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(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730000)

關(guān)家溝流域泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價及治理措施探析

呂紅艷，魯?shù)梅?/p>

(甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730000)

關(guān)家溝位于甘肅省文縣，平面形態(tài)呈葫蘆型，流域總面積38.13 km2，支溝12條，多有黃土披覆，溝谷發(fā)源區(qū)和上游區(qū)，是主要耕地所在地帶，為滑坡多發(fā)區(qū)；地形由陡向緩轉(zhuǎn)折處，穩(wěn)定性差，也是崩塌多發(fā)區(qū)。根據(jù)關(guān)家泥石流的形成、發(fā)育特征，采用分級賦值、灰色統(tǒng)計分析方法，對關(guān)家溝泥石流各特征元相應(yīng)類別的綜合值進(jìn)行計算，在此評價的基礎(chǔ)上進(jìn)行風(fēng)險評價，并根據(jù)關(guān)家溝各溝段不同的地形地貌、溝床比降以及滑坡、崩塌的規(guī)模等特點，按照溝道的風(fēng)險性，布設(shè)不同高度的攔擋壩19座對關(guān)家溝泥石流進(jìn)行治理，攔擋壩建成后，主溝內(nèi)補(bǔ)給泥石流的固體物質(zhì)來源大幅減少，攔擋壩淤滿后，減緩了溝床比降，削弱了水動力條件，控制了泥沙的侵蝕、搬運和沖刷能力，限制了泥石流的進(jìn)一步發(fā)展。

灰色關(guān)聯(lián)法；分級賦值；風(fēng)險評價；工程治理

奧地利很早開展泥石流災(zāi)害的危險范圍預(yù)測工作，將泥石流危險度分紅、黃、綠，至今仍在沿用此種方法[1]。泥石流災(zāi)害的風(fēng)險評價是探索領(lǐng)域和新興的研究課題[2]。19世紀(jì)80年代，我國逐漸開始關(guān)于泥石流風(fēng)險的探討。目前泥石流危險性評價的方法主要有：灰色關(guān)聯(lián)法、層次分析法、信息熵法、模糊數(shù)學(xué)法等[3]。以某一種泥石流危險性評價方法研究為主，結(jié)合具體泥石流災(zāi)害驗證其科學(xué)性和可操作性。此種方法偏重研究，應(yīng)用范圍較廣，我國最早對單溝泥石流危險性評價的研究是以劉希林(1988)《泥石流危險性判定的研究》為代表，采取多個因子進(jìn)行分析計算，并得到了廣泛的應(yīng)用[4]。通過對泥石流危險度計算，進(jìn)而分析災(zāi)害危險性，進(jìn)而進(jìn)行工程治理。

1 關(guān)家溝流域概況

1.1 地理位置及地形地貌

關(guān)家溝位于甘肅省文縣，平面形態(tài)呈葫蘆型，流域總面積38.13 km2，支溝12條。按高程可分為三個高度帶，I帶海撥在2 000 m以上，為分水嶺或山頂部位，地形平緩、植被發(fā)育；Ⅱ帶海撥1 500～2 000 m，多有黃土披覆，溝谷發(fā)源區(qū)和上游區(qū)，是主要耕地所在地帶，為滑坡多發(fā)區(qū)；Ⅲ帶分布在溝谷兩側(cè)，地形由陡向緩轉(zhuǎn)折處，穩(wěn)定性差，是崩塌多發(fā)區(qū)(圖1)。流域內(nèi)最高點金子山頂海拔3 121 m，溝口最低點海撥920 m，相對高差達(dá)2 201 m，呈山高坡陡、峰銳谷深的特點(表1)。

1.2 流域水文地質(zhì)

關(guān)家溝流域總面積35.85 km2，呈倒葫蘆形。其中匯流形成區(qū)31.37 km2、流通區(qū)3.46 km2、堆積區(qū)1.02 km2。

匯流區(qū)由于流水向源侵蝕和溝道側(cè)向侵蝕，主溝上游和各支溝下切強(qiáng)烈，有些溝段已切至基巖，主溝道平均坡降11.5%，火燒關(guān)以上坡降9.7%，火燒關(guān)以下為12.9%。除廟溝、鐵爐溝呈“U”字型溝谷外，其余各支溝均呈“V”字形。溝坡中沖蝕溝谷比較發(fā)育，一般深3～15 m，寬5 m以上的強(qiáng)烈沖蝕溝166條，平均溝壑密度2.31 km/km2。上游嶺溝、舟木溝、清水溝、紅水溝及分水嶺處均為喬灌混交林所覆蓋，覆蓋度大于80%。匯流區(qū)主溝道泥石流堆積厚度，火燒關(guān)以上為2～10 m，火燒關(guān)以下為10～20 m。

表1 溝谷地形標(biāo)高以及高差統(tǒng)計表 m

流通區(qū)長2 750 m，溝道比降7.2%，溝床比較平坦開闊，橫剖面呈“U”型，堆積物厚度5～41 m。兩側(cè)山坡坡長500～700 m，平均坡降達(dá)45%～65%。

堆積區(qū)為泥石流堆積扇，長軸1.2 km，短軸0.6 km，沿扇軸有沖溝發(fā)育，下切5～15 m，寬10～15 m。該泥石流扇為長期泥石流堆積而成，根據(jù)前堆積剖面分析，至少有兩個沉積旋回。泥石流扇堆積總厚度大于40 m。文縣縣城座于現(xiàn)代泥石流形成的泥石流扇上。

圖1 關(guān)家溝泥石流發(fā)育背景圖

2 關(guān)家溝流域泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價

風(fēng)險是在一定區(qū)域和給定時段內(nèi)，由于某一自然災(zāi)害而引起的人類生命財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動的期望損失值[5]。根據(jù)聯(lián)合國對自然災(zāi)害風(fēng)險的定義及其數(shù)學(xué)表達(dá)式，單溝泥石流的風(fēng)險性的計算公式為：

R單=H單×V單

(1)

式中：R單為單溝泥石流風(fēng)險度；H單為泥石流危險度(取值[0,1]或[0%,100%])；V單為泥石流易損度(取值[0,1]或[0%,100%])

泥石流危險度因子有主次之分，采用劉希林，唐川設(shè)計的調(diào)查表、結(jié)合灰色關(guān)聯(lián)分析得出泥石流危險度判定的兩個主要因子：泥石流一次最大沖出量M(104km3)(利用經(jīng)驗公式(2)計算)；泥石流發(fā)生頻率F(次/100a)，根據(jù)實際調(diào)查值：

M=1000kHαS1Φ

(2)

式中：k為折算系數(shù)，取0.2；H為小時最大降雨量，文縣氣象資料73.0 mm；α為折算系數(shù)，取0.67；S1為流域面積(km2)；Φ為增流系數(shù)，取1.1～1.2。計算得M(m3)。

泥石流危險度的4個次要因子：流域面積(S1km2)、主溝長度(S2km)、相對高差(S3km)、泥沙補(bǔ)給段長度比(S4)。因子的取值單位不同、范圍變幅大，這里采用分級賦值方法，使因子進(jìn)行去綱量：從關(guān)聯(lián)度最小的因子開始，定起始權(quán)數(shù)1，以此為公差，呈等差級數(shù)向關(guān)聯(lián)度大的因子權(quán)重增加，權(quán)數(shù)以最大的次要因子權(quán)數(shù)為基數(shù)，以2為公比，呈等比級數(shù)遞增，得出泥石流危險性評價的因子權(quán)數(shù)及權(quán)重 (表2)。

表2 泥石流危險度劃分因子的權(quán)數(shù)和權(quán)重

關(guān)家溝及各支溝泥石流危險度的計算公式：

H單=0.307 7M+0.3077 F+0.038 5S1+0.115 4S2+0.076 9S3+0.153 8S4

(3)

危險度按布拉德定律中區(qū)域分析法，在0～1的范圍等分為0～0.2(極低)、0.2～0.4(低)、0.4～0.6(中)、0.6～0.8(高)、0.8～1(極高)五個數(shù)值區(qū)域(表3)。

已確定對關(guān)家溝進(jìn)行綜合治理，所以流域內(nèi)的易損度賦值為1，風(fēng)險性等于危險度。

表3 關(guān)家溝主溝及各支溝發(fā)育特征及危險度表

備注：文縣關(guān)家溝泥石流災(zāi)害有歷史記載：1780年、1852年、1914年和1982年發(fā)生四次最為嚴(yán)重，對文縣縣城人民生命財產(chǎn)造成巨大損失(4次/202年)。

圖2 關(guān)家溝泥石流危險度及工程布置圖

3 工程治理措施分析

關(guān)家溝是文縣境內(nèi)泥石流災(zāi)害最為嚴(yán)重的溝谷，其發(fā)生頻率3～5 a一次，泥石流出溝后，不僅危及文縣2.3萬人的生命和國家2億元資產(chǎn)，而且經(jīng)常阻斷甘川公路。

關(guān)家溝泥石流溝道1996～1998年修建攔擋壩13座，排導(dǎo)堤2 km，攔擋壩已淤滿，排導(dǎo)堤部分損壞，需對溝道內(nèi)進(jìn)行綜合治理。根據(jù)關(guān)家溝各溝段不同的地形地貌、溝床比降以及滑坡、崩塌的規(guī)模等特點，按照溝道的風(fēng)險性，布設(shè)不同高度的攔擋壩19座(圖2)，其中主溝4座，支溝15座，回淤總長度4.3 km。

4 結(jié)語

根據(jù)關(guān)家溝周邊泥石流治理經(jīng)驗分析，攔擋壩建成后，形成泥石流最主要的滑坡崩塌體中下部在溝道回淤過程中可被穩(wěn)住，主溝內(nèi)補(bǔ)給泥石流的固體物質(zhì)來源大幅減少。攔擋壩淤滿后，減緩了溝床比降，削弱了水動力條件，控制了泥沙的侵蝕、搬運和沖刷能力，限制了泥石流的進(jìn)一步發(fā)展。

[1]張春山,李國俊,張業(yè)成,等.黃河上游地區(qū)崩塌滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價[J].地質(zhì)力學(xué)學(xué)報.2006.12(2):211-218.

[2]錢永波.強(qiáng)震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價方法與體系研究[D].成都：成都理工大學(xué).2009:232-232.

[3]劉希林.泥石流風(fēng)險評價中若干問題的探討[J].山地學(xué)報.2000.18(4):341-345.

[4]唐川,朱靜.城市泥石流風(fēng)險評價探討[J].水科學(xué)進(jìn)展.2006.17(3):383-388.

[5]韓用順,崔鵬,劉洪江,等.泥石流災(zāi)害風(fēng)險評價方法及其應(yīng)用研究.中國安全科學(xué)學(xué)報.2008.18(12):140-147.

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1004-1184(2017)05-0132-03

2017-06-15

呂紅艷(1972-)，女，甘肅蘭州人，工程師，主要從事地質(zhì)方面的工作。