汶川地震災(zāi)區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估——以都江堰—汶川公路為例

韓用順，李龍偉，朱穎彥，孔亞平，李志強(qiáng)，黃鵬

(1.湖南科技大學(xué)建筑與城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)院，411201，湖南湘潭;2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，610041，成都;3.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院交通環(huán)保與安全研究中心，100029，北京)

汶川大地震誘發(fā)了大規(guī)模群發(fā)性的滾石、崩塌、滑坡、泥石流等次生山地災(zāi)害，大量的崩塌滑坡活動(dòng)為泥石流形成提供了豐富的物質(zhì)條件。隨著雨季的到來，原本松散的山體將會(huì)誘發(fā)新的次生山地災(zāi)害，引發(fā)大規(guī)模的泥石流。在災(zāi)后恢復(fù)重建力度加大和人類活動(dòng)增強(qiáng)等因素疊加影響作用下，震區(qū)泥石流災(zāi)害將日趨頻繁和嚴(yán)重，從而對(duì)災(zāi)區(qū)生產(chǎn)生活、公共安全和恢復(fù)重建構(gòu)成巨大威脅，并對(duì)道路交通系統(tǒng)造成嚴(yán)重破壞。災(zāi)區(qū)泥石流具有點(diǎn)多面廣、成災(zāi)迅速、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)困難等特點(diǎn)，已成為當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)工作中的突出問題和災(zāi)后重建的主要限制因素［1］。強(qiáng)震、震后強(qiáng)降雨和劇烈人類活動(dòng)極大地改變了泥石流孕災(zāi)環(huán)境，其發(fā)生的規(guī)模、頻率、危害程度等都具有不確定性。為了有效預(yù)防和科學(xué)處置震區(qū)泥石流災(zāi)害，需要在研究震后泥石流孕災(zāi)條件和形成機(jī)制的基礎(chǔ)上，進(jìn)行震區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和區(qū)劃。

對(duì)于泥石流的研究，國(guó)內(nèi)國(guó)際都已相當(dāng)成熟，從最初的單方面到現(xiàn)在的多因素綜合評(píng)判，泥石流的爆發(fā)已是一個(gè)綜合因素影響的過程，一方面強(qiáng)震作用極大地改變了泥石流的孕災(zāi)環(huán)境，泥石流的爆發(fā)帶有很大的不確定性，在這種強(qiáng)震作用下泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，國(guó)內(nèi)外還缺少系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系［2－6］，另一方面，強(qiáng)震作用下泥石流形成條件的基礎(chǔ)資料難以充分獲取。在這2 種情況下，如何科學(xué)地對(duì)災(zāi)區(qū)泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，是防災(zāi)減災(zāi)和災(zāi)害評(píng)價(jià)急需解決的一個(gè)問題。灰色系統(tǒng)具有半開放半封閉性，可以在不完全知道全部情形下由灰到白去推測(cè)事件的發(fā)生，可以為泥石流的危險(xiǎn)性提供一定依據(jù)。筆者以都江堰—汶川公路(下文簡(jiǎn)稱都汶公路)沿線15 km 廊帶區(qū)域及區(qū)內(nèi)28 條泥石流為研究對(duì)象，從多因素角度選取構(gòu)造、巖性、相對(duì)高差和降雨等12 個(gè)危險(xiǎn)性因子，應(yīng)用遙感和GIS 等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析得出各個(gè)因子的關(guān)聯(lián)度和權(quán)重，得到研究區(qū)泥石流的危險(xiǎn)度，以期為災(zāi)區(qū)防災(zāi)減災(zāi)管理、災(zāi)后恢復(fù)重建和公路交通選線提供必要的借鑒和依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

都汶公路南起都江堰，北到汶川，沿岷江而建，是國(guó)道213 線與317 線的共用路段，是西部交通的重要通道，選取都汶公路岷江兩側(cè)的15 km 廊帶區(qū)間為研究區(qū)，覆蓋漩口、映秀、銀杏、綿池等鄉(xiāng)(鎮(zhèn))(圖1)。該區(qū)是青藏高原東部邊緣與四川盆地的過渡區(qū)，地勢(shì)總體西北高東南低，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，斷裂發(fā)育，主要有映秀—北川斷裂和茂汶斷裂，2 大斷裂帶呈北東—南西方向斜穿而過;地層發(fā)育比較完整，自中元古界至第四系均有發(fā)育，其中奧陶系、志留系地層大部分缺失，小范圍有出漏;氣候垂直分帶明顯，南澇北旱分明，光、溫、水、濕時(shí)空分布不均，以銀杏鄉(xiāng)蘇坡店為界，可分為2 個(gè)明顯的自然氣候區(qū)，蘇坡店以南的映秀、漩口河谷地帶屬山地亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，是川西多雨中心和暴雨地區(qū)之一，年降水量達(dá)1 285.1 mm，蘇坡店以北的綿虒、威州河谷地帶屬于暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，氣候干燥，年降水量約526.3 mm，季節(jié)分配不均;整個(gè)區(qū)段位于岷江上游，河流縱橫，河谷深切，水流湍急，河床平均坡降8‰，常年水位1 335.5 m，年均流量168 ～268 m3，為典型的高山峽谷區(qū)，河流深切，溝谷深邃，地表起伏巨大，相對(duì)高差達(dá)3 km［7］。

沿線震前是泥石流多發(fā)區(qū)，沿線的福堂壩溝、桃關(guān)溝、七盤溝等多條溝谷有泥石流活動(dòng)的記錄。汶川特大地震后，沿線大量崩塌滑坡廣布，為泥石流的形成提供物源條件［8］。進(jìn)入雨季，在強(qiáng)降雨激發(fā)下，出現(xiàn)逢溝便發(fā)泥石流的現(xiàn)象，震源附近的牛圈溝每年都有泥石流活動(dòng)的記錄;2010 年8 月13 日四川重災(zāi)區(qū)映秀鎮(zhèn)附近紅椿溝、燒房溝等爆發(fā)泥石流，沖毀路基路面，掩埋明洞，阻斷岷江造成改道;2011年7 月2 日，四川映秀鎮(zhèn)羅圈灣組附近高家溝發(fā)生泥石流，河道部分阻塞，導(dǎo)致213 國(guó)道再度中斷16天。這些泥石流嚴(yán)重影響了災(zāi)后恢復(fù)重建進(jìn)程和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，危害著公路交通系統(tǒng)和公共安全。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取與處理

2.1 數(shù)據(jù)源

圖1 都汶公路沿線概況Fig.1 Situation of Du—Wen Highway

根據(jù)泥石流的成災(zāi)特點(diǎn)，綜合考慮其影響因素，選取ADS40 航空數(shù)據(jù)作為遙感影響數(shù)據(jù)源，獲取時(shí)間為2010 年4 月26—27 日、6 月17 日、6 月26—28日，空間分辨率2 m，影像范圍為岷江河道15 km 沿線區(qū)域，其他的資料主要有研究區(qū)1∶5萬(wàn)DEM、1∶1萬(wàn)數(shù)字地形圖和地震烈度、斷裂帶、巖性、年降雨量、土地利用類型、人類活動(dòng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)等矢量數(shù)據(jù)和紙質(zhì)數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分類

在已有的地形圖上，結(jié)合行政圖、水系圖，將遙感影像在Erdas9.2 中進(jìn)行幾何糾正，然后進(jìn)行融合拼接、色彩增強(qiáng)等處理。將預(yù)處理好的遙感影像作為底圖，用ArcGIS 9.3 對(duì)其進(jìn)行精確配準(zhǔn)之后，依據(jù)次生山地災(zāi)害在遙感圖上的解譯標(biāo)志［7］，按災(zāi)害類型分別解譯，獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息(圖2)。

圖2 銀杏坪溝崩滑體分布Fig.2 Distribution of landslides and collapses near Yinxingping Gully

依據(jù)野外調(diào)查和室內(nèi)分析，并參考兩頭小、中間大這一原則和都汶公路沿線的實(shí)際情況，對(duì)選取的12 個(gè)因子進(jìn)行規(guī)范化分級(jí)［5］。采用不等分間隔分割法將各個(gè)因子定性分為4 個(gè)級(jí)別，并分別賦值1、2、3、4。例如，將主溝長(zhǎng)度分為≤1 km、(1，5］km、(5，10］km 和＞10 km 4 個(gè)區(qū)間，其中主溝長(zhǎng)度≤1 km 的泥石流溝得1 分，(1，5］km 的泥石流溝得2分，(5，10］km 的泥石流溝得3 分，＞10 km 的泥石流溝得4 分。其他因子依此類推，其分級(jí)與賦值結(jié)果如表1 的所示。

表1 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子分級(jí)與賦值Tab.1 Gradation and evaluation of factors for debris flow hazard assessment

2.3 評(píng)價(jià)過程

從泥石流災(zāi)害承載機(jī)制分析、災(zāi)害調(diào)查與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)出發(fā)，結(jié)合遙感和GIS 空間分析技術(shù)，對(duì)泥石流評(píng)價(jià)因子進(jìn)行選取，關(guān)鍵因子選擇，數(shù)據(jù)處理與分析，影響因子權(quán)重確定以及泥石流危險(xiǎn)度分析，從而得出分區(qū)結(jié)果，為減災(zāi)管理提供參考(圖3)。

圖3 評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 Flow chart of assessment

3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 影響因子確定及危險(xiǎn)等級(jí)劃分

泥石流研究已相對(duì)成熟，從前期選取單方面因子到后續(xù)綜合考慮影響因素，前人［3-6］在影響因子選取方面也各不相同。泥石流的爆發(fā)是一個(gè)綜合的過程，根據(jù)泥石流形成條件和致災(zāi)機(jī)制，本文從地形地貌、地質(zhì)地震、氣象水文、人類活動(dòng)等方面，選取了構(gòu)造(斷裂帶距離)X0、平均坡度X1、流域面積X2、主溝彎曲系數(shù)X3、主溝長(zhǎng)度X4、切割密度X5、年降雨量X6、地震烈度X7、人類活動(dòng)強(qiáng)度X8、巖性X9、相對(duì)高差X10、崩塌滑坡點(diǎn)密度X1112 個(gè)主要影響因子，作為泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。

3.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法權(quán)重確定

權(quán)重的選擇有很多種方法，比如專家打分法、多元回歸分析法等。灰色系統(tǒng)理論中的關(guān)聯(lián)度分析是確定因素之間關(guān)系密切程度的一種方法［9］。它是在確定參考序列的基礎(chǔ)上，把原始數(shù)據(jù)作量綱歸一化處理，然后計(jì)算主導(dǎo)因子序列與各關(guān)聯(lián)因子序列相互比較的絕對(duì)差值，最后計(jì)算出主導(dǎo)因子與關(guān)聯(lián)因子間的關(guān)聯(lián)度。主導(dǎo)因子對(duì)泥石流影響最大;因此，與主導(dǎo)因子關(guān)聯(lián)度高的關(guān)聯(lián)因子對(duì)泥石流的影響也越大，其權(quán)重也越大［10］。

灰色系統(tǒng)理論中關(guān)聯(lián)度分析首先選中參考序列X0=(X0(1)，X0(2)，…，X0(n) )，本文選擇地質(zhì)條件中的構(gòu)造為參考序列，然后依次選擇比較序列，Xi=(Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n) )，i=1，2，…，m。

1)由于各因子量綱不同，故對(duì)數(shù)據(jù)做均值化處理，使其量綱為1。

式中:i=1，2，…，m; k=0，1，…，n。

2)求參考序列與比較序列的絕對(duì)差

3)計(jì)算兩極最大差與最小差

4)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù)

式中k 為常數(shù)，0 ＜k ＜1，一般取值0.5。

5)計(jì)算關(guān)聯(lián)值

式中Ri(X0，Xi) 為Xi對(duì)X0的關(guān)聯(lián)度。由得出的關(guān)聯(lián)值可以看出與參考序列構(gòu)造X0的關(guān)聯(lián)相近程度，其與泥石流的關(guān)聯(lián)性也越大，爆發(fā)泥石流的可能性也越大。

3.3 危險(xiǎn)度計(jì)算

表2 都汶公路沿線各泥石流溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子得分Tab.2 Evaluation of respective assessing factor of debris flow gullies along Du－Wen Highway

表3 都汶公路沿線各泥石流溝危險(xiǎn)值Tab.3 Value of hazard degree of debris flow gullies along Du－Wen Highway

圖4 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Hazards assessment results of debris flow gullies

4 結(jié)論與討論

“5·12”汶川大地震后誘發(fā)了大規(guī)模的次生山地災(zāi)害，在降雨條件的激發(fā)下，出現(xiàn)了逢溝便發(fā)泥石流的情形，都汶公路位于斷裂帶附近，沿線災(zāi)害繁多，進(jìn)入雨季尤為危險(xiǎn)，對(duì)沿線泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義和參考作用。筆者從綜合方面，結(jié)合GIS 軟件，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，對(duì)研究區(qū)28 條泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，得到的主要結(jié)果如下。

1) 都汶公路28 條泥石流溝大部分處于高度危險(xiǎn)以上、占總數(shù)的78.57%，其中極高危險(xiǎn)區(qū)占總數(shù)的25%。餌溝、牛圈溝、磨子溝危險(xiǎn)性最大，其次是高店子溝、馬埝坪溝和一碗水溝。

2) 從泥石流形成的3 大形成條件，通過對(duì)比分析，選取的12 個(gè)危險(xiǎn)因子基于灰色關(guān)聯(lián)分析法的多因素評(píng)價(jià)方法，能較好地確定評(píng)價(jià)因子及其權(quán)重、并計(jì)算出泥石流危險(xiǎn)度，具有一定實(shí)用性。

此方法分析了各個(gè)影響因子之間的關(guān)系密切程度，從而確定權(quán)重得出各個(gè)因子對(duì)泥石流的影響程度，綜合得出泥石流的危險(xiǎn)度。其受到參考序列和溝谷條數(shù)的影響較大，本文從構(gòu)造、巖性、相對(duì)高差等方面分別選擇與比較從而確定參考序列。泥石流的發(fā)生是一個(gè)綜合過程，其影響因子多，泥石流溝松散物質(zhì)量和臨界雨量也是震后泥石流重要的影響因子，同時(shí)灰色系統(tǒng)在參考選擇和溝谷條數(shù)不同情況下會(huì)有不同的影響，須在后續(xù)工作中加入分析完善。

中國(guó)科學(xué)院數(shù)字地球與對(duì)地觀測(cè)中心、國(guó)家測(cè)繪局基礎(chǔ)地理信息中心提供了部分遙感數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息支持，楊志全、廖麗萍、楊萬(wàn)科等參加了野外考察和數(shù)據(jù)分析，特此感謝。

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［10］魏永明，謝又予，伍永秋.關(guān)聯(lián)度分析法和模糊綜合評(píng)判法在泥石流溝谷危險(xiǎn)度劃分中的應(yīng)用:以北京市北部山區(qū)懷柔、密云兩縣為例［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1998，7(2):109－117