基于树木年代学的冰川型泥石流灾害历史重建方法——以西藏天摩沟为例

孟哲，吕立群*，余国安，王云琦，王兆印

(1.北京林业大学水土保持学院，北京 100083; 2.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室, 北京 100101; 3.清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084)

帕隆藏布流域泥石流灾害规模大，密度高，给居民、交通、水利、矿产、生态等造成巨大破坏[1-2]。流域内海洋性冰川发育程度高，活动性强，冰川泥石流占该区域泥石流类型的50%以上[3]。与暴雨泥石流相比，冰川型泥石流具有规模更大、流动时间更长等特征[4-5]。但冰川泥石流事件的发生具有一定的随机性与瞬时性，详实地重建灾害事件具有较高的难度。现阶段重建泥石流灾害事件的方法主要包括：14C同位素定年法[6]、光释光测年法、宇宙成因核素暴露年代法、地衣年代法[7]以及树木年轮年代学法[8-9]等。树木年代学是以树木年轮生长扰动为依据，研究外部环境扰动对树木年轮生长影响的学科[10-11]。地质灾害通过携带的泥沙石块撞击、侵蚀和掩埋树根和树干，使树木倾斜或形成疤痕，根系活性降低等，影响树木生长。年轮在发育过程中会表现为生长扰动(growth disturbances，GD)[12]，如产生愈伤组织及愈合疤痕和压缩木等。与其他方法相比，树木年代学法具有定年精度高、测年样本分布广泛以及连续性强等优点。

树木年代学被广泛应用于重建地质灾害事件的研究[13-14]。Alestalo[13]于1971年首次提出通过年轮序列信息来分析地质灾害过程。Shroder[15]继而提出了“活动-事件-响应”体系，即某个地区发生了地质地貌活动，便会影响树木的生长(事件)，树木的年轮生长在一定程度上对该事件做出对应的响应。20世纪80年代开始通过树木年轮的形变重建泥石流事件的频率和规模[16-17]。21世纪以来，基于树木年代学重建泥石流事件的研究集中在欧洲阿尔卑斯山地区，重建结果与记录时间基本一致[18-19]。中国通过树木年代学重建泥石流事件的研究起步较晚。铁永波等[20]通过140个树木年轮样本确定了磨西河流域内倒灶沟泥石流的频率。树木年代学法除应用泥石流灾害定年[21-22]，也广泛应用于滑坡[23-24]、山洪[25]和雪崩[26]等灾害事件的重建。

现基于树木年轮的生长扰动，围绕泥石流灾害的形成时间、冲击范围、激发因素，重建帕隆藏布流域内冰川型泥石流沟天摩沟内泥石流的时空分布，并与已知泥石流事件进行对比，分析树木年代学参数对泥石流规模和气候要素的敏感性，为未知泥石流事件的确定提供新的分析手段。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区域

天摩沟位于西藏波密县松绕村，流域面积17.9 km2，相对高差为3 100 m，沟口海拔2 460 m，季节性雪线位置3 900 m，冰川面积约9 km2，属于冰川谷和山麓洪积扇地貌单元[27]，是帕隆藏布左岸一级支流[图1(a)]。研究区划分为扇体、堰塞湖、沟道内阶地三大部分，松绕沟作为未受扰动的沟道进行比较研究[图1(a)]。沟道阶地包括左岸阶地1、2和3，右岸阶地4和5[图1(a)和图1(b)]。扇体划分为泥石流堆积区和堰塞坝溃决体堆积区[图1(c)]。

图1 研究区及树采集样点

天摩沟有记录的泥石流事件共三次：2007年9月4日一次冲出固体物总量约76×104m3；2010年7月25—31日共冲出固体物质21×104m3；2010年9月5日泥石流造成国道318中断16 d；2018年7月11日泥石流冲出固体物总量约18.7×104m3。三次泥石流均加高了原有堰塞坝体，上游形成长1.5 km的小型堰塞湖[28-29]。1965—2019年，该地区5—9月的平均气温呈逐渐升高的趋势。2018年泥石流与高温有关，2007年、2010年泥石流与降雨和高温有关如图2所示。

图2 5—9月份总降雨量与平均气温

1.2 研究方法

1.2.1 样本的采集与处理分析

(1)样本选取原则和年轮采样方法。样本选取原则：伤疤树[图3(a)][30]；树干倾斜的树木[图3(b)][31]；树干部分掩埋的树木[图3(c)][31]以及根部裸露的树木[图3(d)][32]。

图3 样本选取类型[30-32]

(2)样本选取。使用5.15 mm生长锥在树茎部进行垂直取样[33-34]，将取出的样本进行分类编号，并存放于纸管中。参考树木均分布在松绕沟内。取样时记录样本位置，胸径，邻近树木状态。共采集树木标本74棵：其中扇体15棵、堰塞湖12棵、溃决体堆积物6棵、阶地一3棵、阶地二6棵、阶地三12棵、阶地四4棵、阶地五5棵。

(2)样本处理与实验室分析。将样品粘在特制木质凹糟中，用胶带固定并自然晾干；用砂纸逐级打磨至样品剖面光滑平整；使用LinTabTSAP Win 6.0分析系统(精度为0.001 mm)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[35]，过滤掉年轮序列中的低频，并以99%的置信区间作为检验标准；将这些交叉定年的样品与参考树木进行比对，减小误差，最终制成年表。

1.2.2 泥石流发生时间的确定方法

(1)损伤和愈伤组织可以准确确定泥石流发生时间[图4(a)][36-37]，年轮中愈伤组织的第一层细胞开始形成的时间定义为泥石流灾害发生的时间。

年轮宽度突然地增大和减小所反应的树木生长抑制和生长释放也是判断泥石流事件发生的重要依据[图4(b)、图4(c)][38-39]。生长抑制一方面是由于沉积物的巨大重量引起的机械效应[40-42]，另一方面是石块对树干和根系造成破坏[43-45]。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。生长抑制与生长释放的评判标准依据为[46]

图4 生长扰动类型

(1)

式(1)中：I为年轮宽度变化率；ri为i年年轮生长宽度；ri-1为i-1年的年轮生长宽度。

i年的年轮宽度与i-1年的年轮宽度相比，I增加了50%及以上，定义为生长释放；I减少40%及以下定义为生长抑制。

极端气候的影响、人类活动的干扰以及动物的破坏对树木年轮的生长扰动(GDs)也造成影响，采用Kogelnig-Mayer等[47]提出用加权指数Wit来剔除这些干扰，可表示为

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

(2)

式(2)中：Ti为具有损伤和愈伤组织的树木数量；Ts为具有强烈生长扰动的树木数量；Tm为具有中等生长扰动的树木数量；Tw为具有弱生长扰动的树木数量；Rt为在t年具有生长扰动的树木数量；At为t年获取样本的树木数量。

根据Kogelnig-Mayer等[47]研究结果，强烈生长扰动为生长抑制与释放年轮变化值大于60%且持续时间大于5年；中等生长扰动为生长抑制与释放年轮变化值大于60%且持续时间大于2年、小于5年；弱生长扰动生长抑制与释放年轮变化值小于60%且持续时间小于2年。

2 结果分析

2.1 扰动树木分布规律

样本年轮经过鉴定后共得到303个GDs，常见的GDs为生长抑制和释放(表1)。扇体、堰塞湖周边和阶地2上GDs的时间跨越时间更广，最早出现在1956年，而溃决体堆积物、阶地1、阶地3、阶地4和阶地5上GDs主要集中在近20年内(图5)。结合研究区地形分析[图1(a)]，阶地2位于沟道最大弯道处，泥石流固体物质在沟道凸岸的堆积使阶地抬高，因此阶地2上的样本免受后期多次大型泥石流的毁灭性影响而保留。

图5 生长扰动的年代分布

表1 生长扰动的数量与类型

2.2 泥石流发生时间和流动范围

2.2.1 泥石流的发生时间

利用式(2)计算得到的Wit值确定的泥石流事件发生的时间表明：Wit值较高的年份包括1965年、1970年、1976年、2010年、2018年和2019年(图6)，与已知泥石流爆发时间(2007年、2018年)相比，泥石流重建时间滞后于实际爆发时间1～3年。这与文献[48-49]研究结果类似，树木生长扰动具有一定的滞后性。研究发现生长扰动的滞后效应会随着泥石流规模的变大而延长。2007年泥石流规模大，生长扰动滞后3年；2018年泥石流规模小，生长扰动滞后1年。因此，有理由推断天摩沟在1965年、1970年和1975年前后也发生过泥石流。

图6 基于加权指数Wit的泥石流时间重建

2.2.2 泥石流的流动范围

根据泥石流事件年份和生长扰动树木的位置，重建1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流的流动范围(图7)。2007年和2010年泥石流的覆盖范围比1965年、1970年和1976年显著增大，覆盖所有阶地、扇体与溃决体堆积物区，表明天摩沟溯源侵蚀速度较快，泥石流规模较大。2007年、2010年和2018年泥石流均造成堵江，但是只有2018年堰塞湖区的样本有较显著的生长扰动，这是由于2018年泥石流造成堵江规模大、时间长造成的。

图7 泥石流淹没区域重建图

3 讨论

3.1 生长抑制/释放对泥石流和堰塞湖泥沙淤积的响应

从两个空间方向分析研究区树木生长抑制/释放差异(图8)可知：在帕隆藏布流动方向上，分析堰塞湖-扇体-溃决体堆积物；在天魔沟泥石流流动方向上，分析泥石流沟道阶地-扇体。

图8 生长释放/抑制强度对照

上游堰塞湖泥沙淤积区树木的生长抑制/释放扰动强度要低于扇体泥沙淤积区，是因为堰塞湖泥沙掩埋的速度和厚度要远远低于扇体[图8(a)]；上游阶地生长扰动强度要高于下游阶地，是因为上游阶地位于沟道流通区，泥石流速度快、破坏力强。扇体扰动强度高于沟道内阶地，是因为泥石流的泥沙淤积厚度在下游达到最大值[图8(b)]。

3.2 Wit与泥石流激发因素的关系

降雨和高温都是冰川型泥石流的重要激发因素。分析1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年的日气温以及降雨量(5月1日—9月30日)表明：2007年9月4日和2010年7月2日泥石流是由连续多天的降雨引发，2010年9月6日泥石流与2018年7月11日泥石流是由降雨与高温共同引发(图9、图10)。2007年、2010年以及2018年Wit值分别为2.057、6.756和16.55。如图11所示，将降雨和气温数据与Wit加权指数的相关性进行分析可知：Wit与气温呈正相关(P=0.005，R=0.747)，与降雨量相关性不显著(P=0.11，R=-0.467)。这表明Wit加权指数可以指示泥石流爆发时的气温情况。

图9 各年份5—9月日气温

图10 各年份5—9月日降雨量

图11 气象数据与Wit加权指数关系图

3.3 树木年轮对泥石流事件的敏感性分析

不同年龄和胸径的树木对泥石流扰动的反映强度和敏感性是不一样的。对1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流事件中各个树木样本的敏感性进行分析表明(图12)：年轻树干对泥石流事件更敏感，2010年和2018年事件中的生长扰动主要集中在树龄20年和胸径100 cm以下的年轻树木中。年轻树木由于树皮较薄和根系不稳固更容易受到泥石流等地质灾害的影响。记录泥石流事件的能力通常随树木年龄和胸径的增加而降低。

S为强烈扰动；M为中等扰动；W为弱扰动；I为创伤

4 结论

(1)天摩沟冰川型泥石流沟频发，树木年代学表明60年来天摩沟发生过6次泥石流。Wit显示树木年轮扰动时间滞后于泥石流事件1～3年，与泥石流的规模呈正相关。

(2)在帕隆藏布流域利用树木年代学的方法重建冰川型泥石流发生时间，有约3年的误差。重建1965年、1970年、1976年、2007年、2010年和2018年泥石流的流动范围，表明天摩沟在加速溯源侵蚀，泥石流规模总体上有增大的趋势。树木年轮的生长抑制/释放和创伤对泥石流灾害的敏感性与树龄和胸径相关，树龄在20年和胸径100 cm以下的幼树对泥石流事件更敏感，能够更敏锐的记录泥石流事件。泥石流堰塞湖内泥沙淤积也会扰动树木年轮生长，但是扰动强度远远低于扇体泥沙淤积对树木扰动的影响，通过堰塞湖内树木年轮的扰动也可以间接反映堵江泥石流事件的发生时间和规模。