四川省九龙县暴雨诱发泥石流的时空特征及其阈值确定

李锡强， 王 敏， 冉王群， 陈政道， 牟 杰， 阿的鲁骥

（1.四川省甘孜藏族自治州 九龙县气象局，四川 九龙626200； 2.四川省甘孜藏族自治州 气象局，四川 康定626000； 3.兰州大学 草地农业科技学院，甘肃 兰州730000）

九龙县位于四川省西部，甘孜藏族自治州东南部［1］.北连康定，东、南毗石棉、冕宁，西、南与木里接壤，是甘孜州、雅安市、凉山州藏、汉、彝3 个民族居住区结合部［2］.地理坐标为E101°00′～102°00′，N28°40′～29°20′，地处攀西平原与青藏高原的过渡地带，地势北高南低，高差悬殊，全县大体上分为高山原和高山峡谷两大地貌区［3］.受地理位置、地形及大气环流的共同影响，大陆性高原山地季风气候明显，受山区地形的影响，降雨量的垂直分布特别明显［4］.泥石流是九龙县常见的地质灾害之一［5］，几乎每年都有泥石流灾害出现，严重制约了当地社会经济发展.据不完全统计，1991—2018 年期间，九龙县境内共发生泥石流灾害51 次，造成直接经济损失49 252.66 万元.其中，2003 年出现泥石流的次数最多，共发生泥石流灾害6 次，直接经济损失为4 492.7 万元.泥石流灾害预警工作已成为一项十分重要的防灾减灾手段和国内外泥石流灾害研究的一个热点问题［6］.对某一地区而言，在一定时间尺度内地形和松散固体物质变化不大，因此，激发泥石流的重要条件是降雨［7-8］，其中又以暴雨为主要因素［9］，铁永波［4］曾对九龙县石头沟泥石流动力学特征及其危险性评价进行了研究，但针对九龙县全域泥石流灾害预警方面的研究则鲜有报道.本研究根据九龙县气象局1952—2018 年的降雨数据和1990 年以来当地泥石流灾害频数，对九龙县暴雨诱发泥石流灾害的发生规律进行分析，旨在找出暴雨诱发泥石流的降雨量阈值、发生时段和泥石流灾害易发区，为开展泥石流预警工作提供直观清晰的预报依据和指标.

2 数据和研究方法

2.1 数据获取 1952—2018 年降水资料来自九龙县气象局，此外还有一部分降水资料来自2009 年后建立的乡镇单雨量站和区域站；1991—2018 年九龙县境内发生的51 起泥石流灾害数据由九龙县防灾减灾部门提供.

2.2 九龙县暴雨特征分析 暴雨通常是指24 h降雨量≥50 mm的降水天气过程，但四川各地区气候差异很大，因而各地实施的标准并不相同［10］.根据四川省气象局《四川省短期灾害性天气预报质量评定办法》（川气预函【2018】11 号附件1）第四章第六条规定的短期灾害性天气预报天气标准，甘孜藏族自治州24 h 降雨量25 ～49.90 mm为暴雨，24 h降雨量50 ～99. 90 mm 为大暴雨，24 h 降雨量≥100.0 mm为特大暴雨.本研究根据九龙县气象局1952—2018 年的数据和2010 年以来的乡镇单雨量站和区域站的数据，分析九龙县暴雨的时间特征和空间特征.

2.3 暴雨诱发泥石流的空间特征和时间特征确定

依据1991—2018 年期间暴雨分布的空间特征和时间特征，结合在此期间有记载的51 起泥石流灾害，分别统计不同地域和24 h 内不同时段出现的泥石流灾害次数，计算不同地域和不同时段泥石流灾害发生的概率，用SPSS 18 进行相关性分析.

2.4 暴雨诱发泥石流的降水阈值确定 根据九龙县气象局、乡镇单雨量站和区域站提供的降水数据，结合泥石流发生情况，分析降水强度、降水时间、前期累积降雨量诱发泥石流的概率.其中，降水强度是指在一定时间内降雨量的多少，通常是用1 h和1 d的降雨量来衡量［10］.根据九龙县防灾、减灾和预报工作实际情况，本文以1 h 内的降雨量表示降水强度（mm／h），以10 d 累计的降水总量（mm／10 d）作为前期累计降雨量.

根据2010 年以来发生的典型泥石流个例中所对应的降水数据，确定九龙县暴雨诱发泥石流的降水强度、降水强度与时长、前期累计降雨量的概率，用SPSS 18 进行相关性分析.

2.5 泥石流易发区确定 根据九龙县暴雨空间分布特征与各区域泥石流发生地点的关联性，来确定暴雨易发区域.

2.6 泥石流灾害发生预警等级划分 本研究根据10起典型泥石流个例发生时的降水数据及其九龙县暴雨分布特征，将泥石流发生等级分为5 级，Ⅰ级：泥石流发生可能性小；Ⅱ级：泥石流发生可能性较小；Ⅲ级：泥石流发生可能性较大；Ⅳ级：泥石流发生可能性很大；Ⅴ级：泥石流发生可能性特别大.并将Ⅳ级和Ⅴ级定为警报级，Ⅲ级定为注意级，Ⅱ级定为提示级，Ⅰ级发生泥石流灾害的可能性很小.

3 结果与分析

3.1 暴雨诱发的泥石流时空特征

3.1.1 1952—2018 年暴雨日数的分布 九龙县是暴雨频发的地区之一，图1 为1952—2018 年期间九龙县历年暴雨日数分布图.24 h 降雨量≥25 mm的日数平均4.4 d，其中，2003 年暴雨日数最多，为11 d；1994 年暴雨日数最少，为零.暴雨日数≥6 d有16 年，分别出现在1965 年、1966 年、1970 年、1975 年、1979 年、1982 年、1987 年、1990 年、1992年、1994 年、2000 年、2003 年、2004 年、2005 年、2012 年和2014 年.

图1 九龙县1952—2018 年期间降雨量≥25 mm的暴雨日数分布图Fig. 1 Numbers of rainstorm days with precipitation≥25 mm from 1952 to 2018 in Jiulong County

3.1.2 暴雨诱发九龙县泥石流灾害的时间特征 图2 显示，1991—2018 年期间，九龙县降雨量≥25 mm的暴雨115次，主要出现在4 ～10月之间，5月进入雨季以后，暴雨频繁出现，并一直持续到10 月下旬.其中71.3%的暴雨出现在6 ～8月之间，尤以6月为甚，如2003年6月暴雨日数高达6 d.11月至翌年3月期间，则没有暴雨天气出现.根据图2 可见，1991年以来记录的泥石流灾害主要出现在每年的主汛期（6 ～8 月），占泥石流灾害的84.31%，其次是5月和9 ～10月，占泥石流灾害次数的15.69%.相关性分析表明，九龙县泥石流发生与暴雨发生呈极显著的正相关（P ＜0.01，Pearson 相关性系数＝0.811），由此可见暴雨的月际变化与泥石流灾害发生具有明显的关系.

图2 九龙县1991—2018 年泥石流发生数与暴雨月动态的关系图Fig. 2 Relationship between the occurrence of debris flow and the month dynamics of rainstorm from 1991 to 2018 in Jiulong County

1991—2018 年期间，九龙县降雨量≥25 mm的暴雨有55. 65%出现在20：00 - 02：00 期间，而9：00 -14：00 期间没有出现过暴雨.从记载的51 起泥石流发生的时段来看，68.63%发生在20：00 -02：00 之间，13.73%发生在15：00 -19：00 之间，17.65%发生在03：00 -08：00 之间，09：00 -14：00没有泥石流发生的记载.相关性分析表明，九龙县降雨量≥25 mm 的暴雨发生与泥石流发生之间存在着显著的正相关（P ＜0.05，Pearson相关性系数＝0.955），由此可见，九龙县暴雨出现频率最高的时段与泥石流高发时段相吻合.

图3 九龙县1991—2018 年泥石流发生时段与暴雨日动态的关系图Fig. 3 Relationship between the occurrence of debris flow and the daily dynamics of rainstorm from 1991 to 2018 in Jiulong County

3.1.3 暴雨诱发九龙县泥石流灾害的空间特征 九龙县辖2 镇16 乡，地势北高南低，高差悬殊，其南部、东南部沟壑纵深，地形复杂.从图4 可知，本研究记载的泥石流中，南部地区占41%，北部地区占19%，东南部地区占16%，东部地区占16%，西部占8%.这与九龙县由北向南的北高南低地势地貌及其南部、东南部沟壑纵深地理位置有关.

2010 年前九龙县乡镇未安装单雨量站和区域站.本研究根据2010—2018 年各个乡镇的区域站和单雨量站的记载发现，九龙县暴雨引发泥石流灾害频率是自北向南依次增加，南部魁多乡、烟袋乡南部是县境内暴雨引发灾害出现频率最高的区域（暴雨引发泥石流频率≥50%）；子耳乡、乌拉溪乡、三垭乡、小金乡、俄尓乡、三岩龙乡东南部、乃渠乡西南部、踏卡乡大部、湾坝乡东南部以及烟袋乡北部出现灾害频率为35% ～50%；上团乡、汤古乡、斜卡乡、洪坝乡、八窝龙乡、呷尔镇、三岩龙乡北部、乃渠乡大部、踏卡乡西北部、湾坝乡大部区域暴雨引发灾害出现频率较低，其概率小于35%.

图4 九龙县暴雨诱发泥石流频率分布图Fig. 4 Spatial characteristics of debris flow induced by rainstormin in Jiulong County

3.2 暴雨诱发九龙县泥石流灾害的主要因素

3.2.1 降水强度 降水强度是诱发泥石流的主要因素之一.据分析，随着降水强度增强，九龙县泥石流发生概率逐渐增大（图5），当降雨量大于25 mm／h时，泥石流发生概率在76%以上，降雨量大于30 mm／h，泥石流发生概率达到92%.降水强度与泥石流发生概率呈极显著正相关（P ＜0.01）；夏季短时强降水诱发泥石流的可能性最大.

图5 九龙县降水强度诱发泥石流发生的概率Fig. 5 Probability of occurrence of debris flow induced by precipitation intensity in Jiulong County

3.2.2 降水强度与时长 降水时长也是暴雨诱发泥石流的主要因素之一.根据九龙县2010 年后发生的10 起泥石流灾害降水强度与时长情况来看（表1），1 h和3 h的降雨量达到25 ～30 mm时，暴雨诱发泥石流的概率高达80%.

表1 九龙县2010 年后10 起典型泥石流个例与降水强度及时长的关系Tab. 1 Relationship between 10 cases of typical debris flow and precipitation intensity in Jiulong County since 2010

3.2.3 前期累计降雨量 本研究统计2006 年以来九龙县危害严重的11 起泥石流灾害案例的前期累计降雨量（表2）发现，当前期累计降雨量＞50 mm／10 d时，且有短时强降水或者暴雨触发时泥石流发生概率高达90.91%.

表2 前期累计降雨量（10 d）与九龙县泥石流发生等级的关系表Tab. 2 The relationship between the cumulative precipitation in the previous period（10 d）and the grade of debris flow in Jiulong County

3.3 九龙县暴雨诱发泥石流灾害阈值确定 根据上述九龙县暴雨诱发泥石流灾害的时空特征、泥石流发生时的降水特征，确定了九龙县暴雨诱发泥石流灾害的预警等级（表3）.

当降水强度大于16 ～20 mm／h 时诱发泥石流的可能性较大，为注意级；降水强度在20 ～35 mm／h时诱发泥石流的可能性很大，为预警级；降水强度≥35 mm／h 时诱发泥石流的可能性极大，为警报级.

表3 九龙县暴雨诱发泥石流灾害预警等级表Tab. 3 Early warning level of debris flow hazard induced by heavy rain in Jiulong County

4 讨论和结论

九龙县暴雨诱发泥石流具有明显的月际和日际变化周期.1952—2018 年期间，九龙县24 h 降雨量≥25 mm的日数平均4.4 d，暴雨日数≥6 d有16年.其中，2003 年暴雨日数为11 d，1994 年无暴雨日数；暴雨诱发泥石流主要发生在6 ～8 月，其次是5 月和9 ～10 月，11 月至翌年4 月，自1952 年以来均无泥石流发生的记载；泥石流主要出现在下午15：00 后到翌日08：00.20：00 -02：00 为泥石流的高发时段，有记载的泥石流67.35%发生在该时段.另外，有28.57%的泥石流发生03：00 -08：00，其余时段发生泥石流的频率较低，09：00 -14：00 没有泥石流发生的历史记载.

由于地形地貌、气候、植被等因素的综合作用，九龙县暴雨诱发泥石流表现出明显的空间特征.从九龙县全境内来看，深切割地形和河谷分布全县，尤其是南部地区和东南部地区地形陡峭，坡度大，平地较少，在泥石流群发的情况下，这些区域是泥石流的流通区或者是堆积区［11］；九龙县暴雨空间分异明显，具有明显的地域差异.九龙县暴雨自北向南依次增加，南部魁多乡是县境内暴雨出现频率最高的区域；九龙县全县森林覆盖率47.43%，其中北部为77.8%，中部12.7%，南部仅为9.5%［12］.本研究结果表明，九龙县境内均有发生泥石流的可能性，且发生概率表现为自北向南依次增加，南部是泥石流高易发区，北部、东部和东南部次之，西部地区较小，这一现象与森林覆盖率密切相关.

暴雨诱发泥石流与降水强度、降水时长和10 d累计降雨量密切相关.降水强度与泥石流发生概率呈极显著正相关（P ＜0.01），当降雨量大于25 mm／h时，泥石流发生概率在76%以上，降雨量大于30 mm／h，泥石流发生概率达到92%；夏季短时强降水诱发泥石流的可能性最大，1 h 和3 h 的降雨量达到25 ～30 mm 时，暴雨诱发泥石流的概率达到80%；当前期累计降雨量＞50 mm 时，泥石流发生概率高90.91%，相应的农业和各种受灾情况越严重，直接经济损失也就越大.

综上所述，九龙县暴雨诱发泥石流具有明显的时空特征：九龙县南部是泥石流的高易发区；当降水强度大于20 mm／h 时就容易诱发泥石流；20：00 -02：00 是泥石流发生的高发时段.当降水强度在16 ～20 mm／h时诱发泥石流的可能性较大，为注意级；降水强度在20 ～35 mm／h时诱发泥石流的可能性很大，为预警级；降水强度≥35 mm／h 时诱发泥石流的可能性极大，为警报级.