甘肅省靈臺縣水泉溝流域泥石流 特征及易發性評價

關鍵詞：泥石流；易發性評價；可拓學理論;水泉溝流域;靈臺縣；甘肅省

中圖分類號：X43文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2025.09.018

引用格式：，.甘肅省靈臺縣水泉溝流域泥石流特征及易發性評價[J].中國水土保持，2025（9）：63-67，72.

泥石流災害不僅對環境造成巨大破壞，也對人類社會和經濟帶來深遠影響[1-2]。劉永垚等[3]選取汶川地震重災區，定量分析泥石流關鍵影響因子及其貢獻率，并探討其空間分布特征，通過模型AUC值篩選出35項指標構建評價指標體系，識別出流域高差、平均坡度等為主控因子，評價結果揭示泥石流極高易發區主要分布在西部地形急變帶，與地震帶密切相關；溫鑫等[4]整合高程、坡度、地層巖性等13個因子，采用信息量-邏輯回歸耦合模型，把AUC值提升至0.931，體現了多維度因子協同效應；李志等[5]利用機器學習模型，計算各個評價因子權重并對泥石流易發性進行評價，發現伊犁河谷黃土的生態植被破壞是泥石流多發的重要原因;皋子琪等基于最大熵（MaxEnt）模型對187條泥石流溝道進行易發性評價，研究發現流域匯水能量對災害的形成貢獻率最大；陳卓以RS與GIS技術為基礎，利用高分一號、WorldView-2等多源、多時相衛星影像，結合遙感解譯與野外調查，分析了區內滑坡的發育特征、斷裂對滑坡的影響以及滑坡頻率與規模關系；孫慶敏采用SINMAP模型計算區域斜坡穩定性，識別泥石流坡面潛在物源，結合地形地貌、地質構造等指標，采用信息量模型進行了泥石流易發性評價。

我國黃土高原地區地質災害頻繁發生，該地區黃土結構松散，垂直節理發育，抗侵蝕能力差，易發生滑坡崩塌等災害，為泥石流的發生提供了豐富的固體物質來源，導致該地區泥石流活動頻繁[9]。水泉溝位于甘肅省平涼市靈臺縣中臺鎮，溝口附近有許多居民點。目前，水泉溝頻繁發生泥石流，且問題日益突出，需要引起重視。基于此，本研究以水泉溝流域為研究對象，通過相關資料調查及實地地質勘查，對水泉溝泥石流基本特征進行研究，并構建基于可拓學模型的泥石流災害危險性評估方法，以實現對泥石流災害易發性的準確評估。

1 研究區概況

水泉溝主溝全長約 2.5km ，流域面積約 8.4km² ，主溝縱坡降為 22.5% 。位于海拔 1200m 以上的高山峽谷地區，地形陡峭、坡度較大，有利于大量巖石、土壤和水體的快速匯集，為滑坡、崩塌等地質活動創造了基礎條件。流域內地質構造穩定性較差，主要分布有易破碎的巖石層、垂直節理發育的黃土層以及斷層帶。第四系黃土層具有濕陷性特征，與古近系砂泥巖互層構成的地層組合在強降雨作用下易產生滑塌，成為泥石流物源的主要供給區。此外，大面積坡地開墾耕作造成土壤流失，放牧活動抑制了植被自然恢復，道路修建形成的切坡加劇了斜坡失穩風險，人為干擾改變了原始地形與水文條件，顯著提升了泥石流成災概率。根據溝谷地貌特征，可劃分為形成區、流通區和堆積區三個區段（見圖1）。

圖1水泉溝流域遙感影像

1. 1 形成區

形成區（見圖2）位于流域中上游，溝壑縱橫，匯流面積大，地形起伏變化大，多丘陵溝壑，地勢陡峭，易形成地表徑流，加劇泥石流的發生。該段地勢相對較高（海拔在 1200m 以上），坡度較為陡峭，相對高差在50～150m ，橫斷面呈U形，巖層傾斜度大，溝道兩岸坡體坡度為 20^°～30^° ，均為均質黃土坡，垂直裂隙發育，易形成滑坡、崩塌等地質災害。形成區黃土覆蓋層厚、堆積物多、質地松軟，易受雨水浸潤和外力作用而發生崩塌，成為形成泥石流的源頭物質。區域內地表裸露部分相對較少，地表有大量的松散物質覆蓋。形成區存在大面積人為砍伐和開墾現象，導致植被破壞，土壤保持能力顯著降低。溝道坡面有大量人工開墾的農田，上面主要種植小麥等本地農作物。大部分植被覆蓋度低，穩定性差，并存在水土流失。形成區的特征易于雨水、泥流等匯集，匯流面積大為大型泥石流的發生創造了條件。

圖2 形成區地形地貌

1.2 流通區

流通區（見圖3）位于水泉溝流域內的中下游，堆積了大量松散黃土，溝道彎曲，堵塞嚴重。流通區內主溝道呈深切割的V形，溝道窄而直，縱坡比降在10%～25% 之間，裸露部分受持續沖刷和風化的影響，頻繁發生崩塌和滑坡。溝道寬度為 10～15m ，兩側邊坡陡峭，坡度 50^°～60^° ，陡峭的地勢有利于泥石流物質快速下滑和流動，增加了泥石流的速度和沖擊力。黃土邊坡垂直節理清晰可見，裂隙發育相當明顯。溝谷兩岸的堆積物長期受水流沖刷和側蝕，穩定性逐漸降低。切割深度巨大，溝床揭露后呈現出明顯的沖刷運動特征。同時，溝道內的堆積物水分含量高，加大了泥石流的流動性和侵蝕力。坡面侵蝕和滑坡形成的物源較為豐富，巖土狀況不穩定，固體堆積物大量積聚，是泥石流物源的主要分布區域。同時，崩塌、滑坡等地質災害頻繁發生，增加了區域的危險性。

圖3流通區地形地貌

1.3 堆積區

堆積區（見圖4）位于水泉溝流域內的下游平原地區，淤堵嚴重，且有大量居民點。堆積區海拔 900～ 1000m ，溝道的走向為南北向，平均長 1.5km ，在流域出口坡度相對緩和，平均縱坡降為 5%～10% ，溝道的寬度也隨之增加，地勢平緩，導致泥石流在該區段逐漸堆積。泥石流在堆積區會沉積大量的泥沙、碎石和泥石混合物等物質，形成厚重的堆積層。水泉溝泥石流堆積物在溝口形成堆積扇，坡度較緩，為 5^°～10^° 擴散角在 35^°～50^° 之間；堆積厚度為 1～3m ，堆積體方量約為4萬 m³ 。

圖4堆積區地形地貌

2 泥石流動力特征

2.1 泥石流容重

水泉溝泥石流大部分為含黃色泥塊的稀糊狀液體。根據泥石流流體稠度特征表和現場情況，確定水

泉溝泥石流容重為 16.5kN/m³ ，為稀性泥石流。

2.2 泥石流流速

水泉溝流域位于西北黃土地區，本研究采用中鐵第一勘察設計院集團有限公司得出的西北地區泥石流流速計算經驗公式進行計算，該公式是在對西北地區泥石流的實地調查、流體動力學分析、數值模擬和工程實踐的基礎上總結提煉而來，公式為

式中： V_c 為泥石流截面平均流速，單位 m/s;E_c 為泥石流平均深度，單位 m ，取值 0.8m;I_c 為主溝縱坡降，取值 0.225;α 為阻力系數； γ_H 為固體物質密度，取值2.65νm³ ： φ 為泥沙修正系數，取值1.70。

根據式（1）、式（2）計算得到泥石流平均流速為4.44m/s 。

2.3 泥石流流量

水泉溝泥石流流量采用雨洪經驗公式法計算，公式為

Q_P=0.009F^0.742I_c^0.324H₆^1.301

式中： Q_P 為設計頻率為 P 的洪峰流量，單位 m³/s;F 為涉及流域面積，單位 km² ，水泉溝流域面積為8.4km²;H₆ 為 6h 內降水量達到暴雨級別的降雨量，單位mm ，查閱地區資料后取值 100mm 。

水泉溝流域出口不同設計頻率的清水洪峰流量按式（3）計算，見表1。

表1水泉溝流域出口清水洪峰流量

泥石流流量換算公式為

Q_cP=KQ_pD

K=1+φ

式中： Q_cP 為設計頻率為 P 的泥石流流量，單位 m³/s ：K 為泥石流流量修正系數； D 為堵塞系數，取值1.8。

計算結果見表2。

表2水泉溝泥石流流量

3水泉溝泥石流綜合分類

對水泉溝泥石流進行綜合分類可為該地區災害風險評估和防災減災工作提供科學依據。泥石流綜合分類因素包括以下6點：

1）按照松散固體物質提供方式可分為：泥流，以泥漿為主要流體，含有較高比例的細粒土壤和黏土，流動性較大；水石流，主要由水和石塊組成，比例中等，流動時石塊受水的沖擊產生較大的破壞力；泥石流，混合了泥槳和石塊的流體，既有泥流的流動性，又有水石流的破壞力。

2）按照泥石流暴發規模可分為小型、中型、大型、特大型泥石流。

3）按照泥石流流體特征可分為：黏性泥石流，固體物含量高，濃度和黏稠度較高，沖擊力更大；稀性泥石流，液體占主要成分，流動速度快，沖刷力強，但流體相對稀薄。

4）按照泥石流暴發頻率可分為：極低頻率泥石流、低頻率泥石流、中頻率泥石流、高頻率泥石流

5）按照流域內地形地貌特征可分為：溝谷型泥石流，發生于溝谷地帶，流動路徑受地形地貌影響較大；坡面型泥石流，發生于坡地或山腳地帶，流動路徑較為自由。

6）按照泥石流誘發因素可分為：棄渣泥石流，由坡面或溝谷的棄渣堆積物崩塌引發；暴雨泥石流，由短時強降雨引發，是最常見的泥石流類型之一；潰決泥石流，由堤壩或水庫潰決引發，流動路徑通常受限；冰川泥石流，由冰川融化、冰崩等引發，流動路徑較長；冰磧型泥石流，由冰磷堆積物崩塌引發，含有大量冰磧物質；火山泥石流，由火山噴發或巖漿流動引發，含有大量火山碎屑和巖石。

根據水泉溝流域地質勘查結果并結合相關規范，得出水泉溝泥石流為大型、高頻、稀性、暴雨類、溝谷型泥石流。

4基于可拓學理論的水泉溝泥石流易發性評價

實際中，影響泥石流爆發的因素通常是多樣的。可拓學是以物元法、可拓數學為理論基礎的一門綜合性交叉學科。通過可拓學建立泥石流易發性評價的綜合模型，包括各種影響泥石流易發性的因素和指標，如地形地貌、降雨情況、植被覆蓋等，這些因素通過物元的方式進行描述，形成一個綜合的評價體系。泥石流易發性受多種因素影響，而這些因素之間存在復雜的關聯性，可拓學幫助分析和處理這些因素之間的關聯性，使評價結果更加準確和全面。

4.1 可拓學模型建立

1）確定經典域。經典域是在可拓學中用來描述事物的基本特征和關系的范圍。在泥石流易發性評價中，經典域是指在不同易發性等級下各評價指標的量值取值范圍，描述了在不同的泥石流易發性等級下，各評價指標的典型取值范圍。通過對水泉溝流域泥石流的實地勘查及參考相關規范，確定泥石流易發性評價中多個評價指標。每個指標在不同的泥石流易發性等級下，都會有一個典型的取值范圍，這個范圍就構成了該指標的經典域。經典域公式為

式中： R_0t 為經典域物元; N_0t 為易發等級， t=1，2，… m;C_j 為第 j 項的評價指標 ，j=1，2，…，n;?a_0tn，b_0tn? 為易發等級 N_0t 對應評價指標 C_j 的范圍。

2）確定節域。在可拓學中，節域是指對事物或系統的一種劃分，用于描述事物在某種特定狀態或范圍內的性質和特征。在泥石流易發性評價中，節域為各個評價因子的量值總的取值范圍。對于每個評價指標，都會有不同的取值范圍對應于不同的泥石流易發性等級，不同的取值范圍構成了指標在不同等級下的節域。通過劃分節域，體現在不同的泥石流易發性等級下，各個評價指標的特點，進而進行泥石流的評價、預測和防治工作。節域物元公式為

式中： R_P 為節域物元； P 為描述對象，即泥石流易發性評價； ?a_pn，b_pn? 為評價指標 C_j 的取值范圍。

3）確定關聯函數。關聯函數是表示元素之間關系程度的函數。確定模型的關聯函數是為了量化描述泥石流各個評價指標與泥石流易發性等級之間的關系程度。在可拓學中，關聯函數定量表述元素之間的關聯程度[10]

4）基于熵理論的權重確定。評價指標權重的確定對評價結果具有關鍵意義。權重確定了每個評價指標在整體評價中所占的比例。合理確定評價指標的權重可以保證評價結果更加客觀和準確，避免因為某些指標權重過高或過低而導致評價結果失真。采用熵權法確定水泉溝流域泥石流評價指標的權重，公式為

式中： w_j 為第 j 項指標的權重； S_j 為第 j 項指標熵值。

5）泥石流易發等級確定。將根據實地調查的每個評價指標的量化值代人建立好的關聯函數中，計算得到每個指標與各可能易發性等級之間的關聯度，并確定各評價指標的權重，再將每個評價指標的關聯度與其權重相乘并求和，得到泥石流對于每個可能的易發性等級的綜合關聯度。公式為

式中： K_t（P） 為泥石流易發等級 χ_t 的關聯度； K_t（v_j） 為第 j 項待評價物元量值關于泥石流易發等級 χ_t 的關聯度。

4.2 泥石流評價因子確定

在可拓學模型中評價泥石流的易發性時，評價因子的選取直接影響到評價結果的準確性和可靠性。所選指標應涵蓋泥石流形成和發展的關鍵因素，并具有一定的關聯性和代表性，能夠共同反映泥石流易發性的不同方面。

在研究水泉溝流域泥石流過程中，確定以下8個主要因子作為泥石流易發性等級評價的評價指標并取值（見表3）： ① 主溝縱坡降。主溝縱坡降是指主溝沿縱向的坡度變化情況，它直接影響泥石流流速和流動能力。 ② 日最大降雨量。降雨是泥石流暴發的主要誘因之一，尤其是在水泉溝流域降雨量較少但集中的情況下，日最大降雨量對泥石流的暴發具有重要影響。 ③ 植被覆蓋率。植被覆蓋率直接影響著土壤的保持能力和抵抗水流沖刷的能力，植被覆蓋率低易導致土壤裸露，增加泥石流發生的可能性。 ④ 松散堆積物厚度。泥石流松散堆積物的厚度直接反映了歷史泥石流活動的頻率和強度，對評估泥石流的危險性具有重要意義。 ⑤ 流域最大相對高差。流域最大相對高差直接影響著水流的流速和流動能力，較大的相對高差會增加泥石流發生的可能性。 ⑥ 主溝長度。主溝長度是泥石流路徑的重要參數，對評估泥石流的傳播范圍和影響范圍具有重要意義。 ⑦ 地震烈度。地震是引發泥石流的重要自然災害之一，選取地震烈度作為評價指標可以考慮泥石流暴發時地震的影響。 ⑧ 流域面積。流域面積直接影響著泥石流發生的規模和潛在的危害程度，較大的流域面積意味著可能有更多的水源和松散物源，增加泥石流發生的可能性和危害性。

表3水泉溝泥石流易發性評價指標取值

4.3泥石流易發性評價指標分級及物元構建

在對泥石流易發性等級劃分的基礎上，提出相應的防治對策。泥石流易發性評估指標的劃分是構建泥石流經典域的關鍵，也直接關系到泥石流災害危險性評估的精度。國家標準將泥石流易發性等級分為4級，即低、中、高和極度易發，根據確定的水泉溝泥石流評價因子及每個指標的具體量值范圍，評價指標經典域與節域取值范圍，見表4。

表4評價指標經典域與節域取值范圍

4.4關聯函數值和熵權值確定

水泉溝泥石流關聯系數見表5。泥石流易發性評價指標的權重表征著其對評價結果的影響。通過確定評價指標的權重可以更加準確地衡量和評估不同指標對于評價對象的影響程度，從而更加客觀地進行決策和分析。本研究采用熵權法確定水泉溝泥石流易發性評價指標權重。評價指標的權重見表6，水泉溝泥石流各個易發性評價因子的權重從大到小依次為松散堆積物厚度、日最大降雨量、流域面積、流域最大相對高差、主溝長度、地震烈度、主溝縱坡降、植被覆蓋率。

表5水泉溝泥石流關聯系數計算結果

4.5水泉溝泥石流易發性評價結果

利用式（7）、式（8）和泥石流易發性評價指標的權重集合 W=（0.1491，0.1067，0.0918，0.0884 ，計算泥石流關聯度，結果見表7。

表7水泉溝泥石流關聯度計算結果

表6評價指標的權重

基于可拓學理論，水泉溝泥石流易發性評價結果為：低易發關聯度為-0.1983、中易發關聯度為-0.3320、高易發關聯度為-0.0807、極度易發關聯度為0.2282。根據最大關聯度原則判斷水泉溝流域泥石流易發性等級為極度易發。

5結論

1）根據實地勘查及相關規范得出水泉溝泥石流容重、平均流速、泥石流流量分別為 16.5kN/m³.4.44 m/s，176.94～310.42m³/s 。根據水泉溝流域地質勘查結果并結合相關規范，得出水泉溝泥石流為大型、高頻、稀性、暴雨類、溝谷型泥石流。

2）選取可拓學理論對水泉溝泥石流進行易發性評價，得出水泉溝流域泥石流易發性等級為極度易發；水泉溝泥石流各易發性評價因子的權重，從大到小依次為松散堆積物厚度、日最大降雨量、流域面積、流域最大相對高差、主溝長度、地震烈度、主溝縱坡降、植被覆蓋率。

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（責任編輯 楊傲秋）