周 斌，鄒 強(qiáng)，蔣 虎，李 聰

（1.中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引言

自20世紀(jì)50年代以來(lái)，全球平均溫度線性趨勢(shì)持續(xù)上升；1880-2012年，全球表面平均溫度升高了0.85℃，1951-2012年的升溫速率為0.12℃/10a，幾乎為1880年以來(lái)升溫速率的兩倍［1］。自1950年以來(lái)極端氣候事件增多，氣候變化對(duì)泥石流發(fā)生影響顯著［2］，其中最直接的影響因素時(shí)氣溫和降水。泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估是風(fēng)險(xiǎn)分析和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)步驟［3］，氣候變化增加了泥石流災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，尤其是21世紀(jì)全球表面溫度持續(xù)上升，區(qū)域降雨的強(qiáng)度和頻率增加［1］，對(duì)未來(lái)氣候變化條件下泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估提出新的挑戰(zhàn)。

泥石流危險(xiǎn)性包含泥石流發(fā)生可能性和規(guī)模的雙重含義［4］，目前的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估可以分為基于動(dòng)力過(guò)程的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估和基于指標(biāo)統(tǒng)計(jì)的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估［5］。前者主要通過(guò)數(shù)值模擬模型或動(dòng)力過(guò)程模型計(jì)算泥石流流速、流深等參數(shù)［6］，進(jìn)而對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)估；后者首先通過(guò)分析泥石流形成條件（如地形、物源、水文等），構(gòu)建泥石流危險(xiǎn)性指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上選擇合適的評(píng)估模型進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性的定量評(píng)估，如AHP模型［7］、灰色關(guān)聯(lián)模型［8］、組合賦權(quán)模型［9］等。

氣候因子是泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估中重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)，目前一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)泥石流的發(fā)生與降水和氣溫有著顯著的統(tǒng)計(jì)關(guān)系［10-12］，并且氣候變化會(huì)加劇泥石流孕災(zāi)環(huán)境的災(zāi)變，如氣溫升高導(dǎo)致冰雪融化和冰湖潰決進(jìn)而激發(fā)泥石流、氣候劇烈變化導(dǎo)致巖體節(jié)理增加導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)等［13-15］。因此一些學(xué)者已經(jīng)將未來(lái)氣候變化引入泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估，大氣環(huán)流數(shù)據(jù)（GCMs）被認(rèn)為是未來(lái)氣候的預(yù)測(cè)主要的工具［16］，基于可獲取的大氣環(huán)流數(shù)據(jù)和降尺度方法可以獲取區(qū)域未來(lái)預(yù)估氣象數(shù)據(jù)，進(jìn)行泥石流與未來(lái)氣候（尤其是氣溫和降水）的研究［17-19］，但是未來(lái)氣候變化下長(zhǎng)時(shí)間尺度泥石流的定量危險(xiǎn)性研究還處于空白。

本文選擇典型氣候變化敏感區(qū)川西高原（以下簡(jiǎn)稱川西）為研究區(qū)，基于第五次耦合模式比較計(jì)劃（Coupled Model Intercomparison Project Phase 5，CMIP5）預(yù)估氣候數(shù)據(jù)重建并分析了研究區(qū)未來(lái)75年氣溫和降水的時(shí)空分布特征，構(gòu)建了泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，結(jié)合加權(quán)信息量模型，開(kāi)展了氣候變化情景下的未來(lái)近期（2021-2045）、中期（2046-2070）、末期（2071-2095）的動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)性響應(yīng)研究，定量分析了泥石流危險(xiǎn)性時(shí)空變化特征，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)戰(zhàn)略具有一定參考價(jià)值。

1 研究區(qū)概況

1.1 孕災(zāi)背景與泥石流發(fā)育特征

川西（圖1）地處青藏高原和四川盆地兩大地貌單元的接合部位，地形急劇變化，對(duì)氣候變化敏感，是泥石流的重災(zāi)區(qū)［20］。區(qū)內(nèi)山體高大，綿延不斷，險(xiǎn)峻巍峨，主要河流被高山夾持其間，總體地勢(shì)西高東低。自第四紀(jì)以來(lái)，由于青藏高原的強(qiáng)烈隆升，川西西部也隨之升高，導(dǎo)致整個(gè)地區(qū)的多高山深谷，地表起伏度主要范圍是300～400 m。區(qū)內(nèi)有許多三面環(huán)山，一面開(kāi)闊的圍谷，高差大，斜坡陡，這有利于坡面的物體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致崩塌、滑坡等災(zāi)害的發(fā)生。川西從岷江中上游的茂縣、松潘至青衣江上游的寶興及其西南地區(qū)，廣泛分布著前震旦系、志留系、泥盆系的片巖、千枚巖、板巖和不同時(shí)期形成的巖漿巖，這些軟弱巖石易破碎和風(fēng)化，極易形成松散堆積體在坡面或溝道中堆積。受印度板塊持續(xù)向北的推擠作用，川西構(gòu)造變形強(qiáng)烈，活動(dòng)斷裂發(fā)育，中、強(qiáng)地震頻發(fā)［21］，龍門山（NE）、鮮水河（NW）和安寧河斷裂帶（NS）形成明顯的“Y”形構(gòu)造格局，構(gòu)造帶處頻繁的地質(zhì)活動(dòng)會(huì)切割巖體，形成獨(dú)立的塊體，在一些其他因素的影響下，這些塊體會(huì)脫落形成滑坡、崩塌等災(zāi)害，如岷江汶縣-茂縣沿河的滑坡。川西主要存在亞熱帶高原氣候和中亞熱帶季風(fēng)氣候。川西西北部高原地帶和中部山地為高原氣候，年降雨量600～700 mm，川西東部與南部為中亞熱帶季風(fēng)氣候，年降雨量約900～1 200 mm。降雨量存在明顯的季節(jié)差異，夏季濕潤(rùn)，冬季干燥。川西高山地區(qū)分布著冰川、冰湖，近年來(lái)全球溫度不斷升高，加劇了冰川融化和冰湖潰決的速度。川西特有的氣候條件為泥石流形成前期提供了充足的水源，夏季短時(shí)間強(qiáng)降雨也為泥石流的啟動(dòng)創(chuàng)造了條件。

圖1 研究區(qū)地理位置圖Fig.1 Location of the study area

運(yùn)用空間分析方法對(duì)川西泥石流災(zāi)害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)川西泥石流具有如下發(fā)育特征：在地形坡度方面，泥石流發(fā)育數(shù)量最多的坡度范圍是20°～40°（圖2（a）），地形起伏度范圍是500～1 100 m（圖2（b））；在地質(zhì)方面，泥石流集中發(fā)育在軟質(zhì)巖組（圖2（c））和地震峰值加速度為0.2 gal的地區(qū)（圖2（d）），并且泥石流分布數(shù)量距斷層由近及遠(yuǎn)有逐漸減少的趨勢(shì)（圖2（e）），這些區(qū)域同時(shí)也是構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，物理地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育，為泥石流的形成提供了良好的物源和激發(fā)條件；在水文方面，泥石流集中發(fā)育在河網(wǎng)密度為0.8～1.2 km/km2（圖2（f））的地區(qū)，發(fā)育的河流滿足了泥石流形成所要求的物源和匯水能力；在氣候方面，泥石流發(fā)育在平均年降雨量為550～1 050 mm（圖2（g））、年均溫為4～16℃（圖2（h））的區(qū)域，暖濕的氣候?yàn)槟嗍魈峁┝诉m宜的發(fā)育條件。

圖2 不同影響因素下泥石流頻度分布Fig.2 The frequency ratio of debris flow in various controlling factors

1.2 川西歷史泥石流災(zāi)害與溫度、降雨的關(guān)系

2010年8月12日下午6點(diǎn)至次日凌晨4點(diǎn)，四川綿竹清平鄉(xiāng)文家溝流域遭遇強(qiáng)降雨，降雨量達(dá)227.0 mm，在強(qiáng)降雨的作用下，13日文家溝爆發(fā)泥石流，共造成6人死亡和失蹤，300多間房屋被毀［22］。2013年7月10日四川省汶川縣佛堂壩溝爆發(fā)泥石流。8日到10日，3 d的單日降雨量均超過(guò)40 mm，其中8、9日的累計(jì)降水量達(dá)95 mm，最大小時(shí)雨強(qiáng)為12 mm；最終可能激發(fā)泥石流的降雨發(fā)生在10日7點(diǎn)至8點(diǎn)，小時(shí)雨強(qiáng)為19.5 mm［23］。2017年8月7日四川省文縣發(fā)生“8·7”群發(fā)性泥石流災(zāi)害。6日14：00-7日15：00受災(zāi)區(qū)域文縣梨坪鎮(zhèn)最大降雨量109.8 mm，舍書鄉(xiāng)81.8 mm，天池鎮(zhèn)48.1 mm［24］。綜上，顯然持續(xù)強(qiáng)降雨是引發(fā)川西高原地區(qū)泥石流的重要條件。

溫度變化主要對(duì)冰川區(qū)泥石流造成影響。川西高原中部的貢嘎山地區(qū)，冰川廣布，近年來(lái)，該區(qū)氣溫明顯升高，降水充沛，泥石流活動(dòng)頻繁。據(jù)文獻(xiàn)記載［25］，近40年以來(lái)，貢嘎山地區(qū)有13年爆發(fā)過(guò)泥石流，按爆發(fā)年份的氣候劃分，其中有7年氣候相對(duì)暖濕，4年氣候相對(duì)濕冷，2年相對(duì)干冷?？梢?jiàn)，暖濕的氣候更加適宜冰川區(qū)泥石流的發(fā)生。氣溫升高會(huì)促進(jìn)冰川融雪量增加，為冰川區(qū)泥石流提供了水源條件，并且可能與暴雨徑流疊加，加強(qiáng)了泥石流水源供給強(qiáng)度，增加了泥石流爆發(fā)的可能。

2 未來(lái)氣候要素時(shí)空分布特征

2.1 預(yù)估數(shù)據(jù)及處理方法

本文氣溫預(yù)估數(shù)據(jù)選擇在西南地區(qū)常用且適用性較高的CMIP5的4個(gè)模式（ACCESS1.0、CMCC-CMS、GISS-E2-R-CC、NorESM1-ME）［26］在RCP4.5情景下的月尺度數(shù)據(jù)（https：//esgf-node.llnl.gov/search/cmip5/）；降水預(yù)估數(shù)據(jù)來(lái)自NEX-GDDP項(xiàng)目的21個(gè)氣候模式在RCP4.5情景下的逐日降水?dāng)?shù)據(jù)集（https：//cds.nccs.nasa.gov/nex-gddp/）。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為1981-2005年研究區(qū)53個(gè)氣象站點(diǎn)日值數(shù)據(jù)（中國(guó)國(guó)家氣象信息中心：http：//www.cma.gov.cn）。基準(zhǔn)期選擇1981-2005年，以Delta降尺度方法重建2021-2095未來(lái)75年的年均溫?cái)?shù)據(jù)和逐日降水?dāng)?shù)據(jù)，并利用薄盤樣條插值方法（Anusplin）校正地形對(duì)降水與氣溫的影響。

Delta空間降尺度法是一種易操作且常用的降尺度方法［27］，通過(guò)比較CMIP5未來(lái)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與由歷史模擬數(shù)據(jù)得到的基準(zhǔn)期氣候要素的變化特征，再將這些變化疊加到基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)上來(lái)重建未來(lái)氣候要素情景。

氣溫降尺度計(jì)算公式如下：

式中：Tf為重建未來(lái)情景年均溫；T0為基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)平均年均溫；TMf為未來(lái)模擬某年年均溫；TMo基準(zhǔn)期模擬平均年均溫。

降水降尺度公式如下：

式中：Pf為重建未來(lái)情景年降水量；Po為基準(zhǔn)期實(shí)測(cè)平均年降水量；PMf為未來(lái)模擬某年年降水量；PMo基準(zhǔn)期模擬平均年降水量。

Anusplin插值基于普通薄盤和局部薄盤樣條函數(shù)插值理論。局部薄盤光滑樣條法是對(duì)薄盤光滑樣條原型的擴(kuò)展，除普通的樣條自變量外允許引入線性協(xié)變量子模型，如溫度與海拔、降水與海岸線之間的相關(guān)關(guān)系［28］。Anusplin插值的理論模型可以表示為式（3）：

式中：Zi為空間中i點(diǎn)的值；f(xi)為自變量為xi的未知光滑函數(shù)；yi為d維相互獨(dú)立的協(xié)變量；b為yi的d維系數(shù)，ei為誤差。

2.2 氣溫時(shí)空分布特征

以1981-2005年作為參考時(shí)段，在RPC4.5排放情景下，川西年均溫總體表現(xiàn)為上升趨勢(shì)（圖3），隨著預(yù)估時(shí)間的增加，標(biāo)準(zhǔn)差范圍增大，說(shuō)明模式間的不確定性增加。21世紀(jì)近期（2021-2045年）、中期（2046-2070年）、末期（2071-2095年）年均溫增幅分別為1.35℃（1.08～1.60℃）、2.18℃（1.86～2.44℃）、2.62℃（1.93～3.26℃），模式集合（Multi-Model Ensemble，MME）的線性趨勢(shì)分別為0.32℃/10 a、0.33℃/10 a和0.15℃/10 a，末期增溫速度相對(duì)于近期和中期有所減緩，這與張莉等［29］和張艷武等［30］的研究相一致。

圖3 相對(duì)于基準(zhǔn)期1981-2005，2021-2095年4個(gè)模式及其等權(quán)重集合平均川西年均溫變化Fig.3 Regionally averaged annual temperature changes over the Chuanxi plateau during 2021-2095 relative to 1981-2005 as derived from 4 models and their ensemble mean with the same weights

從空間上來(lái)看，相對(duì)于基準(zhǔn)期1981-2005年，3個(gè)時(shí)段的年均溫變化空間分布大致相同（圖4（a）～（c）），增溫幅度由東南向西北逐漸變大，增溫幅度較高的區(qū)域主要集中在青藏高原西緣和川西東南部等海拔較高的地區(qū)，增溫幅度較低的區(qū)域主要位于川西南部和川西東緣等海拔較低的地區(qū)，這與胡芩等［31］研究保持一致。2021-2095年年均溫線性趨勢(shì)空間分布與年均溫空間變化相關(guān)性高（圖4（d）），快速增溫區(qū)同時(shí)也是增溫幅度高的區(qū)域。與基準(zhǔn)期相比，研究區(qū)3個(gè)時(shí)期平均年均溫小于0℃區(qū)域（圖4（a）～（c））面積分別減少618.82 km2、871.17 km2、938.86 km2，小于0℃區(qū)域平均高度分別上升114.35 m、190.67 m、211.29 m，表明隨著溫度升高，雪線上升，冰雪區(qū)域不斷退縮。

圖4 相對(duì)基準(zhǔn)期1981-2005，21世紀(jì)近、中、末期川西年均溫距平空間分布與線性趨勢(shì)Fig.4 Geographical distribution of annual mean temperature changes over the Chuanxi plateau for the near,middle,and late term of the 21st century relative to 1981-2005 and the linear trend of the annual mean temperature changes during 2021-2095

2.3 降水時(shí)空分布特征

在NEX-GDDP多模式RCP4.5排放情景的預(yù)估下，川西未來(lái)75年年平均降水呈增加趨勢(shì)（圖5）。相對(duì)于基準(zhǔn)期1981-2005年，21世紀(jì)近期、中期和末期年平均降水量增幅分別為0.17 mm/d（0.03～0.32 mm/d）、0.30 mm/d（0.07～0.73 mm/d）、0.36 mm/d（0.21～0.82 mm/d），MME線性趨勢(shì)分別為0.04 mm/（d·10a）、0.06 mm/（d·10a）、0.01 mm/（d·10a），同氣溫相似，21世紀(jì)末期年平均降水量的增加速度減緩。

圖5 相對(duì)基準(zhǔn)期1981-2005，21個(gè)模式及其等權(quán)重集合平均川西年平均降水變化Fig.5 Regionally averaged annual mean precipitation changes over the Chuanxi plateau during 2021-2095 relative to 1981-2005 as derived from 21 models and their ensemble mean with the same weights

從空間上來(lái)看，相較于基準(zhǔn)期，川西MME年平均降水量變化在3個(gè)時(shí)期的空間分布有較好的一致性，整體呈現(xiàn)“東增西減”的分布趨勢(shì)，川西東部年平均降水量增加幅度較大，西部與北部呈現(xiàn)減小趨勢(shì)（圖6（a）～（c））。對(duì)于未來(lái)75年整體來(lái)看，川西東緣地區(qū)，以及大渡河河谷地區(qū)增速較快；通過(guò)顯著性檢驗(yàn)區(qū)域，降水量增加較大的區(qū)域與降水增速快的區(qū)域大體相匹配（圖6（d））。

圖6 相對(duì)基準(zhǔn)期1981-2005，21世紀(jì)近、中、末期川西年平均降雨距平空間分布與線性趨勢(shì)Fig.6 Geographical distribution of annual mean precipitation changes over the Chuanxi plateau for the near,middle,and late term of the 21st century relative to 1981-2005 and the linear trend of the annual mean precipitation changes during 2021-2095

在增暖背景下，大氣水汽含量增加，有利于極端降水的形成［32］。在RCP4.5排放情境下，MME預(yù)估的川西21世紀(jì)近期、中期和末期日最大降水量分別為288.18 mm、282.56 mm、283.52 mm，3個(gè)時(shí)期暴雨日數(shù)（≥25 mm降水日數(shù)）分別為253 d、264 d、268 d，并且區(qū)內(nèi)最大降水量和暴雨日數(shù)有逐步由東部和東南部向西北、東北方向增大的趨勢(shì)。3個(gè)時(shí)期的日最大降水和暴雨日數(shù)數(shù)值較高的地區(qū)分布地區(qū)較為一致，主要位于川西東部樂(lè)山、眉山和雅安等地區(qū)以及南部攀枝花、涼山州南部等地區(qū)（圖7），這與歷史氣站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)保持一致。此格局的形成可能是受地形與季風(fēng)的共同作用，川西的水汽輸送主要源于西南季風(fēng)和東南季風(fēng)，且地勢(shì)呈現(xiàn)西北高東南低，暖濕氣流迫性抬升使得川西南部、西南部和東部迎風(fēng)坡的降水量大、降水日數(shù)多，被高大山體阻擋的山區(qū)降水量較少。

圖7 2021-2045（a）、2046-2070（b）、2071-2095年（c）研究區(qū)日最大降水量空間分布，（e）-（f）為≥25 mm降水日數(shù)Fig.7 The maximum daily precipitation in study area during 2021-2045（a），2046-2070（b），2071-2095（c）；（e-f）same as（a-c），but for heavy rainfall days of≥25 mm

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估

3.1 評(píng)估方法

3.1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

泥石流災(zāi)害的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)過(guò)程，其影響因素很多，包括地質(zhì)條件、地形條件、氣候條件、水文條件等，各因素的影響作用也不盡相同［33］。根據(jù)前人的研究對(duì)泥石流危險(xiǎn)性的研究［34-37］并結(jié)合研究區(qū)的具體情況，最終選取坡度、地形起伏度、地層巖性、距離斷層距離、地震動(dòng)加速度、河網(wǎng)密度、日最大降水量、≥25 mm降水日數(shù)和多年平均氣溫（X1～X9）9個(gè)因子構(gòu)建川西泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估指標(biāo)體系（圖8）。

圖8 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.8 Hazard assessment indicators of debris flow

川西處于青藏高原和四川盆地的結(jié)合處，高差大，地形條件復(fù)雜，地貌類型多樣化。地形起伏度和坡度不僅可以在一定程度上反映斜坡的穩(wěn)定性，而且直接影響著物源和水源在山坡上的聚集和分布。河網(wǎng)密度能準(zhǔn)確的反映地表切割破碎程度，同時(shí)也與匯水面積相關(guān)，其值越大表示地表地面破碎程度愈大，地面的松散物體物質(zhì)越多，溝壑密度大的區(qū)域其匯水面積也較大，使得泥石流的水源動(dòng)力充足。地質(zhì)因子中的地層巖性決定了巖石類型及軟硬程度，也反映了巖石的抗風(fēng)化和抗侵蝕能力；而在斷層出構(gòu)造活動(dòng)活躍，巖石破碎，蘊(yùn)含著豐富的松散堆積物。川西中、強(qiáng)地震頻發(fā)，特別是汶川地震，誘發(fā)了大量的滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，為泥石流提供了豐富的物源。地震引起的地表破壞（包含地質(zhì)災(zāi)害）主要是由地震慣性力引起的，地震慣性力的最大值可以由地震動(dòng)峰值加速度（PGA）來(lái)直接量度［38］。由第二節(jié)可知，持續(xù)強(qiáng)降雨是川西泥石流的激發(fā)因素且通常將≥25 mm大雨日數(shù)和≥50 mm暴雨日數(shù)確定為泥石流災(zāi)害暴發(fā)的臨界雨量［39］，但川西大部分地區(qū)被高大山體夾峙，形成閉塞地形，處于東南暖濕水汽西進(jìn)北伸的背風(fēng)坡，形成干旱河谷［40］，因此選用日最大降水量和≥25 mm暴雨日數(shù)表征引發(fā)川西高原泥石流的降雨條件。暖濕氣候是川西冰川區(qū)泥石流發(fā)生的氣候條件，多年年均氣溫可以反映每個(gè)時(shí)期內(nèi)氣溫的整體情況，進(jìn)而可以用于表征川西高原泥石流發(fā)生的溫度條件。

3.1.2 評(píng)估模型

目前泥石流基于統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的危險(xiǎn)性評(píng)估模型有層次分析法（AHP模型）、信息量模型、熵權(quán)法等。但是這些模型都有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺陷［41］，例如AHP模型確定因子權(quán)重簡(jiǎn)單方便，結(jié)果具有條理性和科學(xué)性，但是在量化因子指標(biāo)時(shí)主觀因素較大。信息量模型可以通過(guò)現(xiàn)有信息客觀地對(duì)因子進(jìn)行量化，確定致災(zāi)因子的敏感程度和貢獻(xiàn)大小，物理意義明確，但是不能確定各個(gè)致災(zāi)因子的主次關(guān)系。因此，許多學(xué)者將不同模型進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果精度得到了一定程度提高，其中加權(quán)信息量模型［42］具有確定權(quán)重簡(jiǎn)單方便，量化指標(biāo)科學(xué)客觀等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用，并且其可以通過(guò)歷史泥石流災(zāi)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)得到各致災(zāi)因子對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)生的“貢獻(xiàn)”，基于此可以推廣至未來(lái)氣候變化情景的泥石流動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)性評(píng)估。信息量模型［43］可表示為：

式中：I為研究區(qū)某評(píng)價(jià)單元的總信息量；Ni為泥石流在致災(zāi)因子xi中分布的個(gè)數(shù)；N為研究區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生泥石流災(zāi)害的個(gè)數(shù)；Si為致災(zāi)因子xi在研究區(qū)內(nèi)的總面積；S為研究區(qū)評(píng)價(jià)單元的總面積。

利用層次分析法對(duì)信息量模型加以改進(jìn)，確定每個(gè)致災(zāi)因子的權(quán)重（wi，i=1，2，……，n），將其與信息量相乘，即可得到加權(quán)信息量。加權(quán)信息量模型可表示為：

3.2 參數(shù)計(jì)算

3.2.1 權(quán)重計(jì)算

根據(jù)層次分析法對(duì)9個(gè)泥石流危險(xiǎn)性指標(biāo)進(jìn)行分析，建立層次結(jié)構(gòu)，按照1～9標(biāo)度法對(duì)各個(gè)指標(biāo)因子進(jìn)行比較，構(gòu)造判斷矩陣，進(jìn)行層次排序，確定各因子的權(quán)重值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。經(jīng)檢驗(yàn)，CR=0.045 5＜0.1，符合一致性。危險(xiǎn)性指標(biāo)的判斷矩陣和權(quán)重如表1所示。

表1 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子判斷矩陣及權(quán)重Table 1 Judgment matrix and weight of hazard assessment factors

3.2.2 信息量計(jì)算

根據(jù)研究區(qū)孕災(zāi)背景、野外調(diào)查分析和相關(guān)研究［7，35，44］，本文將9個(gè)因子進(jìn)行分級(jí)，野外調(diào)查獲取的4 660個(gè)泥石流災(zāi)害點(diǎn)用作信息量計(jì)算。利用GIS技術(shù)和信息量模型，獲得各個(gè)分級(jí)類別的信息量（表2）。

表2 1981-2005年泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)及信息量Table 2 Gradation and information values of hazard evaluation factors of debris flow during 1981-2005

坡度的信息量隨著坡度增大，呈現(xiàn)出由小變大再變小的趨勢(shì)，且當(dāng)坡度在20°～25°的區(qū)間內(nèi)信息量最大，說(shuō)明泥石流在此區(qū)間內(nèi)最容易發(fā)生；信息量隨著地形起伏度增加而增大，當(dāng)?shù)匦纹鸱忍幱?00～1 200 m，泥石流發(fā)生的概率最大；隨著河網(wǎng)密度的增加，信息量也隨之增大，泥石流發(fā)生的可能性增大；≥25 mm降水日數(shù)的信息量表明泥石流在≥25 mm降水日數(shù)處于80～120日內(nèi)容易發(fā)生；總體來(lái)看，隨著距離斷層的距離增加，信息量呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，表明斷裂處為泥石流的發(fā)生提供了豐富的松散堆積物，增加了泥石流發(fā)生的概率；隨著地震動(dòng)峰值加速度的增加，信息量也隨之增大，泥石流發(fā)生的可能性增大；隨著年均溫的升高，信息量由負(fù)轉(zhuǎn)正，且在8℃～16℃的信息量較大，溫度升高導(dǎo)致冰雪融化為泥石流的發(fā)生提供了水源條件，進(jìn)而使泥石流發(fā)生概率增加；泥石流在軟硬互層和軟質(zhì)巖組中發(fā)生的概率較大；隨著日最大降雨量的增加，信息量大致呈增加趨勢(shì)，當(dāng)日最大降水量處于150～200 mm時(shí)，信息量最大，泥石流發(fā)生可能性最大。

3.3 結(jié)果與分析

3.3.1 基準(zhǔn)期（1981—2005）泥石流危險(xiǎn)性

利用GIS空間分析技術(shù)分別對(duì)各因子圖層進(jìn)行分類與賦值，并疊加因子圖層獲得1981-2005時(shí)期研究區(qū)的綜合信息量值?；谧匀粩帱c(diǎn)法，本文將泥石流危險(xiǎn)區(qū)劃分為高度危險(xiǎn)區(qū)（＞0.411 1）、較高危險(xiǎn)區(qū)（0.236 8～0.411 1）、中度危險(xiǎn)區(qū)（-0.155 0～0.236 8）、低度危險(xiǎn)區(qū)（-0.608 4～-0.155 0）和較低危險(xiǎn)區(qū)（＜-0.608 4）5個(gè)等級(jí)（圖9）。

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知（表3），研究區(qū)39.51%的區(qū)域處于中度危險(xiǎn)及其以上的危險(xiǎn)區(qū)，其中高度危險(xiǎn)區(qū)面積為27 312 km2，面積占比為8.34%；低度危險(xiǎn)區(qū)的面積最大，占研究區(qū)面積的33.31%。結(jié)合野外調(diào)查與遙感資料解譯，84.65%的已知泥石流分布在中度、較高和高度危險(xiǎn)區(qū)中，說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果與川西泥石流的分布較為一致。

表3 泥石流危險(xiǎn)區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of different hazard zones of debris flows

由危險(xiǎn)分區(qū)結(jié)果圖可知，1981-2005年時(shí)期低度危險(xiǎn)區(qū)和較低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在研究區(qū)西北、北部的高原面坡度較小的地區(qū)；極高、高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在川西東緣的山地和金沙江、雅礱江、大渡河和岷江等主要河流的沿岸的高山峽谷區(qū)，如大渡河金川-瀘定段沿岸、雅礱江雅江-木里-鹽邊段海拔2 000～2 500 m的山區(qū)和岷江茂縣-都江堰段、大渡河瀘定-石棉-峨邊1 000～2 000 m的山區(qū)。

3.3.2 未來(lái)3個(gè)時(shí)期（近期、中期和末期）泥石流危險(xiǎn)性

將21世紀(jì)3個(gè)時(shí)期的氣象因子輸入危險(xiǎn)性評(píng)估模型可獲得在氣候變化情境下21世紀(jì)近期、中期和末期川西泥石流危險(xiǎn)性。將3個(gè)時(shí)期的泥石流危險(xiǎn)性值進(jìn)行歸一化后，采用GIS柵格疊加分析和加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)差橢圓［45］對(duì)川西泥石流危險(xiǎn)性時(shí)空變化進(jìn)行分析，結(jié)果如圖9所示。

圖9 1981-2005時(shí)期泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果圖Fig.9 Hazard zonation map of debris flows in study area during 1981-2005

相較于基準(zhǔn)期（1981-2005年），研究區(qū)21世紀(jì)近期、中期、末期泥石流危險(xiǎn)性普遍增加，危險(xiǎn)性增加的面積占比分別為84.67%、90.61%、92.50%，危險(xiǎn)性減小的區(qū)域主要分布在川西南部河谷地區(qū)、四川盆地西緣丘陵地區(qū)（圖10（b）～（d））。川西4個(gè)時(shí)期泥石流危險(xiǎn)性重心分布在102°14'E～102°22'E和28°51'N～29°31'N之間（圖10（e）），重心總體向西北方向移動(dòng)：基準(zhǔn)期-21世紀(jì)近期，重心移動(dòng)距離最遠(yuǎn)，向西北方向移動(dòng)42.29 km；21世紀(jì)近期-中期，重心向西北方向繼續(xù)移動(dòng)11.32 km；21世紀(jì)中期-末期，重心向正北方向移動(dòng)22.36 km（表4）。標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)半軸、短半軸和方位角變化如表4所示，方位角范圍為5.67°～12.68°之間，說(shuō)明泥石流危險(xiǎn)性整體呈現(xiàn)東北-西南分布格局，基準(zhǔn)期-21世紀(jì)末期，方位角逐漸減小，標(biāo)準(zhǔn)差橢圓在空間上表現(xiàn)為小幅度的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，表明泥石流西部、北部泥石流危險(xiǎn)性增加快；標(biāo)準(zhǔn)差橢圓長(zhǎng)半軸增加，由248.06 km增加至296.79 km，泥石流危險(xiǎn)性空間分布范圍具有擴(kuò)張趨勢(shì)，表明分布在橢圓外部的格點(diǎn)泥石流危險(xiǎn)性增長(zhǎng)相對(duì)較快，致使橢圓分布范圍擴(kuò)張；短軸長(zhǎng)度總體呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，泥石流危險(xiǎn)性趨于離散；長(zhǎng)短半軸的差值越來(lái)越大，表明泥石流危險(xiǎn)性東北-西南的方向性越來(lái)越明顯。

圖10 泥石流4個(gè)時(shí)期危險(xiǎn)性變化、方向分布（a~d）及重心遷移（e）圖Fig.10 Spatial distribution of the center of gravity，direction and change of debris flow hazard in 4 terms

表4 4個(gè)時(shí)期泥石流危險(xiǎn)性重心變化及標(biāo)準(zhǔn)差橢圓參數(shù)表Table 4 Variation of center of gravity and SDE parameters of debris flows hazard in 4 terms

按基準(zhǔn)期泥石流危險(xiǎn)性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)近期、中期、末期泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行分級(jí)，得到未來(lái)三個(gè)時(shí)期的泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)圖（圖11），各時(shí)期的危險(xiǎn)區(qū)面積占比如表5所示?；鶞?zhǔn)期-21世紀(jì)近期，低度危險(xiǎn)區(qū)（深綠色）大量減少，由33.31%減少至9.77%，而較低危險(xiǎn)區(qū)（淺綠色）大量增多，由27.18%增加至39.76%，川西西北部、西部、北部等低度危險(xiǎn)區(qū)大量轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低危險(xiǎn)區(qū)（圖9和圖11（a）），中度（12.74%增加至16.76%）、較高（18.43%增加至21.64%）和高度（8.34%增加至12.07%）危險(xiǎn)區(qū)均有少量增加，川西西部金沙江、中部大渡河和雅礱江以及西北部岷江兩岸的山地的危險(xiǎn)區(qū)均向更高等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變；21世紀(jì)近期-中期，低度危險(xiǎn)區(qū)（9.77%減少至4.69%）和較低危險(xiǎn)區(qū)（39.76%減少至34.02%）少量減少，中度危險(xiǎn)區(qū)增加最大（16.76%增加至25.76%），空間上主要體現(xiàn)在川西西北部高原和雅礱江兩側(cè)山地的低度、較低危險(xiǎn)區(qū)向中度危險(xiǎn)區(qū)的轉(zhuǎn)化，較高（21.64%增加至21.65%）、高度（12.07%增加至13.88%）危險(xiǎn)區(qū)依然呈現(xiàn)少量增加趨勢(shì)；21世紀(jì)中期-末期，低度（4.69%減少至2.76%）、較低（34.02%減少至28.16%）危險(xiǎn)區(qū)減少，中度危險(xiǎn)區(qū)（25.76%增加至30.03%）增加，其中西北部的高原地區(qū)轉(zhuǎn)變最為明顯，較高（21.65%增加至24.28%）和高度（13.88%增加至14.77%）危險(xiǎn)區(qū)少量增加。從高程來(lái)看統(tǒng)計(jì)較高和高度危險(xiǎn)區(qū)的平均高度，從海拔上來(lái)看，3個(gè)時(shí)期較基準(zhǔn)期的變化分別為150.56m、202.65 m、248.52 m，由此可知高危險(xiǎn)區(qū)不斷向海拔高的區(qū)域蔓延，如由圖11小圖可以看出，大渡河中游深切河谷地區(qū)高度和較高危險(xiǎn)區(qū)面積不斷增加，河谷周圍海拔較高的中度和較低危險(xiǎn)區(qū)逐步向較高和高度危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變。

表5 21世紀(jì)近期、中期、末期泥石流危險(xiǎn)區(qū)面積占比統(tǒng)計(jì)表Table 5 Statistical results of different hazard zones of debris flows in near-term，mid-term and end-term %

圖11 川西泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果圖Fig.11 Hazard zonation map of debris flows in study area

引起川西泥石流危險(xiǎn)區(qū)變化的原因是未來(lái)降水條件和溫度條件在空間上的組合，低危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩燃?jí)的危險(xiǎn)區(qū)，主要是因?yàn)榇ㄎ骱０屋^高，對(duì)氣候變化更為敏感，升溫幅度更大，日最大降水量增加，暴雨發(fā)生的次數(shù)更多，升溫導(dǎo)致海拔較高區(qū)域的冰雪融化，冰雪融水與暴雨疊加更容易激發(fā)泥石流。值得注意的是3個(gè)時(shí)期發(fā)生變化的主要是中度及中度以下危險(xiǎn)區(qū)，其難以向較高和高度危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)化，推測(cè)原因是與氣候變化的影響作用相比，地質(zhì)條件、地形條件和水文條件依舊起控制性作用，即使氣候條件符合泥石流的成災(zāi)條件，但是在其他致災(zāi)因子不滿足的情況下，也只能處于中度或中度以下危險(xiǎn)區(qū)，例如川西西北部、北部的高原面始終處于較高危險(xiǎn)區(qū)以下，是因?yàn)椴环夏嗍鞒蔀?zāi)的地形條件，無(wú)法為泥石流發(fā)生提供能量。

4 結(jié)論

本文基于CMIP5預(yù)估氣候數(shù)據(jù)重建并分析了川西未來(lái)75年氣溫和降水的時(shí)空分布特征，構(gòu)建了泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系，結(jié)合加權(quán)信息量模型，開(kāi)展了氣候變化情景下的21世紀(jì)近期、中期、末期的泥石流動(dòng)態(tài)危險(xiǎn)性響應(yīng)研究，定量分析了泥石流危險(xiǎn)性變化情景。結(jié)論如下：

（1）與基準(zhǔn)期相比，RPC4.5排放情景下4個(gè)模式預(yù)估的川西未來(lái)75年年均溫呈增加趨勢(shì)，近期、中期、末期增幅分別為1.35℃（1.08～1.60℃）、2.18℃（1.86～2.44℃）、2.62℃（1.93～3.26℃），末期增溫速度相對(duì)于近期和中期有所減緩。高海拔地區(qū)的增溫幅度相對(duì)較大，而在低的地區(qū)則較小。

（2）在NEX-GDDP多模式RCP4.5排放情景的預(yù)估下，川西未來(lái)75年年平均降水呈增加趨勢(shì)。未來(lái)3個(gè)時(shí)期年平均降水量增幅分別為0.17 mm/d（0.03～0.32 mm/d）、0.30 mm/d（0.07～0.73 mm/d）、0.36 mm/d（0.21～0.82 mm/d），末期年平均降水量的增加速度減緩?？臻g分布上，整體呈現(xiàn)“東增西減”的分布趨勢(shì)，東部年平均降水量增加幅度較大，西部與北部呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。3個(gè)時(shí)期日最大降水量分別為288.18 mm、282.56 mm、283.52 mm，暴雨日數(shù)（≥25 mm降水日數(shù)）分別為253天、264天、268天，樂(lè)山、眉山和雅安等地區(qū)日最大降水和暴雨日數(shù)數(shù)值較高，并且均有逐步由東部、東南部向西北、東北方向增大的趨勢(shì)。

（3）基準(zhǔn)期川西高原由低到高各危險(xiǎn)區(qū)面積占比分別為33.31%、27.18%、12.74%、18.43%、8.34%；低度危險(xiǎn)區(qū)和較低危險(xiǎn)區(qū)主要分布在西北、北部的高原面坡度較小的地區(qū)，極高、高危險(xiǎn)區(qū)主要分布在川西東緣山地和金沙江、雅礱江、大渡河等主要河流沿岸的高山峽谷區(qū)。

（4）未來(lái)氣候變化情境下，相對(duì)于基準(zhǔn)期，研究區(qū)近期、中期、末期泥石流危險(xiǎn)性普遍增加，加權(quán)重心總體向西北方向移動(dòng)，泥石流危險(xiǎn)性整體呈現(xiàn)東北-西南分布格局，西部、北部泥石流危險(xiǎn)性增加快，邊緣比中心增加快。3個(gè)時(shí)期低度危險(xiǎn)區(qū)面積逐漸減小，中度、高度危險(xiǎn)區(qū)不斷增加，中度危險(xiǎn)區(qū)面積占比在近期達(dá)到最大值，之后逐漸下降。川西西部金沙江、中部大渡河和雅礱江以及西北部岷江兩岸的山地的危險(xiǎn)區(qū)均向更高等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，高危險(xiǎn)區(qū)不斷向海拔高的區(qū)域蔓延。未來(lái)的降水和溫度在空間上的組合導(dǎo)致了川西泥石流危險(xiǎn)區(qū)的變化，川西高原對(duì)氣候變化敏感，升溫幅度更大，日最大降水量增加，暴雨發(fā)生的次數(shù)更多，海拔較高區(qū)域的冰雪融化，冰雪融水與暴雨疊加增加了泥石流危險(xiǎn)性。3個(gè)時(shí)期發(fā)生變化的主要是中度及中度以下危險(xiǎn)區(qū)，泥石流中度及以下危險(xiǎn)區(qū)難以向高等級(jí)危險(xiǎn)區(qū)轉(zhuǎn)變，這表明與氣候變化的影響作用相比，地質(zhì)條件、地形條件和水文條件依舊起控制性作用。

危險(xiǎn)性評(píng)估結(jié)果可以為野外考察提供參考，確定具體泥石流隱患點(diǎn)，特別是對(duì)群眾生命財(cái)產(chǎn)安全有威脅的隱患點(diǎn)。面對(duì)氣候變化，需要加強(qiáng)川西泥石流對(duì)應(yīng)時(shí)期高度、極高危險(xiǎn)區(qū)的降雨監(jiān)測(cè)，冰雪覆蓋區(qū)需要增加對(duì)氣溫的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)手段可以結(jié)合站點(diǎn)監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)兩種方式：站點(diǎn)監(jiān)測(cè)可以結(jié)合中科院野外觀測(cè)研究站進(jìn)行開(kāi)展，建立網(wǎng)狀觀測(cè)系統(tǒng)，在不同海拔高程布設(shè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，在不利天氣條件面前及時(shí)對(duì)相關(guān)隱患點(diǎn)發(fā)布預(yù)警；人工監(jiān)測(cè)，可以對(duì)存在隱患點(diǎn)的鄉(xiāng)、村的人員進(jìn)行簡(jiǎn)單的災(zāi)害基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn)、講座宣傳等，在災(zāi)害可能發(fā)生之前及時(shí)進(jìn)行通報(bào)，為避災(zāi)爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。