郭萬銘,焦金魚

(1.甘肅省定西市安定區(qū)水利水保局,定西 743000;2.定西師范高等?？茖W(xué)校,定西 743000)

基于模糊綜合評(píng)判法分析的岷縣洮河流域單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

郭萬銘1,焦金魚2

(1.甘肅省定西市安定區(qū)水利水保局,定西 743000;2.定西師范高等專科學(xué)校,定西 743000)

針對(duì)洮河谷地(岷縣段)所處的地質(zhì)環(huán)境和條件的多樣性、變異性、復(fù)雜性,泥石流溝谷從形成、發(fā)展至消亡受到了很多因素的影響,從而形成了這樣一個(gè)較為復(fù)雜的泥石流災(zāi)害“模糊”巨系統(tǒng),本文將模糊數(shù)學(xué)理論引入泥石流危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)研究中。運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法,參考國內(nèi)劉希林、宮雪、陳偉等的相關(guān)文獻(xiàn),最后確定了溝谷縱比降、流域相對(duì)高差、泥沙沿程長度補(bǔ)給比、沖淤變幅、植被覆蓋率等8個(gè)因素作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)判因子,對(duì)岷縣洮河流域21條泥石流溝做了單溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

泥石流;模糊綜合評(píng)判法;危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由于泥石流所處的地質(zhì)環(huán)境和條件的多樣性、變異性、復(fù)雜性,泥石流溝谷從形成、發(fā)展至消亡受到了很多因素的影響,它們相互作用并形成了一個(gè)復(fù)雜的“模糊”巨系統(tǒng),從而使得對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的因素也存在大量的不確定性,這種不確定性既具有隨機(jī)性又具有模糊性,因而不少學(xué)者將模糊數(shù)學(xué)理論引入泥石流危險(xiǎn)度的評(píng)價(jià)研究中,模糊數(shù)學(xué)為研究和處理這類具有不確定性的事物提供了新的思路。模糊綜合評(píng)判法是一種以模糊推理為主的定性與定量相結(jié)合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評(píng)判方法,它對(duì)受多種因素影響的現(xiàn)象或事物進(jìn)行總的評(píng)價(jià),即根據(jù)所給的條件,對(duì)評(píng)判對(duì)象的全體、每個(gè)因素都賦于一個(gè)評(píng)判指標(biāo),然后擇優(yōu)選擇,最后運(yùn)用模糊變換原理的最大隸屬原則確定災(zāi)害的危險(xiǎn)度等級(jí),從而能夠得到更切合實(shí)際的結(jié)果,在各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1～3]。

1 研究區(qū)概況

洮河谷地(岷縣段)為岷縣經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地段,位于東經(jīng)103°14′～103°59′,北緯34°07′～34°45′之間,面積1526.7km2,占全縣總面積的42.3%,同時(shí)也是泥石流災(zāi)害威脅最嚴(yán)重的地段。在地質(zhì)構(gòu)造上,屬西秦嶺地槽褶皺系的北支秦嶺海西褶皺帶,次級(jí)構(gòu)造為弧形構(gòu)造,古地理環(huán)境為秦嶺海槽。受亞熱帶和高原氣候影響,氣候高寒陰濕,多年平均降雨量為560.8mm,平均蒸發(fā)量為1203mm。根據(jù)岷縣民政局資料,歷史上發(fā)生的泥石流災(zāi)害有53.4%在該區(qū)內(nèi)。經(jīng)濟(jì)損失累計(jì)達(dá)1458.7萬元, 70余人在災(zāi)害中死亡。

2 泥石流形成的條件分析

泥石流的活動(dòng)強(qiáng)度主要與地形地貌、地質(zhì)環(huán)境和水文氣象條件3個(gè)方面的因素有關(guān)。比如:滑坡、崩塌、巖堆群聚地區(qū),巖石破碎,風(fēng)化程度深,則容易成為泥石流固體物質(zhì)的補(bǔ)給源;溝谷的長度較大,匯水面積大,縱坡坡度較陡等因素為泥石流的流通提供了條件;水文氣象因素直接提供水動(dòng)力條件,往往強(qiáng)度大、短時(shí)間出現(xiàn)的暴雨容易形成泥石流,其強(qiáng)度顯然與暴雨的強(qiáng)度密切相關(guān)。

2.1 地形條件分析

根據(jù)岷縣山區(qū)泥石流形成與發(fā)育的自然地理環(huán)境背景,選取溝谷縱比降、山坡坡度等8個(gè)因子為泥石流溝谷危險(xiǎn)度劃分的主要因子,其中溝谷縱比降為主導(dǎo)因子。比降越大,溝道可獲得的固體物質(zhì)補(bǔ)充越多,也反映了泥石流活動(dòng)的危險(xiǎn)性。由于該區(qū)多為構(gòu)造侵蝕的中山,流域相對(duì)高差300～1000m左右,地形起伏,溝谷多呈“V”形谷,主溝縱坡度大,支溝兩岸坡度都超過了災(zāi)害暴發(fā)的臨界值。土層間的摩擦系數(shù)越小,坡體巖石的剪切應(yīng)力也越小,導(dǎo)致地表徑流流速增大,因此能夠?yàn)槟嗍鞯膯?dòng)提供巨大的勢能。

2.2 物源條件分析

本流域構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈,斷層、褶皺較發(fā)育,地震烈度為Ⅶ度。出露的地層主要為二疊系、三疊系灰?guī)r、板巖、砂巖、粉砂質(zhì)頁巖和第三系砂巖、礫巖、泥巖等,上覆黃土。巖石風(fēng)化強(qiáng)烈,坡腳堆積物多,不良地質(zhì)現(xiàn)象十分發(fā)育,溝道侵蝕嚴(yán)重,山上很少生長植物,加上近年來人為的肆意破壞,山區(qū)大面積被開發(fā)為陡坡耕地,山地大面積裸露,植被覆蓋率小于10%,致使大多數(shù)溝谷固體松散物質(zhì)充足,一旦出現(xiàn)大暴雨,極易誘發(fā)泥石流。有些泥石流溝谷中因滑坡、崩塌重力侵蝕嚴(yán)重,導(dǎo)致溝谷表土疏松,沖溝十分發(fā)育,甚至有的直接是由滑坡、崩塌轉(zhuǎn)化而成為泥石流災(zāi)害的,因而加大了該區(qū)暴發(fā)泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性。滑坡是岷縣除泥石流災(zāi)害外第二大地質(zhì)災(zāi)害,該區(qū)內(nèi)滑坡及滑坡災(zāi)害隱患點(diǎn)10多處,絕大多數(shù)在目前條件下穩(wěn)定性差。如中寨鎮(zhèn)塔溝村的牙力泥石流溝分布有大小滑坡6處,面積0.4km2,占整個(gè)流域面積的10%,娥扎滑坡在南部支溝溝腦中,體積達(dá)875.0×104m3;北部支溝溝岸小型滑塌、滑坡有5處,體積達(dá)600×104m3,致使該流域內(nèi)巖土體支離破碎,幾乎每年都暴發(fā)泥石流。1995年,該溝暴發(fā)泥石流,沖毀房屋5間、農(nóng)田2hm2;2002年8月31日暴發(fā)泥石流,沖毀溝堤100m,農(nóng)田3.33 hm2。目前,該溝直接威脅溝口塔溝村356人和塔溝小學(xué)200名師生的生命財(cái)產(chǎn)安全,經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測評(píng)估232.0萬元(圖1)。

圖1 牙力溝泥石流平面圖Fig.1 DrainageofofYaliGullydebrisflow

2.3 降雨條件分析

研究區(qū)年內(nèi)降水量主要集中于5～9月,期間的降水量占全年降水總量的78%以上。7、8月份,多強(qiáng)對(duì)流天氣,受中等尺度天氣系統(tǒng)控制,在地形等因素影響下,往往形成區(qū)域性暴雨,且強(qiáng)度大。岷縣夏季多暴雨的原因是該縣處于西太平洋副熱帶西北側(cè)暖濕區(qū),夏季青藏高原基本為長波槽控制,在這種西南氣流型環(huán)流形勢下,主要的影響系統(tǒng)是位于青藏高原上西風(fēng)帶上的槽,是暴雨過程的冷源,引導(dǎo)冷空氣東移,與南來的暖濕氣流在該區(qū)相交匯,并且出現(xiàn)強(qiáng)烈的水汽和不穩(wěn)定能量的輸入以及持續(xù)的上升運(yùn)動(dòng),形成暴雨。大雨(大于25mm/d)多年平均暴發(fā)次數(shù)為2.1次/a。據(jù)前人研究,岷縣形成泥石流的臨界雨強(qiáng)為大于25mm/d,最大日降水量為61.5 mm,小時(shí)最大降水量為54.0mm,10min最大降水量為30.4mm,這種降水特點(diǎn)極有利于泥石流災(zāi)害的形成和暴發(fā)?？梢?在該縣的泥石流活動(dòng)中,暴雨既是其形成所必備的基本條件,又是激發(fā)條件。故有利的地形條件、豐富的固體物質(zhì)源和瞬間的強(qiáng)降水決定了岷縣泥石流十分發(fā)育。

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取[4]

在進(jìn)行危險(xiǎn)性指標(biāo)選擇時(shí),主要遵循泥石流的發(fā)生學(xué)原則、指標(biāo)綜合性原則和主導(dǎo)性原則,強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)方法的可操作性。泥石流產(chǎn)生的必備條件主要是:(1)有陡峻便于集水、集物的地形;(2)有豐富的松散物質(zhì);(3)短時(shí)間內(nèi)有大量水的來源。根據(jù)岷縣山區(qū)泥石流的成因及發(fā)育特征,在野外廣泛調(diào)查和室內(nèi)綜合分析的基礎(chǔ)上,參考國內(nèi)劉希林、宮雪、陳偉等的相關(guān)文獻(xiàn)共選擇了與泥石流產(chǎn)生的必備條件及相關(guān)因素組成有關(guān)的泥石流溝谷縱比降u1、流域相對(duì)高差u2、松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量u3、山坡坡度u4、流域面積u5、泥沙沿程長度補(bǔ)給比u6、沖淤變幅u7、植被覆蓋率u8等8個(gè)因素作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)判因子。其中泥石流溝谷縱比降為主導(dǎo)因子,是泥石流暴發(fā)的主要因素之一,決定著泥石流形成和發(fā)生過程的快慢,溝床縱比降越大,越有利于泥石流的形成,泥石流形成后越不易消亡。泥石流功能越大,其破壞性也越大。由于該區(qū)流域面積相對(duì)集中,空間跨度不大,降雨量較均勻且已達(dá)到泥石流災(zāi)害暴發(fā)的臨界值,故在本文中不考慮降雨因子。

4 利用灰色關(guān)聯(lián)度分析法確定權(quán)重[3]

灰色系統(tǒng)理論是由我國學(xué)者鄧聚龍教授于20世紀(jì)80年代前期提出的用于控制和預(yù)測的新理論,目前已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域。灰色關(guān)聯(lián)度分析是對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較,其目的就是通過一定的方法理清系統(tǒng)中各因子間的主要關(guān)系。這里可把泥石流災(zāi)害看成是一個(gè)由許多不同性質(zhì)因子相互制約的子系統(tǒng)構(gòu)成的灰色系統(tǒng),根據(jù)主導(dǎo)因子與其他因子的關(guān)聯(lián)度大小來確定權(quán)重的大小,其具體原理如下:

設(shè)有m個(gè)有序數(shù)列,其中,m個(gè)數(shù)列代表m種元素,各有序數(shù)列即各評(píng)價(jià)的單元中獲取的評(píng)價(jià)因子的性狀數(shù)據(jù),另外,再給定有序參考數(shù)列:

上式中,x0i(k)為x0與xi在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù);|x0(k)-xi(k)|=x0i(k)表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k點(diǎn)的絕對(duì)差;稱為二級(jí)最小差,其中是第一級(jí)最小差,而是第二級(jí)最小差;其含義與最小值相似;r為分辨系數(shù),取值為0.5;將比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0各點(diǎn)的關(guān)聯(lián)度數(shù)加和平均得到關(guān)聯(lián)度roi。

最后將所計(jì)算出來的灰色關(guān)聯(lián)度經(jīng)歸一化處理,使其權(quán)重值在[0,1]區(qū)間之內(nèi)。本文選取該谷地10條泥石流溝作為樣本在DPS平臺(tái)上進(jìn)行了計(jì)算,最后得出具體的各危險(xiǎn)因子的權(quán)重值按順序分別為0.206,0.110,0.116,0.117,0.075,0.126,0.123, 0.125。

5 基本評(píng)價(jià)方法[5]

給定兩個(gè)有限論域泥石流危險(xiǎn)性因子評(píng)判集U和泥石流危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)語集V:

U={u1,u2,…,un}={泥石流溝谷縱比降,流域相對(duì)高差,…,植被覆蓋率};

V={v1,v1,…,vm}={高度危險(xiǎn)Ⅰ,中度危險(xiǎn)Ⅱ,輕度危險(xiǎn)Ⅲ,無危險(xiǎn)Ⅳ}。

由于泥石流危險(xiǎn)等級(jí)論域V和泥石流危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)因子論域U之間存在一種模糊關(guān)系,設(shè)對(duì)第i個(gè)因子的單要素評(píng)判向量為V上的模糊集Ri= {ri1,ri2,…,rim},單因子評(píng)判矩陣R為R= (rij)n×m,故這種模糊關(guān)系可用n×m維模糊矩陣來表示:

這里將泥石流危險(xiǎn)度劃分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí),設(shè)對(duì)各危險(xiǎn)因子的權(quán)重分配為U上的模糊子集A,A={a1,…,ai…,an},其m中ai為第i個(gè)因子ui所對(duì)應(yīng)的權(quán)重,且0≤ai≤1,i=?1ai=1。

以往的有關(guān)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究,大多通過選取隸屬函數(shù)來確定模糊關(guān)系轉(zhuǎn)換矩陣[6,7]。但是,由于對(duì)4值邏輯的函數(shù)選取往往較為困難,且不合理的選取反而會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤判斷,故本研究采用量化模糊判別的方法,即將各參評(píng)因子按危險(xiǎn)等級(jí)作4級(jí)分割,將泥石流各危險(xiǎn)因子按不同的取值范圍劃定1～0.75為高度危險(xiǎn),0.75～0.50為中度危險(xiǎn),0.50～0.25為輕度危險(xiǎn),≤0.25為無危險(xiǎn),然后取各區(qū)間中值作為不同危險(xiǎn)程度的標(biāo)準(zhǔn)值,分別代入公式(2)進(jìn)行計(jì)算,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 岷縣洮河流域泥石流危險(xiǎn)度分級(jí)及其賦值Table1 Standardofdebrisflowhazarddegreeandassignment in the Taohe river basin of Min county

在已知模糊權(quán)重向量A=(0.206,0.110, 0.116,0.117,0.075,0.126,0.123,0.125)和模糊矩陣R的條件下,通過模糊變換,則可以得到論域V上的一個(gè)模糊集B,其對(duì)應(yīng)的數(shù)值就是對(duì)岷縣洮河流域泥石流溝危險(xiǎn)性進(jìn)行的最后綜合模糊評(píng)判結(jié)果。

B=A*R,式中“*”為某種合成運(yùn)算,具體結(jié)果見表2。

表2 岷縣洮河流域泥石流各因子模糊賦值及綜合評(píng)判結(jié)果等級(jí)Table2 Fuzzy comprehensive evaluation result s and hazard degree of debris flows in Taohe basin of Min county

6 結(jié)論

通過以上模糊綜合評(píng)判結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析,該區(qū)內(nèi)所選21條典型泥石流溝中有13條為高危險(xiǎn)度泥石流,8條為中危險(xiǎn)度泥石流,主要威脅縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地、村莊、公路和農(nóng)田,目前威脅27個(gè)村莊3908人,經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測評(píng)估2940.7萬元,現(xiàn)已被當(dāng)?shù)卣畡澏獒嚎h泥石流災(zāi)害高度危險(xiǎn)區(qū),結(jié)果與當(dāng)?shù)貙?shí)際野外調(diào)查情況基本相符。例如位于洮河北岸的朱家溝是一條高易發(fā)的大型泥石流溝,具暴發(fā)頻率高、危害嚴(yán)重特點(diǎn)。該溝如暴發(fā)泥石流,將堵斷洮河,回水對(duì)縣城構(gòu)成極大的威脅(圖2)。

圖2 朱家溝泥石流對(duì)岷縣城的威脅示意圖Fig.2 ThreatofZhujiagoudebrisflowtoMincounty

岷縣洮河流域利于泥石流發(fā)生的地形、地貌及地質(zhì)條件已成為固定格局,該區(qū)山地面積比例大,切割較深,溝和溝源坡降大,大多呈“V”型谷,山坡陡峭,多在35°以上。地層古老,巖體破碎,裂隙發(fā)育,風(fēng)化強(qiáng)烈,在幾百年內(nèi),無法改變這一自然格局。隨著該縣人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們?yōu)榱藬U(kuò)展生存空間,盲目向陡坡山地的開發(fā)、以期得到更多可利用的土地和增加經(jīng)濟(jì)收入的做法如得不到控制,還會(huì)使這種格局向著更加惡化的方向發(fā)展,故當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)洮河流域諸如朱家溝、蔡家崖溝等高危險(xiǎn)度泥石流溝進(jìn)行重點(diǎn)整治。

[1]魏永明,謝又予.關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評(píng)判法在泥石流溝谷危險(xiǎn)度劃分中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),1998,7(2):109-116.

[2]麥華山,徐林榮,等.基于超熵理論的泥石流危險(xiǎn)性模糊綜合評(píng)判[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2007,18(4):62-66.

[3]陳偉,等.泥石流危險(xiǎn)度的模糊綜合評(píng)判[J].水土保持研究, 2006,13(2):138-140.

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[5]徐建華.現(xiàn)代地理學(xué)中的數(shù)學(xué)方法(第二版)[M].北京:高等教育出版社,2002.

[6]余宏明,袁宏成,等.巴東縣新城區(qū)沖溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2004(增刊),17(4):64-66.

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HAZARD ASSESSMENT OF SINGLE GULLY DEBRIS FLOWS IN THE TAOHE RIVER VALLEY OF MIN COUNTY BASED ON FUZZY COMPREHENSIVE EVALUATION METHOD

GUO Wan-ming1,J IAO J in-yu2
(1. Water Resources and Conservation Bureau of Anding Dist rict Dingxi City ,Dingxi 743000 ,China; 2. Dingxi Normal College , Dingxi 743000 ,China)

According to the diversity , variability , complexity of the geological environment and conditions in the Taohe river valley , Min County , debris flow gully formed a more complicated disaster“fuzzy”system f rom the formation and development to the disappearance by a lot of factors influence. This paper int roduced fuzzy mathematics theory into the risk evaluation of the debris flows. This paper used fuzzy comprehensive evaluation method developed by Liu Xilin , Gongxue , and Chen Wei , and selected eight risk factors such as valley relative elevation ,degree of vegetation cover and completed single gully risk assessment about the 10 debris flows in the Taohe valley of Min county.

debris flows;fuzzy comprehensive evaluation method;hazard assessment

P641.6;P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0015-04

郭萬銘(1970- ),男,工程師,甘肅省定西市安定區(qū)人,從事水土保持工作20余年。

2008-03-25改回日期:2010-01-19

項(xiàng)目名稱:甘肅省長江流域嘉陵江支流燕子河小流域綜合治理工程