炮江吉勒尕溝泥石流風險定量評價及成因分析

李天慧，何勇，康媛，劉慧明，劉學良,3，張藝凡

（1.新疆地質災害防治重點實驗室（新疆工程學院），新疆 烏魯木齊 830000；2..新疆維吾爾自治區地質礦產勘查開發局第六地質大隊，新疆 哈密 839000；3.中國礦業大學資源與地球科學學院，江蘇 徐州 221116）

泥石流風險包括致災自然屬性和社會屬性，國外對風險評價取得不少成果，包括1992年泥石流風險評價包含的主要內容[1]。我國泥石流風險性評價從上世紀80年代開始，王禮先首次對泥石流進行危險區劃分[2]，隨后譚炳炎、劉希林等提出泥石流危害的因子評價[3-4]，逐步形成我國泥石流風險評價格架。目前主流觀點是基于數值模擬的單條泥石流溝評價，及對單體泥石流對危害區域影響因素評價兩方面[5-6]。

新疆莎車縣達木斯鄉7村炮江吉勒尕溝地處塔里木盆地西南緣、昆侖山北麓，海拔1 100～6 000 m，相對高差大于1 000 m，溝谷坡腳一般大于25°，少量達40°～60°[7]。地形地勢總體自SW 向NE 傾斜，西南部為高-極高山區，東北部為中-低山區。大地構造位置上屬昆侖山EW向構造帶北翼，發育NWW向復式劇烈擠壓褶皺帶和逆掩斷裂帶組合。該區發育有炮江溝背斜，軸向160°，長12 km，寬1 km，東翼東傾57°，西翼西傾55°，軸面向西陡傾。兩翼為阿孜干組對稱褶皺，軸線波狀起伏，樞紐向南傾伏，兩側翼部被斷層破壞。古近—新近紀末至第四紀初以來，地質構造活動頻繁強烈。在強烈新構造運動作用下，該區周緣山地發生不等量斷塊差異升降運動。區內新構造運動的另一表現形式是現代地震活動頻繁，IV級以下小震頻繁。

受上述復雜地質條件影響，研究區周邊地質災害頻發（圖1）。新疆華光地質勘察總公司查明，研究區地質環境條件，地質災害特征成因，建立地質災害信息系統，開展了地質災害分區評價①新疆華光地質勘察總公司.新疆葉城縣地質環境基礎調查（地質災害詳細調查）報告，2017；中國地質環境監測院查明，莎車縣和葉城縣高易發區內發育的地質災害類型、分布特征，并對地質災害形成條件進行分析，提出防治規劃②中國地質環境監測院.新疆葉城-烏恰地區綜合地質調查遙感解譯和危險性評價報告，2018。研究區地質資料較豐富，已進行相關調查、研究與防治工作，但對典型單體地質災害定量評價尚欠缺，難以更好地對單體地質災害進行防治工作。

圖1 泥石流位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the location of the debris flow

本文通過對單體泥石流發育基本特征分析，利用GIS平臺、FLO-2D軟件等對炮江吉勒尕溝單體泥石流進行易發性、危險性、易損性定量評價，繪制出風險性評價分區圖，得出研究單體在不同情境下的預期損失，并進行定量表達，為該區防災減災及單體泥石流的精準防治提供重要參考和借鑒。

1 炮江吉勒尕溝泥石流基本特征

炮江吉勒尕溝泥石流位于莎車縣達木斯鄉7村2組村委會東側，為達木斯鄉區域內近NS向溝道，向北匯入艾亞河。該溝流域面積10.53 km2，主溝長約4.5 km。分水嶺源頭最高海拔2 640 m，溝口海拔1 840 m，最大相對高差800 m，溝床縱坡比為152‰。泥石流溝主溝溝道兩頭窄，中部寬，兩側山體陡峭，山坡坡度25°～60°，泥石流形成-流通區面積大。經地面測繪與野外調查，將該泥石流單體分為形成區、流通區和堆積區3部分，流通區與堆積區間界線較明顯。地質災害發生時，泥石流匯入溝道，由于溝道較狹窄，泥石流流量大、流速快，含泥量低，整體呈洪水泥石流特征，形成的堆積物呈扇形分布于溝口。

1.1 形成區

將溝道兩側岸坡近分水嶺區域及溝道高程為1 845 m以上區域劃分為形成區。該段流域主要由主溝、支溝和近分水嶺段斜坡組成。區內主要松散堆積層覆蓋較薄，主要為基巖或大塊石斜坡，岸坡及溝床多為基巖直接出露。通過實地調查圈定出5條支溝，其集水面積較大，面積10.36 km2。主溝長約4 500 m，溝向152°，高差462 m。溝床縱坡比為98.45‰，溝寬12～130 m，深0.7～5.5 m。支溝溝谷呈“V”型，溝道寬0.8～12 m，山坡坡度25°～60°，對水及其他碎屑物質聚集較有利，為形成區。形成區上游部分基巖裸露，下游兩側坡面發育少量草類，植被覆蓋率約10%，局部表層植被覆蓋率大于20%。

1.2 流通區

主溝整體較直，少量有彎曲，支溝1、3、4 呈“半圓弧”型，較彎曲。溝道寬度整體相對較窄，上窄下寬，內為第四系松散堆積物。據探井、物探面波、剖面等資料推測，區域松散沉積物平均厚2.50 m。兩側斜坡坡面多為巖土復合斜坡，上覆粉土層及風化坡積物，下伏基巖主要為沉積巖（砂巖、灰巖），局部見有輝長巖體出露，風化作用為中等-弱風化。經現場調查，泥石流流域山體表層松散層厚0.15 m，在雨水作用下，基巖表層松散物隨雨水匯入較窄溝道，為下游提供了豐富的松散物源。流通區下游至溝口附近為人為修筑的導流堤，約560 m，向溝口導流。由于長期泥石流堆積，南西側導流堤淤高，未及時清理，使導流作用降低。如遇較大暴雨，可能沒過導流堤，直接威脅南西側12 戶居民、130 畝耕地農田及300棵樹木等。

1.3 堆積區

堆積區面積0.17 km2，第四系松散堆積物平均厚3.80 m。溝床縱坡逐漸變緩，相對高差14.0 m，平均縱坡比為45‰。泥石流溝口呈喇叭口狀向SE 匯入艾亞河。堆積區為左岸階地，是達木斯鄉7 村主要農業區和居民聚居區，在沖積扇中部有簡易導流堤引導泥石流匯入艾亞河。由于泥石流匯水面積過大，溝口相對較窄，使泥石流攜帶松散物經雨水匯集至溝口導流堤處堆積，導流堤內側淤高。如發生較大泥石流災害時，泥石流可能越過導流堤上部向溝道兩側農田堆積，威脅下游階地兩側70 畝耕地農田。

2 風險定量評價

2.1 易發性評價

據《泥石流災害防治工程勘查規范（試行）》及該泥石流的發育特征[8]，將炮江吉勒尕溝泥石流易發程度綜合評分為84分（表1），易發程度等級為易發，發展階段為活躍期。

表1 易發程度綜合評判表Table 1 Comprehensive evaluation table of vulnerability

2.2 單溝泥石流危險性評價

本次評價利用泥石流模擬軟件FLO-2D 對溝域進行分析處理模擬[9]。對泥石流治理工程前后不同降雨頻率暴發情況進行數值模擬。結合沿程流速、泥深等分別對泥石流進行較直觀的危險性評價。

①倒陰溝泥石流由于存在治理工程條件，主要考慮3個控制方程式：

連續方程式[10]:

其中，h——流體流動深度(m)，l——水力坡降(%)，u——水平方向上流體的平均流速(m/s)，v——垂直方向上流體的平均流速(m/s)。

運動方程式[11]:

其中，SfxSfy——摩擦坡降(%)，Sox/Soy——床底坡降(%)。

流變方程[12]：

其中ιc——凝聚型屈服應力（MPa）；ιmc——M.COULOMB 剪應力（MPa）；ιv——粘滯剪應力（MPa）；ιt——紊流剪應力（MPa）；ιd——擴散剪應力（MPa）。

②地形數據處理。本次評價據高精度遙感影像圖和1∶5000地形圖，利用ArcGIS平臺，將等高線創建為不規則三角網，柵格化得到該溝域的DEM并轉換為ASCII文件[10]。將具高程的ASCII 文件輸入FLO-2D模擬地形基礎，將地形格網化。據溝內情況，選取格網尺寸，通過計算模擬，將研究區高程進行賦值，使每一個格網都具高程屬性[13]。

③數值模擬參數選擇。參數選擇主要據泥石流計算參數及相關規范，曼寧系數的選取主要是結合前人研究的經驗值及FLO-2D手冊確定。

④模擬結果及危險區預測。通過對泥石流在不同降雨頻率（P=5%，P=2%，P=1%）爆發情況進行數值模擬，得到泥石流不同降雨頻率下可能影響的范圍（圖2）。計算得出，在20年一遇降雨頻率下，泥石流堆積區最大堆積范圍s1=0.0 496 km2；在50 年一遇降雨頻率下，最大堆積范圍s2=0.1 055 km2；在100年一遇降雨頻率下，最大堆積范圍s3=0.2 139 km2。

圖2 不同降雨頻率下泥石流影響范圍Fig.2 Extent of debris flow impact under different rainfall frequencies

據泥石流治理工程條件下數字模擬參數，泥石流泥深及泥深乘以最大流速值對泥石流危險性進行劃分（表2）[14]，將其在不同降雨頻率下的危險性進行劃分（圖3）。

表2 泥石流影響強度劃分表Table2 Table of mudslide impact intensity division

圖3 泥石流危險性分區圖Fig 3 mudslide hazard zoning map

2.3 易損性評價

由于承災體的復雜性，據現場調查，選取易損性評價因子主要包括3個部分：交通道路設施、人口密度、建筑資產等。據規范中易損性評價內容，通過對不同評價因子賦值，綜合評價地質災害易損性。

據泥石流易損度計算公式計算單溝泥石流的易損度[12]：

其中，VD——單溝泥石流易損度（0-1）；V1D——財產指標（萬元）；FV1D——人口指標轉換函數賦值（0-1）。

2.3.1 房屋易損性評價

據遙感影像解譯房屋影像，在野外開展房屋結構類型、建筑類型及樓層數調查。按規范分別對房屋結構類型、建筑類型及樓層數進行賦值（表3）[15，17]。利用GIS計算，使用自然間斷點分級法，分級得出房屋易損性評價圖（圖4-(a)）。

2.3.2 道路易損性評價

據數據資料及現場調查復核，泥石流危險區及周圍道路類型均為一般道路。按賦值建議表對道路進行賦值（表3）[15]，利用GIS計算，使用自然間斷點分級法，分級得出道路易損性分區圖（圖4-(b)）。

表3 易損性賦值表Table 3 Vulnerability assignment table

圖4 易損性分區圖Fig.4 vulnerability zoning map

2.4 風險性評價

據現場調查，泥石流溝道兩側斜坡坡體松散物較多，新增物源較豐富。對不同降雨頻率下（20 年、50年、100年一遇）泥石流危險范圍內承災體開展風險評價。據規范利用GIS功能將泥石流危險性分區與承災體易損性分區疊加計算，使用條件函數，得到泥石流風險分區圖(圖5)。表4 為風險分級實際意義[8，12]。

表4 泥石流風險分級及實際意義Table 4 Classes of the risk of site-pecific debris flow

圖5 風險分區圖Fig.5 20-year risk zoning map

條件函數：

其中：A——危險性等級；B——易損性等級。

3 形成因素分析

據研究單體特點、風險性及風險定量評價結果對機理進行探討。炮江吉勒尕溝泥石流形成原因十分復雜，主要有地形地貌、巖土體類型、降水、植被蓋度、地震作用、人類工程活動等。這些因素分為內在因素與外在因素。

內因①炮江吉勒尕溝泥石流形成于溝谷地貌，區內分水嶺的分布形態控制著泥石流流域形態，地形起伏大，坡降大，流水的動能大，易帶動坡面殘坡積物和溝槽堆積物的搬運；②巖土體類型決定了泥石流的松散物儲量，軟巖及較軟巖極易風化、崩解進而形成崩滑堆積物為泥石流的形成提供物源。

外因①5—9 月由于降雨原因，為研究區泥石流高發期；②強烈的地震動容易使斜坡巖土體結構松動，引發崩滑現象，為泥石流提供了豐富的物源；③植被覆蓋度低或裸露的土體最容易被雨水沖刷，給泥石流提供的物源也相應增加；④過度的牧業活動導致泥石流流域范圍內的草場退化，礦業活動形成的廢石和棄渣為泥石流提供物源，人為的加重了泥石流的物源。

4 結論

通過對炮江吉勒尕溝單體泥石流發育特征分析，利用GIS 平臺、FLO-2D 軟件等對炮江吉勒尕溝單體泥石流進行易發性、危險性、易損性定量評價，做出風險性評價分區圖，定量表達單體在不同情境下的預期損失。

（1）利用綜合量化評判法對研究單體進行易發性評價分析。該區單體泥石流綜合風險評分為84 分，易發程度等級為易發，發展階段為活躍期。

（2）利用FLO-2D 泥石流模擬方法對泥石流溝域進行處理，對DEM 進行格網劃分，以格網為單元進行模擬。得出在20年一遇降雨頻率下，泥石流堆積區最大堆積范圍0.0 496 km2；在50年一遇降雨頻率下，最大堆積范圍0.1 055 km2；在100年一遇降雨頻率下，最大堆積范圍0.2 139 km2。

（3）選取交通道路設施、人口密度、建筑資產等為易損性評價因子，以單個房屋及道路為評價單元，進行易損性評價并分區。

（4）利用GIS 功能將泥石流危險性分區與承災體易損性分區疊加計算，得到不同降雨頻率下單體風險分區情況。

（5）炮江吉勒尕溝泥石流的形成主要與地形地貌、巖土體類型、降水、植被蓋度、地震作用、人類工程活動相關。