辽宁省降雨型泥石流环境特征及分类预警

曹永强， 张若凝， 范帅邦

(1.辽宁师范大学 地理科学学院，辽宁 大连 116029； 2.东北财经大学 公共管理学院，辽宁 大连 116025)

泥石流是山区常见的自然灾害，具有突发性、群发性、伴生性、时段性、破坏性等显著特点[1]，松软的地层岩性和断裂构造是泥石流形成的内在因素，起伏的地形与松散地表物质为泥石流提供了本底条件[2]，连续性降水或短期高强度降水、河流冲刷、地震及人为生态破坏是泥石流的直接诱因[3]。我国山地众多，人口稠密，泥石流灾害严重威胁居民的生命财产安全，对各类建筑物、道路等基础设施造成极大破坏。2014年，云南省怒江州福贡县发生特大型泥石流，造成1人受伤、17人失踪，直接经济损失达2 107万元；2016年，新疆喀什地区发生特大型泥石流，致使8人受伤、7人失踪、35人死亡，直接经济损失达2.8亿元[4]。

前人对泥石流成灾机理与降水阈值研究主要集中于海拔2 000 m以上的高山泥石流，国内研究集中在我国西南和西北地区的山地泥石流。胡凯衡等[5]选取11个因子探讨了横断山区泥石流发生的时空规律，发现泥石流影响因子的定量统计具有明显的空间分异性，湿度指数是泥石流沟空间分布最主要的影响因子；刘海知等[6]、钟燕川等[7]分别采用相关性分析法、主成分分析法对四川省泥石流致灾因子与前期降水特征进行了研究。赵艳萍[8]研究了白龙江流域约40年的泥石流空间分布的环境特征，并分析得出地层岩性、暴雨和地形坡度是对于该区泥石流影响程度最深的因子；ZHUANG J等[9]、马超等[10]、GUO X等[11]对横断山区泥石流空间分布特征及降水阈值进行了深入探讨。以上对泥石流影响因子与降水阈值预警的研究均采用定量分析，客观评价了我国不同地区泥石流的诱因。

辽宁省是我国北方泥石流高发省区，频发的泥石流灾害给当地居民的生活带来严重影响[1]。但目前对该区泥石流多种环境因子和分类预警的综合研究不多。曹永强等[12]探究了不同时间尺度下辽宁省泥石流与降水因子的关系，并定量分析得出短期内泥石流发生的前期降水阈值。在此基础上，本文研究辽宁省近60年来泥石流空间分布的环境因素，运用地理探测器探究单因子与多因子的交互作用对泥石流空间分布密度的影响程度，并对泥石流进行聚类分析，得到诱发不同类别泥石流的环境因子量化范围和前期降水量，从而为辽宁省及具有相同环境背景下的泥石流灾害预警与防治工作提供一定的理论支撑。

1 研究区概况

辽宁省东部和南部低山丘陵分布广泛，地形复杂，地势起伏较大，由东向西逐渐平缓。该区地质条件不稳定，构造运动频繁，河流较多，风化作用等外力侵蚀活动导致下垫面岩体松软，地处温带大陆性季风气候区，夏季降雨集中，受来自黄海和渤海的夏季风携带大量水汽的影响[13]，易在山地迎风坡形成地形雨，该区是我国北方泥石流高发区；中部为辽河平原，西部以山地、丘陵为主，但降水较少，泥石流灾害少见。

2 研究数据及方法

2.1 因子的筛选与数据来源

图1为研究区1950—2019年有记录的降雨型泥石流灾害点空间分布情况，共计532个泥石流灾害点。

图1 辽宁省降雨型泥石流灾害点的空间分布图

陡峻的地形、松软的物质来源和充分的水动力是泥石流形成的3个基本条件[14]。地形因子是泥石流灾害发生的先决条件，起伏山坡的岩石和土体的稳定性较差，为泥石流下泄提供良好的坡面条件[15]。高程影响地表覆盖、河流及人类活动的空间分异[9]，坡度影响地表水冲刷速度和坡面物质的稳定性，不同坡向水热状况不同，岩石风化侵蚀程度和种类不同，地表物源松软度和土壤水分饱和度不同。松软的岩石碎屑与土体是泥石流形成的物源条件，土壤类型反映泥石流组成物质特性，影响地表土体的易受冲刷程度，土地利用则揭示地表的人为干预程度[14]，植被可反映区域水土保持情况，上述因子能在很大程度上反映下垫面物质特征[8]。降水是泥石流的重要组成物质和诱发动力，辽宁省降雨型泥石流与台风关系密切，而暴雨是必要的诱发因素，表现为短期内高强度降水。本文选取暴雨日数、泥石流发生当日、前3日和前7日累计有效降雨量作为降雨因子时对辽宁省泥石流空间分布进行关联度和预警值研究。

辽宁省1950—2019年泥石流灾害数据和各项地理信息数据来源于中国地质环境监测研究所(http://www.iheg.cgs.gov.cn/)和资源环境科学数据中心(http://www.resdc.cn/)。辽宁省地面气象站监测的逐日降水数据来源于国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn/)。

2.2 研究方法

2.2.1 核密度分析法

核密度分析[16]的工作原理是根据落入研究区点的权重，使用核函数[9]计算区内单位面积的量值。其特点是可视性好，考虑周全，结果分布较平滑。本文利用核密度分析法对泥石流灾害点进行表面内插，把区域内灾害点的密度作为因变量与同一区域内各影响因子的类值(自变量)进行权重分析。

2.2.2 地理探测器法

地理探测器法[17]是探测空间分异性及其驱动因子关系的新统计学方法，该法既可探测多个单因素对因变量的关联程度，又可分析任意两因子对因变量的交互作用，可用于自然和社会科学等研究领域[3]。本文运用地理探测器软件探测辽宁省泥石流的各个影响因子与灾害空间分布密度的权重贡献率。

2.2.3 普通克里金插值法

克里金法(Kriging)最早由南非金矿工程师丹尼·克里格开创，后法国统计学家乔治斯·马瑟伦提出普通克里金空间插值算法[18]。该方法是基于区域客观采样点指定指标为自变量进行无偏估计的空间插值法，能估出区域量化属性。它是变量区域化的线性估计[16]，是地统计学的方法之一。本文运用普通克里金插值法对已知泥石流灾害发生当日、前3日、前7日降水量的雨量站数据进行插值，估算出泥石流发生当日、前3日、前7日辽宁省区域内的降水量，以提取各泥石流点发生当日、前3日、前7日的降水量。其计算公式如下：

(1)

式中：Z(X)为插值点区域化的预测值；ωi为参与插值点对估算点属性值的权重；xi指雨量站位置；Z(Xi)为插值点实测值。

2.2.4 前期有效雨量计算法

泥石流的前期有效雨量是前期累计雨量中影响土壤水分饱和度、破坏土壤稳定性的部分降水量[12]。通过计算泥石流前期有效雨量值可更加准确地估测泥石流发生的降雨条件。泥石流前期有效降雨量计算公式如下：

(2)

式中:Xe表示泥石流发生前的有效雨量；Xi表示泥石流发生第i天的当天雨量；K作为经验常数，表示风化层流出量的递减指数[9]，一般取值为0.84[19]。

3 结果分析

3.1 泥石流发生区的环境因子特征

3.1.1 地形因子特征

根据泥石流点与高程、坡度、坡向的空间分布关系，如图2所示，提取各灾害点的地形因子量化特征，结果如图3所示。

图2 泥石流与地形因子的空间分布图

图3 地形因子与泥石流发生频次的关系

由图2和图3知：泥石流发生区高程范围在海拔100～1 000 m，95%的泥石流发生点分布在海拔100～700 m的低山区及辽东半岛。其中海拔低于200 m的泥石流发生次数占泥石流发生总次数的58%，海拔300～500 m的泥石流发生次数占总发生次数的36%，高于500 m的地区泥石流发生点数量明显减少。辽宁省泥石流主要发生在坡度0°～40°区域，54%的泥石流灾害发生在坡度大于10°的区域，坡度在10°以下区域也有较多泥石流事件发生，这与附近人类活动、土体性质与水文条件有关[8]。各坡向条件均有较多泥石流灾害发生，其中多发生于北向(95次)和南向(80次)、东向(67次)、西北向(66次)，其次为东南、东北、西、西南向。

从泥石流的空间分异看，高海拔山地发生泥石流的概率并不大，泥石流集中发生于中海拔和低海拔的低山丘陵地区，若探究原因，就要剖析不同海拔高度的岩土性质及降雨条件。山地高海拔地区地形坡度较大，土壤厚度较小，山地表面对于松散物源的承载力低，加之暖湿气流遇地形阻挡抬升，降雨多在山坡，高海拔山地空气湿度降低，降雨相比于山坡少，泥石流发生概率降低，此地带山地灾害以崩塌为主[8]。相反，在中海拔山坡地带，松散物质易堆积，陡坡滑动面的不稳定性加强，在夏季暴雨作用下泥石流高发。辽宁东、西部的岩石风化侵蚀过程与气候有着密切关系，冬季风势力强，寒潮天气频繁发生[20]，在山地的北坡、西北坡形成强大的侵蚀动力，使该坡向岩石物理风化作用较强，松散碎屑岩较厚；夏季降雨丰富且集中[20]，主要在南坡、东坡、东南坡、北坡形成地形雨，充足的水动力饱和、冲刷松软岩土，使该区域泥石流灾害易发。另外，河网密布、山地坡度较大等是导致其他坡向也有较多泥石流灾害发生的重要原因。值得注意的是，省域内平坦地区泥石流发生次数较多，这与地表水量大和较多的人类建设活动是分不开的。

3.1.2 地表物质特征

辽宁省地表特征与泥石流点空间分布和发生频次的关系如图4和图5所示。由图4和图5知，泥石流发生区的土壤类型多为棕壤土和棕壤性土、草甸土、酸性粗骨土，少部分为水稻土、潜育水稻土、褐土；各种土地利用类型均有泥石流分布，其中泥石流集中分布在旱地与山地的有林地中，部分分布在农村居民点、灌木林、水田、城镇用地、疏林地等，这些地方多分布阔叶林和粮食作物，灾害点植被覆盖度整体较高。

图4 泥石流与地表物质特征的空间分布图

图5 地表物质特征与泥石流发生频次的关系

地表物质组成是形成泥石流事件的必要因素。人类过度砍伐植被等原因，导致辽东、辽南山地丘陵区的棕壤土体稳定性变差，多为粗骨薄层，水土保持能力较差[21]；棕壤性土多分布于灌木丛处，土壤侵蚀严重，土壤质地较轻，石砾含量高[22]，这些土壤条件可为此区域泥石流的形成提供物质来源。研究区的土壤特征取决于气候与地形条件，相对较多的地表水和夏季极端降雨对土壤的侵蚀作用强，冬季降水少，且受西北季风的影响，北部干旱半干旱气候区土体碎屑物易在此地堆积，故砂土含量较高。从泥石流分布区的土地利用状况分析结果来看，由于人类对旱地的不合理开垦方式和灌溉方式导致旱地土壤肥力下降，颗粒胶结度下降，松散物质增加，土地荒漠化程度提高，低质量旱地利用率低，加大了泥石流发生的风险。另外，辽东山地的有林地泥石流高发，究其原因是，人类过分追求经济建设，开矿、修路、城建等对林地破坏加剧，坡面碎屑物质受到地表水侵蚀作用，易导致水土流失，引起山地次生灾害。可见，不合理的人类活动较大程度上加重了下垫面的破坏力度，提高了泥石流高发区灾害的风险率。人类工程建设作用下地表环境破坏力度增强，加上暴雨的冲刷，为泥石流的形成提供了必要条件。为避免此现象的频繁发生，最直接的措施是加强河流沿岸的植被保护和植被建设，增强流域内植被涵养水源的能力，同时加强水利工程设施建设，预防雨季河流决堤导致的次生不利影响。

3.2 潜在影响因子与泥石流空间分布密度的关联度

在本底环境条件满足的情况下，暴雨是辽宁省泥石流暴发的主要诱因[23]。国家气象部门规定，50 mm≤日降水量<100 mm为暴雨[24]。整理统计与泥石流灾害对应年份的暴雨日数，并以之作为影响辽宁省泥石流形成的降水因子。基于泥石流灾害点空间分布数据进行核密度分析，分别提取泥石流点所在栅格单元的密度值作为因变量，提取灾害点影响因子的类值作为自变量，运用地理探测器的新统计学方法探测泥石流影响因子对灾害发生的敏感程度，为探究泥石流灾害的防范重点及灾害预警起理论指导作用。

3.2.1 单因素与泥石流空间分布的关联度

辽宁省泥石流空间分布与单个环境因子的关联度q值如图6所示。

图6 泥石流环境影响因子与灾害空间分布密度的关系

由图6知，影响泥石流的因子q值为0.088～0.307，暴雨日数对泥石流空间分布密度的控制作用最明显(q=0.307)，其次为土壤类型、高程、植被类型、土地利用类型，其他单因子对泥石流分布均存在一定程度的影响。松软易侵蚀的地表物质组成和土壤特征为灾害提供潜在物源，地形因素是泥石流发生的基础和本底条件，在此基础上，高强度降雨的触发作用是导致泥石流发生的直接原因。人类活动对灾害影响程度愈加深，对自然环境的改造和破坏作用愈加大，从而增加了自然灾害的隐患。另外，分析表明，单一因子对泥石流空间分布密度有关联性，但关联程度存在局限性。

3.2.2 多因子交互作用对泥石流空间分布的影响

表1反映了多因子交互作用对泥石流空间分布密度的影响。由表1整体来看，多因子的交互作用比单因子对泥石流灾害空间分布有更大的贡献值。暴雨日数与其他因子交互对泥石流空间分布密度的关联最明显，土壤类型、植被类型与其他因子的交互作用对泥石流分布的控制作用次之。按照因子之间的交互作用密切程度由高到低排序分析，暴雨日数与土壤类型、植被类型、高程的交互作用最密切，q值分别为0.440、0.437、0.427，与土地利用类型、坡度、坡向交互的q值分别为0.395、0.376、0.362；土壤类型与高程交互的q值为0.322。泥石流的形成是多个影响因子共同作用的结果，自然环境要素与人为作用的密切联系对泥石流发生有重要影响力，可根据各类因子交互贡献值高低确定泥石流灾害评估侧重点。上述探测结果表明，预测泥石流灾害风险需充分考虑多因子共同作用的影响，降雨条件、土壤类型是重要评判指标。

表1 泥石流影响因子对灾害空间分布密度交互的贡献值

3.3 不同环境特征下泥石流前期降水量预报

短期高强度降水的测算对降雨型泥石流有警示作用[24]。计算泥石流发生当日、前3日和前7日累计有效降雨量，并以之作为泥石流的短期降雨因子。运用K-均值聚类方法探究辽宁省不同区域泥石流环境量化特征范围与前期降雨量。将泥石流事件(T1～T532)按照各项环境指标分为3个类别，聚类结果见表2和表3。

表2 泥石流发生点的聚类情况统计

表3 不同类型泥石流发生点的环境因子量化特征

由分析结果(表2和表3)可知：

1)第一类泥石流事件个数所占比例较少，分布于海拔85～155 m、坡度3°～16°的平原和丘陵上，多位于湖泊和水库周围的水域和林地，植被类型为阔叶林、针叶林。该类泥石流事件发生时，当日、前3日、前7日累计平均有效降雨量分别为59、90、111 mm。

2)第二类泥石流事件个数约占总数的26%，分布于海拔低于691 m、坡度小于44°的丘陵、山地上，土壤类型为草甸土、酸性粗骨土、水稻土，多位于城镇居民点、耕地、林地、水域，植被类型为草甸、灌木丛、阔叶林、栽培植被、针叶林。该类泥石流事件发生时，当日、前3日、前7日累计平均有效降雨量分别为79、113、146 mm。

3)第三类泥石流事件个数占总数的78%，分布于海拔998 m以下、坡度小于39°的平原、丘陵和山地上，土壤类型为暗棕壤土、褐土、棕壤土和棕壤性土，多位于草地、林地、耕地和城镇居民点，植被类型为草甸、灌丛、阔叶林、栽培植被、针阔混交林和针叶林。该类泥石流事件发生时，当日、前3日、前7日平均累计有效降雨量分别为90、120、152 mm。

4 结论与讨论

1)泥石流高发区位于海拔100～700 m、坡度大于10°的低山丘陵上，其中北坡和南坡泥石流灾害较为集中；土壤类型多为棕壤土和棕壤性土、草甸土、酸性粗骨土，少部分为水稻土、潜育水稻土、褐土；各种土地利用类型中均有泥石流事件发生，但集中分布于旱地与山地的有林地中，部分灾害点分布在农村居民点、灌木林、水田、城镇用地、疏林地等。植被类型多为阔叶林和粮食作物。

2)暴雨日数是泥石流空间分布密度关联度最大的因子。多因子交互作用比单因子对泥石流空间分布密度具有更高的贡献值，暴雨日数与其他因子交互作用尤其大。暴雨日数与土壤类型、植被类型、高程的交互对泥石流空间分布密度贡献值最高。泥石流风险预测要充分考虑多个因子共同作用的影响。

3)依据泥石流环境因子和前期降雨特征对538起降雨型泥石流事件的聚类分析表明，3种不同环境背景下的降雨型泥石流的前期降水预测值不同，诱发第一类、第二类、第三类泥石流的当日有效降雨量均值分别为59、90、110 mm，前3日累计有效降雨量均值分别为91、115、135 mm，前7日累计有效降雨量均值分别为90、120、152 mm。

泥石流的发生是由多种因子促成的，但并非所有灾害点与影响因子空间分布均呈正相关；诱发因子对泥石流的形成有直接促进作用，降水、土壤类型及高程与泥石流的空间分布呈高程度正相关，且因子的交互进一步提升了泥石流发生的风险率。可见，在地形、地表松散物质基本满足的自然本底条件下，某诱发因子会直接促成泥石流灾害。因此，在灾害防治预警方面，要重视集中降雨期的降雨量和降雨强度的测定，同时制定山区人口及建设规划，在保护生态环境的前提下进行经济开发，实际落实可持续发展对策。对泥石流危险区，应设立灾害隐患点和雨量观测站，并加强山区陡坡加固，预防致灾物质失稳滚落，减少人员伤亡。