基于降雨垂直分異的泥石流監(jiān)測網(wǎng)傳感節(jié)點布設研究*

丁明濤，周　鵬，廟　成，黃　濤

(1.西南交通大學 地球科學與環(huán)境工程學院, 四川成都 611756; 2.西南科技大學環(huán)境與資源學院, 四川綿陽 621010; 3.重慶市彭水苗族土家族自治縣水務局, 重慶 409600; 4.中山大學地理科學與規(guī)劃學院, 廣東廣州 510275)

泥石流是我國山區(qū)常見的地質災害現(xiàn)象[1]。自21世紀以來，西部地區(qū)先后經歷多次區(qū)域性強震，震后這些地區(qū)接連出現(xiàn)多次泥石流災害，造成嚴重的人員傷亡和財產損失，特別在西南地區(qū)尤為突出[2-8]。面對這一情況，對于泥石流災害多發(fā)區(qū)的監(jiān)測預警，成為當前泥石流防災減災工作的重要手段。

建國以來，我國學者通過對西南、西北等部山區(qū)進行監(jiān)測預警研究，并取得了豐碩的成果。唐小明等[9]用ArcIMS技術開發(fā)的突發(fā)性地質災害預警預報信息發(fā)布系統(tǒng)(LAPS-IMS)實現(xiàn)了突發(fā)性地質災害概率空間分布預報預警圖的發(fā)布、空間定位和空間疊加等功能；殷坤龍等[10]使用Web-GIS技術設計的地質災害實時預警預報系統(tǒng)，主要包含空間預測模型、時間預測模型和時空耦合模型，提升了人機交互體驗；吳莉娟等[11]根據(jù)不同程度泥石流災害極次的最強回波強度、回波高度、強降水回波持續(xù)時間信息提出了泥石流發(fā)生的短臨預警指標。各位學者在研究中解決了泥石流預警的諸多問題，包括預警體系架構模式、各項預警閾值和預警信息發(fā)布方式等，然而隨著計算機技術的發(fā)展以及相關學科技術的交叉應用，對泥石流預警的時效性和精確性提出了更高的要求，相應的短臨預警體系還有待完善。泥石流短臨預警的關鍵是能否及時有效的捕捉泥石流暴發(fā)后的相關信息(即泥石流激發(fā)條件及運動特征)[12]，并采取相應的技術手段對捕捉到的信息進行處理，最后結合泥石流預警模型得出泥石流預警信息，進行泥石流警報。所以構建泥石流短臨預警報體系的核心關鍵問題是獲取泥石流激發(fā)相關數(shù)據(jù)(物源和水源)、完善信息處理部架構設計、完善泥石流警報信息發(fā)布等。

泥石流流域內地形的差別影響著災害監(jiān)測預警的效果[13]。本文依據(jù)降水的區(qū)域垂直分異特征，提出泥石流監(jiān)測網(wǎng)傳感節(jié)點布設準則，并在典型小流域內進行應用驗證，為該地區(qū)泥石流災害的預測預警提供較為精確的參數(shù)指導。

1　數(shù)據(jù)與處理

本研究所用數(shù)據(jù)的獲取主要有2個方面：①來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的年平均降雨量數(shù)據(jù)；②來源于中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所提供的DEM數(shù)據(jù)。

在泥石流短臨預警報體系的傳感節(jié)點布設中，為了更好的采集有效數(shù)據(jù)及精簡成本考慮，因此需要對研究區(qū)降雨量在垂直方向上的分異特征進行探討，并根據(jù)探討研究結果，對傳感節(jié)點布設方式進行設計。具體數(shù)據(jù)處理和分析過程如下。

(1)在ArcGIS平臺下，對研究區(qū)多年各降雨量點的數(shù)據(jù)，通過插值分析生成區(qū)域年降雨量數(shù)據(jù)；然后利用柵格計算，將多年的年降雨量數(shù)據(jù)均值化，得到研究區(qū)的年均降雨量數(shù)據(jù)。

(2)為闡明研究區(qū)整體海拔與區(qū)域降雨量的分異關系，對研究區(qū)海拔按100 m為一間隔進行劃分，然后依據(jù)劃分的海拔范圍對降雨量進行統(tǒng)計，并繪制海拔與降雨量的散點圖，解析兩者關系。

(3)進一步詳細分析各區(qū)域海拔與區(qū)域降雨量的分異關系，以500 m為間隔進行高程分帶，依據(jù)劃分的海拔范圍對降雨量進行統(tǒng)計，并繪制海拔與降雨量的散點圖，解析兩者關系。

(4)結合降雨垂直分異特征和泥石流預警器傳感節(jié)點布設特點，總結研究區(qū)泥石流預警傳感節(jié)點在垂直方向上的布設規(guī)則。

2　案例分析

2.1　研究區(qū)概況

岷江上游地區(qū)涵蓋了阿壩藏族羌族自治州的汶川縣、茂縣、理縣、松潘縣、黑水縣五縣以及成都市都江堰市的小部分地區(qū)，屬于第一級階梯(平均海拔4 500 m以上)的青藏高原東部邊緣，以及第二級階梯(平均海拔1 000～2 000 m)的四川西北高原向成都平原邊緣過渡的高山峽谷區(qū)，處于30.0°45.0′～33.0°10.0′N，102.0°35.0′～103.0°57.0′E，其主要河段長約330 km，流域面積約為2.2萬 km2(圖1)。

圖1　岷江上游地理位置

圖2　岷江上游多年平均降雨量

岷江上游地區(qū)是我國最大的羌族聚集地，被視作巴蜀文化及成都平原繁榮發(fā)展的重要生態(tài)安全屏障，是四川省自然、社會、經濟與民族團結的形成、演化和發(fā)展中的關鍵之所在，亦被公認為全球性氣候變化的敏感地區(qū)[14]。從生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的角度，岷江上游具脆弱性、不可逆性，從板塊運動角度，岷江上游受到各大板塊的共同作用，其區(qū)域構造的基本格架十分獨特[15]。

2.2　岷江上游降雨量垂直分布規(guī)律

經柵格計算后，分析得到岷江上游多年年均降雨量數(shù)據(jù)(見圖2)。研究區(qū)整體東南部降雨量大于西北部，且其在西北部干旱河谷部位的降雨量小于其它區(qū)域；同理，在東南部干旱河谷降雨量小于其它區(qū)域，但在此干旱河谷處降雨量仍大于西北部所有區(qū)域。在2000-2009年最大年均降雨發(fā)生于2004年，為922.13 mm；最小降雨量發(fā)生于2002年，為525.18 mm。該區(qū)域最大降雨量無明顯的規(guī)律性變化趨勢，最小降雨量值總是位于600 mm范圍左右。

將岷江上游流域海拔以100 m為間隔進行分類，共分為55類。在忽略其它影響因素的條件下，岷江上游降雨量在垂直方向上的變化趨勢可以海拔3 751 m為界劃分為兩段：海拔小于3 751 m為降雨遞減段，大于3 751 m為降水遞增段(圖3)。降雨遞減段平均高程變幅為2 975 m，降雨量增幅為-74.2 mm，降雨量在垂直方向上的遞增率為-2.5 mm/100 m；降雨遞增段平均高程變幅為2 400 m，降雨量增幅為87 mm，降雨量在垂直方向上的遞增率為3.63 mm/100 m。岷江上游山區(qū)最大降雨量發(fā)生位置處于海拔5 400 m；最小降雨量發(fā)生位置處于海拔3 751 m處，且該處為岷江上游降雨量拐點處。通過岷江上游降雨量與高程分布圖的對比分析可知，岷江上游最小降雨量區(qū)域皆為干旱河谷區(qū)域，河谷區(qū)域兩側區(qū)域隨著海拔的增加，降雨量逐漸增大，直至山脊處。

圖3　岷江上游不同海拔降雨量散點圖

根據(jù)岷江上游實際降雨情況分析，為了使岷江上游降雨量垂直分異特征結果更加精確，基于岷江上游降雨量分布情況，將岷江上游分為西北部、中部、東南部三個區(qū)域，并以500 m間隔進行高程分帶，然后對各區(qū)域降雨量的垂直分異特征進行詳細研究(見圖4)。

(1)西北部降雨量垂直分異特征

研究區(qū)北部和西北部為寒冷高原季風氣候區(qū)，包括鎮(zhèn)江關—黑水一線以北的岷江河段，年均溫度區(qū)間為5～10℃，最低溫度約-20℃，最高溫度約30℃，常年受到的太陽幅射較強。該區(qū)域年平均降雨量約700～800 mm，濕度大，積雪多，積雪期長4個月，分別為12月、1月、2月、3月，高山地區(qū)積雪期長達8個月。岷江上游西北部為高原型季風氣候區(qū)，日溫差大而年溫差小，多年平均氣溫5～10℃，多年平均年降水量611～700 mm。

綜合上述分析，可知在岷江上游西北區(qū)域于2 650 m、3 650 m兩處出現(xiàn)拐點，當海拔小于2 650 m時，降雨量隨海拔的升高而增加；當海拔位于海拔2 650～3 650 m之間，降雨量隨海拔的增加而逐漸降低；當海拔大于3 650 m時，降雨量隨海拔的升高而增加(圖5)。

(2)中部降雨量垂直分異特征

岷江上游流域中部為干燥少雨的干旱河谷氣候區(qū)，包括干流鎮(zhèn)江關至汶川綿虒區(qū)間。較場至汶川一帶為典型的干熱風效應區(qū)，年雨量少至500 mm，為半干旱半濕潤地區(qū)，然而，汛期降水量占據(jù)全年85%，約150 d降雨日。據(jù)多年氣象站統(tǒng)計，區(qū)內年均氣溫13.4℃，極高溫35.6℃，極低氣溫-6.5℃，地表蒸發(fā)量大，由于雨水少，植被生長條件差，故風化劇烈，水土流失嚴重。

岷江上游中部區(qū)域降雨量隨垂直高度變化的總體趨勢為，隨著垂直高度的上升，降雨量增加；但在局部區(qū)域，如垂直高度由1 395～2 280 m區(qū)段內，隨著垂直高度的上升，降雨量逐漸減??；在垂直高度2 760～4 200 m區(qū)段范圍內，隨著垂直高度的增加，降雨量變化趨勢不明顯，整個區(qū)段內降雨量在700 mm左右；在垂直高度大于4 200 m區(qū)段范圍內，由于受到岷江上游整體降雨量分布趨勢影響(由西北向東南降雨量逐漸增大，且東南部最高海拔處降雨量仍大于西北部低海拔處降雨量)，隨著垂直高度的增加，降雨量逐漸增大，且遞增率約為3 mm/100 m(圖6)。

(3)東南部降雨量垂直分異特征

汶川縣綿虒鎮(zhèn)以下的流域東南部氣溫高，雨水多，濕度大，年均氣溫15.0℃，最高溫30.0℃，最低溫-5.0℃，年雨量可高達1 600 mm，關門石最大年均降雨量1 665.5 mm，虹口鄉(xiāng)最大年均降雨量1 547.7 mm，地表蒸發(fā)量僅為年均降雨量的0.5倍，氣候濕潤，植被良好，農業(yè)發(fā)達。從降雨的地區(qū)分布來看，由于岷江上游各地的地形差異，造成各地區(qū)降雨量差異極大?？偟恼f來，汶川以上雨量較少；汶川～都江堰降雨豐沛，暴雨中心大都在漁子溪～灌縣一帶，且多強降雨。

岷江上游東南部區(qū)域降雨量隨垂直高度變化的總體趨勢為：隨著垂直高度的上升，降雨量增加；但在局部區(qū)域，如垂直高度由784～1 766 m區(qū)段內，隨著垂直高度的上升，降雨量逐漸減??；在垂直高度1 766～4 238 m區(qū)段范圍內，隨著垂直高度的增加，降雨量增加，且遞增率為0.65 mm/100 m；在垂直高度4 238～5 162 m區(qū)段范圍內，降雨量隨垂直高度的增加而減??；在垂直高度大于5 162 m區(qū)段范圍內，隨著垂直高度的增加，降雨量逐漸增大，且于垂直高度5 588 m處趨于穩(wěn)定，降雨量處于660 mm左右(圖7)。

圖4　岷江上游不同區(qū)域降雨量與海拔分布情況

圖5　岷江上游西北區(qū)域高程帶降雨散點圖

圖6　岷江上游中部區(qū)域高程帶降雨散點圖

圖7　岷江上游東南部區(qū)域高程帶降雨散點圖

2.3　典型區(qū)試點研究

根據(jù)以上分析和討論，我們可以得到岷江上游傳感節(jié)點在垂直方向上的布設規(guī)則。從西北部、中部、東南部考慮傳感節(jié)點的布設，西北部在小于3 650 m處，傳感節(jié)點布設于海拔2 650 m處，大于3 650 m的區(qū)域則在同一范圍內布設于高海拔處；中部區(qū)域傳感節(jié)點布設于同一區(qū)域范圍內高海拔處；東南部區(qū)域在小于5 162 m，布設于海拔4 238 m處，其余區(qū)域布設于高海拔區(qū)域處。

由于整個岷江上游流域面積較大，所以，本研究特選擇汶川縣七盤溝流域進行傳感節(jié)點布設及其效果驗證。

七盤溝位于汶川縣威州鎮(zhèn)七盤溝村，岷江左岸，溝口坐標為103°32′40.49″E、31°26′39.19″N。七盤溝溝口附近交通便利，有都汶高速公路和G213線通過。七盤溝流域內屬高山峽谷區(qū)，整體西北低東南高，溝內斜坡陡峭，溝床下切，溝內基巖裸露，極為破碎。溝內出露地層巖性為千枚巖、結晶灰?guī)r、白云巖、花崗巖、閃長巖。由于靠近茂汶斷裂，區(qū)域小斷層密集排列，溝內地質構造極其復雜。七盤溝內人類工程活動活躍，主要有前期建設開挖回填、開荒、礦山開發(fā)等，在人類進行各類工程活動中，由于建設開挖形成新的臨空面，開荒所導致的植被破壞以及礦山開發(fā)所產生的各種廢棄礦渣都為泥石流的形成提供了便利條件。

結合傳感節(jié)點布設規(guī)律可知，七盤溝傳感節(jié)點布設在海拔小于5 162 m，選擇布設于海拔4 238 m處，其余區(qū)域布設于高海拔區(qū)域處，具體布設情況如圖8所示。

圖8　七盤溝傳感節(jié)點布設圖

3　結論

岷江上游山區(qū)降雨量整體趨勢為自西北向東南降雨量逐漸增大。通過對研究區(qū)進行區(qū)域劃分(西北部、中部、東南部)后降雨量垂直分異特征進行研究可知，在岷江上游西北區(qū)域、中部地區(qū)和東南部區(qū)，隨著垂直高度的上升，降雨的變化模式不同，但整體降雨量隨垂直高度增加而增加，但在局部不同區(qū)段范圍，隨著垂直高度的上升，降雨量逐漸減小或降雨量變化趨勢不明顯。研究區(qū)傳感節(jié)點的布設，西北部區(qū)域和東南部區(qū)域分別以3 650 m、5 162 m處為界，界線以上在同一范圍內布設于高海拔處，界線以下布設于海拔2 650 m、4 238 m處，中部區(qū)域傳感節(jié)點布設于同一區(qū)域范圍內高海拔處。

本文基于降雨量的垂直分異特征進行了詳細的分析，得到區(qū)域泥石流傳感節(jié)點布設規(guī)律，可為提高泥石流短臨預警報的時效性及精確性有著積極的幫助，同時對于泥石流短臨預警報整體體系的設計與構建有著重要的指導意義。

在實際情況中，不同的坡度、坡向等因子對降雨量的垂直分異特征均有影響，而且是不可忽略的。為了使泥石流災害監(jiān)測預警盡可能的準確和高效，更加精確的傳感節(jié)點布設是實現(xiàn)這一點的關鍵。在今后，我們將開展流域不同地形條件下的降雨空間差異分析，綜合確定泥石流災害傳感節(jié)點布設位置，從而進一步完善泥石流短臨預警報體系。

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