横断山区汶川县滑坡泥石流降雨致灾阈值研究.pdf

187Journal of Beijing Normal University(Natural Science)59(2)2023-04北京师范大自然科学版）横断山区汶川县滑坡泥石流降雨致灾阈值研究孙鹏）胡磊2.3）胡玉乾1)张强4）李虎1）湛睿5)（1）安徽师范大学地理与旅游学院，2 410 0 2，安徽芜湖；2)北京师范大学地理科学学部，10 0 8 7 5，北京；3)北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室，10 0 8 7 5，北京；4)北京师范大学环境与生态前沿交叉研究院，5190 8 7，广东珠海；5）湖南省城市地质调查监测所，410 0 0 7，湖南长沙）摘要基于2 0 0 1-2 0 2 0 年GPML3降水数据和第二次青藏科考所获取的2 0 18 年汶川县汛期滑坡泥石流灾害隐患点目录，从强度、相对性、绝对性和持续性方面避选11个极端降水指标，揭示汶川县极端降水时空演变规律；通过构建累积降雨量-降雨时间关系值（E-D）模型、优化雨场分割法、量化汶川县降雨型滑坡泥石流样本降雨阈值，分级预测2001一2 0 2 0 年降雨型滑坡泥石流灾害隐患点的危险等级.研究结果表明：1)极端降水指标在汶川县大部分乡镇点位的趋势变化不显著，大多数指标呈现北低南高、西低东高的空间分布特征。极端降水的相对性指标、强度性指标以及部分持续性指标在空间分布上具有一致性，高值区主要分布在汶川县东部和南部地区，其发生由极端降水诱发的滑坡泥石流地质灾害事件的可能较大。2)汶川县降雨型滑坡E-D阈值曲线为E=41.69D0.84(3D6)，降雨型泥石流E-D值曲线为E=81.28D0.36（3D 2 3）.3)汶川县“易发生”的降雨型滑坡隐患点占比46.2%，集中位于水磨镇北部、漩口镇东部、草坡乡东南部、绵虎镇中南部、耿达镇东南部、映秀镇东部以及卧龙镇东北部，“易发生”的降雨型泥石流隐患点占比13.8 4%，集中位于草坡乡东南部和银杏乡西部，该些区域未来需重点关注其降雨预警.“易发生”“较易发生”的滑坡泥石流隐患点的分布与极端降水的强度性、相对性和部分持续性指标的高值分布具有高度的吻合性。本研究可为汶川县极端降雨诱发滑坡泥石流灾害事件的防灾减灾提供精细化预报预警.关键词极端降水；降雨致灾阈值；滑坡泥石流；汶川县中图分类号P467D0I:10.12202/j.0476-0301.2021302引言IPCC第6 次的评估报告指出，预计全球每升温1，极端日降水事件将增加约7%，极端降水事件强度和频率的增加将会导致未来中国洪水风险增加10%30%1-2.极端气候事件的发生具有一定的突发性和难以预测性，因极端降水引发的洪水、滑坡、泥石流、雪灾等灾害频繁发生，对经济发展和人民生活造成了严重的影响和损失3-5.近年来，国内外学者对不同尺度下的极端降水事件展开研究，亚太地区、印度-太平洋地区、美国、非洲西部5-9 等区域的极端降水事件呈现明显增加的趋势；有些地区平均总降水量不变甚至减少，强降水事件的频次却呈增加的趋势10-12 。在国内的研究中，学者对我国的长江中下游流域、横断山区、新疆及黄河流域等地区极端降水指数进行了研究和分析13-17 ,为相关地区极端降雨预测预报提供了依据。青藏高原地区降水量增加趋势明显，极端降水事件频发18 .汶川县位于青藏高原东部，自然环境复杂多样、气候差异变化显著、地貌类型多样，在极端强降雨的影响下，滑坡、泥石流灾害异常强烈19-2 0 ;尤其是2 0 0 8 年汶川地震后，极端强降雨引发的滑坡泥石流降雨阈值较震前大幅下降2 1-2 2 。对于灾害降雨阈值的研究，国内外学者多考虑灾害的致灾因子（如降雨强度、降雨时间、累计降雨量、降雨量动能等）和孕灾环境等因素，确定降雨阈值公式2 3-2 5.同样，关于汶川县的滑坡泥石流降雨阈值研究，多通过区域降雨诱发灾害资料和降雨数据统计分析得到其降雨特征2 6-34,并得出了汶川地区的降雨1-D(降雨强度-降雨时间)等关系，为当地滑坡泥石流等地质灾害的预警提供了一定的科学依据.但这些研究针对的是如*第二次青藏高原综合科学考察研究资助项目（2 0 19QZKK0906)；安徽省自然科学基金优青资助项目（2 10 8 0 8 5Y13）；安徽省高校协同创新资助项目（GXXT-2021-048；G XXT 2 0 190 47）；安徽省高校优秀青年人才支持计划重点资助项目（gxyqZD2021094）；湖南省地质院科研项目（HNGSTP202210）和安徽省大学生创新创业训练资助项目（2 0 2 0 10 37 0 18 6，2 0 2 0 10 37 0 18 3，S202010370400），十通信作者：胡磊（1998 一），男，硕士研究生，研究方向：洪涝、滑坡、泥石流等灾害风险评估.E-mail：2 0 2 2 2 10 512 0 4 m a i l.b n u.e d u.c n收稿日期：2 0 2 1-11-2 8188第59 卷北京师范大自然科学版）2009年9 月2 4日、2 0 10 年8 月19 日、2 0 13年7 月10日等特大泥石流灾害事件，时间范围跨度不大，这些特大泥石流灾害都是由特大暴雨引起，对应的降雨条件相对较高；将典型泥石流事件对应的降雨量作为激发雨量，或是通过少量资料统计得出的泥石流阈值，具有一定的应用局限性，这大大限制了该区域降雨诱发地质灾害的风险评估及灾害风险防范。为了更加清楚地揭示汶川县极端降水的时空演变规律，厘清由极端降水引发的滑坡泥石流降雨阈值关系，本文基于2 0 0 1一2 0 2 0 年GPML3降水数据和第二次青藏科考所获取的2 0 18 年汶川县汛期滑坡泥石流灾害隐患点目录，从强度、相对性、绝对性和持续性方面避选11个极端降水指标，揭示汶川县各乡镇点位的极端降水时空演变规律.通过构建累积降雨量-时间关系阈值（E-D）模型，优化雨场分割法，量化汶川县降雨型滑坡泥石流样本降雨阈值，分级预测2001一2 0 2 0 年降雨型滑坡泥石流灾害隐患点的危险等级，可为汶川县滑坡泥石流的精细化预报预警提供一定的科学依据。1数据与研究方法1.1数据降雨数据选用2 0 0 1一2 0 2 0 年GPML3逐日降雨数据，精度为0.10.1（https:/doi.0rg/10.5067/GPM/IMERGDF/DAY/06）.滑坡泥石流灾害隐患点数据为“第二次青藏科考”所获取的四川省2 0 18 年阿坝州汶川县汛期再排查地质灾害隐患点目录，统计得到降雨型滑坡灾害隐患点30 3个，降雨型泥石流灾害隐患点2 8 9个（图1）.90120150E1030010340N45乡镇点位泥石流隐患点N3140滑坡隐患点30乡镇界5976m762m15N33小阿坝藏族关族自治州汶川县310030四川省272040km100104108E注：该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2 0 19)16 97 号的标准地图制作，地图无修改.图1研究区及滑坡泥石流灾害隐患点示意1.2研究方法1.2.1极端降水指数及变化率资料表明，90%的滑坡泥石流灾害由降雨因子诱发35,其中持续降雨或短时强降雨是导致地质灾害发生的关键因素36 ,可见极端降雨是地质灾害突发的重要自然诱因，在研究区域地质灾害降雨致灾阈值时，需要分析其极端降水时空格局.基于此，本文利用汶川县13个乡镇的行政点位（图1)，选用IPCC(2007)第4次报告中定义的11个极端降水指标（表1），分为4大类型，即强度、相对性、绝对性和持续性37 .其中：强度指标包括1d最大降水量（RXlday）、5d 最大降水量（RX5day）和降水强度(SDII)；相对性指标包括强降水量（R95p）和极端强降水量（R99p）；绝对性指标包括暴雨时间（d)（R 2 5mm）、大雨时间（d）（R 2 0 m m）和中雨时间（d）（R 10 m m）；持续性指标包括持续降雨期（CWD）、持续干燥期（CDD)和年降水总量（PRCPTOT）.这些极端降水指标可以清楚地揭示汶川县的降雨强度、降雨历时、总降水量等特征，对厘清降雨型滑坡泥石流的空间分布规律具有重要意义。通过计算极端降水指标的均值、斜率、显著性检验P值等参数，依据显著性检验变化率等级划分（表2)确定各乡镇点位变化程度并进行插值，分析汶川县极189孙鹏等：横断县滑坡泥石流降雨致灾阈值研究第2 期表1极端降水指数名称及其定义指数类型指数名称定义单位1d最大降水量（RX1day）1年内最大1d降水量mm强度5d最大降水量（RX5day）1年内最大连续5d降水总量mm降水强度(SDII)年降水量/降水时间mm d-l强降水量(R95p)日降水量 95%分位值的总降水量mm相对极端强降水量（R99p）日降水量 99%分位值的总降水量mm暴雨时间（R25mm）日降水量2 5mm的时间d绝对大雨时间(R20mm）日降水量2 0 mm的时间d中雨时间（R10mm）日降水量10 mm的时间d持续降雨期（CWD)最长的连续降水时间d持续性持续干燥期(CDD)最长的连续无降水时间d年降水总量（PRCPTOT）1年内降水量1mm的总降水量mm表2显著性变化率等级划分等级含义增加未通过P 0减小未通过P0.05显著性检验，线性趋势斜率 0显著增加通过P0.05但未能通过P 0显著减小通过P0.05但未能通过P0.01显著性检验，线性趋势斜率 0极显著增加通过P 0极显著减小通过P0.01置信度水平显著性检验，线性趋势斜率 1mm的时刻作为前期有效降雨量开始时间，将滑坡灾害发生当日雨量作为当日激发雨量，其余降雨为此次灾害发生的无效降雨量。换言之，从灾害发生当日向前算起，当出现连续3d降水量均 1 mm051015202530降雨时间/d图2优化后的雨场分割法雨量41 因此，本文在引入前期降雨量进行阈值研究时，考虑有效降雨量对降雨型滑坡泥石流的影响，选用Crozier42提出了有效降雨量计算式E=Eo+E+Q?E,+.+QEn,(1)式中：E。为有效降雨量；E为当日降雨量；E,为前n日降雨量；为有效降雨系数.根据经验将有效降雨系数定为 0.8 41.Brunetti等43 提出的E-D阈值模型从累积有效降雨量和降雨时间，2 个方面研究灾害发生时的降雨特190第59 卷北京师范大学学报（自然科学版）征，模型中累积降雨量E和降雨时间D在双对数坐标中满足E=axD,(2)式中a、b 根据滑坡对应的累积有效降雨量和降雨时间数据拟合得到。2结果分析2.1汶川县极端降水的时空格局通过计算极端降水指标的均值、斜率、显著性检验P值等参数，确定各乡镇点位指标变化程度并进行插值，得到2 0 0 1一2020年汶川县极端降水指标时空变化趋势（图3）.由图3可知：极端降水绝大多数指标呈现北低南高、西低东高的空间分布特征.强度指标中，RXlday和RX5day均呈现北低南高、西低东高分布，各乡镇点位均值差异较大.其中：RX1day指标除耿达镇为减少趋势外，其余各乡镇均为增加趋势；RX5day指标所有乡镇均呈现增加、显著增加和极显著增加趋势；SDII指标也呈北低南高、西低东高分布，均值差异不大，且所有点位有着增加和显著增加趋势。相对性指标中，R95p和R99p呈北低南高、西低东高分布，均值差异显著，所有点位增加趋势一致.绝对性指标中，各点位R25mm、R 2 0 m m 和R10mm这3个指标均值差异较小，但时空分布变化趋势存在较大差异.其中：103001033010300103301030010330aRXiday均值/bRX5day均值/cSDII均值/mmmm(mm:d-)313098.24158.004.6653.7697.183.52会公会3100dR95p均值/eR99p均值/fR25mm均值/mmmmd3130591.35264.658.15412.33159.224.40OO八会会3100Ag R20 mm 均值/hR10mm均值/iCWD均值/ddd31303.5518.0043.392.2013.7511.2583100AjCDD均值/kPRCPTOT均值/增加dmm313027.24969.59显著增加17.10839.34极显著增加趋势不显著减小8公极显著减小3100N02040km图32001-2020年汶川县极端降水指标时空变化趋势图4研究区降雨型滑坡泥石流灾害点样本及某样本点降雨序列年份1034010300040km203100Uu/鲁里刺日1201008060402002001200320052007 20092011 2013201520172019140762m60402005976m乡镇界uu/鲁里12010080603140泥石流灾害点样本滑坡灾害点样本N140191孙鹏等：横断山区汶川县滑坡泥石流降雨致灾闵值研究第2 期R25mm呈现北低南高、西低东高的空间分布，各指标增减趋势较为复杂；R20mm呈现北低南高分布，各点位指标有增加和趋势不显著2 种变化；R10mm西高东低，除克枯乡呈不显著减少外，其余各乡镇均为增加、显著增加趋势.持续性指标中，CWD呈现西高东低特征，均值差异较大，各乡镇点位指标变化情况复杂；CDD呈北低南高、西低东高分布，大多数乡镇点位变化趋势不显著.总的来看，整体上汶川县东北部年降水总量（PRCPTOT)较少，西南部降水量较多，均呈增加和显著上升趋势。综上，各极端降水指数在汶川县大部分乡镇点位的趋势变化不显著，比较各极端降水指数的时空格局，极端降水的相对性指数、强度性指数在空间分布上十分相似，汶川县东部和南部地区降水量具有较高的强度性、相对性和持续性，其发生由极端降水诱发的滑坡泥石流地质灾害事件的可能较大.因此呕须开展降雨型滑坡泥石流降雨致灾阈值、发生可能性预测的量化研究.2.2汶川县滑坡泥石流的降雨致灾阈值2.2.1灾害样本点降雨闯值计算研究通过新闻报道、文献查找等途径，搜索汶川县2 0 0 1一2 0 2 0 年这2 0 a中发生的滑坡、泥石流灾害事件作为样本进行降雨致灾阈值研究，符合要求的样本应满足以下条件：1)灾害诱发因素仅为降雨；2)具有准确的发生日期；3)发生前2 d期间降雨量 10 mm（有明显降雨）.根据条件筛选出用于降雨阈值研究的降雨型滑坡样本30个、降雨型泥石流样本47 个（图4）.基于2 0 0 1一2 0 2 0年GPM逐日降水数据和降雨型滑坡泥石流样本，将灾害点样本经纬度叠加在降水数据上，提取灾害点样本的日降雨量序列（图4），分析滑坡泥石流灾害过程的降雨特征，利用累积有效降雨量-降雨历时（E-D)联合指标，进而计算滑坡泥石流样本的降雨阈值。汶川县灾害样本的降雨特征具有降雨量大、降雨时间短、降雨强度高的特征，多数灾害是由极端降雨所引发的山洪-滑坡、泥石流的链式、复合型灾害.通过统计有效灾害点样本发生时的累积有效降雨量E和对应的降雨时间D,以D为横坐标，,E为纵坐标，在双对数坐标轴上进行拟合，分别确定降雨型滑坡泥石流样本分别在汶川县发生的值曲线（图5）.由图51000降雨型滑坡样本降雨型泥石流样本降雨型滑坡阅值曲线降雨型泥石流阈值曲线E=41.69D0.84-E=81.28D0.3610005105102550降雨时间D/d降雨时间D/d图5汶川县滑坡泥石流降雨致灾阈值曲线192第59 卷北京师范大自然科学版）可见：汶川县降雨型滑坡E-D阈值曲线为E=41.69D0.84(3D6)，降雨型泥石流E-D阈值曲线为E=81.28 D0.36(3D23).2.2.2灾害隐患点可能发生次数分级预测刺由于灾害隐患点的具体发生时间未知，因此本文基于2 0 0 1一2020年GPM降雨数据和滑坡泥石流样本的降雨阈值，分别提取30 3个降雨型滑坡灾害隐患点和2 8 9个降雨型泥石流灾害隐患点的日降雨序列，采用雨场分割法识别灾害发生的降雨周期，计算降雨序列中每一个灾害降雨周期的累积有效降雨量和降雨时间，当计算结果大于等于滑坡泥石流样本的降雨阈值，则在此降雨周期下，隐患点可能会发生灾害。通过以上识别和计算，对所有隐患点，2 0 年期间可能发生灾害的次数进行分级预测，划分其危险等级。结果表明，未知具体发生时间的降雨型滑坡隐患点可能发生的次数最多为6 次，未知具体发生时间的降雨型泥石流隐患点可能发生的次数最多为4次，各种可能发生次数所对应的灾害隐患点个数如图6 所示.基于研究结果，将可能发生次数1记为“不易发生”，1 可能发生次数3记为“较易发生”，可能发生次数4记为“易发生”，各危险等级降雨型滑坡泥石流分布见图7.其中：“易发生”的降雨型滑坡隐患点占比46.2%，集中位于水磨镇北部、漩口镇东部、草坡滑坡隐患点/个10094泥石流隐患点/个80787463605751403940292627201400123456可能发生次数图6降雨型滑坡泥石流隐患点的可能发生次数统计乡东南部、绵虎镇中南部、耿达镇东南部、映秀镇东部以及卧龙镇东北部，“易发生”的降雨型泥石流隐患点占比13.8 4%，集中位于草坡乡东南部和银杏乡西部，这些区域未来须重点关注其降雨预警。“较易发生”的降雨型滑坡隐患点占比2 8.38%，主要位于克枯乡（2 0 19年已撤销)东部、威州镇北部、绵虎镇中部、草坡乡东南部以及水磨镇北部；“较易发生”的降雨型泥石流隐患点占比41.52%，位于水磨镇北部、漩口镇东部、三江镇东部、耿达镇东南部、银杏乡中南部、草坡乡东部和绵虎镇中南部。“易发生”“较易发生”的滑坡泥石流隐患点的分布与极端降水的强度性、相对性和部分持续性指标具有高度的空间吻合性。滑坡隐患点泥石流隐惠点3140N不易发生N龙溪乡不易发生龙溪乡较易发生较易发生易发生易发生克枯乡克枯乡01020 km01020 km绵虎镇威州镇雁门乡绵虎镇威州镇雁门乡草坡乡草坡乡耿达镇银杏乡耿达镇银杏乡映秀镇映秀镇3100漩口镇漩口镇卧龙镇卧龙镇三江镇三江镇13.84%水磨镇25.41%水磨镇46.2%44.64%41.52%28.38%10300103401030010340图7不同危险等级降雨型滑坡泥石流隐患点的空间分布3结论1）2 0 0 12 0 2 0 年2 0 a间，极端降水指数在汶川县大部分乡镇点位的变化都不太显著，且大多数指标呈现北低南高、西低东高的空间分布特征。比较各极端降水指数的时空格局，极端降水的相对性指数、强度性指数及部分持续性指数在空间分布上十分相似，汶川县东部和南部地区降水量具有较高的强度性、193孙鹏等：横断山区汶川县滑坡泥石流降雨致灾阈值研究第2 期相对性和持续性，其发生由极端降水诱发的滑坡泥石流地质灾害事件的可能较大。2）汶川县滑坡泥石流的灾害样本的降雨特征具有降雨量大、降雨时间短、降雨强度高的特征，大多灾害是由极端降雨所引发的山洪-滑坡、泥石流的链式、复合型灾害，汶川县降雨型滑坡E-D阈值曲线为：E=41.69D0.84(3D6)，降雨型泥石流E-D阈值曲线为：E=81.28D0.36(3D23).3）汶川县“易发生”的降雨型滑坡隐患点占比46.2%，集中位于水磨镇北部、漩口镇东部、草坡乡东南部、绵虎镇中南部、耿达镇东南部、映秀镇东部以及卧龙镇东北部；“易发生”的降雨型泥石流隐患点占比13.8 4%，集中位于草坡乡东南部和银杏乡西部，这些区域未来须重点关注其降雨预警.“较易发生”的降雨型滑坡隐患点占比2 8.38%，主要位于克枯乡东部、威州镇北部、绵虎镇中部、草坡乡东南部以及水磨镇北部；“较易发生”的降雨型泥石流隐患点占比41.52%，位于水磨镇北部、漩口镇东部、三江镇东部、耿达镇东南部、银杏乡中南部、草坡乡东部和绵虎镇中南部。“易发生”“较易发生”的滑坡泥石流隐患点的分布与极端降水的强度性、相对性和部分持续性指标具有高度的吻合性。4参考文献1IPCC.Climate change 2021:The physical science basisR.20212 SSummary for PolicymakersR/IPCC.Climate Change2021:The Physical Science Basis.20213 WU J,HAN Z Y,LI 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Environment and Ecology,Beijing Normal University,519087,Zhuhai,Guangdong,China;5)Urban Geological Survey and Monitoring Institute of Hunan,410007,Changsha,Hunan)Abstractt Data of GPM L3 precipitation from 2001-2020,catalogue of hidden danger points of landslide anddebris flow disasters in flood season in Wenchuan County in 2018 from the second Qinghai-Tibet scientificexpedition,were used to select 1l extreme precipitation indexes taking into account of intensity,relativity,absoluteness and sustainability,to reveal the spatiotemporal evolution law of extreme precipitation in WenchuanCounty.Cumulative rainfall-duration relationship threshold(E-D)model was constructed,rain field segmentationmethod was optimized,rainfall threshold of rainfall-type landslides and debris flows in Wenchuan County wasquantified,risk grade of hidden danger points of rainfall-type landslides and debris flows were evaluated for period2001-2020.The change of extreme precipitation index in most villages and towns in Wenchuan County was found notobvious,most indexes showed spatial distribution of low in the north,high in the south,low in the west and high in the责任编辑：刘先勤195孙鹏等：横断山县滑坡泥石流降雨致灾阈值研究第2 期east.The relativity index,intensity index and partial persistence index of extreme precipitation were very similar inspatial distribution.The precipitation in the eastern and southern areas of Wenchuan County showed high intensity,relativity and persistence,likelihood for geological disasters due to extreme precipitation was high.The E-D thresholdcurves of rainfall-type landslides and debris flows in Wenchuan County were:E=41.69 D084(3D6)and E=81.28 D0.36(3D23),respectively.The“easy-to-happen hidden