溝口公路小流域山洪危險性評價——以四川省涼山州美姑河省道公路為例

陳遠川，陳洪凱，唐紅梅

(重慶交通大學巖土工程研究所，重慶 400074)

0 引言

由于山區沿河公路所處的特殊地形地貌位置、沿河水力特征和公路兩側小流域對極端降雨條件的高敏感性，使得公路沿線小流域出口處的山洪是導致位于溝口處的山區沿河公路承災體毀損的重要災害類型。因此開展山區小流域山洪對溝口公路危險性評價研究有重要意義。

楊三強、劉海松、陽岳龍等，對公路地質災害危險性評價開展了相關研究［1-3］，但均未涉及公路沿線小流域山洪危險性評價。本文以四川省涼山州美姑河流域省道公路為例，在流域地貌形態特征量化分析的基礎上，對美姑河流域影響省道公路安全的主要小流域山洪致災危險性進行了評價。流域地貌形態特征量化分析利用美國航空航天局(NASA)的SRTMDEM數據為基礎，采用地理信息系統(GIS)水文分析和空間分析技術提取美姑河流域的水系和地形基礎數據。小流域山洪對溝口公路的危險性評價，綜合考慮了美姑河流域各特征參數對潛在山洪危險性的影響。

Youssef等利用衛星影像數據和GIS提取基礎數據，評估埃及一旅游公路的山洪風險［4］;張會平等通過數字高程模型(DEM)的空間分析，提取了岷江水系的典型地貌特征參數，通過地貌參數分析得出了岷江水系流域的新生代構造運動規律［5］;Abdel-Lattif等認為GIS的流域河網提取技術便于分析河流的洪水特征，不同源數據得出的流域地貌特征參數精度不同［6］;Bali、Sreedevi、Magesh 等通過地貌特征參數分析，研究了流域的地貌演化階段和新構造運動特征［7-9］。前述分析可知，本文用DEM和GIS提取地貌特征參數值，并綜合各參數對山洪危險性的影響，開展小流域溝口公路的山洪危險性評價可實施，可供山區公路管理部門汛期減災參考。

1 研究區概況

四川省涼山州美姑河流域位于云貴高原與川西南山地過渡帶，屬橫斷山區東部邊緣地區，介于東經102.8°～103.5°和北緯 27.8°～28.7°，東北部大風山海拔最高4042m，美姑河與金沙江匯合口海拔最低436m，區域高程普遍在2000m左右。美姑河為長江上游金沙江左岸一級支流，流域面積約3234km2，流域覆蓋涼山州美姑、雷波和昭覺縣的部分鄉鎮(圖1)。干流全長約170km，落差約2983m，河口多年平均流量59.4m3/s，多年平均徑流量18.7×108m3。從灑庫至河口，河道長約120km，落差約1615m(高程2024～409m)，河道平均比降13.5‰，具有良好的水電開發條件。灑庫至洛俄依甘鄉美姑大橋段，河道長約65km，沿河河谷地形束放相間、水流平緩，平均比降9.7‰，有修建水庫的地形地質條件。美姑大橋至河口段，河道長約55km，平均比降18‰，河流穿行于高山峽谷之中，水流湍急，跌水連續不斷，其中爾其至柳洪13km河段比降高達30.5‰，構成了引水開發的有利條件［10］。

美姑河的徑流主要由降雨形成，也有一定的高山融雪補給，4月降雨開始增多，5～10月降雨約占全年91%。徑流隨降雨和氣溫的變化而變化，4～5月由降雨及融雪補給，6～10月主要由降雨形成，11月后漸以地下水補給為主。多年平均年降雨量820.70mm，歷年日最大降水量為110.3mm，時最大降水量是 36.3mm［10，12］。美姑河洪水由暴雨形成，洪峰形狀尖瘦，洪水過程陡漲陡落，漲洪歷時一般4～6h，最短僅2～3h，峰頂歷時20min左右，年最大洪水多為單峰過程，一般1～2d，連續洪水歷時約4～5h。

圖1 美姑河流域概況Fig.1 General situation of Meigu River basin

美姑河流域地質環境脆弱，褶皺、斷層發育，出露地層主要包括 J、J1+2、T1+2、T3、P、P2、S、O、和Z2，出露地層較老，以古生界地層分布最為廣泛，越到下游，流域出露地層越老(圖2)。第四系的洪積、殘坡積和滑坡堆積物主要分布于溝谷和邊坡地帶(圖3)。巖層含灰巖、砂巖及易被風化侵蝕的泥巖和粉砂巖。流域內破碎巖體主要為雷口坡組巖層和白果灣組地層，殘坡積物厚0.5～10m，由強風化砂巖、粉砂巖、泥巖等未固結的塊碎石土組成，粒徑3～12cm，棱角狀，粒間充填細小顆粒及粘土，透水性較好［11-12］。流域內山脈走向與構造線展布大體一致，呈南北和北東向延伸。流域內地勢陡峻，高低懸殊，深切“V”型谷發育。流域位于“揚子準地臺”西部，地處川西南“川滇南北構造帶”與四川盆地“新華夏系沉降帶”的交接地帶。流域挾持于剎水壩-馬頸子斷裂與普雄河斷裂之間，屬涼山拗褶帶的東亞區。主要構造線受南北構造控制，兼有北東向、北西向、北北西向及北北東向構造。流域挾持于西部則木河-西昌-冕寧強地震帶和東部馬邊-鹽津-大關強地震帶之間，區內有歷史地震記載以來，無強震發生(M＞6級)，屬外圍西部及東部兩強震帶的影響波及區［10］。

圖2 美姑河流域地質圖Fig.2 Geology map of Meigu River basin

圖3 美姑河牛牛壩公路泥石流物源Fig.3 Material sources for Niuniu Ba highway debris flow

美姑河流域內泥石流等地質災害發育，尤其以每年汛期5～9月發生的地質災害頻率高、規模大。流域內省道公路(307線、103線)主要沿美姑河展線，是典型的山區沿河公路，經常受小流域山洪、河道洪水、泥石流等地質風險威脅。該沿河公路每年因泥石流等地質風險造成公路直接經濟損失數千萬元，平均每年斷道15d左右［8］。例如2002年7月發生20年一遇大暴雨，12條泥石流溝同時暴發泥石流災害，公路斷道30余天。2011年6月16日夜至17日凌晨，突降特大暴雨，引發山洪泥石流災害，美姑境內S103線K424+500處斷道，發生泥石流坍方13000m3，產生路基缺口22處共700m，涵洞淤塞37道;X149峨美路路基沖毀110m，涵洞淤塞14道，共計經濟損失699萬元。美姑縣公路局投入人工180人次、挖掘機9個臺班、裝載機15個臺班、資金50萬元進行搶險［13］。

2 流域地貌形態特征量化分析

美姑河流域的數字地形高程模型從最新的SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)雷達影像數據處理得到，基于ArcGis9.3軟件平臺獲取并計算得出了美姑河流域的坡度(圖4)、坡向(圖5)、子流域劃分和流域地貌形態的相關基礎參數，采用ArcGis的水文分析模塊提取整個美姑河流域的水系。整個流域被分為了19個區域，其中區域1～10為匯入美姑河主河道的山區小流域，區域11～19為美姑河主河道途經的區域，根據斯特拉勒的水系分級法［7］，整個流域的水系被分為5級(圖6)。

圖4 美姑河流域坡度圖Fig.4 Slope figure of Meigu River basin

圖6 美姑河流域水系圖Fig.6 Water system graph of Meigu River basin

由坡度圖(圖4)和流域高差數據(表1)可以看出，美姑河下游坡度和地勢高差比上游大。美姑河流域的新構造應力場主壓應力方向為43°、兩個剪切帶方向分別為73°和347°［8］，美姑河流域主要構造線受南北構造控制，兼有北東向、北西向、北北西向及北北東向構造［7］，美姑河流域坡向分布規律(圖5)受流域的上述構造特征和斷層分布(圖2)控制。

將流域的地貌形態特征參數分為了基礎參數、導出參數和形狀參數三類進行分析。

2.1 基礎參數

(1)流域面積、周長、長度和高差

美姑河流域面積為 3234km2，流域周長313.80km。劃分的10個子流域中，1號子流域面積最大為 638.21km2，6號子流域面積最小為65.41km2，1號子流域周長最長為121.38km，3號子流域周長最短為33.50km。流域長度為平行于主要河道線的最大流域長度。美姑河總流域的流域長度為100.19km，子流域4的流域長度最長為38.61km，子流域2的流域長度最短為9.36km。美姑河流域總流域和各子流域的面積、周長、流域長度和高差測量數據見表1。

(2)溪流等級(Nu)

河道的溪流等級決定河道在流域的樹枝狀水系結構中所處的層次位置。最小的指尖狀支流，稱為第一級河道。兩個第一級河道匯合后組成的新的河道，稱之為第二級河道。匯合了兩個第二級河道的，稱之為第三級河道。這樣一直下去，把整個流域內的河道劃分完為止。通過全流域的水量及泥沙量的河槽，稱之為最高級河道。這些級別，不是簡單的序列數，而且還表示它們之間水文性質的差別。由兩條支流匯合而成的第三條河流絕不是兩條支流的簡單延續，而是發生了質的變化，第三條河流相對于前兩條支流來說，在水文性質方面有一個大的飛躍。整個水系的級別以其最高的級別來命名，水系級別可反映河流尺寸、流量和排水面積大小。整個美姑河流域被分為了5級河道(圖6)。美姑河全流域及各子流域的河道分級及各級河道的溪流數目見表1。

(3)溪流長度(Lu)

溪流長度是某一級河道所有溪流的總長度。通過ArcGis量算流域水系得出的美姑河全流域溪流長度為880.70km，各子流域的每級河道溪流長度和子流域溪流總長度見表1。

表1 美姑河流域特征基礎參數Table 1 Basic parameters of Meigu River basin characteristics

2.2 導出參數

(1)分岔比(Rb)

河道的分岔比是某一級河道的數目與比其高一級河道的數目之比值，它可表示為:

式中:Rb——分岔比;

Nu——第u級河道的溪流數目;

Nu+1——第u+1級河道的溪流數目。

除強的地質條件起主要控制作用的區域外，在任何一個流域內，水系的平均分岔比接近于一個常數，一般為3～5之間。分岔比是控制徑流的重要因素，通過降低分岔比可增加徑流量［14］。

美姑河全流域的平均分岔比為3.36，各子流域的平均分叉比在2.50和5.64之間，子流域1相對于其他子流域具有最大的分岔比(表2)。對整個美姑河流域進行分析，發現低溪流等級的河道數量多，并表現為高的分岔比，第一級和第二級溪流分岔比為4.07，而第二級和第三級溪流的分岔比為3.38，這些表明流域新構造運動活躍［7］。

表2 美姑河流域特征導出參數Table 2 Derived parameters of Meigu River basin

(2)河長比(Rl)

河道的河長比定義為某一級河道的長度與比其低一級河道的長度之比值，它可表示為:

式中:Rl——河長比;

Lu——第u級河道的溪流數目;

Lu-1——第u-1級河道的溪流數目。

美姑河全流域的平均河長比為0.64，各子流域的平均河長比在0.39和1.84之間(表2)。坡度和地形條件差異導致連續相鄰溪流等級間的河長比值的不同，河長比與地表徑流量和流域的侵蝕階段有重要關系。

(3)RHO系數

RHO系數為河道的河長比與分岔比之間的比值:

式中:Rl——河長比;

Rb——分岔比。

流域的RHO系數值越大，在汛期洪水季節，流域的蓄水能力就越強，衰減高水位洪峰侵蝕作用的能力就越強［15］。美姑河全流域的平均RHO系數為0.19，各子流域的RHO在0.08～0.46(表2)。

(4)河流頻數(Fs)

河流頻數是流域各級河道的總數與流域面積的比值，即單位面積上的河道條數。

式中:Fs——河流頻數;

∑Nu——流域各級河道總數;

A——流域面積。

河流頻數與流域的滲透能力和地勢有關。美姑河全流域的河流頻數為0.05km-2，各子流域的河流頻數在0.04km-2～0.08km-2(表2)。具有相對更高河流頻數的子流域表明該流域具有相對更大的地勢高差和更低的基巖滲透能力。

(5)河網密度(Dd)

河網密度表征流域內河道之間的空間接近程度，也可量化地形的切割分解程度、潛在徑流量和流域水流的匯流時間。河網密度為流域各級河道總長度與流域面積的比值，即單位面積上的河道長度:

式中:Dd——河網密度;

∑Lt——流域各級河道總長度;

A——流域面積。

已有研究表明［7］，潤濕區域的河網密度在0.55km/km2～2.09km/km2，平均密度為 1.03km/km2。河流密度受控于氣候、巖性、地勢高差、滲透能力、植被覆蓋、地表粗糙度和徑流強度指數。滲透性強的地層、高密度的植被覆蓋和地勢平坦地區對應相對低的河網密度。滲透性弱、稀疏的植被覆蓋和山區地形對應相對高的河網密度。低的河網密度對應粗糙的河流地貌結構，高的河網密度對應精細的河網地貌結構。美姑河全流域的平均河網密度為0.27km/km2，各子流域的河網密度在0.22～0.30km/km2(表2)。

(6)流域地貌結構(T)

流域地貌結構是流域內各級河道溪流數的總和與流域周長的比值:

式中:T——流域地貌結構;

∑Nu——各級河道溪流數總和;

P——為流域周長。

流域地貌結構是流域內的河網密度與河道頻率的綜合表現，也是植被、氣候(降雨特征)、巖性、土質、地表、透水能力以及流域地貌發育階段等因素的函數。在軟弱巖層與沒有植被覆蓋的地區，一般形成細密結構的地形;在火成巖，或抗蝕能力較強的巖石區，則形成粗糙結構的地形;在干燥氣候下，植被稀疏的地形結構，要比同樣巖性但屬于溫濕氣候區的更為細密。在侵蝕輪回的最初階段，地形結構一般是比較粗糙的;在壯年早期地形結構最為致密。

根據流域地貌結構值，將其分為5類［7］:極粗糙結構(＜2)、粗糙結構(2～4)、中等結構(4～6)、細密結構(6～8)、極細密結構(＞8)。

全流域的流域地貌結構比為0.47，各子流域的流域地貌結構比在0.08～0.31(表2)。地貌結構值較低，表明整個美姑河流域地形結構總體上比較粗糙，處于侵蝕循環的最初活躍階段，因此美姑河流域水土流失、泥石流等災害發育。

2.3 形狀參數

(1)伸長率(Re)

伸長率是與流域有相同面積的圓直徑與流域長度的比值:

式中:Re——伸長率;

A——面積;

L——長度。

一般情況下，流域外形與梨形接近，伸長率一般在0(極度拉長)到1(圓形)之間取值。特殊情況下，流域長度小于流域寬度，流域伸長率大于1，伸長率大于1的量值越大，流域橫向伸展越厲害、越扁。伸長率越接近1，流域越接近圓形，圓形流域排泄徑流的效率比伸長的流域更高。一般情況下，伸長率接近1的流域地勢較為平坦，而伸長率在0.6～0.8之間的流域地勢高差較大、地面坡度較陡。美姑河總流域的伸長率為0.64，子流域2和7的伸長率分別為1.71和1.65，表明子流域2和7流域寬度大于流域長度，其余子流域伸長率在0.59和0.82之間(表3)。

表3 美姑河流域特征形狀參數Table 3 Shape parameters of Meigu River basin

(2)圓形度(Rc)

圓形度定義為流域面積與和流域具有相同周長的圓面積的比值:

式中:Rc——圓形度;

P——周長;

A——面積。

圓形度指數的值在0(線)到1(圓)之間，值越大流域形狀越圓。圓形度受流域的長度、溪流頻數、地質結構、土地覆蓋、氣候、地勢高差和坡度等的影響。圓形度對于表征流域地貌演化階段具有重要意義，圓形度值的低、中、高分別表明流域各支流的生命周期處于青年、成熟和老年階段［7］。美姑河總流域的圓形度為0.41，而各子流域的圓形度在0.42～0.75(表3)。

(3)形狀系數(Ff)

形狀系數定義為流域面積與流域長度平方的比值:

式中:Ff——形狀系數;

L——長度;

A——面積。

一般條件下，流域外形接近梨形，流域長度大于流域寬度，形狀系數值一般小于0.7854(圓形流域)，值越小流域越伸長，高形狀系數的流域具有短歷時高洪峰流量的特征，低形狀系數的伸長型流域具有長歷時低洪峰流量的特征。美姑河流域總流域的形狀系數為0.32，子流域2和7的形狀系數分別為2.31和2.14，表明子流域2和7流域寬度大于流域長度，其余子流域形狀系數取值在0.27～0.53(表3)。美姑河流域的形狀系數為0.32，表明美姑河流域受區域構造和斷層控制，主要呈南北向伸展的狹長外形。

3 溝口公路小流域山洪危險性評價

根據參數特征和參數與潛在山洪危險性的關系，將美姑河流域特征參數分為三組。第一組參數為效益型評價指標，參數值越大，山洪危險性越大，包括流域面積、流域周長、流域長度、流域高差、河網級數、溪流總條數、河網總長度、河流頻數、河網密度。第二組參數為成本型評價指標，參數值越大，山洪危險性越低，包括分岔比、河長比、RHO系數、圓形度。第三組參數為適度型指標，參數值靠近某值時，山洪危險性最低，參數值越遠離該值，山洪危險性越大，包括伸長率、形狀系數。伸長率越接近1，危險性越小。形狀系數越接近0.7854，危險性越小。

表4 美姑河流域各子流域參數山洪危險性評分Table 4 Hazard score for different subbasin parameters in Meigu River basin

根據參數值導致山洪危險性的等級由低到高，將每個評價參數劃分為五級，最低危險性賦值為1，最高危險性賦值為5。根據綜合得分(表4)對各小流域暴發山洪的危險性進行評價。各小流域暴發山洪的危險性由高到低為:子流域7＞子流域1＞子流域2＞子流域4＞子流域9＞子流域10＞子流域6＞子流域8＞子流域5＞子流域3。

參考表5的小流域山洪危險性評價標準，流域1、7為高危險性小流域，流域 2、4、9、10 為中危險性小流域，流域3、5、6、8為低危險性小流域(圖7)。因此，對應處于高、中危險性小流域溝口的公路路段為汛期高危險路段，應采取相應的抗御山洪毀損公路的對策。

表5 小流域山洪危險性分級標準Table 5 Rank standard for small basin flash flood hazard

4 結論

(1)應用建立的評價方法，得出了美姑河流域山洪高危險性、中危險性和低危險性小流域的分布圖件，得出了研究區各小流域山洪危險性的相對大小。根據小流域山洪危險性分級標準，對研究區小流域山洪危險性等級進行了劃分，山洪高危險性和中危險性小流域溝口處的公路路段為汛期高危險路段。

(2)由DEM數據，提取了流域水系、坡度和坡向基礎圖件，得出了美姑河流域的坡度和坡向分布規律，下游坡度和地勢高差比上游大，坡向分布受流域的構造特征和斷層分布控制。

圖7 美姑河流域子流域山洪危險性分級Fig.7 Rank of flash flood hazard for subbasins in Meigu

(3)提取了美姑河流域及10個子流域的典型地貌參數，綜合考慮提取的地貌量化參數與小流域山洪危險性的關系，分級量化了小流域山洪對溝口公路的危險性大小。

(4)美姑河全流域分岔比分析，發現低溪流等級的河道數量多，并表現為高的分岔比，表明美姑河流域新構造運動活躍。美姑河流域的形狀系數為0.32，表明美姑河流域受區域構造和斷層控制，主要呈南北向狹長外形。全流域地貌結構值為0.47，表明整個流域地貌結構總體上比較粗糙，處于侵蝕循環的最初活躍階段。地質條件復雜、新構造運動活躍、處于侵蝕循環的青年階段，這些規律與美姑河流域水土流失、泥石流等災害發育的實際情況相一致。

(5)本文嘗試將地貌學方法用于山區小流域溝口公路的山洪災害危險性評價，將地貌學研究方法與公路地質災害研究相結合，還有待進一步的研究。

［1］楊三強，郝培文，萬戰勝.G217天山公路典型泥石流溝危險性評價研究［J］.中國地質災害與防治學報，2008，19(3):26-28.YANG Sanqiang，HAO Peiwen，WAN Zhansheng.Evaluation of hazard degree about typical debris flow on Tianshan highway［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19(3):26-28.

［2］劉海松，范敏，倪萬魁，等.灰色關聯度法在公路地質災害危險性評價中的應用［J］.水文地質工程地質，2005，32(3):32-34.LIU Haisong，FAN Min，NI Wankui，et al.Application of the method of gray correlation in risk evaluation of highway geological hazard ［J］.Hydrogeology and engineering geology，2005，32(3):32-34.

［3］陽岳龍，何文勇，林劍.貴州省三貴高速公路地質災害危險度評價［J］.中國地質災害與防治學報，2008，19(4):71-76.YANG Yuelong，HE Wenyong，LIN Jian.Assessment on danger degree of geological hazards along the Sansui-Guiyang highway in Guizhou province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19(4):71-76.

［4］Youssef A M，Pradhan B，Hassan A M.Flash flood risk estimation along the St.katherine road，southern sinai，egypt using GIS based morphometry and satellite imagery［J］.Environmental Earth Sciences，2011，62(3):611-623.

［5］張會平，楊農，張岳橋，等.岷江水系流域地貌特征及其構造指示意義［J］.第四紀研究，2006，26(1):126-135.ZHANG Huiping，YANG Nong，ZHANG Yueqiao，et al.Geomorphology oftheminjiangdrainagesystem(Si Chuan，China)and Itsstructuralimplications［J］.Quaternary Sciences，2006，26(1):126-135.

［6］Abdel-Lattif A，Sherief Y.Morphometric analysis and flash floods of wadi sudr and wadi wardan，gulf of suez，egypt:using digital elevation model［J］.Arab J Geosci，2010，DOI 10.1007/s12517-010-0156-8.

［7］Bali R，Agarwal K K，Nawaz Ali S，et al.Drainage morphometry of himalayan glacio-fluvial basin，india:hydrologic and neotectonic implications ［J］.Environmental Earth Sciences，2011，DOI 10.1007/s12665-011-1324-1.

［8］Sreedevi P D，Owais S，Khan H H，et al.Morphometric Analysis of a Watershed of South India Using SRTM Data and GIS［J］.Journal Geological Society of India，2009，73:543-552.

［9］Magesh N S，Chandrasekar N，et al.Morphometric evaluation of papanasam and manimuthar watersheds，parts of western ghats，tirunelveli district，tamil nadu，india:a GIS approach［J］.Environmental Earth Sciences，2011，64(2):373-381.

［10］四川美姑河水電開發有限公司.流域概況［Z］.http://www.meiguhe.com/Project.asp，2012-2-1.Sichuan Meigu River Hydropower CO.LTD.Basin situation［Z］.http://www.meiguhe.com/Project.asp，2012-2-1.

［11］唐紅梅，陳洪凱，金發均，等.美姑河流域公路泥石流物源成因［J］.山地學報，2005，23(6):714-718.TANG Hongmei，CHEN Hongkai，JIN Fajun，et al.Research on material sources of forming a debris flow along highways in the Meigu River basin.Journal of Mountain Science，2005，23(6):714-718.

［12］攀西地質隊.美姑縣牛牛壩泥石流調查報告［R］.2003.Panxi Geological Team.Debris flow survey report for Niuniu Ba in meigu county［R］.2003.

［13］陳靜.暴雨導致我州公路嚴重損毀［Z］.http://www.lsglw.net/hynews/65.htm，2012-2-4.CHEN Jing.Heavy rains caused state highway serious damaged［Z］.http://www.lsglw.net/hynews/65.htm，2012-2-4.

［14］Youssef A M，Pradhan B，Gaber A F D，et al.Geomorphological hazard analysis along the egyptian red sea coast between safaga and quseir［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2009，9:751-766.

［15］Mesa L M.Morphometric analysis of a subtropical andean basin(tucuman，argentina)［J］.Environ Geol，2006，50:1235-1242.