耿佳弟,陳五一,趙艷華

(1.四川大學(xué)錦城學(xué)院,四川 成都 611731;2.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610500;3.四川交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)校,四川 成都 611130)

0 引言

由于地震釋放大量能量,使不穩(wěn)定斜坡發(fā)生滑塌,誘發(fā)了數(shù)以萬(wàn)計(jì)的滑坡崩塌災(zāi)害,產(chǎn)生了很多松散堆積物,為泥石流發(fā)生提供了充足的物源[1]。加之災(zāi)區(qū)降雨入滲導(dǎo)致邊坡體自重增加、土體顆?？辜魪?qiáng)度降低,進(jìn)而引起邊坡系統(tǒng)基質(zhì)吸力場(chǎng)、土體容重場(chǎng)及地下動(dòng)水壓力場(chǎng)的改變,發(fā)生時(shí)效變形,從而影響邊坡的安全穩(wěn)定性,形成滑坡[2]。發(fā)生泥石流災(zāi)害時(shí)巖石、泥沙等雜物在短期內(nèi)順流而下,在溝谷或河流處堆積,對(duì)災(zāi)害發(fā)生所在地的人身財(cái)產(chǎn)、資源供應(yīng)、生態(tài)環(huán)境、道路和通信等基本條件造成嚴(yán)重的破壞[3]。泥石流具有并發(fā)性、突發(fā)性、周期性和強(qiáng)破壞性的特點(diǎn),一旦發(fā)生爆發(fā)頻率高、來(lái)勢(shì)兇猛、時(shí)間短、流速快、流量大,對(duì)人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅[4]。當(dāng)前震后泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法存在預(yù)測(cè)效率低和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題,需要對(duì)震后泥石流災(zāi)害預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析和研究[5]。

舒和平等[6]提出基于Flo-2d數(shù)值模擬模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法,該方法的基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)選取易損度和單溝危險(xiǎn)度,通過(guò)Flo-2d數(shù)值模擬軟件對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行模擬,對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分,結(jié)合承災(zāi)體經(jīng)濟(jì)價(jià)值和遙感解譯技術(shù)計(jì)算承災(zāi)體的易損度,實(shí)現(xiàn)泥石流災(zāi)害的預(yù)測(cè),但該方法采用軟件模擬泥石流災(zāi)害所用的時(shí)間較長(zhǎng),存在預(yù)測(cè)效率低的問(wèn)題。白淑英等[7]提出基于GIS9-3的泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法,該方法在GIS9-3軟件的基礎(chǔ)上從人類(lèi)活動(dòng)、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文和地形地貌4個(gè)方面選取評(píng)價(jià)因子,通過(guò)層次分析法對(duì)泥石流災(zāi)害損失進(jìn)行預(yù)測(cè),得到的預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較大,存在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。陳劍等[8]提出基于指標(biāo)熵模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法,該方法在指標(biāo)熵模型的基礎(chǔ)上對(duì)泥石流災(zāi)害損失的影響因子進(jìn)行分析,選取月均降雨量、地貌熵值、植被歸一化指數(shù)、巖土類(lèi)型、坡度和坡向作為泥石流災(zāi)害損失評(píng)價(jià)因子,通過(guò)權(quán)重系數(shù)法構(gòu)建泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)模型,實(shí)現(xiàn)泥石流災(zāi)害損失的預(yù)測(cè)。該方法構(gòu)建的損失預(yù)測(cè)模型精準(zhǔn)度較低,存在預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題,提出基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法,通過(guò)GIS技術(shù)獲取泥石流災(zāi)害的相關(guān)信息,構(gòu)建由流域水量和固體物質(zhì)量計(jì)算模型組成的泥石流起動(dòng)模型,在該模型基礎(chǔ)上進(jìn)行震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)人員損失和財(cái)產(chǎn)損失,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明本文設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度較高,為震后泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)提供參考。

1 震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法

1.1 泥石流起動(dòng)模型的構(gòu)建

1.1.1 流域水量計(jì)算模型

通過(guò)描述隨時(shí)間變化土體入滲能力的衰減過(guò)程,在入滲強(qiáng)度受降雨強(qiáng)度的影響下,通過(guò)4個(gè)特征參數(shù)描述時(shí)間變換下土體的入滲強(qiáng)度變化[9-13]。

基于此令入滲強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度相等,在上述模型的基礎(chǔ)上獲得形成地表徑流的時(shí)間:

(1)

式中:if為最終入滲量;Ri為降雨強(qiáng)度;i0為初始入滲量;Ks為土體飽和入滲系數(shù);Tp為形成地表徑流時(shí)刻。由式(1)可知,上述參數(shù)都會(huì)影響形成地表徑流的時(shí)刻,因此通過(guò)GIS技術(shù)獲取上述信息,構(gòu)建流域水量計(jì)算模型,模型符合下述邊界條件:

(1)如果最終入滲量大于等于降水條件,則不產(chǎn)生地表徑流[14-15],產(chǎn)生徑流的時(shí)間通常是無(wú)限的Tp=∞,設(shè)Ri=if,此時(shí)Tp的計(jì)算公式為:

(2)

(2)如果降雨強(qiáng)度在降雨初期大于等于初始入滲量,此時(shí)形成徑流,即Tp=0,設(shè)Ri≥i0,存在下式:

(3)

(3)不考慮蒸發(fā)作用造成的含水量降低,如果長(zhǎng)時(shí)間未降雨,入滲量在此時(shí)不發(fā)生變化,即Ri=0,土體入滲量i的計(jì)算公式如下:

i=if+(i0-if)exp(0)=i0

(4)

土體入滲總量Ic在整個(gè)降雨過(guò)程中的計(jì)算公式如下:

(5)

式中:TD描述的是降雨總歷時(shí)。

1.1.2 固體物質(zhì)量計(jì)算模型

通過(guò)GIS技術(shù)獲取泥石流起動(dòng)層平均厚度和起動(dòng)區(qū)表面積對(duì)固體物質(zhì)方量,基于此進(jìn)行估計(jì)。

圖1為單位體積的滑體。

圖1 單位體積的滑體Fig.1 Sliding body per unit volume

設(shè)Fg=ρsgsinθ代表的是滑體下滑時(shí)對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力,其中θ描述的是起動(dòng)區(qū)坡度;ρs描述的是土體密度;1/h描述的是滑體對(duì)應(yīng)的接觸表面積;Fs描述的是抗滑力,可通過(guò)表面積和抗剪強(qiáng)度S計(jì)算得到;h描述的是滑體平均厚度,其計(jì)算公式如下:

(6)

式中:φ為土體內(nèi)摩擦角。

1.1.3 泥石流起動(dòng)模型

在降雨條件下松散堆積層自重增加,影響坡體的穩(wěn)定性[16-18],利用GIS技術(shù)的繪圖儀繪制松散層的受力分布圖(圖2)。

圖2 松散堆積層受力分布Fig.2 Force distribution of loosely deposited layers

設(shè)γ代表的是松散堆積層自重,其計(jì)算公式為:

γ=Cρs+(1-C)ρw=C(ρs-ρw)+ρw

(7)

式中:C代表的是堆積層固體對(duì)應(yīng)的體積濃度;ρw代表的是水體密度;ρs代表的是土體密度。

當(dāng)堆積層的厚度為h時(shí),此時(shí)塊體頂部存在的驅(qū)動(dòng)力為τd,其計(jì)算公式如下:

τd=[C(ρs-ρw)+ρs]ghsinθ

(8)

如果塊體底部只存在正應(yīng)力,不對(duì)土體孔隙水壓力和松散土體黏聚力進(jìn)行考慮,此時(shí)塊體的抗剪強(qiáng)度τr的計(jì)算公式為:

τr=C(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(9)

分析上式可知,土體固體體積濃度C受抗剪強(qiáng)度τr和驅(qū)動(dòng)力τd的影響,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力τd小于抗剪強(qiáng)度τr時(shí),塊體保持穩(wěn)定,當(dāng)驅(qū)動(dòng)力τd等于抗剪強(qiáng)度τr時(shí),塊體處于平衡狀態(tài),體積濃度此時(shí)即為臨界濃度Cc。

在平衡分析的基礎(chǔ)上獲得下式:

[Cc(ρs-ρw)+ρw]ghsinθ=

Cc(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(10)

臨界濃度Cc描述的是泥石流起動(dòng)時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界狀態(tài),其計(jì)算公式為:

(11)

如果tanθ滿(mǎn)足下式,則臨界濃度將會(huì)大于初始固體體積濃度C*:

(12)

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)臨界濃度Cc的值不會(huì)太高,通常小于0.9C*,因此固體在泥石流起動(dòng)臨界狀態(tài)下的體積濃度Cc為:

(13)

(14)

式(14)為固體體積濃度的概念公式,其中Vs描述的是固體物質(zhì)在松散層中的體積;Vw描述的是水體在松散層中的體積。在式(14)的基礎(chǔ)上獲得起動(dòng)特定方量的固體物質(zhì)參與泥石流需要的水量Vw,其計(jì)算公式:

(15)

通過(guò)上述分析可知,如果泥石流起動(dòng)所需水量小于模型計(jì)算的水量,判定泥石流在該時(shí)刻形成。

1.2 損失耦合預(yù)測(cè)

1.2.1 人員損失預(yù)測(cè)模型

人員損失由兩部分構(gòu)成,分別是傷害損失和死亡損失。傷害損失描述的是由泥石流造成的除死亡以外的醫(yī)療、疾病和受傷等損失,死亡損失描述的是由于人員死亡造成的損失[19-20]。人員損失SH可通過(guò)下式表示:

SH=SI+SD

(16)

式中:SI為傷害損失;SD為人員損失。

傷害個(gè)體的損失通常包括誤工、恢復(fù)和治療等費(fèi)用,利用當(dāng)?shù)?、?dāng)年的人均GDP損失對(duì)傷害損失和人員損失進(jìn)行估算,計(jì)算公式分別如下:

SD=40×Y×P1

(17)

SI=Y×P2

(18)

式中:P1為由于泥石流造成的死亡人數(shù);Y為當(dāng)?shù)禺?dāng)年人均GDP;P2為因泥石流造成的疾病、受傷人數(shù)。

結(jié)合式(16)～(18)構(gòu)建人員損失SH的預(yù)測(cè)模型:

SH=40×Y×P1+Y×P2

(19)

1.2.2 財(cái)產(chǎn)損失預(yù)測(cè)模型

在泥石流災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)和調(diào)查的基礎(chǔ)上對(duì)泥石流的危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行劃分。采用分類(lèi)調(diào)查統(tǒng)計(jì)方法對(duì)不同危險(xiǎn)區(qū)的承災(zāi)體期望值損失進(jìn)行核算,構(gòu)建預(yù)測(cè)模型:

(20)

式中:D(s)描述的是泥石流造成的財(cái)產(chǎn)損失;Fij描述的是i類(lèi)承災(zāi)體在泥石流災(zāi)害下發(fā)生j級(jí)損毀的數(shù)量;E(d)i描述的是發(fā)生泥石流災(zāi)害前i類(lèi)承災(zāi)體對(duì)應(yīng)的平均單價(jià);Gij描述的是發(fā)生j級(jí)損毀時(shí)i類(lèi)承災(zāi)體的平均價(jià)值損失率。

結(jié)合財(cái)產(chǎn)損失預(yù)測(cè)模型和人員損失預(yù)測(cè)模型構(gòu)建震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)模型:

E=SH+D(s)

(21)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

GIS的應(yīng)用系統(tǒng)由方法、硬件、人員、數(shù)據(jù)和軟件五個(gè)部分構(gòu)成,GIS的硬件配置如圖3。

圖3 GIS硬件配置Fig.3 GIS hardware configuration

基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法通過(guò)GIS技術(shù)獲取泥石流災(zāi)害的相關(guān)信息,為震后泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)提供依據(jù)。為了驗(yàn)證基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法的整體有效性,需要對(duì)基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試,本次測(cè)試在Matlab R2016平臺(tái)中完成。

分別采用基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法、基于Flo-2d數(shù)值模擬模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法和基于指標(biāo)熵模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法進(jìn)行測(cè)試,對(duì)比三種方法的預(yù)測(cè)時(shí)間,測(cè)試結(jié)果如圖4。

圖4 不同方法的預(yù)測(cè)時(shí)間Fig.4 Forecast time of different methods

由圖4可知,在多次迭代中基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法所用的預(yù)測(cè)時(shí)間低于基于Flo-2d數(shù)值模擬模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法和基于指標(biāo)熵模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法。因?yàn)榛贕IS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法是利用GIS技術(shù)獲取震后泥石流的相關(guān)數(shù)據(jù),為震后泥石流災(zāi)害的損失預(yù)測(cè)提供了依據(jù),縮短了預(yù)測(cè)所用的時(shí)間,提高了基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害耦合預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效率。

對(duì)比3種方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,測(cè)試結(jié)果如圖5。

圖5 不同方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率 Fig.5 Prediction accuracy of different methods

由圖5中的數(shù)據(jù)可知,基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法在多次迭代中獲得的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率均高于基于Flo-2d數(shù)值模擬模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法和基于指標(biāo)熵模型的災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法,這是因?yàn)榛贕IS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法是結(jié)合財(cái)產(chǎn)損失預(yù)測(cè)模型和人員損失預(yù)測(cè)模型進(jìn)行預(yù)測(cè),提高了該方法的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

3 結(jié)語(yǔ)

泥石流是一種介于碎屑流和水流的兩相流體,具有爆發(fā)突然、沖擊強(qiáng)和流速快等運(yùn)動(dòng)特征,強(qiáng)烈且快速地作用在受災(zāi)地區(qū),通常發(fā)生在強(qiáng)震后,嚴(yán)重危害災(zāi)區(qū)的電力設(shè)施、居民、水利、交通、城鎮(zhèn)等安全。當(dāng)前泥石流災(zāi)害損失預(yù)測(cè)方法存在預(yù)測(cè)效率低和預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率低的問(wèn)題,提出基于GIS技術(shù)的震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)方法,構(gòu)建了震后泥石流災(zāi)害損失耦合預(yù)測(cè)模型,可在較短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地完成震后泥石流災(zāi)害損失的預(yù)測(cè),為災(zāi)后重建提供相關(guān)依據(jù)。