基于樹(shù)木年代學(xué)的冰川型泥石流災(zāi)害歷史重建方法
——以西藏天摩溝為例

孟哲，呂立群*，余國(guó)安，王云琦，王兆印

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083; 2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101; 3.清華大學(xué)水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

帕隆藏布流域泥石流災(zāi)害規(guī)模大，密度高，給居民、交通、水利、礦產(chǎn)、生態(tài)等造成巨大破壞[1-2]。流域內(nèi)海洋性冰川發(fā)育程度高，活動(dòng)性強(qiáng)，冰川泥石流占該區(qū)域泥石流類(lèi)型的50%以上[3]。與暴雨泥石流相比，冰川型泥石流具有規(guī)模更大、流動(dòng)時(shí)間更長(zhǎng)等特征[4-5]。但冰川泥石流事件的發(fā)生具有一定的隨機(jī)性與瞬時(shí)性，詳實(shí)地重建災(zāi)害事件具有較高的難度。現(xiàn)階段重建泥石流災(zāi)害事件的方法主要包括：14C同位素定年法[6]、光釋光測(cè)年法、宇宙成因核素暴露年代法、地衣年代法[7]以及樹(shù)木年輪年代學(xué)法[8-9]等。樹(shù)木年代學(xué)是以樹(shù)木年輪生長(zhǎng)擾動(dòng)為依據(jù)，研究外部環(huán)境擾動(dòng)對(duì)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)影響的學(xué)科[10-11]。地質(zhì)災(zāi)害通過(guò)攜帶的泥沙石塊撞擊、侵蝕和掩埋樹(shù)根和樹(shù)干，使樹(shù)木傾斜或形成疤痕，根系活性降低等，影響樹(shù)木生長(zhǎng)。年輪在發(fā)育過(guò)程中會(huì)表現(xiàn)為生長(zhǎng)擾動(dòng)(growth disturbances，GD)[12]，如產(chǎn)生愈傷組織及愈合疤痕和壓縮木等。與其他方法相比，樹(shù)木年代學(xué)法具有定年精度高、測(cè)年樣本分布廣泛以及連續(xù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

樹(shù)木年代學(xué)被廣泛應(yīng)用于重建地質(zhì)災(zāi)害事件的研究[13-14]。Alestalo[13]于1971年首次提出通過(guò)年輪序列信息來(lái)分析地質(zhì)災(zāi)害過(guò)程。Shroder[15]繼而提出了“活動(dòng)-事件-響應(yīng)”體系，即某個(gè)地區(qū)發(fā)生了地質(zhì)地貌活動(dòng)，便會(huì)影響樹(shù)木的生長(zhǎng)(事件)，樹(shù)木的年輪生長(zhǎng)在一定程度上對(duì)該事件做出對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。20世紀(jì)80年代開(kāi)始通過(guò)樹(shù)木年輪的形變重建泥石流事件的頻率和規(guī)模[16-17]。21世紀(jì)以來(lái)，基于樹(shù)木年代學(xué)重建泥石流事件的研究集中在歐洲阿爾卑斯山地區(qū)，重建結(jié)果與記錄時(shí)間基本一致[18-19]。中國(guó)通過(guò)樹(shù)木年代學(xué)重建泥石流事件的研究起步較晚。鐵永波等[20]通過(guò)140個(gè)樹(shù)木年輪樣本確定了磨西河流域內(nèi)倒灶溝泥石流的頻率。樹(shù)木年代學(xué)法除應(yīng)用泥石流災(zāi)害定年[21-22]，也廣泛應(yīng)用于滑坡[23-24]、山洪[25]和雪崩[26]等災(zāi)害事件的重建。

現(xiàn)基于樹(shù)木年輪的生長(zhǎng)擾動(dòng)，圍繞泥石流災(zāi)害的形成時(shí)間、沖擊范圍、激發(fā)因素，重建帕隆藏布流域內(nèi)冰川型泥石流溝天摩溝內(nèi)泥石流的時(shí)空分布，并與已知泥石流事件進(jìn)行對(duì)比，分析樹(shù)木年代學(xué)參數(shù)對(duì)泥石流規(guī)模和氣候要素的敏感性，為未知泥石流事件的確定提供新的分析手段。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)域

天摩溝位于西藏波密縣松繞村，流域面積17.9 km2，相對(duì)高差為3 100 m，溝口海拔2 460 m，季節(jié)性雪線(xiàn)位置3 900 m，冰川面積約9 km2，屬于冰川谷和山麓洪積扇地貌單元[27]，是帕隆藏布左岸一級(jí)支流[圖1(a)]。研究區(qū)劃分為扇體、堰塞湖、溝道內(nèi)階地三大部分，松繞溝作為未受擾動(dòng)的溝道進(jìn)行比較研究[圖1(a)]。溝道階地包括左岸階地1、2和3，右岸階地4和5[圖1(a)和圖1(b)]。扇體劃分為泥石流堆積區(qū)和堰塞壩潰決體堆積區(qū)[圖1(c)]。

圖1 研究區(qū)及樹(shù)采集樣點(diǎn)

天摩溝有記錄的泥石流事件共三次：2007年9月4日一次沖出固體物總量約76×104m3；2010年7月25—31日共沖出固體物質(zhì)21×104m3；2010年9月5日泥石流造成國(guó)道318中斷16 d；2018年7月11日泥石流沖出固體物總量約18.7×104m3。三次泥石流均加高了原有堰塞壩體，上游形成長(zhǎng)1.5 km的小型堰塞湖[28-29]。1965—2019年，該地區(qū)5—9月的平均氣溫呈逐漸升高的趨勢(shì)。2018年泥石流與高溫有關(guān)，2007年、2010年泥石流與降雨和高溫有關(guān)如圖2所示。

圖2 5—9月份總降雨量與平均氣溫

1.2 研究方法

1.2.1 樣本的采集與處理分析

(1)樣本選取原則和年輪采樣方法。樣本選取原則：傷疤樹(shù)[圖3(a)][30]；樹(shù)干傾斜的樹(shù)木[圖3(b)][31]；樹(shù)干部分掩埋的樹(shù)木[圖3(c)][31]以及根部裸露的樹(shù)木[圖3(d)][32]。

圖3 樣本選取類(lèi)型[30-32]

(2)樣本選取。使用5.15 mm生長(zhǎng)錐在樹(shù)莖部進(jìn)行垂直取樣[33-34]，將取出的樣本進(jìn)行分類(lèi)編號(hào)，并存放于紙管中。參考樹(shù)木均分布在松繞溝內(nèi)。取樣時(shí)記錄樣本位置，胸徑，鄰近樹(shù)木狀態(tài)。共采集樹(shù)木標(biāo)本74棵：其中扇體15棵、堰塞湖12棵、潰決體堆積物6棵、階地一3棵、階地二6棵、階地三12棵、階地四4棵、階地五5棵。

(2)樣本處理與實(shí)驗(yàn)室分析。將樣品粘在特制木質(zhì)凹糟中，用膠帶固定并自然晾干；用砂紙逐級(jí)打磨至樣品剖面光滑平整；使用LinTabTSAP Win 6.0分析系統(tǒng)(精度為0.001 mm)測(cè)量年輪寬度；測(cè)量完畢后，利用COFECHA程序?qū)徊娑杲Y(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[35]，過(guò)濾掉年輪序列中的低頻，并以99%的置信區(qū)間作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；將這些交叉定年的樣品與參考樹(shù)木進(jìn)行比對(duì)，減小誤差，最終制成年表。

1.2.2 泥石流發(fā)生時(shí)間的確定方法

(1)損傷和愈傷組織可以準(zhǔn)確確定泥石流發(fā)生時(shí)間[圖4(a)][36-37]，年輪中愈傷組織的第一層細(xì)胞開(kāi)始形成的時(shí)間定義為泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間。

年輪寬度突然地增大和減小所反應(yīng)的樹(shù)木生長(zhǎng)抑制和生長(zhǎng)釋放也是判斷泥石流事件發(fā)生的重要依據(jù)[圖4(b)、圖4(c)][38-39]。生長(zhǎng)抑制一方面是由于沉積物的巨大重量引起的機(jī)械效應(yīng)[40-42]，另一方面是石塊對(duì)樹(shù)干和根系造成破壞[43-45]。當(dāng)泥石流將某個(gè)區(qū)域的樹(shù)木摧毀時(shí)，鄰近的樹(shù)木會(huì)形成一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)更少，光線(xiàn)、養(yǎng)分和水分更足的新環(huán)境，年輪的寬度也隨之增加，即生長(zhǎng)釋放。生長(zhǎng)抑制與生長(zhǎng)釋放的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為[46]

圖4 生長(zhǎng)擾動(dòng)類(lèi)型

(1)

式(1)中：I為年輪寬度變化率；ri為i年年輪生長(zhǎng)寬度；ri-1為i-1年的年輪生長(zhǎng)寬度。

i年的年輪寬度與i-1年的年輪寬度相比，I增加了50%及以上，定義為生長(zhǎng)釋放；I減少40%及以下定義為生長(zhǎng)抑制。

極端氣候的影響、人類(lèi)活動(dòng)的干擾以及動(dòng)物的破壞對(duì)樹(shù)木年輪的生長(zhǎng)擾動(dòng)(GDs)也造成影響，采用Kogelnig-Mayer等[47]提出用加權(quán)指數(shù)Wit來(lái)剔除這些干擾，可表示為

Wit=(7Ti+5Ts+3Tm+Tw)Rt/At

(2)

式(2)中：Ti為具有損傷和愈傷組織的樹(shù)木數(shù)量；Ts為具有強(qiáng)烈生長(zhǎng)擾動(dòng)的樹(shù)木數(shù)量；Tm為具有中等生長(zhǎng)擾動(dòng)的樹(shù)木數(shù)量；Tw為具有弱生長(zhǎng)擾動(dòng)的樹(shù)木數(shù)量；Rt為在t年具有生長(zhǎng)擾動(dòng)的樹(shù)木數(shù)量；At為t年獲取樣本的樹(shù)木數(shù)量。

根據(jù)Kogelnig-Mayer等[47]研究結(jié)果，強(qiáng)烈生長(zhǎng)擾動(dòng)為生長(zhǎng)抑制與釋放年輪變化值大于60%且持續(xù)時(shí)間大于5年；中等生長(zhǎng)擾動(dòng)為生長(zhǎng)抑制與釋放年輪變化值大于60%且持續(xù)時(shí)間大于2年、小于5年；弱生長(zhǎng)擾動(dòng)生長(zhǎng)抑制與釋放年輪變化值小于60%且持續(xù)時(shí)間小于2年。

2 結(jié)果分析

2.1 擾動(dòng)樹(shù)木分布規(guī)律

樣本年輪經(jīng)過(guò)鑒定后共得到303個(gè)GDs，常見(jiàn)的GDs為生長(zhǎng)抑制和釋放(表1)。扇體、堰塞湖周邊和階地2上GDs的時(shí)間跨越時(shí)間更廣，最早出現(xiàn)在1956年，而潰決體堆積物、階地1、階地3、階地4和階地5上GDs主要集中在近20年內(nèi)(圖5)。結(jié)合研究區(qū)地形分析[圖1(a)]，階地2位于溝道最大彎道處，泥石流固體物質(zhì)在溝道凸岸的堆積使階地抬高，因此階地2上的樣本免受后期多次大型泥石流的毀滅性影響而保留。

圖5 生長(zhǎng)擾動(dòng)的年代分布

表1 生長(zhǎng)擾動(dòng)的數(shù)量與類(lèi)型

2.2 泥石流發(fā)生時(shí)間和流動(dòng)范圍

2.2.1 泥石流的發(fā)生時(shí)間

利用式(2)計(jì)算得到的Wit值確定的泥石流事件發(fā)生的時(shí)間表明：Wit值較高的年份包括1965年、1970年、1976年、2010年、2018年和2019年(圖6)，與已知泥石流爆發(fā)時(shí)間(2007年、2018年)相比，泥石流重建時(shí)間滯后于實(shí)際爆發(fā)時(shí)間1～3年。這與文獻(xiàn)[48-49]研究結(jié)果類(lèi)似，樹(shù)木生長(zhǎng)擾動(dòng)具有一定的滯后性。研究發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)擾動(dòng)的滯后效應(yīng)會(huì)隨著泥石流規(guī)模的變大而延長(zhǎng)。2007年泥石流規(guī)模大，生長(zhǎng)擾動(dòng)滯后3年；2018年泥石流規(guī)模小，生長(zhǎng)擾動(dòng)滯后1年。因此，有理由推斷天摩溝在1965年、1970年和1975年前后也發(fā)生過(guò)泥石流。

圖6 基于加權(quán)指數(shù)Wit的泥石流時(shí)間重建

2.2.2 泥石流的流動(dòng)范圍

根據(jù)泥石流事件年份和生長(zhǎng)擾動(dòng)樹(shù)木的位置，重建1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流的流動(dòng)范圍(圖7)。2007年和2010年泥石流的覆蓋范圍比1965年、1970年和1976年顯著增大，覆蓋所有階地、扇體與潰決體堆積物區(qū)，表明天摩溝溯源侵蝕速度較快，泥石流規(guī)模較大。2007年、2010年和2018年泥石流均造成堵江，但是只有2018年堰塞湖區(qū)的樣本有較顯著的生長(zhǎng)擾動(dòng)，這是由于2018年泥石流造成堵江規(guī)模大、時(shí)間長(zhǎng)造成的。

圖7 泥石流淹沒(méi)區(qū)域重建圖

3 討論

3.1 生長(zhǎng)抑制/釋放對(duì)泥石流和堰塞湖泥沙淤積的響應(yīng)

從兩個(gè)空間方向分析研究區(qū)樹(shù)木生長(zhǎng)抑制/釋放差異(圖8)可知：在帕隆藏布流動(dòng)方向上，分析堰塞湖-扇體-潰決體堆積物；在天魔溝泥石流流動(dòng)方向上，分析泥石流溝道階地-扇體。

圖8 生長(zhǎng)釋放/抑制強(qiáng)度對(duì)照

上游堰塞湖泥沙淤積區(qū)樹(shù)木的生長(zhǎng)抑制/釋放擾動(dòng)強(qiáng)度要低于扇體泥沙淤積區(qū)，是因?yàn)檠呷嗌逞诼竦乃俣群秃穸纫h(yuǎn)遠(yuǎn)低于扇體[圖8(a)]；上游階地生長(zhǎng)擾動(dòng)強(qiáng)度要高于下游階地，是因?yàn)樯嫌坞A地位于溝道流通區(qū)，泥石流速度快、破壞力強(qiáng)。扇體擾動(dòng)強(qiáng)度高于溝道內(nèi)階地，是因?yàn)槟嗍鞯哪嗌秤俜e厚度在下游達(dá)到最大值[圖8(b)]。

3.2 Wit與泥石流激發(fā)因素的關(guān)系

降雨和高溫都是冰川型泥石流的重要激發(fā)因素。分析1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年的日氣溫以及降雨量(5月1日—9月30日)表明：2007年9月4日和2010年7月2日泥石流是由連續(xù)多天的降雨引發(fā)，2010年9月6日泥石流與2018年7月11日泥石流是由降雨與高溫共同引發(fā)(圖9、圖10)。2007年、2010年以及2018年Wit值分別為2.057、6.756和16.55。如圖11所示，將降雨和氣溫?cái)?shù)據(jù)與Wit加權(quán)指數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析可知：Wit與氣溫呈正相關(guān)(P=0.005，R=0.747)，與降雨量相關(guān)性不顯著(P=0.11，R=-0.467)。這表明Wit加權(quán)指數(shù)可以指示泥石流爆發(fā)時(shí)的氣溫情況。

圖9 各年份5—9月日氣溫

圖10 各年份5—9月日降雨量

圖11 氣象數(shù)據(jù)與Wit加權(quán)指數(shù)關(guān)系圖

3.3 樹(shù)木年輪對(duì)泥石流事件的敏感性分析

不同年齡和胸徑的樹(shù)木對(duì)泥石流擾動(dòng)的反映強(qiáng)度和敏感性是不一樣的。對(duì)1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流事件中各個(gè)樹(shù)木樣本的敏感性進(jìn)行分析表明(圖12)：年輕樹(shù)干對(duì)泥石流事件更敏感，2010年和2018年事件中的生長(zhǎng)擾動(dòng)主要集中在樹(shù)齡20年和胸徑100 cm以下的年輕樹(shù)木中。年輕樹(shù)木由于樹(shù)皮較薄和根系不穩(wěn)固更容易受到泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的影響。記錄泥石流事件的能力通常隨樹(shù)木年齡和胸徑的增加而降低。

S為強(qiáng)烈擾動(dòng)；M為中等擾動(dòng)；W為弱擾動(dòng)；I為創(chuàng)傷

4 結(jié)論

(1)天摩溝冰川型泥石流溝頻發(fā)，樹(shù)木年代學(xué)表明60年來(lái)天摩溝發(fā)生過(guò)6次泥石流。Wit顯示樹(shù)木年輪擾動(dòng)時(shí)間滯后于泥石流事件1～3年，與泥石流的規(guī)模呈正相關(guān)。

(2)在帕隆藏布流域利用樹(shù)木年代學(xué)的方法重建冰川型泥石流發(fā)生時(shí)間，有約3年的誤差。重建1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流的流動(dòng)范圍，表明天摩溝在加速溯源侵蝕，泥石流規(guī)模總體上有增大的趨勢(shì)。樹(shù)木年輪的生長(zhǎng)抑制/釋放和創(chuàng)傷對(duì)泥石流災(zāi)害的敏感性與樹(shù)齡和胸徑相關(guān)，樹(shù)齡在20年和胸徑100 cm以下的幼樹(shù)對(duì)泥石流事件更敏感，能夠更敏銳的記錄泥石流事件。泥石流堰塞湖內(nèi)泥沙淤積也會(huì)擾動(dòng)樹(shù)木年輪生長(zhǎng)，但是擾動(dòng)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于扇體泥沙淤積對(duì)樹(shù)木擾動(dòng)的影響，通過(guò)堰塞湖內(nèi)樹(shù)木年輪的擾動(dòng)也可以間接反映堵江泥石流事件的發(fā)生時(shí)間和規(guī)模。