中国天山雪崩危险区划及其时空动态

秦启勇,李雪梅,2,3,郝建盛,张 博,李秋萍,龚志远

(1. 兰州交通大学 测绘与地理信息学院, 甘肃 兰州 730070; 2. 甘肃省地理国情监测工程实验室, 甘肃 兰州 730070;3. 地理国情监测技术应用国家地方联合工程研究中心, 甘肃 兰州 730070; 4. 中国科学院地理科学与资源研究所陆地表层格局与模拟院重点实验室, 北京 100101)

0 引言

雪崩是发生在高寒山区一种具有突发性、潜在性、运动速度快、破坏力巨大和难以预测等特点的重大自然灾害[1-3]。雪崩经常造成交通廊道中断、危害人民生命安全,从而严重阻碍山区人民经济的可持续发展[4-6]。近10 a仅在亚洲高山区雪崩直接致死的人数超过1 500人,其中在我国天山、喜马拉雅山、祁连山、横断山、岗日嘎布、念青唐古拉山等地区每年都会造成交通干线瘫痪和人员伤亡[7]。因此,在当前冰雪消融加剧和极端降水不断增加的背景下,雪崩灾害的预防和管理至关重要,雪崩危险评估是雪崩灾害防治管理的有效手段,正确合理地对雪崩灾害进行划分与评估,对雪崩减灾策略的制定具有重要的指导意义。

天山山脉作为中亚最大的山系,位于中亚和中国西北部,全长约2 500 km,其中约1 700 km在中国新疆维吾尔自治区(位于中国新疆的天山,简称为中国天山),由于西风环流和独特地形的影响,寒冷季节降雪量丰富,雪崩灾害频发[8-9]。穿越天山西部的高速公路经常在每年的1月份和3月份发生雪崩灾害,造成道路瘫痪和死亡事件。为了对天山雪崩灾害进行防治,许多研究者根据实测数据并结合当地地形地貌进行灾害预防、治理研究和风险评估等研究。如ZHANG等[10]分析了雪崩发生地的地形,提出了设置警示牌的建议;姜逢清等[11]通过对天山积雪与雪崩研究站附近公路雪崩地段内雪崩发生频率、崩塌量及雪崩对道路的危害程度等资料,编制了雪崩危害道路图;仇家琪等[12]揭示了雪崩的破坏力与雪深之间的关系,安装了减少雪崩破坏力的设施来保护道路。HAO等[9]揭示了天山西部雪崩活动的诱发因素特征以及雪崩释放概率与雪崩诱发因素之间的定量关系。虽然前人关于天山雪崩已经开展了多项研究,但缺乏对整个天山雪崩整体性的灾害评估和预防策略的制定。根据雪崩的危险程度采取正确的措施,是制定或改进雪崩危险评估对雪崩活动影响的先决条件。由于实测数据的获取涉及高风险、高成本和区域限制,中国天山高海拔地区的雪崩数据难以获取,而遥感数据具有覆盖面广、时效性强和周期短等特点,将遥感数据与实测数据相结合是研究雪崩灾害评估的有效工具。

由于不同气候区雪崩特征和类型的多样性以及随时间的动态变化性,雪崩危险在空间和时间上都有明显的差异。区域性雪崩危险时空特征评估有助于山区土地利用规划和雪崩灾害管理。空间上的雪崩危险与雪崩形成有关的因素评估,是由其不同因素的危险性叠加构成的[5]。WASTL等[13]根据历史雪崩数据评估了雪崩危险性,并区分出危险性高于公认水平的雪崩危险区域,在以后调查和规划防护措施时优先考虑。SCHWEIZER等[1]根据观察的13 918次雪崩数据集量化了达沃斯地区雪崩发生和雪崩危险程度之间的关系;HAO等[7]根据历史雪崩数据评估了4种类型雪崩的风险,量化了不同类型雪崩的危害并描述了其在大陆性雪气候区随时间的变化情况。在一个雪季中,由于积雪、土壤和气象条件的变化,导致了在某一地区的不同时间内,雪崩危险会随着时间的推移而变化。由于对雪崩危险随时间变化缺乏了解,难以在适当的时间制定正确的雪崩管理措施。了解区域雪崩危险随时间的变化是改进雪崩危害管理的前提,虽然现有文献对区域雪崩灾害的空间评估做了概述[1,7,9,11,13],但缺乏雪崩灾害随时间的变化研究,对雪崩灾害的时间分布特征还没有充分的科学认识。

针对上述弊端,本研究将遥感数据和实测数据相结合,研究分析中国天山雪崩危险在空间分布格局以及随时间的动态变化特征,以期为天山雪崩的灾害防治管理提供科学依据和新的认知。

1 研究区概况

中国天山横亘于新疆中部,东西绵延1 760 km,南北宽250～350 km,占天山山系总长度的2/3。中国天山山势雄伟,山体平均海拔4 000 m,其中托木尔峰为天山山脉最高峰,海拔达7 435.3 m[14]。天山降水丰富从而成为中国积雪最丰富的地区之一[15]。丰富的降雪为该地区提供淡水资源的同时,也为该地区雪崩的形成提供了一定的条件,给周围村民生命、财产和交通等造成威胁[16]。1967年建成的天山积雪雪崩研究站(TSSAR)位于巩乃斯河谷中,海拔1 776 m,年降水量880 mm,固态降水量占年降水量的30%左右[17],冬季平均雪深53 cm,最大雪深接近160 cm[18]。为了分析中国天山雪崩危险随时间的变化,将中国天山分为3个部分:Ⅰ天山北部、Ⅱ天山南部和Ⅲ天山东部[19-20],如图1(a)所示。自中哈边境起,天山东部从西向东为博格达山、巴里坤山、托木尔提以及哈尔里克山,占14.58%;天山北部从西向东分别为阿拉套山、科古琴山、博罗科努山、依连哈比尔尕山,还包括别珍套山、喀拉峻大草原(1 305～3 957 m)、乌孙山、伊犁河谷等,占39.23%,其中分水岭高度在科古琴山,往东逐渐升高,到依连哈比尔尕山最高。天山南部从西到东分别为喀拉铁克山、托木尔峰、汗腾格里峰、哈尔克他乌山、那拉提山、巴音布鲁克草原、霍拉山,占46.19%,如图1(b)所示。

图1 研究区示意图 Fig. 1 Schematic diagram of the study area

2 数据和方法

2.1 积雪和地形地貌数据

采用由美国国家冰雪产品数据中心提供的MODIS积雪产品和1979—2020年中国雪深长时间序列数据集[21]。MOD10A2在新疆地区积雪识别的总体准确度在87.5%～94.0%,能更好地反映天山积雪的真实情况[22],雪深数据来源于国家冰雪数据中心(NSIDC)的被动微波亮温数据,该数据集在中国具有较高的精度和较低的偏差,可以成功调查中国青藏高原、新疆和东北地区的雪深[23]。

地形数据采用由地理空间数据云平台提供的空间分辨率90 m的DEM数据,该数据用于提取模型分析所需的地形参数,地形条件是唯一不变的本质性衡量雪崩形成的因子,地形条件的优劣,往往关系到雪崩是否发生以及规模。为使积雪和地形数据相匹配,将数据重采样至相同的空间分辨率。

2.2 研究方法

根据张廷军等[24]积雪划分标准,将积雪分为稳定积雪区和季节性积雪区,稳定积雪区又称永久积雪区,季节性积雪区是积雪具有明显的季节变化(冬季形成,夏季消失)。统计发现天山积雪在6月中旬—8月中旬积雪面积几乎保持不变,因此对2000—2019年6月中旬—8月中旬积雪数据进行逻辑运算(由于受云影响,将每年6月中旬—8月中旬进行与运算,然后对近20 a数据进行或运算),得出季节性积雪区和稳定积雪区。

在此基础上,又将天山划分为无、低、中、高和极高5个等级危险雪崩区,其中极高雪崩区为稳定积雪区,将季节性积雪区根据地形和雪深数据在GIS环境中运用层次分析法整合。本研究没有考虑气象等动态因素,因为无法得到研究区广泛的气象数据,地形参数在较短的时间内没有变化,而雪深数据是唯一随时间变化的参数,有利于分析雪崩危险随时间的变化。因此本研究考虑了海拔、坡度、坡向、曲率、地面覆盖和雪深6个因素,根据现有文献[25-26],权重和评级依据专家的主观意见和基于层次分析法的客观分析确定,分配给各因素的数值被称为权重,分配给各类因素的数值被称为评级或内部权重,具体参数内涵和对雪崩的贡献如下:

海拔高度是影响雪崩活动的一个重要参数,因为雪地气象条件随海拔的变化而变化[27]。低海拔地区由于降雪量较少、森林茂密及温度较高而不易发生雪崩,高海拔地区降雪量较高和森林覆盖较少,更有利于引起雪崩。将DEM按500 m间隔划分为6个等级,并根据文献对不同等级给予权重,34.96%的研究区位于2 000 m以下,这些地区不容易受到雪崩的影响,而其余65.04%的研究区更容易受到雪崩影响,其中海拔4 000 m以上被给予1～9等级中的最高等级9。

坡度是雪崩危险划分的一个重要参数,天山雪崩发生在坡度为 29°～48°范围内,平均坡度为37.2°,2/3的雪崩发生在坡度为36°～42°之间的斜坡上[9]。因此,研究区的坡度被划分为5个等级,即[0°,15°)、[15°,25°)、[25°,34°)、[34°、45°)、[45°,90°],其中[34°,45°)被给予1～9等级中的最高等级9。

坡向决定了斜坡是在阳光直射下还是在阴影下,太阳直射的斜坡比阴影斜坡更稳定,经过一段时间积雪的积累阴影斜坡变得不稳定[28]。根据雪崩发生的数据[27,29],将坡向划分为9个等级,N和NE方向的山坡被认为比其他山坡更容易发生雪崩,并被赋予最高等级,占总研究区面积的29.7%。

雪深在雪崩的形成和分界中起着重要作用。当雪深达到一定程度时,斜坡上的积雪在重力作用下使其稳定性低,雪崩就会被触发。

本研究应用层次分析法AHP(analytic hierarchy process, AHP)[30-33]评估雪崩危险,具体步骤如下:

1)计算判断矩阵的最大特征值λmax;

2)一致性指标IC使用式(1)进行估计:

IC=(λmax-n)/(n-1)

(1)

式中,IC表示一致性指标,如果IC<0.1说明比较矩阵是一致的,否则需要修改比较矩阵;λmax表示最大的特征值;n表示比较因子的个数。

3)计算一致性比率RC使用式(2)来评估调查的可靠性,具体说明如式(2):

RC=IC/IR

(2)

式中:RC表示一致性比率;IR采用文献[34]中计算1 000次的平均随机一致性指标的取值;RC<0.1时结果是充分和合理的;RC>0.1时结果需调整;RC=0.1时结果较合理。

4)利用式(3)对雪崩危害指数AHI(avalanche hazard index, AHI)进行计算,如式(3):

(3)

式中:Ri表示分配给每个因素评级;Wi表示参数的权重;n表示因素的总数; AHI是雪崩危险指数。AHI地图被进一步分为4个危险等级,即无危险区、低危险区、中危险区和高危险区。

3 结果与讨论

3.1 中国天山雪崩危险的空间格局

整体上,中国天山稳定积雪区和季节性积雪区分别占 6.4%和 93.6%,天山北部、天山南部和天山东部分别占研究区的39.23%、46.19%和14.58%,如图1(b)、1(c)所示。采用AHP计算AHI并进行归一化,将AHI划分为[0,0.26)、[0.26,0.33)、[0.33,0.4)、[0.4,1]共4个区间,分别为无危险区、低危险区、中危险区和高危险区,其中无危险区、低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区分别占研究区69.38%、16.33%、6.5%、1.39%和6.4%,如图2(a)、2(c)所示。天山北部雪崩危险区主要分布在其北部和东部,主要包括阿拉套山、别珍套山、乌孙山、博罗科努山和依连哈比尔尕山等,其中极高和高雪崩危险区主要位于别珍套山、博罗科努山和依连哈比尔尕山,无雪崩区主要位于伊犁河谷和喀拉岭大草原,乌孙山是低雪崩风险区,别珍套山、博罗科努山和依连哈比尔尕山低海拔区以低和中度危险区为主;天山南部雪崩危险区主要分布在其西部和中部,主要包括喀拉铁克山、托木尔峰、汗腾格里峰、哈尔克他乌山、霍拉山等;天山东部雪崩危险区主要分布在其西部和东部,主要包括博格达山、 巴里坤山和哈尔里克山及托木尔提峰等, 其中极高和高雪崩危险区主要分布在博格达峰和托木尔提峰;其中天山北部季节性积雪区和稳定积雪区分别占36.65%和2%,天山南部季节性积雪区和稳定积雪区分别占42.78%和4.13%,天山东部季节性积雪区和稳定积雪区分别占14.17%和0.27%,稳定积雪区从高到低依次为天山南部、天山北部、天山东部。统计天山北部、天山南部和天山东部雪崩危险比例可知,天山北部的雪崩危险从低到极高分别占73.42%、11.5%、4.2%、0.88%和10%;天山南部的雪崩危险从低到极高分别占60.64%、14.77%、6.44%、1.49%和16.66%;天山东部的雪崩危险从低到极高分别占86%、7.87%、2.17%、0.12%和3.84%,如图2(b)所示。

图2 雪崩危险分布Fig. 2 Avalanche hazard distribution diagram

3.2 中国天山雪崩危险的年内变化格局

整体上,雪崩危险在雪季中呈现单一峰值模式,雪崩危险,在2月份达到峰值;其中11月份雪崩低危险区、中危险区和高危险区分别占23.35%、7.17%和0.15%;12月份雪崩低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区分别占5.69%、10.8%、12.24%和1.94%;1月份雪崩低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区分别占3.83%、10.88%、13.65%和2.30%;2月份雪崩低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区分别占2.82%、8.61%、13.51%和5.73%;3月份雪崩低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区分别占5.68%、10.79%、12.21%和2%;4月雪崩低危险区、中危险区和高危险区分别占17.74%、11.41%和1.52%(表1)。低危险区比例从11—2月份逐渐减少,2—4月份逐渐增大;中危险区比例11—1月份增加,1—2月份减少,2月份之后增加;高危险区比例11—1月份逐渐增大,11—12月份增幅最大,12—1月份幅度较小,1—4月份减少,其中1—3月份减少幅度较小,3—4月份减小幅度较大;极高危险区比例11—2月份增加,1—2月份增加幅度较大,2—4月份较少。以上分析得出不同等级雪崩危险随时间变化有显著差异,分析研究区11—4月雪深发现,雪季初期11—12月份雪深急剧增加,雪季中期1—2月份雪深增加缓慢,2月份雪深达到最大,雪季结束3—4月份雪深急剧下降。雪崩危害程度从1月份开始明显增加,在2月份达到峰值,然后下降。由于阳光照射雪水渗入使积雪与地面摩擦力减小同时随着雪深增加,斜坡上的积雪在重力作用下使其稳定性降低,雪崩危害随雪深的增加而增大,2月份雪深达峰值,雪崩危害也达峰值,导致2月份雪崩频发,高雪崩破坏和释放频率,使2月份成为雪崩危害最严重的时期。如2015年2月22日,距离积雪站143.32 km 的新疆维吾尔自治区塔城地区沙湾县境内发生地震,导致出现大规模雪崩,严重阻碍交通;2017年2月19—20日发生强降雪导致发生8处雪崩。因此,应在2月份加强雪崩的预防和管理,将危险的影响降到最低,发出早期警告,以防止灾难性后果。

表1 中国天山各区雪崩风险年内变化Table 1 Changes of avalanche risk in each region over time within a year in Chinese Tianshan Mountains %

续表

3.2.1 中国天山北部雪崩危险的年内变化格局

从图3展示天山北部11月份雪崩危险最低,雪崩危险值在0～0.4之间,12月份别珍套山、博罗科努山和依连哈比尔尕山雪崩危险明显增加,雪崩危险值在0～0.7 之间,1—2月份雪崩危险达到最大,3月份雪崩危险开始降低,至4月份雪崩危险在0～0.5之间,整体上从11—4月份,雪崩风险先逐渐增加后减小,在一个雪季中别珍套山、博罗科努山和依连哈比尔尕山雪崩危险变化最明显。从表1可以看出,11月份雪崩低危险区域和中危险区占22.64%和3.94%;12月份雪崩危险等级从低到极高分别占4.61%、13.30%、8.61%和0.07%;1月份雪崩危险等级从低到极高分别占2.32%、14.76%、9.27%和0.24%;2月份雪崩危险等级从低到极高分别占0.9%、11.08%、13.39%和1.21%;3月份雪崩危险等级从低到极高分别占4.59%、13.2%、8.68%和0.12%;4月份雪崩危险等级从低到高分别占16.7%、9.44%和0.44%。从图4可以看出,低危险区比例从11—2月份逐渐减小,其中11—12月份变化幅度最大,2—4月份逐渐增大;中危险区比例11—1月份逐渐增加,1—2月份减小,2—3月份增加,3—4月份又减小;高危险区比例从11—2月份逐渐增加,2月份达峰值;极高危险区比例在2月份达峰值,低危险区随时间变化呈V型,高危险区和极高危险区呈上凸单峰型且在2月份均达峰值。

图3 研究区不同等级雪崩危险程度的年内分布Fig. 3 Intra-annual distribution of avalanche danger for different levels of the study area

图4 中国天山各区域雪崩等级变化比例Fig. 4 Proportion of the change of avalanche grade in each region in Chinese Tianshan Mountains

3.2.2 中国天山南部雪崩危险的年内变化格局

图3展示天山南部11月份雪崩危险值在0～0.5之间,霍拉山和哈尔克他乌山在12月份雪崩危险值高于托木尔峰和汗腾格里峰,托木尔峰和汗腾格里峰雪崩危险值在1月份高于霍拉山和哈尔克他乌山,2月份托木尔峰、汗腾格里峰、哈尔克他乌山、霍拉山的雪崩危险值达到最大,3月份托木尔峰和汗腾格里峰雪崩危险值低于霍拉山和哈尔克他乌山,4月份雪崩危险值在0～0.6之间,4月份雪崩危险值高于11月份雪崩危险值。从表1可以看出,11月份雪崩危险等级从低到高分别占26.87%、12.16%和0.33%;12月份雪崩危险等级从低到极高分别占6.43%、10.04%、18.75%和4.14%;1月份雪崩危险等级从低到极高分别占5.04%、8.67%、20.88%和4.77%;2月份雪崩危险等级从低到极高分别占4.51%、7.24%、16.56%和11.05%;3月份雪崩危险等级从低到极高分别占6.43%、10.09%、18.63%和4.22%;4月份雪崩危险等级从低到高分别占19.81%、16.64%和2.91%。从图4可以看出,低危险区比例从11—2月逐渐减少,其中11—12月份变化幅度较大,2—4月份逐渐增加;中危险区比例从11—2月份逐渐减少,2月份之后增加;高危险区比例11—1月份呈增加,且11—12月份变化幅度较大,1—2月份和3—4月份呈减少;极高危险区11—2月份均增加,且1—2月份增加幅度较大,2—4月份呈减少,综上低危险区和中危险区呈V型,在2月份达最低值,高危险区和极高危险区呈单峰型,分别在1月份和2月份达峰值。

3.2.3 中国天山东部雪崩危险的年内变化格局

从表1可以看出,随着时间的变化雪崩危险等级也在变化,11月份只有低危险区占14%雪崩危险;12月份低危险区、中危险区和高危险区分别占6.26%、6.46%和1.28%;1月份从低危险区到高危险区分别占4.09%、7.41%和2.51%;2月份出现极高危险区,雪崩危险等级从低到高分别占2.66%、6.26%、4.10%和0.98%;3月雪崩危险等级逐渐降低,从低到高分别占6.26%、6.46%和1.28%;4月份雪崩危险低危险区和中危险区分别占13.96%和0.04%。从图4展示天山东部低危险区比例从11—2月份逐渐减少,2月份之后又逐渐增加;中危险区从11—1月份逐渐增加,其中11—12月份增加幅度较大,1月份以后逐渐减少;高危险区从11—2月份逐渐增加,2月份以后逐渐减小;而极高危险区出现在2月份,综上,不同雪崩危险等级随时间变化均呈单峰型,其中低危险区呈先减后增,而其他均呈先增后减,高危险区和极高危险区在2月份达到峰值,低危险区在2月份达最低值,积雪深度变化与雪崩危害成正比,雪深越深,雪崩危害也越高。为了验证得到的结果是否可靠,选择138次雪崩位置附近的11个像元(记录的138次雪崩是雪崩沉积物的位置),记录11—4月共66个像元雪崩危险随时间的变化,在一个雪季中雪崩危险呈单峰型趋势,如图5所示。HAO等[7]根据实测数据研究了雪崩危险指数,整体结论与文中研究结果一致。

图5 雪崩危险指数随时间的变化趋势Fig. 5 Variation trend of avalanche risk index with time

综上所述,不同雪崩危险等级在积雪季呈现单一的峰值模式,其中低危险区均呈V型,在2月份达最低值,天山东部和天山北部高危险区在2月份达峰值,而在天山南部在1月份达峰值,极高危险区均在2月份达峰值,危害指数越高,雪崩频发和破坏越高。积雪季中期1—2月份雪深增加,2月份深度最大,随着雪深增加,斜坡上的积雪在重力作用下使其稳定性降低,天山区域在2月份雪崩高危险和极高危险占比较高,导致雪崩在2月份频发,成为雪崩危害最严重的时期。在积雪季内,本研究只考虑了积雪深度随时间的变化,不同研究区不同等级雪崩危险也会发生波动,导致不同研究区不同等级雪崩危险随时间变化。而气候的变化会随着时间的推移影响不同研究区不同等级的雪崩危险,从而改变雪崩危险的时间规律,这将使我们更难规避雪崩风险。因此,评估气候变化对区域雪崩危险随时间变化的影响将是我们下一步的工作。

4 结论

文中通过层次分析法将地形和雪深等参数在地理信息系统中整合构建雪崩危险评估体系,识别雪崩危险区,在此基础上分析中国天山雪崩危险在空间分布格局以及随时间的动态变化特征,主要结论如下:

1) 将中国天山雪崩危险划分为5个等级,69.38%、16.33%、6.5%、1.39%和6.4%分别处于无危险区、低危险区、中危险区、高危险区和极高危险区。

2) 中国天山总体雪崩危险度在一段时间内呈现出单一的峰值模式。雪崩危害随雪深的增加而增大,2月份雪深达峰值,雪崩危害也达峰值,导致2月份雪崩频发,高雪崩破坏和释放频率,使2月份成为雪崩危害最严重的时期,从分区看,极高危险均在2月达峰值,而天山东部和天山北部高危险区在2月份达峰值,天山南部在1月份达峰值。因此,应在1—2月份加强雪崩的预防和管理。