來泥石流空間分布的環(huán)境因素,運(yùn)用地理探測(cè)器探究單因子與多因子交互對(duì)泥石流空間分布密度的影響程度,并對(duì)泥石流進(jìn)行聚類分析,得到誘發(fā)不同類別泥石流的環(huán)境因子量化范圍和前期降水量,從而為該區(qū)及具有相同環(huán)境背景下的泥石流災(zāi)害預(yù)警與防治工作提供一定的理論支撐。

　　1研究區(qū)概況

　　遼寧省東部和南部低山丘陵分布廣泛,地形復(fù)雜,地勢(shì)起伏較大,由東向西逐漸平緩。該區(qū)地質(zhì)條件不穩(wěn)定,構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁,河流較多,風(fēng)化作用等外力侵蝕活動(dòng)導(dǎo)致下墊面巖體松軟,地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),夏季降雨集中,受來自黃海和渤海的夏季風(fēng)攜帶大量水汽的影響[13],易在山地迎風(fēng)坡形成地形雨,該區(qū)是我國(guó)北方泥石流高發(fā)區(qū);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(zāi)害少見。

　　2研究數(shù)據(jù)及方法

　　2.1因子的篩選與數(shù)據(jù)來源

　　陡峻的地形、松軟的物質(zhì)來源和充分的水動(dòng)力是泥石流形成的3個(gè)基本條件[14]。地形因子是泥石流災(zāi)害發(fā)生的先決條件,起伏山坡的巖石和土體的穩(wěn)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(dòng)的空間分異[9],坡度影響地表水沖刷速度和坡面物質(zhì)的穩(wěn)定性,不同坡向水熱狀況不同,巖石風(fēng)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(zhì)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(yù)程度[14],植被可反映區(qū)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(zhì)特征[8]。降水是泥石流的重要組成物質(zhì)和誘發(fā)動(dòng)力,遼寧省降雨型泥石流與臺(tái)風(fēng)關(guān)系密切,而暴雨是必要的誘發(fā)因素,表現(xiàn)為短期內(nèi)高強(qiáng)度降水。

　　本文選取暴雨日數(shù)、泥石流發(fā)生當(dāng)日、前3日和前7日累計(jì)有效降水量作為降水因子時(shí)對(duì)遼寧省泥石流空間分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)度和預(yù)警值研究。遼寧省1950—2019年泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)和各項(xiàng)地理信息數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)研究所和資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。遼寧省地面氣象站監(jiān)測(cè)的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)來源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)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(jù)落入研究區(qū)點(diǎn)的權(quán)重,使用核函數(shù)[9]計(jì)算區(qū)內(nèi)單位面積的量值。其特點(diǎn)是可視性好,考慮周全,結(jié)果分布較平滑。本文利用核密度分析法對(duì)泥石流災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行表面內(nèi)插,把區(qū)域內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)的密度作為因變量與同一區(qū)域內(nèi)各影響因子的類值(自變量)進(jìn)行權(quán)重分析。

　　2.2.2地理探測(cè)器法

　　地理探測(cè)器法[17]是探測(cè)空間分異性及其驅(qū)動(dòng)因子關(guān)系的新統(tǒng)計(jì)學(xué)方法,該法既可探測(cè)多個(gè)單因素對(duì)因變量的關(guān)聯(lián)程度,又可分析任意兩因子對(duì)因變量的交互作用,可用于自然和社會(huì)科學(xué)等研究領(lǐng)域[3]。本文運(yùn)用地理探測(cè)器軟件探測(cè)遼寧省泥石流的各個(gè)影響因子與災(zāi)害空間分布密度的權(quán)重貢獻(xiàn)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(chuàng),后法國(guó)統(tǒng)計(jì)學(xué)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(qū)域客觀采樣點(diǎn)指定指標(biāo)為自變量進(jìn)行無偏估計(jì)的空間插值法,能估出區(qū)域量化屬性。它是變量區(qū)域化的線性估計(jì)[16],是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法之一。本文運(yùn)用普通克里金插值法對(duì)已知泥石流災(zāi)害發(fā)生當(dāng)日、前3日、前7日降水量的雨量站數(shù)據(jù)進(jìn)行插值,估算出泥石流發(fā)生當(dāng)日、前3日、前7日遼寧省區(qū)域內(nèi)的降水量,以提取各泥石流點(diǎn)發(fā)生當(dāng)日、前3日、前7日的降水量。

　　3結(jié)果分析

　　3.1泥石流發(fā)生區(qū)的環(huán)境因子特征

　　3.1.1地形因子特征

　　根據(jù)泥石流點(diǎn)與高程、坡度、坡向的空間分布關(guān)系。泥石流發(fā)生區(qū)高程范圍在海拔100~1000m,95%的泥石流發(fā)生點(diǎn)分布在海拔100~700m的低山區(qū)及遼東半島。其中海拔低于200m的泥石流發(fā)生次數(shù)占泥石流發(fā)生總次數(shù)的58%,海拔300~500m的泥石流發(fā)生次數(shù)占總發(fā)生次數(shù)的36%,高于500m的地區(qū)泥石流發(fā)生點(diǎn)數(shù)量明顯減少。

　　遼寧省泥石流主要發(fā)生在坡度0°~40°區(qū)域,54%的泥石流災(zāi)害發(fā)生在坡度大于10°的區(qū)域,坡度在10°以下區(qū)域也有較多泥石流事件發(fā)生,這與附近人類活動(dòng)、土體性質(zhì)與水文條件有關(guān)[8]。各坡向條件均有較多泥石流災(zāi)害發(fā)生,其中多發(fā)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(fā)生泥石流的概率并不大,泥石流集中發(fā)生于中海拔和低海拔的低山丘陵地區(qū),若探究原因,就要剖析不同海拔高度的巖土性質(zhì)及降雨條件。

　　山地高海拔地區(qū)地形坡度較大,土壤厚度較小,山地表面對(duì)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(fā)生概率降低,此地帶山地災(zāi)害以崩塌為主[8]。相反,在中海拔山坡地帶,松散物質(zhì)易堆積,陡坡滑動(dòng)面的不穩(wěn)定性加強(qiáng),在夏季暴雨作用下泥石流高發(fā)。

　　遼寧東、西部的巖石風(fēng)化侵蝕過程與氣候有著密切關(guān)系,冬季風(fēng)勢(shì)力強(qiáng),寒潮天氣頻繁發(fā)生[20],在山地的北坡、西北坡形成強(qiáng)大侵蝕動(dòng)力,使該坡向巖石物理風(fēng)化作用較強(qiáng),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(dòng)力飽和、沖刷松軟巖土,使該區(qū)域泥石流災(zāi)害易發(fā)。另外,河網(wǎng)密布、山地坡度較大等是導(dǎo)致其他坡向也有較多泥石流災(zāi)害發(fā)生的重要原因。值得注意的是,省域內(nèi)平坦地區(qū)泥石流發(fā)生次數(shù)較多,這與地表水量大和較多的人類建設(shè)活動(dòng)是分不開的。

　　3.1.2地表物質(zhì)特征

　　遼寧省地表特征與泥石流點(diǎn)空間分布和發(fā)生頻次的關(guān)系，泥石流發(fā)生區(qū)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(nóng)村居民點(diǎn)、灌木林、水田、城鎮(zhèn)用地、疏林地等,這些地方多分布闊葉林和糧食作物,災(zāi)害點(diǎn)植被覆蓋度整體較高。

　　地表物質(zhì)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(qū)的棕壤土體穩(wěn)定性相對(duì)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(yán)重,土壤質(zhì)地較輕,石礫含量高[22],這些土壤條件可為此區(qū)域泥石流的形成提供物質(zhì)來源。

　　研究區(qū)的土壤特征取決于氣候與地形條件,相對(duì)較多的地表水和夏季極端降雨對(duì)土壤的侵蝕作用強(qiáng),冬季降雨少,且受西北季風(fēng)的影響,北部干旱半干旱氣候區(qū)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(qū)的土地利用狀況分析結(jié)果來看,由于人類對(duì)旱地的不合理開墾方式和灌溉方式導(dǎo)致旱地土壤肥力下降,顆粒膠結(jié)度下降,松散物質(zhì)增加,土地荒漠化程度提高,低質(zhì)量旱地利用率低,加大了泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。

　　另外,遼東山地的有林地泥石流高發(fā),究其原因是,人類過分追求經(jīng)濟(jì)建設(shè),開礦、修路、城建等對(duì)林地破壞加劇,坡面碎屑物質(zhì)受到地表水侵蝕作用,易導(dǎo)致水土流失,引起山地次生災(zāi)害。可見,不合理的人類活動(dòng)較大程度上加重了下墊面的破壞力度,提高了泥石流高發(fā)區(qū)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)率。人類工程建設(shè)作用下地表環(huán)境破壞力度增強(qiáng),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(xiàn)象的頻繁發(fā)生,最直接的措施是加強(qiáng)河流沿岸的植被保護(hù)和植被建設(shè),增強(qiáng)流域內(nèi)植被涵養(yǎng)水源的能力,同時(shí)加強(qiáng)水利工程設(shè)施建設(shè),預(yù)防雨季河流決堤導(dǎo)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(guān)聯(lián)度

　　在本底環(huán)境條件滿足的情況下,暴雨是遼寧省泥石流暴發(fā)的主要誘因[23]。國(guó)家氣象部門規(guī)定,50mm≤日降水量<100mm為暴雨[24]。整理統(tǒng)計(jì)與泥石流災(zāi)害對(duì)應(yīng)年份的暴雨日數(shù),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(zāi)害點(diǎn)空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行核密度分析,分別提取泥石流點(diǎn)所在柵格單元的密度值作為因變量,提取災(zāi)害點(diǎn)影響因子的類值作為自變量,運(yùn)用地理探測(cè)器的新統(tǒng)計(jì)學(xué)方法探測(cè)泥石流影響因子對(duì)災(zāi)害發(fā)生的敏感程度,為探究泥石流災(zāi)害的防范重點(diǎn)及災(zāi)害預(yù)警起理論指導(dǎo)作用。

　　3.3不同環(huán)境特征下泥石流前期降水量預(yù)報(bào)

　　短期高強(qiáng)度降水的測(cè)算對(duì)降雨型泥石流有警示作用[24]。計(jì)算泥石流發(fā)生當(dāng)日、前3日和前7日累計(jì)有效降水量,并以之作為泥石流的短期降水因子。運(yùn)用K-均值聚類方法探究遼寧省不同區(qū)域泥石流環(huán)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(xiàng)環(huán)境指標(biāo)分為3個(gè)類別。

　　1)第一類泥石流事件個(gè)數(shù)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(kù)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(fā)生時(shí),當(dāng)日、前3日、前7日累計(jì)平均有效降雨量分別為59、90、111mm。

　　2)第二類泥石流事件個(gè)數(shù)約占總數(shù)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(zhèn)居民點(diǎn)、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(fā)生時(shí),當(dāng)日、前3日、前7日累計(jì)平均有效降雨量分別為79、113、146mm。

　　3)第三類泥石流事件個(gè)數(shù)占總數(shù)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(zhèn)居民點(diǎn),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(fā)生時(shí),當(dāng)日、前3日、前7日平均累計(jì)有效降雨量分別為90、120、152mm。

　　4結(jié)論與討論

　　1)泥石流高發(fā)區(qū)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(zāi)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(fā)生,但集中分布于旱地與山地的有林地中,部分災(zāi)害點(diǎn)分布在農(nóng)村居民點(diǎn)、灌木林、水田、城鎮(zhèn)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(shù)是泥石流空間分布密度關(guān)聯(lián)度最大的因子。多因子交互作用比單因子對(duì)泥石流空間分布密度具有更高的貢獻(xiàn)值,暴雨日數(shù)與其他因子交互作用尤其大。暴雨日數(shù)與土壤類型、植被類型、高程的交互對(duì)泥石流空間分布密度貢獻(xiàn)值最高。泥石流風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)要充分考慮多個(gè)因子共同作用的影響。

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

　　泥石流的發(fā)生是由多種因子促成的,但并非所有災(zāi)害點(diǎn)與影響因子空間分布均呈正相關(guān);誘發(fā)因子對(duì)泥石流的形成有直接促進(jìn)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(guān),且因子的交互進(jìn)一步提升了泥石流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)率。可見,在地形、地表松散物質(zhì)基本滿足的自然本底條件下,某誘發(fā)因子會(huì)直接促成泥石流災(zāi)害。因此,在災(zāi)害防治預(yù)警方面,要重視集中降雨期的降雨量和降雨強(qiáng)度的測(cè)定,同時(shí)制定山區(qū)人口及建設(shè)規(guī)劃,在保護(hù)生態(tài)環(huán)境的前提下進(jìn)行經(jīng)濟(jì)開發(fā),實(shí)際落實(shí)可持續(xù)發(fā)展對(duì)策。對(duì)泥石流危險(xiǎn)區(qū),應(yīng)設(shè)立災(zāi)害隱患點(diǎn)和雨量觀測(cè)站,并加強(qiáng)山區(qū)陡坡加固,預(yù)防致災(zāi)物質(zhì)失穩(wěn)滾落,減少人員傷亡。

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　　作者：曹永強(qiáng)1,張若凝1,范帥邦2