常文娟，任光明, 李 暢，劉 騰

(1.陜西秋海汲清石油科技有限公司，陜西 西安 710000；2.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(成都理工大學(xué))，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流是指由于降雨(暴雨、冰川、積雪融化水)在溝谷或山坡上產(chǎn)生的一種挾帶大量泥砂、石塊或巨礫等固體物質(zhì)的特殊洪流[1]，其特征是形成、運(yùn)動(dòng)機(jī)理復(fù)雜、影響因素眾多、暴發(fā)突然、歷時(shí)短、危害性大；其危險(xiǎn)性是潛在泥石流發(fā)生的可能性大小[2]，對(duì)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是泥石流災(zāi)情評(píng)估、監(jiān)測(cè)預(yù)警和減災(zāi)防災(zāi)工作中的重要內(nèi)容和決策基礎(chǔ)，現(xiàn)已經(jīng)成為國內(nèi)外泥石流研究的熱點(diǎn)問題之一[3]。自1976年美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局的VARNES D J開始進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性研究以來[4]，泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作不斷深入，并取得了豐碩的研究成果[5-12]，灰色理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)、可拓理論、層次分析等多種方法被應(yīng)用于泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。近年來，通過數(shù)值模擬、GIS技術(shù)等方式開展泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)也大大提高了泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的精度與可靠性，更加促進(jìn)了該研究領(lǐng)域的發(fā)展。

位于青海的某溝谷屬黃河右岸的一大型沖溝，溝口扇形地明顯。早期泥石流堆積扇發(fā)育深切沖溝，沖溝側(cè)壁上揭露多期泥石流的堆積特征，揭示了該溝谷在歷史上曾多次暴發(fā)規(guī)模較大的泥石流。最新一次發(fā)生于2016年8月21日凌晨，沖毀了溝谷中礦產(chǎn)開采的部分設(shè)備，直接威脅流域內(nèi)廠礦駐地、溝口的鄉(xiāng)村公路與居民的安全。由于該流域內(nèi)植被稀少、巖體風(fēng)化卸荷強(qiáng)烈、人類工程活動(dòng)頻繁、物源豐富，在強(qiáng)降雨的作用下具有再次暴發(fā)泥石流災(zāi)害的可能。因此，分析本次泥石流的發(fā)育特征、評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)性對(duì)該區(qū)域泥石流的預(yù)警預(yù)報(bào)、防治等具有重要的指導(dǎo)意義。

1 泥石流的形成條件

1.1 基本地質(zhì)條件

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖與泥石流活動(dòng)分區(qū)圖Fig.1 Geological sketch and debris flow activity zoning map of the research area

1.2 泥石流的形成條件

1.2.1地形條件

該溝谷為深切侵蝕高山地貌，地勢(shì)北東高、南西低，溝源最高處山脊高程4 075 m，堆積扇前緣高程2 667 m，相對(duì)高差1 408 m，流域面積7.78 km2；主溝溝長(zhǎng)8.27 km，總體走向?yàn)镹E65°～75°，溝谷縱比降162‰，流域完整性系數(shù)為0.114，形狀呈長(zhǎng)條形，屬于易發(fā)型泥石流溝谷[13](圖1)。

在泥石流的形成區(qū)，溝谷長(zhǎng)度2 655 m，相對(duì)高差768 m，平均溝谷縱比降為289.3‰，溝谷形態(tài)呈“V”字型，溝底寬度約5～25 m，溝谷兩岸坡度較陡，約30°～75°，主要為基巖出露區(qū)，植被覆蓋率較低，有利于地表水的匯集。較大的高差與溝谷縱比降為溝道徑流提供了有利的勢(shì)能，為泥石流的啟動(dòng)奠定了較好的地形條件。

1.2.2降雨條件

研究區(qū)屬于典型的高原大陸性氣候。區(qū)內(nèi)多年降雨資料統(tǒng)計(jì)表明，多年平均降水量為247.85 mm，一般為59.4～337.6 mm。但降雨量分布不均勻，降雨多集中在5～9月，尤其是6～9月降水量最多，這4個(gè)月多年平均降雨量均在101.3～166 mm，10 min最大降雨量達(dá)36 mm。對(duì)泥石流發(fā)生前的降雨資料的統(tǒng)計(jì)，“8·21”泥石流發(fā)生前累積降雨量69.9 mm(圖2)，根據(jù)前期有效降雨量計(jì)算公式(式1)獲得“8·21”泥石流發(fā)生的前期有效降雨為34.28 mm，其中8月20日的降雨20.6 mm，降雨歷時(shí)7小時(shí)。本次泥石流的產(chǎn)生是在長(zhǎng)時(shí)間的前期降雨與短歷時(shí)的強(qiáng)降雨的共同作用下而誘發(fā)的，具有慢速激發(fā)的特征[14]。

(1)

式中：Pa——前期有效降雨量，mm；

Pi——泥石流發(fā)生前1～n天中各日降雨量，mm；

K——衰減系數(shù)，取值范圍為0.78～0.85。

通過類比分析、以及相關(guān)的計(jì)算檢驗(yàn)，取0.84時(shí)計(jì)算效果較好[15]。一般而言，一次降雨量逐日衰減，一般經(jīng)歷20天左右基本耗盡，故n取20[16]。

圖2 2016年8月降雨統(tǒng)計(jì)Fig.2 August 2016 rainfall statistics

1.2.3物源條件

松散固體物源量的大小決定著泥石流規(guī)模、流體性質(zhì)、破壞強(qiáng)度等，是泥石流暴發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)[17]。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、統(tǒng)計(jì)表明，流域內(nèi)松散固體物源有：溝谷兩岸不同規(guī)模的崩滑堆積物、溝床堆積物以及坡面侵蝕物源及少量人工開挖棄渣(圖3)，這些物源多集中于溝道干、支溝溝床及兩側(cè)斜坡地帶，統(tǒng)計(jì)的各類主要物源見表1。顯然，流域內(nèi)松散物源豐富，易在強(qiáng)降雨作用下形成泥石流。

表1 流域內(nèi)主要物源特征Table 1 Provenance characteristics in the basin

1.2.4泥石流形成機(jī)制分析

現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查分析表明，“8·21”泥石流的形成為長(zhǎng)時(shí)間的前期降雨與短歷時(shí)的強(qiáng)降雨造成。如前所述，該流域內(nèi)松散固體物源豐富，溝床比降大，前期累積降雨69.9 mm，前期有效降雨34.28 mm，其中8月20日的降雨量為20.6 mm，降雨歷時(shí)7小時(shí)，于8月21日凌晨形成泥石流。

長(zhǎng)時(shí)間的前期降雨使松散堆積體內(nèi)含水量逐漸增加、強(qiáng)度降低，在短歷時(shí)強(qiáng)降雨到來之前，溝道與坡面物源含水量已達(dá)到最大甚至飽和，此時(shí)松散土體的入滲率已經(jīng)降至最低值或達(dá)到飽和，強(qiáng)度值亦降低至最低值或臨界值。在短時(shí)間的強(qiáng)降雨開始后迅速形成坡面徑流，同時(shí)攜帶已被軟化、飽和的松散土體向溝道匯集，增加了溝道徑流的物源量。尤其在后緣右側(cè)支溝溝底高程約3 600 m附近、溝谷右岸發(fā)育一規(guī)模較大的滑坡(圖3(a))，其部分堆積體直接堆積于溝道內(nèi)。暴雨作用下，降雨使坡面滑坡體飽水、軟化，滑坡前緣部分堆積體發(fā)生失穩(wěn)并堆積在溝道內(nèi)形成滑坡堰塞體，溝道上游地表水及攜帶的固體徑流逐漸淤積于溝道內(nèi)，形成堰塞湖。隨著地表水的不斷匯集，堰塞湖的水位不斷抬升，在湖水壓力以及堰塞體底部堆積物飽水、軟化等共同作用，最終導(dǎo)致堰塞體潰決。由于潰決后的放大效應(yīng)，溝道徑流流量陡增，從而繼續(xù)侵蝕、沖刷下游溝道，溝道內(nèi)及溝道兩側(cè)的堆積物被掀起、揭底，溝道徑流的流量與流速在此過程中也不斷地增加；不斷掏蝕、搬運(yùn)溝道兩側(cè)的崩滑物源，溝道徑流的含沙量超過攜帶水流的含沙量，從而形成泥石流。另外，在流通區(qū)的中部高程約3 070 m一帶，由于溝床地形變窄、流水對(duì)溝道松散堆積物的沖刷以及人類工程活動(dòng)產(chǎn)生的松散土石也導(dǎo)致部分溝道堵塞，泥石流在該處產(chǎn)生短暫的淤積、形成小規(guī)模堰塞體潰決后，再次產(chǎn)生放大效應(yīng)，泥石流的流速與流量進(jìn)一步增大，從而在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了此次“8·21”泥石流。因而，該次泥石流屬于堵潰特征的降雨啟動(dòng)型溝谷稀性泥石流。

2 泥石流特征的計(jì)算

2.1 泥石流的容重

泥石流性質(zhì)主要由松散碎屑物質(zhì)中黏粒決定[18]。為確定該溝谷流域泥石流的性質(zhì)，結(jié)合“8·21”泥石流顆粒分布特點(diǎn)(圖4)，采用式(2)計(jì)算本次泥石流的容重[19]，計(jì)算結(jié)果見表2。

(2)

式中：γc——泥石流容重(t/m3)；

P05——小于0.05 mm的細(xì)顆粒的百分含量(小數(shù)表示)；

P2——大于2 mm的粗顆粒的百分含量(小數(shù)表示)；

γv——黏性泥石流的最小容重，取2.0 t/m3；

γx——泥石流的最小容重，取1.4 t/m3。

通過式(2)計(jì)算“8·21”泥石流容重為1.635 t/m3，參照相關(guān)泥石流的分類規(guī)范[1]，屬稀性泥石流。

表2 泥石流容重計(jì)算Table 2 Calculation of debris flow density

2.2 泥石流流速

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查本次泥石流洪痕斷面特征，選用鐵一院建立的西北地區(qū)泥石流流速計(jì)算公式(3)～(4)對(duì)“8·21”泥石流流速進(jìn)行計(jì)算[1]，結(jié)果見表3。

(3)

(4)

式(3)～(4)中：Vc——泥石流流速,m/s；

γH——泥石流中固體顆粒容重,t/m3，通過室內(nèi)試驗(yàn)確定該值為2.548 t/m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

HC——水力半徑,m；

IC——泥石流水力坡度；

a——阻力系數(shù)；

φ——泥沙修正數(shù)。

從表3可見，“8·21”泥石流的流速為3.79 m/s。

表3 泥石流流速計(jì)算Table 3 Calculation of debris flow velocity

2.3 泥石流流量

泥石流流量采用雨洪法與泥痕斷面法進(jìn)行評(píng)價(jià)。雨洪法計(jì)算的溝谷泥石流流量，一方面可以表示溝谷不同降雨頻率下泥石流的峰值流量；二是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查泥石流的洪痕特征，可以對(duì)不同洪痕泥石流發(fā)生的暴雨頻率進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)雨洪法：采用雨洪法計(jì)算泥石流峰值流量，首先需要通過暴雨頻率推求設(shè)計(jì)洪峰流量，并結(jié)合泥石流特征計(jì)算泥石流流量[18]。

洪峰設(shè)計(jì)流量計(jì)算公式如下：

(5)

泥石流峰值流量計(jì)算公式如下：

Qc=QB(1+φ)DC

(6)

式中：QB——設(shè)計(jì)洪水流量(m3/s)；

SP——暴雨雨力(mm/h)；

τ——匯流時(shí)間(h)；

n——暴雨公式指數(shù)；

F——流域面積(km2)；

Qc——泥石流斷面峰值流量(m3/s)；

φ——泥石流修正系數(shù)；

DC——溝道堵塞系數(shù)。

采用上式、溝道堵塞系數(shù)DC取1.8，計(jì)算不同降雨頻率下泥石流峰值流量結(jié)果見表4。

表4 不同頻率下泥石流流量特征Table 4 Characteristics of debris flow discharge at different frequencies

(2)洪痕法：采用形態(tài)調(diào)查法進(jìn)行泥石流流量計(jì)算，計(jì)算公式為：

Qc=WC·VC

(7)

式中：Qc——泥石流斷面峰值流量,(m3/s)；

Wc——泥石流過流斷面面積,(m2)，采用調(diào)查測(cè)繪獲取的溝道形態(tài)參數(shù)；

Vc——泥石流斷面平均流速,(m/s)，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 “8·21”泥石流流量計(jì)算Table 5 Calculation of “8·21” debris flow discharge

2.4 一次泥石流總量及固體物質(zhì)沖出量

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥石流洪痕實(shí)測(cè)參數(shù)，由下式計(jì)算一次泥石流總量及一次固體物質(zhì)沖出量：

Q=19TQc/72

(8)

QH=Q(γc-γw)/(γH-γw)

(9)

式中：Q——泥石流一次過流總量,m3；

T——泥石流歷時(shí),s；

Qc——泥石流斷面峰值流量,m3/s；

QH——一次泥石流沖出固體物質(zhì)總量,m3；

γc——泥石流容重,t/m3；

γH——泥石流中固體顆粒容重,t/m3；

γw——水的重度(t/m3)，取1.0t/m3。

按式(8)～(9)對(duì)“8·21”泥石流的沖出量計(jì)算結(jié)果也列于表5中。

對(duì)比表4、表5可見，新近暴發(fā)的“8·21”泥石流暴發(fā)頻率低于P=10%，一次泥石流堆積總量為3.89×104m3，屬于中型泥石流。

3 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)因子選取

特定的流域形態(tài)、豐富的松散固體物源以及集中的水源驅(qū)動(dòng)是泥石流發(fā)生的三個(gè)必要條件，而這些條件均受控于地形地貌、地質(zhì)條件、水文條件與人類工程活動(dòng)等因素及其組合狀態(tài)。因此，泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子的選擇必須遵循以下四個(gè)原則[20]：①所選取的因子必須具有代表性與明確的物理意義；②各個(gè)因子間盡量要相對(duì)獨(dú)立；③因子容易獲取并易于量化；④因子數(shù)量適中。

劉希林所提出的單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法是應(yīng)用較為廣泛的一種方法，但該方法中未考慮泥石流產(chǎn)生中的降雨條件。因此，依據(jù)上述原則同時(shí)參考劉希林單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子[21]，并針對(duì)該方法中的不足，補(bǔ)充24小時(shí)最大降雨量作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的一項(xiàng)重要評(píng)價(jià)因子，初步選取以下8項(xiàng)作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子，即：泥石流規(guī)模X1(×103m3)、發(fā)生頻率X2(次/百年)、流域面積X3(km2)、主溝長(zhǎng)度X4(km)、流域相對(duì)高差X5(km)、流域切割密度X6(條/km)、不穩(wěn)定溝床比例X7(%)、24小時(shí)最大降雨量X8(mm)。

3.2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

由于地質(zhì)災(zāi)害往往是多種因素共同作用的結(jié)果，這些因素錯(cuò)綜復(fù)雜，危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)所選取的各影響因素的客觀數(shù)據(jù)常有不確定性。因此，可將地質(zhì)災(zāi)害系統(tǒng)看成是一個(gè)具有某種混亂程度的非線性的開放系統(tǒng)，借助熵理論就可以表達(dá)系統(tǒng)因子的效用價(jià)值，從原始數(shù)據(jù)本身出發(fā)計(jì)算得到各影響因素的權(quán)重[22]，計(jì)算過程如下：

(1)計(jì)算熵權(quán)前為了消除各因子間單位量綱不同，需要先進(jìn)行無量綱化處理：

(10)

式中：rij——無量綱化處理后的數(shù)據(jù)；

min(j)——j項(xiàng)因子中最小值；

max(j)——j項(xiàng)因子中的最大值；

xij——原始數(shù)據(jù)。

(2)熵值的建立：根據(jù)下式建立信息熵：

(11)

(12)

式中：Ej——第j項(xiàng)因子熵值；

Pij——第j項(xiàng)指標(biāo)下第i個(gè)樣本中該指標(biāo)值的比重，rij=0時(shí)，PijlnPij=0；

m——樣本的個(gè)數(shù)；

n——因子的個(gè)數(shù)。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算：信息熵計(jì)算權(quán)重是利用該指標(biāo)的信息效用值來評(píng)價(jià)其對(duì)泥石流災(zāi)害形成的重要性，其值越大，表明該指標(biāo)越活躍，越容易觸發(fā)泥石流災(zāi)害。第j項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重W(j)計(jì)算公式如下，計(jì)算結(jié)果見表6。

(13)

表6 各評(píng)價(jià)因子權(quán)重值Table 6 Weight values of each evaluation factor

(4)溝谷泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)：計(jì)算出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重后，按下式計(jì)算每個(gè)樣本的危險(xiǎn)性值F(i)，其值越大，表明發(fā)生泥石流的可能性越大。

(14)

利用式(14)計(jì)算的“8·21”泥石流的危險(xiǎn)性值為0.57，按泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(表7)可知，該溝谷泥石流為中度危險(xiǎn)。若不考慮降雨對(duì)泥石流的影響，采用劉希林單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法對(duì)本次泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，得到的泥石流危險(xiǎn)性值為0.429，屬于中度危險(xiǎn)性泥石流。雖然通過兩種方法均得到了相同的結(jié)果，但從泥石流危險(xiǎn)性值來說，采用熵權(quán)法并考慮降雨的影響所得到的值高于采用單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)所得到的值，由此也表明考慮降雨的影響能更合理地揭示泥石流的危險(xiǎn)性。

表7 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)Table 7 Risk classification of debris flow

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、室內(nèi)綜合研究，得到如下結(jié)論與認(rèn)識(shí)：

(1)流域內(nèi)松散固體物源豐富，主要為崩滑物源、溝道堆積物源和坡面侵蝕物源，總的物源量約4.181 5×106m3，其中可參加泥石流的不穩(wěn)定物源量約6.875×105m3，占總儲(chǔ)量的16.44%。

(2) “8·21”泥石流為長(zhǎng)時(shí)間的前期降雨與短歷時(shí)的強(qiáng)降雨造成，其中前期累積降雨69.9 mm，前期有效降雨34.28 mm，其中8月20日的降雨量為20.6 mm激發(fā)了該次泥石流。

(3) “8·21”泥石流為一具有堵潰特征的降雨啟動(dòng)型溝谷稀性泥石流，其容重為1.635 t/m3，流速為3.79 m/s，一次泥石流堆積總量為3.89×104m3，屬于中型泥石流。該次泥石流暴發(fā)頻率與P=10%接近。

(4)利用熵權(quán)法、并考慮最大降雨量因子對(duì)“8·21”泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該次泥石流危險(xiǎn)性為中度危險(xiǎn)。通過與劉希林單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比表明考慮降雨量這一指標(biāo)能夠較合理地揭示該溝谷泥石流的危險(xiǎn)性。