拖海小流域泥石流危險性評價

劉星星，毛吉成，張成奎，許廣飛，張沖沖

(1.喀斯特環境與地質災害防治教育部重點實驗室(貴州大學)，貴陽 550025； 2.貴州大學 資源與環境工程學院，貴陽 550025)

1 概 述

泥石流是由強降雨或冰雪消融形成的高濃度、寬級配的多相非均質流體，是地形地貌、氣候、土壤等自然條件和人類破壞山區自然環境的人為因素綜合作用的結果[1]。泥石流是最常見的地質災害之一，喀斯特地區具有溝谷相間、地表破碎、地形切割強度大等特點[2]。目前，常采用專家經驗法、層次分析法[3-5]、灰色關聯度法[6]、投影尋蹤法[7]、主成分分析法[8]、模糊綜合評價法[9]等方法選取泥石流的分析評價指標[10]。模糊綜合評價法是用模糊數學作為基礎，處理泥石流此類有較多模糊因素的地質災害具有一定的優勢[10]。首先是選取評價因子屬性進行歸一化處理，然后計算得到影響因子的權重[11]，隨后將屬性函數與權重乘積加和，得到災害易發性指數；最后對泥石流危險度進行計算分析和危險程度分級[12-13]。泥石流評價的工作內容主要包含易發性評價、危險性評價、易損性評以及風險性評價[14]。泥石流易發性評價建立在地質環境條件(內在控制因素)基礎上，靜態描述泥石流災害在相對穩定的孕災環境中發生的可能性。而危險性評價是在此基礎之上，進一步考慮外在誘發泥石流發生的動態因素，考察泥石流發生的可能性。拖海小流域地處貴州西部，地處喀斯特地區。通過對拖海小流域的泥石流進行危險性評價，對將來拖海小流域的泥石流治理具有指導意義。見圖1。

圖1 泥石流溝危險性評價指標體系

2 泥石流溝發育程度分析

拖海小流域地處貴州西部，拖海小流域面積155.6 km2，拖海小河發育支溝3條。拖海小流域內最高點海拔2 580 m；最低點為西南側可渡河入口處，海拔1 320 m，高差約1 260 m。研究區地形地貌形成以侵蝕作用為主，溶蝕作用其次，河谷切割深度約200～800 m。在強烈侵蝕作用下，形成“坡陡、脊尖、谷窄”的地貌特征。根據巖組特性，可分為中低高程的砂泥巖區和高高程灰巖區。砂泥巖區巖體風化較強烈，巖體較破碎，坡面上松散堆積物較發育；灰巖區地勢陡峭，松散堆積物較少。小流域范圍內植被覆蓋較低，坡面松散物質在雨水作用下流失嚴重。

參照《地質災害危險性評價規范》(DZT 0286-2015),泥石流溝發育程度的調查指標包括崩塌、滑坡及水土流失(自然和人為)嚴重程度、區域構造影響程度、泥沙沿程補給長度比、溝口泥石流堆積活動強度、河溝縱坡比、河流植被覆蓋率、巖性影響、河溝近期一次變幅、沿溝松散物儲量、產沙區溝槽橫斷面、溝岸山坡坡度、產沙區松散物平均厚度、流域相對高差、流域面積、河溝堵塞程度等共15個評價指標。其中，中等發育的泥石流溝谷面積26.96 km2，占22.3%；弱發育區面積93.89 km2，占77.7%。見圖2。

圖2 研究區地形地貌及泥石流發育程度

3 評價指標選取

泥石流發育的影響因素有很多，如崩塌、滑坡及水土流失(自然和人為)嚴重程度、降雨影響、區域構造影響程度、泥沙沿程補給長度比、溝口泥石流堆積活動強度、河溝縱坡比、河流植被覆蓋率、巖性影響、河溝近期一次變幅、沿溝松散物儲量、產沙區溝槽橫斷面、溝岸山坡坡度、產沙區松散物平均厚度、流域相對高差、流域面積、河溝堵塞程度等。評價指標體系的建立是以縣為尺度的泥石流危險性評價的根基，其應具有普遍適應性和較強的操作性。因此，選取評價指標應滿足以下原則：①全面性原則；②規范性原則；③主導因素原則；④可比性原則；⑤可操作性原則；⑥定量與定性結合原則[10]。

3.1 評價因子分析

3.1.1 地形地貌評價因子

地形地貌評價因子需要直觀地反映出流域內地表環境，溝道的陡峭以及溝壑的發育情況都能客觀地描述泥石流溝流域的實際環境，從而體現泥石流災害的孕育條件。本文借助GIS軟件的空間分析功能，分析研究區內泥石流域內所具備的流域面積、流域高程差、泥石流溝密度、縱坡降等評價因子，描述研究區的地形地貌條件。

1) 流域面積。流域面積能適當地反映出流域的匯流狀況和產沙量。一般情況下，流域面積越大，產沙量越多，而產沙量的多少會影響流域內物源儲量。本文借助GIS軟件統計研究區28條泥石流溝的流域面積，流域面積大部分集中在2～6 km2以內。其中，流域面積最大的泥石流溝為煤炭溝2#溝，達22.05 km2；流域面積最小的泥石流溝為華沙小學溝，面積為0.85 km2。

2) 流域高程差。流域高差是地形地貌特征中視覺最為直觀的一個因素，也是基礎要素之一，而且流域高差是判定泥石流能否起動的根本條件。高程差越大，潛在勢能就越高，泥石流發生的動力條件就越好。研究區28條泥石流溝的流域高差在100～900范圍內，分布不集中。研究區內泥石流高差最小的為楊家灣，高差為110 m；最大的為園寶山2#溝，高差為885 m。研究區內泥石流溝單元具體流域高差分級統計見圖3-圖4。

圖3 泥石流流域面積圖

圖4 泥石流流域高差圖

3) 主溝縱坡降。泥石流主溝縱坡降即泥石流溝流域高差和主溝長度的比值。主溝縱坡降在泥石流勘查治理中是一個必不可少的重要因子，對泥石流溝床徑流的坡度有直觀的反映，也是影響泥石流動力條件的重要指標之一。泥石流溝縱坡降越大，其勢能也越大，泥石流發生的動力條件也就越好。對28條泥石流溝的統計發現，縱比降范圍為40‰～450‰，其中多數縱坡降集中在0～250‰之間，數量為24條，縱坡降最大的為水塘村的416‰。

4) 泥石流溝密度。溝壑密度是反映流域內溝壑發育的能力，表現流域內地表受外力侵蝕的程度。溝壑密度越高，泥石流溝受水利侵蝕能力則越強，越有利于泥石流的形成，其計算公式如下:

(1)

式中:D為流域內溝密度；L為流域內溝壑總長度；S為流域面積。

本文以分水嶺為界劃分小流域的微流域作為基本研究單元，利用GIS軟件統計各流域單元的溝長度和流域面積，利用公式計算出各個單元泥石流溝密度，其溝密度范圍在1.2～4.5之間，其中泥石流溝壑密度在1.2～3.5之間的有25條。具體統計見圖5-圖6。

圖5 泥石流主溝縱坡降圖

圖6 泥石流溝密度圖

上述4類評價因子都是針對研究區地形地貌方面進行描述分析因子。流域面積越大，縱坡降越大，流域高程差越大，泥石流溝密度越高則表明孕育泥石流發生的條件越好。

3.1.2 物源動態條件

物源動態條件：動態頻率(降雨、地震等)和物源狀態因子相擬合的動態評價因子。從降雨頻率來說，年降雨量越大，泥石流流域內物源儲量越多，活動性越強，則越有利于泥石流的大規模暴發。

3.1.2.1 物源條件

1) 根據坡度建立土層厚度。①通過現場調查獲取不同坡度下表面土層厚度，然后建立函數關系。②利用ARCGIS：地形圖→DEM→坡度，通過柵格計算器，利用已建立的函數關系式，利用坡度作出土層厚度。

2) 根據巖性對上一步建立的厚度進行折減。①通過ARCGIS中建立地層巖性分類圖，并通過ARCGIS賦予上述折減系數，得到不同巖性的折減系數圖。②將從坡度下提取的土層厚度圖進行折減，即將第1步中提取的土層厚度與第2步得到的不同巖性下的折減系數圖通過ARCGIS進行乘法計算。③根據各流域單元面積得到其物源儲量。

3.1.2.2 降雨條件

根據威寧、赫章、六盤水、宣威近20年最大降雨量進行空間插值，得到區域內降雨分布圖，見圖7-圖9。

圖7 堆積層厚度與坡度關系圖

圖8 地層巖性折減圖

圖9 小流域降雨量分布圖

3.2 評價因子權重

根據《地質災害危險性評價規范》(DZT0286-2015)中泥石流發育程度量化評分標準，從現有的數據資料中選取符合研究區的影響因素及其評分，確定危險性評價指標及其權重，見表1。

表1 泥石流評價指標權重

4 評價指標的疊加與危險性分級

研究區內作為描述研究對象的地形地貌條件，如流域高程差、流域面積、縱坡降、泥石流溝密度等因子；物源動態條件如流域平均年降雨量和流域堆積層平均厚度因子。對流域危險性的影響都是條件因子越大，危險性越大。因此，采用閥值法函數對各評價因子進行無量綱歸一化處理[15]。

(2)

4.1 評價指標量化

利用ARCGIS里的研究區原始等高線文件，繪制小流域原始DEM圖，作為底圖。將賦有屬性值的各單元流域加載進來，對不同的評價指標分別進行無量綱歸一化，得到不同指標的歸一化圖，見圖10-圖14。

圖10 流域面積與高差歸一化圖

圖11 主溝縱坡降與溝密度歸一化圖

圖12 降雨量與物源厚度歸一化圖

圖13 溝口堆積活動強度與巖性歸一化圖

圖14 植被覆蓋率與災害程度歸一化圖

4.2 疊加計算結果

根據權重在ARCGIS軟件中進行歸一化指標圖層調整計算得到。在軟件中，統計分析28條泥石流溝得到其危險度，見圖15。

圖15 泥石流發育程度和危險性區劃圖

5 結 論

根據調查，拖海小流域內發育泥石流溝谷28條，均為山區小型溝谷型稀性泥石流。根據計算得到拖海小流域中等危險的泥石流溝共13條，面積65.48 km2，占54.8%；其余15條溝谷為低危險泥石流溝，面積55.37 km2，占45.2%；研究區內無危險性高和極高的泥石流溝。其中，曹家溝、煤炭溝、卯家溝、寺惡溝、跛子溝等溝谷均直接與拖海小河相連，在洪水季節拖海小河水位較枯水位高出2～3 m，泥石流一般又發生在每年的雨季，尤其是每年的6-10月份，即使這些溝谷發生泥石流，其泥石流堆積物也很難保存下來。據調查，區域內這些溝谷近20～30年來未有大規模泥石流發生，但暴雨條件下有暴發山洪的可能，且水中攜帶有大的塊石、泥沙，這說明各主溝盡管暴發泥石流的頻率較低，但存在高含沙水流。按照泥石流發生頻率分類，研究區這些溝谷均屬于低頻率泥石流溝。對于所研究溝谷的各支溝而言，泥石流發生頻率相對較主溝高，但單一溝谷發生泥石流，并不能徹底改變整個溝谷洪水的性質，只能使主溝形成高含沙水流或在主溝局部地段形成稀性泥石流，不會導致全溝發生泥石流。