基于W_it 指数的冰川型泥石流的年轮定灾方法

New Reconstruction of Glacier Debris Flows Based on Tree Ring Response

摘要

冰川型泥石流在瓤打曲流域频发，对当地安全造成了严重威胁，重建泥石流的暴发历史、流动范围和成因，可以为工程建设提供防灾减灾参数.基于树木年轮的愈伤组织和生长抑制响应，给出了年轮生长抑制的评判阈值和年轮定灾的W_it 指数的新计算方法，并重建了1890—2021年的泥石流的暴发时间和流动范围；用泥石流实际暴发时间验证了年轮生长抑制的评判阈值和W_it 新计算方法的合理性. 结果表明：（1）冰川活跃区年轮生长抑制的阈值修订为25%；（2）W_it 指数计算需要排除生长释放因子，利用年轮的创伤组织和生长抑制会增大泥石流灾害事件的定年准确率.

Abstract

Glacial debris flows occur frequently in the Rangdaqu River Basin, posing a serious threat to local safety. Reconstructing the eruption history, flow range, and causes of debris flows can provide disaster prevention and mitigation parameters for engineering construction. Based on the cambial injury tissue and growth inhibition response of trees, this study provides a new calculation method for the evaluation threshold of growth inhibition in tree rings and the W_it index of debrisflow identification in tree rings, and reconstructs the outbreak time and flow range of debris flows from 1890 to 2021. The results show that: (1) the threshold for growth inhibition in the active zone of glaciers has been revised to 25%; (2) the calculation of the W_it index needs to exclude growth release factors, and the use of traumatic tissue and growth inhibition in tree rings can improve the accuracy of dating debris flow events.

Graphical abstract

关键词

泥石流 / 冰川 / 愈伤组织 / 生长抑制 / 灾害重建 / 工程地质

0 引言

冰川型泥石流在帕隆藏布流域分布较广，受气候变化影响显著（吕立群，2017），往往在冰川退缩期和强烈地震之后出现泥石流活动的高潮（李尧等，2022）. 泥石流成灾过程中，对流动路径上的树木生长造成扰动，年轮出现伤疤，生长释放或者抑制，统称为生长扰动（GD）. 根据树木年轮宽度变化或愈伤组织可以重建泥石流灾害历史（吕立群等，2024），并反映泥石流灾害对区域气候变化的响应（黄涛，2019）. 树木年代法相对于光释光、¹⁴Ｃ、宇宙成因核素暴露、火山灰测年等方法，其分辨率高和连续性强，被广泛用于泥石流灾害历史重建（铁永波等，2014；赖忠平等，2021）.

目前利用年轮重建灾害历史的指标主要有3种：（1）生长扰动（GD）数量；（2）响应指数I_t （生长扰动的树木与存活的样本数量的比率）；（3）W_it 指数（对树木所受不同程度的扰动进行加权计算，以剔除部分除灾害外的影响）. 响应指数I_t 是最早的年轮定灾方法，在国内外早期的研究中应用较多（Vădean et al.，2015；Šilhán，2021；王志兰等，2022）. 近几十年，开始通过采用树木年轮偏心圆和树木的正常生长年轮进行对比重建灾害事件（铁永波等，2014），或者通过年轮生长抑制和释放百分比重建灾害事件（吴佳亮等，2021），但都无法精准定灾. 直到Kogelnig⁃Mayer et al.（2011）提出用加权指数W_it 来重建灾害事件，发现单独采用加权指数W_it （孟哲等，2022）或与其他指标（Peitzsch et al.， 2013）一起进行灾害事件定年，误差年限大大降低. 国内部分学者利用W_it 不仅重建了泥石流灾害事件的时间，还重建了其流动范围，并对树龄进行了敏感性分析（吕立群等，2024）. 由于年轮重建灾害史存在较强区域性，并没有统一的定灾标准，这与地理位置、气候条件和灾害类型有关（表1），因此利用加权指数W_it 并不能照搬前人标准，需根据地域特征重新尝试确认新的参数阈值.

本文以西藏瓤打曲流域的一条冰川型泥石流支沟为例，通过指数W_it 重建1890—2021年间泥石流灾害活动，并对指数W_it 的准确性进行验证，以期为冰川型泥石流灾害历史重建提供新的参数阈值和计算方法.

1 研究区域

瓤打曲是帕隆藏布二级支流，流域面积304.2 km²，主沟长28.4 km（张金山等，2015），沟道两岸分布有大量冲洪积和冰碛物等第四纪堆积体（曾宪阳等，2019）. 瓤打曲地形陡峭，降水集中在5—9月，占年降水量的70%以上（苗晓岐，2022），流域内分布着大面积冰川，冰川融水补给地表径流，为泥石流形成提供有利的水源条件. 瓤打曲右侧支沟（图1），位于舍托曲与瓤打曲的入汇处，流域面积8.0 km²，平均海拔3 952 m，下伏地层为灰岩、大理岩、砂质板岩，夹有厚层的变质石英砂岩. 该区域曾经在2002、2007、2009、2012年暴发过泥石流，频率较高，对当地安全造成了严重威胁. 沟道内2000年发生过大面积森林火灾，沟道左岸曾发生过大规模崩塌，为泥石流发育提供了大量物源. 将研究区划分为物源区AB段、流通区BC段和堆积区CDEF段，其中堆积区按照灾害流动方向划分为CD段、CE段和CF段（图1）.

2 研究方法

2.1　树木年轮的采集与处理

2.1.1　年轮采样方法

使用5.15 mm生长锥在受泥石流影响的伤疤木、掩埋木和根系暴露木的树干进行取样，将取出的树芯样本进行分类编号，并存放于纸管中. 取样时记录样本位置，胸径，邻近树木状态. 树木采样点均位于泥石流沟道内和扇体上，共采集树木标本72棵，并采集未受泥石流影响的树木20棵作为参考木（图1）.

2.1.2　样本处理

将所采树芯样品带回实验室后，粘在特制木质凹槽中，用胶带固定好两端且做好标记；待其自然晾干后，使用树木年轮打磨机打磨至光滑平整且年轮清晰可见. 使用精度为0.001 mm的LinTabTSAP Win 6.0分析系统来测量年轮宽度；测量完毕后，利用COFECHA程序对交叉定年结果进行检验，过滤掉年轮序列中的低频，并以99%的置信区间进行检验（王珂，2016）；将这些交叉定年的样品与参考树木年轮进行比对，减小误差，最终制成生长扰动年代分布表.

2.2　泥石流发生时间

2.2.1　生长抑制和生长释放

损伤和愈伤组织（图2b）可以准确确定泥石流发生时间（Stoffel et al.，2006；Lundström et al.，2008），年轮中愈伤组织的第一层细胞形成的时间定义为泥石流灾害发生的时间（丁苗等，2016）. 年轮宽度突然减小所造成树木的生长抑制也是判断泥石流事件发生的重要依据（Strunk et al.，1997；Schneuwly et al.，2009）. 生长抑制一方面是由于泥石流对树木的巨大重量引起的物理反应，另一方面是这些泥沙颗粒对树干和根系造成了破坏. 当泥石流将某个区域的树木摧毁时，邻近的树木会形成一个竞争更少，光线、养分和水分更足的新环境，年轮的宽度也随之增加，即生长释放. 生长释放和生长抑制的评判依据为：

I=\frac{r_i-r_{i-\mathrm{1}}}{r_{i-\mathrm{1}}}，（1）

式中：i年的年轮宽度与i-1年的年轮宽度相比，I增加50%及以上体现了生长释放，I减少40%及以下体现了生长抑制（图2a）.

2.2.2　 W_it 加权指数

极端气候、人类活动、动物的破坏对树木年轮的扰动也造成影响，Kogelnig⁃Mayer et al.（2011）提出用加权指数W_it 来剔除这些干扰：

W_{it}=\left[\left({\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{T}_i\times \mathrm{7}\right)+\left({\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{T}_s\times \mathrm{5}\right)+\left({\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{T}_m\times \mathrm{3}\right)+\left({\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{T}_{\mathrm{w}}\right)\right]\times \frac{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{R}_t}{{\sum }_{i=\mathrm{1}}^n{A}_t}，（2）

式中：T_i 为具有损伤和愈伤组织的树木；T_s为具有强烈生长扰动的树木；T_m为具有中等生长扰动的树木；T_w为具有弱生长扰动的树木；R_t 为在t年具有生长扰动的树木数量；A_t 为在t年获取样本的树木数量. 扰动强度划分阈值见表2.

2.3　泥石流活动范围解译

为了解泥石流活动范围，使用了28幅遥感影像对泥石流活动区域进行了反演（表3）. 利用ENVI5.3软件解译遥感数据，通过辐射定标、大气校正后可以观察到泥石流灾害发生后新形成的沟道和扩宽的河道. 因计算机对于阴影区域的边界难以处理，易导致分类误差大，故本文采取目视解译法. 根据不同的波段组合（Landsat5：波段 4、3、2；Landsat 8：波段 5、4、3），保证泥石流流动范围提取准确性.

3 原方法的缺陷和原因分析

利用表2的分类阈值计算得到1890—2021年的W_it 值，与已知的泥石流发育时间（2002、2007、2009、2012）作对比，2002年W_it 值为3.71，2007年W_it 值为2.28，2009年W_it 值为2.10，2012年W_it 值为5.49（图3），W_it 值并不集中. 以W_it 的最小值2.10来确定泥石流事件，灾害频率过高，以W_it 的最大值5.49来确定泥石流事件，灾害频率过低，说明表2的分类阈值和公式2的计算方法并不合理. 树木年轮在受到扰动后，首先生长抑制，然后紧接着出现生长释放，而且在冰川活跃区树木年轮生长缓慢，生长释放具有明显延迟性，这是导致利用W_it 值重建泥石流灾害时间出现偏差的可能原因（吕立群等，2022）.

不同树龄的年轮生长抑制/释放对泥石流扰动的响应不同（图4）：树龄越小，生长抑制/释放对泥石流事件的扰动越敏感. 1958、1994、2002、2004、2007、2009、2012年泥石流事件中，生长抑制/释放集中在50 a树龄以下的树木中. 年轻树木树皮薄并且根系不稳固，容易受到泥石流等地质灾害的伤害，树木年龄和树木记录灾害事件的能力二者呈负相关，这与西藏迫龙沟利用树木年代学重建泥石流灾害事件中的规律基本一致（吕立群等，2022）. 树龄较小的树木在研究区居多，因为掩埋或者根系暴露可以存活，对大石块造成的撞击，后期很难愈合和存活（图4）. 因此研究区扰动树木年轮生长抑制/释放比创伤及愈伤组织对W_it 值的影响要大，导致利用W_it 值重建泥石流灾害时间与实际暴发时间并不吻合.

4 基于新的W_it 计算方法的泥石流灾害历史重建

4.1　新W_it 计算方法的提出

由于研究区扰动树木年龄偏小，生长释放现象普遍且具有明显延迟性，为提高灾害重建的准确度，在公式（2）W_it 计算中将生长释放去除；冰川活跃区树木生长缓慢，公式（1）中生长抑制的评判阈值修订为年轮宽度减少25%. 经过重新计算后，共得到967个扰动值，最早的生长抑制出现在1896年（表4）. 表2中的生长扰动强度分类阈值修订为表5.

4.2　基于新W_it 计算方法的泥石流暴发时间重建

利用表5新的分类阈值得到1890-2021年的W_it 值，经过数次计算发现W_it 的定灾阈值与年轮的样本数量有较大关系：年轮样本数量A_t <30时，W_it >2大概率确定泥石流灾害时间；30≤A_t <60时，W_it >3大概率确定泥石流灾害时间；年轮样本数量A_t ≥60时，W_it >4大概率确定泥石流灾害时间（图5）. 样本数量越大，排除极端气候、人类活动、动物的破坏对树木年轮的扰动的可能性越大，因此W_it 值的越高.

根据新的生长抑制阈值（表5）和新W_it 计算方法重建的泥石流灾害年份（图5）：1958年、1994年、2002年、2004年、2007年、2009年、2010年、2012年，与实际泥石流时间（2002、2007、2009、2012）吻合度高. 2010年W_it 值较高，造成泥石流发生的假象，原因是：2009年泥石流规模巨大，造成大量树木生长抑制，年轮恢复正常生长普遍滞后一年，计算所得2010年W_it 值较高.

按照新方法重建堆积区3条流动路径的灾害时间，ABCD段灾害年份：1958年、1968年、2002年、2004年、2009年；ABCE段灾害年份：2002年、2004年、2007年、2009年、2010年、2012年；ABCF段灾害年份：1958年、1994年、2009年、2010年（图6）. 将3条路径灾害年份与全区域灾害年份对比，只有1968年灾害未被记录到，证明了新方法的合理性.

4.3　基于新W_it 计算方法的泥石流流动范围重建

根据生长扰动树木的位置重建灾害年份泥石流活动范围（图7）：可以看出1958-1994年期间堆积区CE段地势比CD段和CF段高，泥石流未对CE段树木造成明显扰动；2002年和2004年泥石流造成CD段和CE段生长扰动明显，同时这两年灾害时间较近，可能导致CD段堆积物叠加并堵江；2009年的泥石流覆盖整个堆积区，是规模最大的一年，这与泥石流的实际淤积范围基本一致.

5 结论

研究区冰川运动活跃，树木年轮生长缓慢，尤其在受到泥石流的扰动之后，生长释放具有明显的延迟性，导致基于原方法计算的W_it 指数与实际泥石流暴发时间不一致. 各个年龄段树木年轮对冰川型泥石流的扰动响应不同，生长释放在年轻树木中更加常见，树龄越小，生长释放对泥石流事件的扰动越敏感. 研究区年轻的扰动树木占据多数，创伤及愈伤组织并不常见，进一步增加了生长释放在W_it 指数计算过程中的权重. 论文基于大量的年轮生长变化分析，将新的生长抑制评判阈值由原来的40%降低到25%. 利用W_it 重建冰川地区泥石流灾害过程中，如果年轻树木较多，生长释放会大大增加W_it 的误差，本文在重构新的W_it 指数计算方法中排除了生长释放这一因子. 基于树木年轮创伤及愈伤组织，生长抑制因子构建的新的W_it 指数，反映出研究区在1958、1994、2002、2004、2007、2009、2012年暴发过泥石流，与历史记录基本吻合，反映出本文提出的新W_it 指数计算方法重建冰川型泥石流的合理性.

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