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        我國堰塞湖致因分析及災(zāi)害鏈構(gòu)建研究*

        2021-10-13 00:10:08宋英華呂貝貝
        關(guān)鍵詞:演化過程堰塞湖山地

        宋英華,呂貝貝,呂 偉

        (1.武漢理工大學(xué) 中國應(yīng)急管理研究中心,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院,湖北 武漢 430070)

        0 引言

        近年,受地震、滑坡等因素影響,在我國四川、貴州、云南、西藏等地形成堰塞湖,堰塞湖災(zāi)害事件頻發(fā),嚴重威脅上、下游居民生命及財產(chǎn)安全。堰塞湖形成具有明顯突發(fā)性與不可預(yù)測性,探究堰塞湖形成因素,揭示其災(zāi)害鏈系統(tǒng)變化規(guī)律,可為堰塞湖防治提供理論依據(jù),對全面提升我國自然災(zāi)害綜合防御能力具有重要意義。

        目前,堰塞湖致因機理研究主要集中于以下4個方面:1)通過分析堰塞湖所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[1-7],從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等方面研究堰塞湖形成條件及成災(zāi)機理。2)基于地質(zhì)環(huán)境分析,研究壩體結(jié)構(gòu)特征及物質(zhì)組成[8-10],對堰塞湖形成機制進行系統(tǒng)研究。3)通過研究滑坡、崩塌、泥石流特征等,分析堰塞湖成因機制[11-14]。4)針對巖層結(jié)構(gòu)、降雨、地震等堰塞湖形成關(guān)鍵因素,分析其成災(zāi)機理[15-17]。此外,部分學(xué)者認為堰塞湖形成內(nèi)因為堵江地貌條件,外因為觸發(fā)河谷斜坡發(fā)生滑坡或崩塌[18]。目前,對我國整體區(qū)域內(nèi)堰塞湖致因分析研究比較匱乏。

        本文以48例堰塞湖為研究對象,基于災(zāi)害鏈式理論及堰塞湖數(shù)據(jù)集,構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型,確定災(zāi)害鏈系統(tǒng)主要斷鏈環(huán)節(jié)。研究結(jié)果可為我國堰塞湖災(zāi)害防治提供依據(jù)。

        1 堰塞湖形成致因因素

        不同地區(qū)堰塞湖形成致因因素不同。通過調(diào)研,搜集2000—2020年我國發(fā)生48例堰塞湖事件,得到堰塞湖災(zāi)害事件數(shù)據(jù)集[19-20],見表1。

        表1 2000—2020年我國堰塞湖災(zāi)害事件數(shù)據(jù)集Table 1 Data sets of dammed lake disasters in China from 2000 to 2020

        堰塞湖形成致因因素可分為滑坡型堰塞湖、崩塌型堰塞湖、泥石流型堰塞湖及雨水填溝型堰塞湖4類[21]。堰塞湖類型見表2。

        表2 堰塞湖類型Table 2 Types of dammed lakes

        根據(jù)堰塞湖形成致因因素與類型,得到不同類型堰塞湖形成致因因素占比,如圖1所示。由圖1可知,持續(xù)降雨是各類堰塞湖形成主要致因;冰雪融水及地下水入滲、地震、長期重力演化作用均可觸發(fā)滑坡型堰塞湖形成;雨水填溝型堰塞湖僅受持續(xù)降雨因素影響;崩塌型堰塞湖受多種因素影響;泥石流型堰塞湖主要受持續(xù)降雨及冰川活動因素影響。

        圖1 不同類型堰塞湖形成觸發(fā)因素占比Fig.1 Proportions of triggering factors for formation of dammed lakes with different types

        堰塞湖是在特定地貌條件下,由地震、降雨、施工擾動、地下水入滲等1個或多個因素共同作用形成的不穩(wěn)定湖泊。由圖1可知,持續(xù)降雨是堰塞湖形成主要致因,為研究我國堰塞湖形成水文條件,參考《中國自然地理圖集》[22]中國水文區(qū)劃圖,統(tǒng)計48例堰塞湖發(fā)生地水文分區(qū)情況。中國水文區(qū)劃圖以徑流深、不同時段徑流量占年徑流量百分比為分區(qū)指標,將我國水文生態(tài)環(huán)境分為11個一級區(qū)。由堰塞湖類型可知,特定地貌是堰塞湖形成必要條件。根據(jù)中國地貌類型圖,統(tǒng)計48例堰塞湖發(fā)生地的地貌類型及地貌成因類型,將中國地貌分為平原、高原和臺地、丘陵、山地4種,并根據(jù)地貌類型成因作進一步分類。48例堰塞湖發(fā)生地的地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型見表3。

        表3 堰塞湖地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型Table 3 Types of geomorphology,geomophogensis and hydrological regionalization of dammed lakes

        堰塞湖形成地貌及地貌成因占比如圖2所示。由圖2可知,約70%堰塞湖在山地地貌下形成,因為長時間侵蝕作用為堰塞湖形成創(chuàng)造良好地質(zhì)條件。部分堰塞湖發(fā)生在丘陵地帶,其次為高原和臺地、平原。其中,侵蝕山地為堰塞湖高發(fā)地,其次為冰川、冰緣作用山地和巖溶化山地;丘陵地貌中侵蝕的紅層丘陵是堰塞湖高發(fā)地。

        圖2 堰塞湖形成地貌類型及地貌成因占比Fig.2 Proportions of geomorphology types and geomophogensis for formation of dammed lakes

        數(shù)據(jù)顯示,降雨因素形成堰塞湖,占致因因素總量73%。根據(jù)《中國水文區(qū)劃圖》劃分方式,結(jié)合圖3可知,我國西南亞熱帶、熱帶多水區(qū)、青藏高原東部和西南部溫帶平水區(qū)和秦巴、大別山北亞熱帶多水區(qū)為堰塞湖高發(fā)地,該類地區(qū)多為熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)。

        圖3 堰塞湖形成地的水文區(qū)域占地貌類型的比例Fig.3 Proportions of hydrological area to geomorphology types in formation areas of dammed lakes

        2 堰塞湖災(zāi)害鏈演化過程分析

        災(zāi)害鏈是近年災(zāi)害學(xué)領(lǐng)域研究熱點,學(xué)者將災(zāi)害鏈應(yīng)用于不同研究領(lǐng)域,如城市燃氣管線泄漏、城鎮(zhèn)-森林火災(zāi)、軌道交通樞紐[23-25]等,在災(zāi)害預(yù)警預(yù)測、過程分析及災(zāi)害防治方面起重要作用。

        本文通過探究堰塞湖形成過程,并基于災(zāi)害鏈式理論[26],分析堰塞湖災(zāi)害鏈演化過程。災(zāi)害鏈式理論將自然災(zāi)害抽象為具有載體的共性反應(yīng)特征,描述單一或多災(zāi)種的形成、滲透、干涉、轉(zhuǎn)化、分解、合成等相關(guān)物化信息過程,直至災(zāi)害發(fā)生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈鎖關(guān)系總稱。

        自然災(zāi)害演變過程一般分為災(zāi)害孕育期、災(zāi)害成形期、災(zāi)害迸發(fā)期3個階段,階段演化過程也是災(zāi)害能量聚集過程,即災(zāi)害孕育、成形、迸發(fā)過程是各種因素與條件綜合作用下能量聚集過程。自然災(zāi)害鏈演化過程如圖4所示。

        圖4 自然災(zāi)害鏈演化過程Fig.4 Evolution process of natural disaster chain

        3 堰塞湖災(zāi)害鏈構(gòu)建

        3.1 堰塞湖災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

        從成災(zāi)條件方面考慮,堰塞湖形成需具備充足外部條件,如地貌類型、降雨、地震、人類活動等;從堰塞湖成災(zāi)機理方面考慮,災(zāi)害孕育期、災(zāi)害成形期、災(zāi)害迸發(fā)期整個過程即災(zāi)害能量聚集過程。本文基于災(zāi)害鏈式理論,參考不同類型堰塞湖成因機理,從災(zāi)害孕育期、成形期、迸發(fā)期3個階段分析堰塞湖災(zāi)害鏈演化過程,構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型,如圖5所示。

        圖5 堰塞湖災(zāi)害鏈演化模型Fig.5 Evolution model of dammed lake disaster chain

        本文基于堰塞湖災(zāi)害鏈演化模型,對48個堰塞湖案例演化過程進行分析,考慮堰塞湖從生成到消亡全過程,忽略堰塞湖災(zāi)害后果,基于Gephi軟件構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型,如圖6所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編號見表4。

        表4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點編號Table 4 Number of network nodes

        注:網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點越大、顏色越深,表示節(jié)點度值越大;邊的粗細表示邊的權(quán)重大小,邊越粗表示邊的權(quán)重值越大。圖6 堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 Evolution network model of dammed lake disaster chain

        3.2 堰塞湖災(zāi)害鏈關(guān)鍵節(jié)點分析

        基于Gephi軟件計算結(jié)果,得到我國堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)入度、出度、中心度、接近中心度、中介中心度和特征向量中心度等特征參數(shù),見表5。

        節(jié)點入度指進入該節(jié)點邊的條數(shù),由表5可知,入度較大節(jié)點包括山地、堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、丘陵,表示作用于節(jié)點的節(jié)點數(shù)量較多;節(jié)點出度指從該節(jié)點出發(fā)邊的條數(shù),出度較大節(jié)點包括山地、持續(xù)降雨、堰塞湖、丘陵、高原和臺地,表示由節(jié)點引發(fā)的節(jié)點事件較多;節(jié)點中心度指與該節(jié)點關(guān)聯(lián)邊的條數(shù),中心度較大節(jié)點包括山地、堰塞湖、丘陵、滑坡、持續(xù)降雨,表示節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中比較重要;接近中心度指某節(jié)點到其他節(jié)點最短路徑平均長度,表示某節(jié)點與其它節(jié)點相鄰程度,接近中心度較大節(jié)點包括堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、山地,表明該節(jié)點位于網(wǎng)絡(luò)中心位置;中介中心度指某節(jié)點作為另外2個節(jié)點間最短橋梁次數(shù),中介中心度較大節(jié)點包括堰塞湖、山地、滑坡、丘陵、凹坑、泥石流,表示該節(jié)點對其他節(jié)點依賴性較強;特征向量中心度認為1個節(jié)點的重要性既取決于其相鄰節(jié)點數(shù)量,也取決于每個相鄰節(jié)點重要性,特征向量中心度較大節(jié)點包含堰塞湖、上游洄水、自然潰決、人工泄流,表示該節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中影響力較大,風(fēng)險較高。因此,山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖4個節(jié)點是災(zāi)害鏈中關(guān)鍵節(jié)點。

        表5 我國堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點特征表Table 5 Node characteristics of disaster chain evolution network of dammed lakes in China

        3.3 堰塞湖災(zāi)害鏈關(guān)鍵邊分析

        邊表示節(jié)點間演化關(guān)系,本文依據(jù)48個堰塞湖災(zāi)害鏈演化過程,分析我國堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵邊。以48個堰塞湖災(zāi)害鏈中各邊出現(xiàn)次數(shù)為權(quán)重,進行歸一化處理,得到堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)30條邊的權(quán)重值,見表6。

        由表6可知,持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為網(wǎng)絡(luò)中最重要的邊。因此,持續(xù)降雨作用于山地等特定地貌,發(fā)生滑坡形成堰塞湖,是我國堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型中非常重要的1條災(zāi)害鏈。

        表6 堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)邊的權(quán)重值Table 6 Weights of evolution network edges of dammed lake disaster chain

        3.4 斷鏈減災(zāi)措施

        堰塞湖斷鏈減災(zāi)關(guān)鍵在于從源頭控制堰塞湖形成。堰塞湖形成主要致因為持續(xù)降雨和特定地質(zhì)環(huán)境。因此,控制堰塞湖形成及堰塞湖災(zāi)害造成的損失,需加大特定地區(qū)雨量監(jiān)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測力度。切斷災(zāi)害演化過程中關(guān)鍵節(jié)點和邊,避免次生災(zāi)害發(fā)生是堰塞湖災(zāi)害斷鏈減災(zāi)關(guān)鍵。堰塞湖災(zāi)害鏈演化過程中山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖為關(guān)鍵節(jié)點,持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為關(guān)鍵邊,以上均可作為斷鏈最佳位置。為避免持續(xù)降雨情況下山地、丘陵地帶發(fā)生滑坡形成堰塞湖,可加大我國熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)山地與丘陵地帶侵蝕地貌地區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測與降雨監(jiān)測強度,建立監(jiān)測預(yù)警機制;對于無法避免形成的堰塞湖,可提前轉(zhuǎn)移當?shù)鼐用?,以減少生命財產(chǎn)損失。

        4 結(jié)論

        1)基于災(zāi)害鏈思想及災(zāi)害鏈式理論,從孕育期、成形期、迸發(fā)期3個階段對我國堰塞湖形成致因因素進行分析,突破以往僅考慮單一區(qū)域或堰塞湖致因機理研究。

        2)通過分析發(fā)現(xiàn),影響較大的節(jié)點與權(quán)重較大的邊具有較強關(guān)聯(lián)性,在該節(jié)點進一步演化為災(zāi)害鏈之前,進行針對性預(yù)防或控制,可有效減少堰塞湖災(zāi)害損失。

        3)堰塞湖形成主要由持續(xù)降雨引發(fā),屬于不可控因素,因此,做好山地豐雨區(qū)等特定地區(qū)滑坡、崩塌災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警工作十分重要。

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