吳曉娟

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

泥石流易發(fā)性分析與評(píng)價(jià)是泥石流防治的基本依據(jù)，也是研究泥石流發(fā)展、演化過程的重要內(nèi)容。許多學(xué)者在泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)方法方面進(jìn)行了長(zhǎng)期有效的探討，但由于影響泥石流的形成演化趨勢(shì)因素眾多，各因素之間的關(guān)系復(fù)雜，因此，目前泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)所采用的方法還不統(tǒng)一。

綜合評(píng)價(jià)方法用于地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)已是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域，模糊數(shù)學(xué)方法作為綜合評(píng)價(jià)方法之一，具有數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，容易掌握，對(duì)多因素、多層次的復(fù)雜問題評(píng)判效果較好的特點(diǎn)，已應(yīng)用于泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)等相關(guān)領(lǐng)域。本研究采用模糊數(shù)學(xué)方法，對(duì)延安市的泥石流易發(fā)性建立模糊綜合評(píng)判模型，對(duì)延安市全區(qū)的泥石流易發(fā)程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，不僅對(duì)泥石流災(zāi)害防治本身，而且對(duì)泥石流預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)以及指導(dǎo)災(zāi)害區(qū)建設(shè)都具有重要意義［1－3］。

1 泥石流形成條件分析

延安地區(qū)地貌以黃土高原、丘陵為主，平均海拔為1 200 m左右。其為大陸性季風(fēng)氣候，受緯度和地形影響，南北差異明顯。降水以暴雨為主，集中在每年的6—9月，以8月最多。研究區(qū)屬黃河流域，水系呈樹枝狀分布，河道一般較狹窄，河床比降大，河水暴漲暴落，泥沙含量大。

泥石流是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。自然因素主要包括地形地貌、物質(zhì)來源條件和水文氣象條件三方面的因素。泥石流的形成可概括為三個(gè)方面:即松散固體物質(zhì)補(bǔ)給條件、啟動(dòng)條件(水源條件)和地形條件，而人類活動(dòng)主要通過改變上述3個(gè)自然因素和條件來影響泥石流的形成及發(fā)育［4－6］。

1.1 自然因素

1)地貌條件是形成泥石流的內(nèi)因和必要條件，制約著泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)，影響著泥石流的規(guī)模和特性。泥石流形成的地貌條件，主要是泥石流溝溝床比降、溝坡坡度、坡向、集水區(qū)面積和溝谷形態(tài)等。延安泥石流主要發(fā)育在山地溝谷區(qū)，黃土高原溝壑區(qū)，以及山麓沖積洪積堆積區(qū)，以前二區(qū)為主。

2)物源條件，第四系黃土堆積物是黃土高原泥流形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。由于延安地區(qū)黃土質(zhì)地均一，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度一般在50%以上，土層一般厚度在120～140 m，節(jié)理裂隙發(fā)育，極易遭受暴雨和水流侵蝕，形成滑坡、崩塌、坍塌、瀉溜等不良地質(zhì)體堆積于溝道或岸坡上，成為泥流的固體物質(zhì)來源。

3)水文氣象條件，降雨是導(dǎo)致泥石流發(fā)生的主要觸發(fā)因素。調(diào)查研究表明，黃土地區(qū)溝谷型泥流的臨界降雨強(qiáng)度為32 mm/h。結(jié)合收集的該地區(qū)的氣象資料，研究區(qū)泥石流暴發(fā)的降雨強(qiáng)度為125.6 mm/12h，大部分在150～190 mm/12h之間，故誘導(dǎo)泥石流發(fā)生的降雨條件已經(jīng)達(dá)到。

1.2 人類工程活動(dòng)

隨著人類工程活動(dòng)的不斷加劇，延安市城鎮(zhèn)不斷擴(kuò)大，采礦、興修水利、砍伐森林、開荒種地等工程活動(dòng)嚴(yán)重地破壞了地表的植被和斜坡的穩(wěn)定性，導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。而許多崩滑流都是人為因素導(dǎo)致斜坡的穩(wěn)定性大大降低，在暴雨的誘發(fā)下發(fā)生的，這也是地質(zhì)災(zāi)害沿交通線，居民居住地附近呈鏈狀，片狀分布的主要原因。目前，人類工程活動(dòng)已經(jīng)成為影響該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的第二大主要因素。

2 模糊綜合評(píng)判分析

模糊綜合評(píng)判是應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化，多個(gè)因素對(duì)被評(píng)價(jià)事物隸屬等級(jí)狀況進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)的一種方法。該方法把普通集合論只取0或1兩個(gè)值的特征函數(shù)推廣到［0，1］區(qū)間上取值的隸屬函數(shù)，把絕對(duì)的屬于或不屬于的“非此即彼”擴(kuò)展為更為靈活的漸變關(guān)系，因而把“亦此亦彼”中過渡的模糊概念用數(shù)學(xué)方法處理。根據(jù)所給的條件，給每個(gè)對(duì)象賦予一個(gè)非負(fù)實(shí)勢(shì)評(píng)判指標(biāo)，再據(jù)此排序擇優(yōu)［7－10］。

可以將泥石流易發(fā)性評(píng)判的因素集u和抉擇等級(jí)v分別定義為 ui(i=1，2，…，m)，vj(j=1，2，…，m)，則泥石流易發(fā)性模糊綜合評(píng)判模型為;其中，為某種合成運(yùn)算。為了充分利用B帶來的信息，把各種等級(jí)的評(píng)級(jí)參數(shù)和評(píng)判結(jié)果B進(jìn)行綜合考慮，設(shè)相對(duì)于各等級(jí)規(guī)定的參數(shù)列向量設(shè)為C=(c1，c2，…，cn)T;則得出等級(jí)參數(shù)評(píng)判結(jié)果為 B×C=P。其中，P是一個(gè)實(shí)數(shù)，反映了由等級(jí)模糊子集B和等級(jí)參數(shù)向量C所帶來的綜合信息，讓每個(gè)因素都對(duì)綜合評(píng)價(jià)有所貢獻(xiàn)，比較客觀地反映了對(duì)象的全貌。

2.1 泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)

影響泥石流易發(fā)性的因素主要決定于泥石流區(qū)的環(huán)境條件，以泥石流詳細(xì)野外調(diào)查的實(shí)際資料為基礎(chǔ)，綜合分析已有泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)所選因素，把影響泥石流的因素概括為人類活動(dòng)、地質(zhì)條件、地形條件和氣象水文條件這4個(gè)方面，即總目標(biāo)因素集 u=(u1，u2，u3，u4);這四個(gè)方面進(jìn)一步分為18 個(gè)指標(biāo)，即子目標(biāo)因素集 u1=(u11，u12，u3，u4)，u2=(u21，u22，u23，u24)，u3=(u31，u32，u33，u34)，u4=(u41，u42，u43，u44)。

為了滿足模糊數(shù)學(xué)評(píng)判計(jì)算的要求，需要對(duì)各評(píng)價(jià)因子加以定量化，這里，將各子目標(biāo)因素集評(píng)價(jià)因子分優(yōu)、良、中、差4級(jí)，其隸屬度確定如表1。總目標(biāo)因素集評(píng)價(jià)因子的隸屬度則可通過子目標(biāo)因素集模糊評(píng)價(jià)求得。

表1 隸屬度取值表

評(píng)語(yǔ)分為4個(gè)等級(jí)，分別為嚴(yán)重、比較嚴(yán)重、一般和微弱。設(shè)相對(duì)于各等級(jí) vj規(guī)定的參數(shù)列向量為:C=(c1，c2，c3，c4)T=(0.4 0.3 0.2 0.1)T

進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)時(shí)，權(quán)重對(duì)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生很大的影響，權(quán)重確定的合理與否主要取決于對(duì)泥石流賦存環(huán)境調(diào)查了解的詳細(xì)程度。在詳細(xì)野外調(diào)查泥石流的基礎(chǔ)上，采用專家估計(jì)法來確定權(quán)重，結(jié)果如下:

2.2 泥石流易發(fā)性模糊綜合評(píng)判計(jì)算

以黃陵縣高石崖砭合家流溝為例，說明泥石流易發(fā)性的模糊綜合評(píng)判計(jì)算過程。目前高石崖砭地形陡峻、切割強(qiáng)烈、溝床縱坡大、水系發(fā)育、匯水條件好;氣候條件方面，多大雨、暴雨，從而增加了其中的靜、動(dòng)水壓力，有利于滑動(dòng)，因此高石崖砭流域的各支溝具備了再次發(fā)生泥石流的幾個(gè)條件，急需評(píng)價(jià)及治理，所以運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)多級(jí)綜合評(píng)判法對(duì)高石崖砭的泥石流易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具有實(shí)際和重大的意義，可以為進(jìn)一步的泥石流預(yù)防與治理提供理論依據(jù)。高石崖砭泥流評(píng)價(jià)向量計(jì)算過程如下:

由表2可知各目標(biāo)隸屬度向量 R1，R2，R3，四個(gè)矩陣，那么由因素集u(u1，u2，u3，u4)按模糊計(jì)算模型可得到人類活動(dòng)、地質(zhì)條件、地形條件和氣象水文條件的評(píng)價(jià)向量:

表2 黃陵縣高石崖砭泥流溝子目標(biāo)因素集的隸屬度評(píng)判表

再由 A=(0.1，0.3，0.3，0.3)就可以得到“泥石流易發(fā)性”的綜合評(píng)價(jià)向量:B=A × R=(0.086，0.194 5，0.400 5，0.318 5)

由于各等級(jí) vj規(guī)定的參數(shù)列向量為:C=(0.4 0.3 0.2 0.1)T，則高石崖泥石流易發(fā)性評(píng)判結(jié)果為:P=B×C=0.204 4

依次計(jì)算得到調(diào)查所得的延安地區(qū)11條單溝泥石流易發(fā)性的評(píng)判結(jié)果，并且根據(jù)泥石流易發(fā)程度等級(jí)區(qū)劃評(píng)價(jià)表(表3)將11條單溝的泥石流易發(fā)性的等級(jí)進(jìn)行劃分，詳見表4。

表3 泥石流易發(fā)程度區(qū)劃評(píng)價(jià)分區(qū)表

3 結(jié)語(yǔ)

通過以上模糊綜合評(píng)判結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，研究區(qū)內(nèi)所選的11條泥石流溝中有3條為高易發(fā)區(qū)，8條為中等易發(fā)區(qū)，主要威脅縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地、村莊、農(nóng)田、學(xué)校和公路，結(jié)果與當(dāng)?shù)氐膶?shí)際野外調(diào)查的情況基本相符。例如位于延川中學(xué)東側(cè)的泥流溝是一條高易發(fā)的大型泥石流溝，具有爆發(fā)頻率高、危害嚴(yán)重的特點(diǎn)。該溝若爆發(fā)泥石流，將堵塞河溝，回水對(duì)縣城構(gòu)成極大的威脅。

表4 延安地區(qū)11條單溝泥石流易發(fā)性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

延安地區(qū)11條泥流溝每條溝內(nèi)的固體堆積物都較豐富、坡降比大、如果雨量充沛，其中的黃花溝、聯(lián)莊煤礦和延川中學(xué)泥流溝再次發(fā)生泥石流的可能性最大，其他泥石流溝也都有發(fā)生泥石流的可能。隨著延安市城鎮(zhèn)人口的增加和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們?yōu)榱藬U(kuò)展生存、發(fā)展的空間，盲目的向陡坡山地開發(fā)，以期得到更多可利用的土地來增加經(jīng)濟(jì)收入的作法如若得不到控制，還會(huì)使這種趨勢(shì)向更加惡化的方向發(fā)展，故當(dāng)?shù)卣畱?yīng)對(duì)泥石流高發(fā)區(qū)諸如黃花溝、延川中學(xué)等泥流溝進(jìn)行重點(diǎn)整治。

［1］劉希林.泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［M］.北京:科學(xué)出版社.1995:42－44.

［2］劉希林，莫多聞.泥石流易損度評(píng)價(jià)［J］.地理研究.2002，21(5):569－577.

［3］郭萬(wàn)銘.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)［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù).2010，21(2):15 －18.

［4］李昭淑.陜西省泥石流災(zāi)害與防治［M］.西安:西安地圖出版社.2002:7－72.

［5］王禮先等.山洪及泥石流災(zāi)害預(yù)報(bào)［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社.2001:39－82.

［6］李昭淑.毛西黃土泥流成因分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào).1986，(04):86－90.

［7］王家鼎.中國(guó)黃土山城“依山造居”的幾個(gè)災(zāi)害問題討論(Ⅳ)——黃土泥流分析［J］.西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).1997，27(5):443－446.

［8］Fredlund D G Xing A. Equations for the soil－ water characteristic curve［J］. Can. Geotech. J. 1994，31:521 － 532.

［9］匡樂紅，劉寶琛.基于模糊可拓方法的泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃研究［J］災(zāi)害學(xué).2006，21(1):68 －72.

［10］李發(fā)斌，崔鵬，周萬(wàn)村等.用遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析泥石流活動(dòng)性［J］.中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào).2003，14(3):16 －20.