氣候因素對(duì)蔣家溝泥石流輸沙量的影響分析研究

田 冰, 王裕宜

(1.河北師范大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊 050024; 2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050024; 3.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041)

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氣候因素對(duì)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(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊 050024; 2.河北省環(huán)境演變與生態(tài)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050024; 3.中國(guó)科學(xué)院 山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041)

根據(jù)云南小江流域蔣家溝泥石流1965—2007年的觀測(cè)資料與會(huì)澤氣象站1961—2005年的氣象資料，采用相關(guān)分析法，詳細(xì)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(guān)性。分析結(jié)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(xiàn)出很好的正相關(guān)關(guān)系，分別通過(guò)了α=0.01，α=0.05的置信度檢驗(yàn)，隨著降水量以及極端強(qiáng)降水的增加，泥石流輸沙量都表現(xiàn)出增加的趨勢(shì)。盡管隨著夏季氣溫的增加會(huì)影響泥石流形成的土源條件的含水量，但因?yàn)榻邓蛩氐膶?duì)泥石流啟動(dòng)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xiàn)出增加的態(tài)勢(shì)。

相關(guān)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(fù)面影響并存，但它的負(fù)面影響更受關(guān)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(tài)環(huán)境的惡化，這些已經(jīng)危及到人類(lèi)的生存空間。長(zhǎng)江流域是全球氣候變化區(qū)域響應(yīng)的重要地區(qū)之一[3]，而長(zhǎng)江上游金沙江下游的小江流域是降雨型泥石流災(zāi)害頻繁暴發(fā)的典型區(qū)域[4]，該區(qū)域氣候因子的年內(nèi)和年際變化對(duì)泥石流暴發(fā)的規(guī)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(zhì)、充沛降水是泥石流發(fā)生的3大條件。在特定的區(qū)域內(nèi)，如果未發(fā)生大的地質(zhì)活動(dòng)，形成泥石流的陡峻地形、豐富的松散固體物質(zhì)在一定時(shí)段內(nèi)不會(huì)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(zāi)害所造成的損失減輕到最小，研究氣候因子變化對(duì)泥石流活動(dòng)的影響，提前做好年際間的防御工作，這是一種重要的防災(zāi)減災(zāi)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(zhì)和地貌條件，使得該流域坡面和溝道泥石流源地的產(chǎn)沙、產(chǎn)流臨界雨量、雨強(qiáng)均較低，在一年中可暴發(fā)數(shù)至數(shù)十次泥石流。在全球變暖的大背景下，該區(qū)域氣候也呈現(xiàn)出變暖、變濕的趨勢(shì)，特別是20世紀(jì)90年代以來(lái)，氣溫升高，降水顯著增加，強(qiáng)降水事件出現(xiàn)的頻率也呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，這些氣候變化導(dǎo)致泥石流暴發(fā)的頻率增加，規(guī)模增大。在地形條件和松散固體物質(zhì)來(lái)源沒(méi)有大的改變的前提下，該溝泥石流發(fā)生、發(fā)展的規(guī)模和頻率主要受降雨的周期性、季節(jié)性和突發(fā)性等因素的控制和制約[5-6]。本文根據(jù)小江流域會(huì)澤站1961—2005年氣象數(shù)據(jù)以及蔣家溝流域1965—2007年泥石流輸沙資料[7-8]，對(duì)由于氣候因子變化引起的泥石流活動(dòng)的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，以期找到泥石流活動(dòng)在氣候變化大背景下的變化規(guī)律，以便為當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及處理方法

由于蔣家溝流域(1982—2004年)的降水資料觀測(cè)困難，完整性較差，而云南會(huì)澤站(1961—2005年)的國(guó)家氣象資料數(shù)據(jù)時(shí)間系列長(zhǎng)，完整性好，且蔣家溝泥石流的形成區(qū)和會(huì)澤站處于同一高度的雨區(qū)。本文擬采用云南會(huì)澤站的氣象資料研究蔣家溝流域泥石流活動(dòng)對(duì)氣候因子的響應(yīng)，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(huì)澤站的同期降水資料進(jìn)行相關(guān)性分析。

相關(guān)性分析[9]是研究?jī)蓚€(gè)變量間線性關(guān)系的程度，用相關(guān)系數(shù)r來(lái)描述，計(jì)算公式為：

(1)

對(duì)相關(guān)系數(shù)r的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)時(shí)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量t[10]：

(2)

如果變量Y與X間是統(tǒng)計(jì)關(guān)系，-10；X，Y變化的方向相反，則稱為負(fù)相關(guān)，r<0；當(dāng)|r|≥0.8時(shí)，為高度相關(guān)；當(dāng)0.5≤|r|<0.8，為中度相關(guān)；0.3≤|r|<0.5，為低度相關(guān)；|r|<0.3，關(guān)系極弱，一般認(rèn)為不相關(guān)。

將23 a(1982—2004年)間的蔣家溝5個(gè)觀測(cè)站的平均降水?dāng)?shù)據(jù)和會(huì)澤站降水?dāng)?shù)據(jù)，進(jìn)行了相關(guān)分析。由分析結(jié)果可知，蔣家溝流域平均降水與會(huì)澤站降水相關(guān)系數(shù)為0.813，為高度相關(guān)，另外，從圖1也可以看出，兩站在1982—2004年的降水變化趨勢(shì)基本一致，因此本文采用會(huì)澤站的降水資料進(jìn)行有關(guān)分析。

圖1 1982-2004年蔣家溝流域平均降水量與會(huì)澤降水量比較曲線

2 泥石流輸沙量與降水量的關(guān)系

泥石流的輸沙量不僅反映了泥石流形成區(qū)的獨(dú)立環(huán)境特征和泥石流的搬運(yùn)能力，也反映了泥石流規(guī)模的大小。

2.1 泥石流輸沙量與年降水量、季節(jié)降水量的相關(guān)分析

在同一條泥石流溝中，流域內(nèi)的物質(zhì)條件、溝床條件在一定時(shí)間內(nèi)是相對(duì)穩(wěn)定的，而降雨條件的時(shí)空變化對(duì)泥石流的產(chǎn)生及形成規(guī)模的大小都有很大的關(guān)系。本文采用相關(guān)分析法，對(duì)多年平均降水量和各季節(jié)降水量和泥石流輸沙量進(jìn)行相關(guān)性分析，各降水要素與泥石流輸沙量的相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 蔣家溝泥石流年輸沙量與會(huì)澤站降水因素的相關(guān)系數(shù)

注：**代表通過(guò)0.01(p=99%)置信度檢驗(yàn)，*代表通過(guò)0.05(p=95%)置信度檢驗(yàn)，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(guān)系數(shù)最大，為0.540，達(dá)到α=0.01檢驗(yàn)，這說(shuō)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(fā)，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(rùn)程度，相對(duì)增加了泥石流暴發(fā)前的前期降水量。其次是夏季降水量，這主要因?yàn)椋阂皇窍募窘邓空嫉饺杲邓康谋戎刈畲?；二是由于降水型泥石流大多在夏季發(fā)生，所以其相關(guān)系數(shù)較大。而春季降水量在全年降水量中的比重最小，其相關(guān)性相對(duì)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(shì)在個(gè)別年份上有所差別，大多數(shù)年份都是同步的。蔣家溝泥石流輸沙量在1968年開(kāi)始減少，在1972—1982年有幾次小的波動(dòng)，1982年后又呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，之后一直是波動(dòng)式上升，到2000年后開(kāi)始下降。這與會(huì)澤的降水趨勢(shì)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(wàn)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(shuō)明了蔣家溝流域泥石流規(guī)模大小的主要驅(qū)動(dòng)因素是大氣降水，隨著降水量的增加，輸沙量呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)(圖3)。

圖2 1965-2002年年降水量與輸沙量對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖3 年降水量與輸沙量關(guān)系

2.2 泥石流輸沙量與極端強(qiáng)降水的相關(guān)分析

近些年來(lái)，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(guān)注，有關(guān)學(xué)者的研究表明長(zhǎng)江上游金沙江水系的極端強(qiáng)降水量呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)[11]，這與一些相關(guān)研究分析的小江流域極端強(qiáng)降水量在1961—2002年顯著增加的結(jié)論相一致[12]。小江流域降水的年內(nèi)和年際變率大，隨著氣候變暖導(dǎo)致印度洋海洋溫度增加，夏季風(fēng)的水循環(huán)進(jìn)一步加快，降水時(shí)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(diǎn)為3 269 m)西低(最低點(diǎn)為1 042 m)，正對(duì)著印度洋夏季風(fēng)的前進(jìn)方向，為迎風(fēng)多雨區(qū)。夏季常常會(huì)產(chǎn)生中尺度對(duì)流云團(tuán)，這些云團(tuán)生命史很短，但會(huì)產(chǎn)生局地強(qiáng)對(duì)流降水天氣[11]。這些都有可能導(dǎo)致極端氣候事件的發(fā)生，它們對(duì)流域內(nèi)泥石流暴發(fā)的規(guī)模和頻率，都會(huì)產(chǎn)生重要的影響。

對(duì)于不同的地區(qū)，極端強(qiáng)降水事件是不能完全用全國(guó)統(tǒng)一固定的日降水量簡(jiǎn)單定義的。因此在云南會(huì)澤站的極端強(qiáng)降水事件的選取上，采用百分位的方法，把第95個(gè)百分位值作為極端值的閾值，當(dāng)該站的某日的降水量超過(guò)該閾值，就稱之為極端降水事件[13-14]。通過(guò)對(duì)會(huì)澤站1961—2002年逐日降水資料的統(tǒng)計(jì)匯總，得出該站的極端強(qiáng)降水事件的閾值為13.6 mm。本文以小江流域會(huì)澤站1961—2002年發(fā)生的年強(qiáng)降水事件和夏季強(qiáng)降水事件，分析它們對(duì)泥石流輸沙量大小的敏感程度。極端強(qiáng)降水要素與泥石流輸沙的相關(guān)系數(shù)如表2所示。

表2 蔣家溝泥石流年輸沙量與會(huì)澤站強(qiáng)降水因素的相關(guān)系數(shù)

從表2可以看出，在極端強(qiáng)降水的要素中，年極端降水量和年極端降水事件發(fā)生的天數(shù)與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)較大，其中年極端降水量通過(guò)了α=0.05的置信度檢驗(yàn)，這說(shuō)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(shì)在1961—2002年表現(xiàn)基本一致。這主要因?yàn)樵摿饔虻哪陿O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(xiàn)在2 500～3 000 m地帶，正好與泥石流形成區(qū)同位，根據(jù)蔣家溝流域1995—1997年43場(chǎng)泥石流輸沙觀測(cè)數(shù)據(jù)和降水資料的統(tǒng)計(jì)分析，表明由強(qiáng)降水引發(fā)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(xiàn)出增加的趨勢(shì)，而年極端降水少的時(shí)段內(nèi)，泥石流的規(guī)模也較小。

圖4 1965-2002年極端強(qiáng)降水量與輸沙量對(duì)應(yīng)關(guān)系

夏季正是泥石流暴發(fā)最集中的季節(jié)，而小江流域的夏季極端降水量以及降水天數(shù)均占到了全年極端降水的65%以上，因此夏季極端強(qiáng)降水量的多寡對(duì)泥石流災(zāi)害的暴發(fā)規(guī)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(fā)生的天數(shù)與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)較大，其中夏季極端降水量通過(guò)了α=0.05的置信度檢驗(yàn)。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(shì)。

圖5 極端降水量與輸沙量關(guān)系

圖6 夏季極端降水量與輸沙量關(guān)系

2.3 泥石流輸沙量與溫度的相關(guān)分析

流域內(nèi)氣溫變化作為熱量指標(biāo)對(duì)泥石流的影響主要表現(xiàn)在：(1) 影響流域的蒸發(fā)量，從而影響了泥石流形成的土源條件——固體物質(zhì)的土壤含水量程度；(2) 改變流域高山區(qū)降水形態(tài)；(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(duì)泥石流形成的降水條件產(chǎn)生影響。

近幾十年的觀測(cè)資料顯示，小江流域氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，本文選取流域1970—2002年的多年平均氣溫和各季節(jié)平均氣溫，分析它們?cè)谀嗍骰顒?dòng)中的貢獻(xiàn)。其單因素相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3 蔣家溝泥石流年輸沙量與會(huì)澤站氣溫因素的相關(guān)系數(shù)

由表3可以看出，氣溫要素與輸沙量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中夏季氣溫與年輸沙量的相關(guān)系數(shù)較大，并且通過(guò)了α=0.05的置信度檢驗(yàn)，其次是年均溫，其他各季節(jié)均溫的相關(guān)性都較小。這主要因?yàn)橄募緶囟容^高，對(duì)流域內(nèi)蒸散發(fā)以及物質(zhì)風(fēng)化都能產(chǎn)生一定的影響，而該流域暴雨型泥石流大多數(shù)都形成于夏季，因此其相關(guān)性也比其他季節(jié)的好。由圖7可以看出，隨著夏季溫度的升高，輸沙量表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)。這主要因?yàn)闇囟壬撸饔虻恼舭l(fā)量增大，影響了土體表層，但僅僅是對(duì)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(zhì)的土壤含水量程度，從而對(duì)泥石流規(guī)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(guān)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(guān)系，在溫度不變的情況下，輸沙量隨降水量的增加表現(xiàn)增加的趨勢(shì)，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(shì)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(xiàn)出增加趨勢(shì)。

圖8 小江流域夏季均溫、降水量與輸沙量的相關(guān)關(guān)系

3 結(jié) 論

(1) 蔣家溝泥石流輸沙量與年降水量的相關(guān)性最好，系數(shù)為0.540，通過(guò)了α=0.01的置信度檢驗(yàn)，這是因?yàn)槭Y家溝暴雨型泥石流雖然多在雨季暴發(fā)，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(rùn)程度，相對(duì)增加了泥石流暴發(fā)前的前期降水量，其次是夏季降水量，說(shuō)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(guān)系都比較密切，均通過(guò)了α=0.05的置信度檢驗(yàn)，隨著降水量的增加，輸沙量也表現(xiàn)為增加的趨勢(shì)。

(2) 泥石流輸沙量與氣溫因素則呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中與夏季氣溫的相關(guān)性較好，隨著夏季氣溫的增加，輸沙量呈現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，主要是因?yàn)闇囟壬?，流域的蒸發(fā)量增大，影響了土體表層，但僅僅是對(duì)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(zhì)的土壤含水量程度，從而對(duì)泥石流規(guī)模的大小產(chǎn)生一定程度的影響。

(3) 泥石流輸沙量與降水、氣溫之間表現(xiàn)為明顯的非線性關(guān)系，在溫度不變的情況下，輸沙量隨降水量的增加基本表現(xiàn)增加的趨勢(shì)，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(shì)小幅減小，在降水量和溫度都增加的情況下，輸沙量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，降水因素的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣溫要素。

致謝：作者深深地感到本項(xiàng)研究無(wú)論是38年的氣象觀測(cè)資料的獲得，還是近48年泥石流侵蝕輸沙量的觀測(cè)資料的獲得，都凝聚著二代人長(zhǎng)期野外工作的艱辛。在此作者對(duì)國(guó)家氣象觀測(cè)站與中國(guó)科學(xué)院東川泥石流觀測(cè)研究站的新老同仁們表示最誠(chéng)摯的敬意和感謝。

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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(guó)家自然科學(xué)資助項(xiàng)目(40671026);河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究青年資助項(xiàng)目(Q2012114);河北師范大學(xué)博士科研基金(L2008B14);河北省高校重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助項(xiàng)目

田冰(1973—),女,天津人,副教授,博士,主要從事泥石流的觀測(cè)研究。E-mail:tbjyp@sina.com

P642.23; P333.4

1005-3409(2015)05-0218-05