李淑松,鄒 強(qiáng),陳 容,唐建喜

(1.西南科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,621010,四川綿陽;2.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,610041,成都)

甘肅省隴南地區(qū)是“5·12”汶川大地震的嚴(yán)重?cái)_動(dòng)區(qū),地震不但使處于停歇期的老泥石流復(fù)活,也使山體和巖體的穩(wěn)定性遭受嚴(yán)重破壞,產(chǎn)生大量松散物質(zhì),在暴雨高發(fā)期,發(fā)生多次較為嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害,是我國4個(gè)重點(diǎn)泥石流發(fā)育區(qū)之一[12]。流域內(nèi)泥石流災(zāi)害發(fā)生頻繁,給當(dāng)?shù)鼐用駧砹司薮蟮奈：Α?/p>

泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)能夠深入分析泥石流活動(dòng)的影響因素,對評估泥石流的活動(dòng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢具有重要作用。20世紀(jì)70年代,國內(nèi)外開始對泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià),隨著研究的不斷加深,泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)方法日臻完善。J.W.Lin等[3]通過對兩個(gè)模型進(jìn)行對比驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)卡爾曼濾波器決策系統(tǒng)評估泥石流準(zhǔn)確性較高。L.Fan等[4]提出了泥石流跳動(dòng)模型和滑坡水力機(jī)械觸發(fā)模型框架,建立滑坡—泥石流耦合模型,對泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行評估。R.M.Iverson[5]通過模擬流體質(zhì)量和動(dòng)量的演變,來反映泥石流的運(yùn)動(dòng)過程,對泥石流的危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)。韋方強(qiáng)等[6]采用GIS和數(shù)值模擬,基于動(dòng)量分區(qū)法劃分泥石流危險(xiǎn)區(qū)。鄒強(qiáng)等[7]基于GIS和信息量法,對G318川藏公路段泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià),并得到危險(xiǎn)性分區(qū)圖。劉希林等[8]多次對泥石流評價(jià)模型進(jìn)行修正和完善,他最新提出的組合模型CF&LR,為泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)提供了1種新方法。目前,利用GIS空間分析技術(shù)與評價(jià)方法建模是當(dāng)前泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)研究的熱點(diǎn)問題。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,通過大量的研究與實(shí)地考察,從泥石流能量、物源、致災(zāi)程度方面考慮因子,選取溝床比降、泥石流規(guī)模和堵江程度3個(gè)指標(biāo),建立了泥石流危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)體系,并利用GIS空間分析技術(shù)對指標(biāo)進(jìn)行疊加分析,得到危險(xiǎn)性評價(jià)圖,評價(jià)結(jié)果對防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

1 研究區(qū)概況

白龍江流域位于甘肅省隴南地區(qū),它發(fā)源于岷山北麓,是長江水系嘉陵江的一級支流。主河道長約382.5 km,流域面積約1.8萬km2,其流經(jīng)的區(qū)域有迭部縣、宕昌縣、舟曲縣、武都縣和文縣(圖1)。白龍江流域地處我國第1階梯和第2階梯的過渡地帶,地勢由西北向東南逐漸降低[9]。白龍江流域內(nèi)山高谷深、溝壑縱橫、地形起伏大。該區(qū)域地處青藏高原東北邊緣,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,斷裂發(fā)育,巖體破碎。白龍江流域地表多覆蓋第四紀(jì)黃土層和松散堆積物,植被覆蓋率比較低,受地震擾動(dòng)影響,松散物質(zhì)豐富,為泥石流的發(fā)生提供了充足的物源,成為我國泥石流災(zāi)害的高發(fā)區(qū)。

白龍江流域位于多種氣候類型的交匯帶,上游地區(qū)則屬于高寒氣候類型,中游地區(qū)為溫帶季風(fēng)氣候,下游地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候[9]。受東南季風(fēng)控制,降雨主要集中在6—9月,其降水量占全年總降水量的60%[1]。白龍江流域降雨時(shí)間集中且雨量大,為泥石流提供了充足的動(dòng)能,導(dǎo)致暴雨型泥石流頻繁發(fā)生。2010年8月7日,甘肅省舟曲縣城北部的羅家峪和三眼峪2條支溝受局地強(qiáng)降雨影響,降雨量達(dá)77.3 mm,降雨歷時(shí)40 min,導(dǎo)致泥石流暴發(fā)。泥石流堵斷白龍江并沖毀舟曲縣城,從而造成嚴(yán)重?fù)p失。

2 研究方法

2.1 評價(jià)單元?jiǎng)澐?/h3>

評價(jià)單元是影響泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的主要因素之一。一般將評價(jià)單元?jiǎng)澐譃闁鸥駟卧?、地貌單元、流域單元、地形單元等[10]。評價(jià)的方法不同,選取的評價(jià)單元也不同。流域單元與地貌信息聯(lián)系密切,可以很好的體現(xiàn)泥石流發(fā)生的實(shí)際情況;因此,本文以流域單元為評價(jià)單元,根據(jù)水文學(xué)D8方法,基于DEM數(shù)據(jù)自動(dòng)完成流域單元?jiǎng)澐?。主要操作步驟包括：1)對DEM進(jìn)行洼地填充;2)生成水流方向;3)計(jì)算匯流累積流量;4)溝谷提取與編碼;5)對基本匯水單元進(jìn)行劃分[11]。

圖1 白龍江流域地理位置圖Fig.1 Location of Bailong River Basin

表1 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)與分級Tab.1 Indicators and classification of hazard assessment

2.2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

2.2.1 危險(xiǎn)性評價(jià)因子

1)比降。比降反映泥石流溝道的陡緩程度,直接影響泥石流的形成和運(yùn)動(dòng)過程的能量條件。泥石流溝谷的相對高差對斜坡穩(wěn)定性和松散碎屑物的分布及聚集有重要影響[12];相對高差值越大,沖入溝谷內(nèi)的松散物質(zhì)就越多,導(dǎo)致累積的重力勢能就越大,為泥石流的暴發(fā)提供充足的動(dòng)力條件。白龍江流域的泥石流溝比降較大,使坡面上的固體松散物質(zhì)的剪切強(qiáng)度和剪切應(yīng)力發(fā)生改變,導(dǎo)致斜坡失穩(wěn),為泥石流的暴發(fā)提供充足的固體物質(zhì)來源。

2)泥石流規(guī)模。泥石流規(guī)模常用泥石流1次沖出總量表示。泥石流1次沖出的總量越大,泥石流致險(xiǎn)范圍越大,危害程度越嚴(yán)重。

3)堵江程度。泥石流堵江程度的量化,主要考慮泥石流出口與河道的位置關(guān)系,采用1次泥石流最大堆積長度L與主河寬度B、河岸距泥石流溝口距離l的相對關(guān)系來表示(圖2)。當(dāng)L≤l時(shí),表明泥石流堆積物尚未到達(dá)河岸,對河道不造成影響;當(dāng)L＞l且L＜l+B時(shí),泥石流部分物質(zhì)淤積部分河道,形成局部堵江狀態(tài),堵塞體迫使主河沖向異岸形成曲流,對路基或橋墩造成沖刷危害;當(dāng)L≥l+B時(shí),泥石流完全堵塞河道,形成堰塞湖,水面上升,回水對道路造成淹沒危害。

圖2 泥石流堵江示意圖Fig.2 Diagrammatic drawing of debris flow blocking river

2.2.2 危險(xiǎn)性評價(jià)因子分級 將以上3個(gè)因子的量化值劃分為極低危險(xiǎn)、低度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、高度危險(xiǎn)、極高度危險(xiǎn)5個(gè)等級,分別賦予0～1之間的數(shù)值(表1)。

2.3 泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)方法

1)泥石流危險(xiǎn)度確定。

式中：H為總危險(xiǎn)度;H1為主溝比降指數(shù)值;H2為泥石流規(guī)模指數(shù)值,萬m3;H3為泥石流堵江程度指數(shù)值。

2)主溝比降的計(jì)算。溝床比降多采用野外調(diào)查、地形圖及航片計(jì)算所得到的山口以上河段或流通區(qū)和形成區(qū)的平均坡降[13]。根據(jù)研究區(qū)1∶5萬地形圖,結(jié)合GIS技術(shù),采用分段計(jì)算的方式,計(jì)算出每1個(gè)集水流域的溝谷比降。計(jì)算公式如下：

式中：dL為平均溝床比降;Li為分段溝床比降,以千分?jǐn)?shù)計(jì)算;Ii為各段所占的權(quán)重;L為主溝長度,m。

3)泥石流規(guī)模計(jì)算。目前國際上通過統(tǒng)計(jì)具體1次泥石流總量和泥石流洪峰流量的關(guān)系,建立了許多經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚1417]。這些模型通常簡潔且應(yīng)用方便,可以結(jié)合流域具體情況選用不同的模式。為此,論文應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式法分2種情況估算1次泥石流總量,以表達(dá)泥石流規(guī)模指標(biāo)。如果知道泥石流流動(dòng)的時(shí)間T,可以利用泥石流徑流總量的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算1次泥石流總量[18]

式中：Qc為1次泥石流總量,m3;T為泥石流持續(xù)時(shí)間,s;QP為泥石流峰值流量,m3/s。

如果不能獲取泥石流從發(fā)生到結(jié)束的具體時(shí)間,可用如下公式計(jì)算泥石流總量[19]

式中：Qc為1次泥石流總量,m3;QP為泥石流峰值流量,m3/s。

QP可以通過考慮堵塞條件下的配方法獲得[20],具體計(jì)算公式如下：

式中：QP為泥石流峰值流量,m3/s;φc為泥石流峰值流量增加系數(shù);QB為清水峰值流量,m3/s;γc為泥石流密度,kg/m3;γW為清水密度,kg/m3;γS為固體物質(zhì)實(shí)體密度,kg/m3,γc=2 700 kg/m3;DU為堵塞系數(shù);SP為暴雨降雨強(qiáng)度,mm/h;P為降雨頻率,%;子為流域匯流時(shí)間,h;n為暴雨衰減系數(shù);F為小流域匯水面積,km2。

泥石流規(guī)模計(jì)算方法獲得1次泥石流沖出的總量Qc,應(yīng)用公式(6)[15]計(jì)算1次泥石流固體物質(zhì)總量Vc,即算出泥石流總量。

式中：Vc為1次泥石流固體物質(zhì)總量,m3;Qc為1次泥石流沖出的總量,m3;γc、γs和 γw同式(5)。

4)泥石流堵江程度確定。采用最大堆積長度與泥石流的流域高差及物源之間的非線性函數(shù)關(guān)系式(7)來計(jì)算潛在災(zāi)害危險(xiǎn)性評估的泥石流堆積長度,模型[21]如下：

式中：L為最大堆積長度,m;H為流域高差,m;VL為物源量,m3。

將泥石流的堆積長度代入式(8),算出泥石流堵江程度。

式中：H3為泥石流堵江程度,H3＜0表示泥石流不堵塞河道,H3≥1表示泥石流完全堵塞河道;L為泥石流最大堆積長度,m;l為泥石流溝口到河岸的距離,m;B為河道寬度,m,可以根據(jù)地形數(shù)據(jù)直接獲取。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)研究區(qū)地形和水文數(shù)據(jù),結(jié)合GIS技術(shù),選擇白龍江流域150條溝來計(jì)算溝谷比降、泥石流規(guī)模和堵江程度。通過空間分析疊加3個(gè)因子,得到各個(gè)流域溝谷的危險(xiǎn)性指數(shù)值,將危險(xiǎn)性等級按極低危險(xiǎn)、低度危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)、高度危險(xiǎn)和極高度危險(xiǎn)5個(gè)等級進(jìn)行劃分,依此為據(jù)來進(jìn)行白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評估,評估結(jié)果如圖3所示。

白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評估結(jié)果表明：極低度危險(xiǎn)性泥石流有2條,占1.3%;低度危險(xiǎn)性泥石流有31條,占20.7%;中度危險(xiǎn)性泥石流有60條,占40%;高度危險(xiǎn)性泥石流有19條,占12.7%;極高度危險(xiǎn)性泥石流有38條,占25.3%。中高程度危險(xiǎn)性的泥石流有117條占78%,可以判定白龍江流域的泥石流危險(xiǎn)性等級高的泥石流總體較多。

通過對研究區(qū)中舟曲—武都段73條泥石流溝實(shí)地調(diào)查,曾暴發(fā)特大型泥石流災(zāi)害的羅家峪、三眼峪、峪子溝、兩水溝和石門溝都位于此段,發(fā)現(xiàn)中型、大型和特大型險(xiǎn)情等級的泥石流分別為22條、17條和13條,合計(jì)為52條,約占該區(qū)段泥石流總數(shù)的71%;用模型對舟曲—武都段進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評價(jià),結(jié)果是分布在中度危險(xiǎn)以上危險(xiǎn)等級的泥石流有53條,約占該區(qū)段泥石流總數(shù)的76%：因此,實(shí)地調(diào)查結(jié)果與模型評價(jià)結(jié)果基本吻合,該模型評價(jià)結(jié)果可為白龍江流域防災(zāi)減災(zāi)提供參考依據(jù)。

圖3 白龍江流域泥石流危險(xiǎn)性評估Fig.3 Hazard assessment of debris flow in the Bailong River Basin

4 結(jié)論

根據(jù)基本集水地貌單元對流域單元進(jìn)行劃分具有更強(qiáng)的科學(xué)性,同時(shí),流域單元與泥石流發(fā)生的地質(zhì)條件、溝谷特征及地形地貌的真實(shí)情況相符合,對區(qū)內(nèi)孕災(zāi)條件的體現(xiàn)更為明顯。本文以流域單元為評價(jià)單元,在評價(jià)的過程中體現(xiàn)泥石流發(fā)生的動(dòng)力機(jī)制,評價(jià)結(jié)果更可靠。

泥石流災(zāi)害的發(fā)生與許多因素有關(guān),本文通過大量的研究與實(shí)地考察,從泥石流能量、物源、致災(zāi)程度方面考慮因子,建立表征泥石流危險(xiǎn)性的評價(jià)指標(biāo)體系,評價(jià)結(jié)果對防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。由于泥石流暴發(fā)常常具有隨機(jī)性和復(fù)合成災(zāi)特點(diǎn),下一步應(yīng)該建立復(fù)合災(zāi)害的泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)模型。