5?12地震后災區泥石流危險度增加系數評價

沈興菊,張金山,王士革,謝 洪,魏軍林

(1.西南民族大學旅游與歷史文化學院,四川成都610041;2.中國科學院山地災害與地表過程重點實驗室,四川成都610041;3.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川成都610041;4.四川省金科成地理信息技術有限公司,四川成都610041)

“5?12”地震引發了大量的崩塌、滑坡、不穩定邊坡,造成大量的松散碎屑物質堆積在溝道和坡面上,為泥石流的形成提供了豐富的物質基礎。地震后重災區汶川、北川、青川、茂縣等地,受降雨激發,多次發生泥石流,危及災區群眾的生命財產安全,并造成公路損毀、交通中斷,阻礙了抗震救災工作的開展。據研究,震后10～20 a內,汶川地震強震區泥石流將處于高度活躍期,是震后發育最廣泛、影響最大的災害形式[1]。如2008年9月24日汶川地震區中心位置的北川一帶突降暴雨,導致區域性泥石流的暴發,位于北川老縣城附近的西山坡溝暴發大規模泥石流,導致了42人死亡、失蹤[2]。

人們很早就開始了地震影響泥石流活動的研究。鐘敦倫[3]認為,地震在泥石流活動中從多方面起著重要作用,強地震區往往是泥石流的強烈活動區,地震可為泥石流的形成提供豐富的松散固體物質、充足的動力條件,在一定條件下還可以為泥石流活動提供水源。謝正倫、陳俞旭[4-5]根據1999—2006年的監測數據,分析了臺灣集集地震后地震區激發泥石流的臨界暴雨量,指出由于地震為泥石流提供了大量的固體松散物質,震后地震區泥石流發生的臨界雨量基準線大幅度的下降。陳寧生[6]利用土動三軸剪力儀,取泥石流源區的礫石土作為實驗對象,證實了地震的作用會使泥石流源區的礫石土體強度降低,導致土源大量激發,促進泥石流的暴發的設想。

泥石流是突發性的災害過程,歷時短暫,一旦成災,往往損失嚴重。因此,進行泥石流災害發生前的危險性評價,具有重要的實際意義,它不僅為國家和地區經濟發展、產業布局提供依據,而且還能為布設防災減災工程提供決策支持,是減輕災害損失的重要的非工程措施。國際上對泥石流危險性評價非常重視,有關危險性的研究也相對較早[7],目前泥石流危險性評價的研究得到了長足的進展,研究成果的實用性和可操作性不斷加強[8],在防災減災實踐中被廣泛應用。但這些方法涉及參數多,所需數據不易獲得,更關鍵的是地震引起的巖土體變得更為松散、溝谷內堰塞壩的作用等特征難以用常規的參數來表達,使得建立在常規條件下的泥石流危險度評價方法在災區震后泥石流危險度評價中的使用中受到限制。5?12汶川大地震發生以后,關于地震泥石流的研究十分活躍[2,9-15],但對震區泥石流危險度評價方法的研究還未見諸文獻。因泥石流危險性評價已有一些比較成熟的方法,所以本文目標鎖定在震后危險度的增加情況的評價中。針對震后災區溝谷內固體物質增加量、地震烈度、堰塞壩規模等參數,建立模型計算這些因素引起的泥石流危險度的增加量,最后綜合計算為震后泥石流危險度增加系數。危險度增加系數可表征地震對溝谷泥石流促進作用的程度,與應用成熟方法評價的溝谷原有危險度進行運算還可得到溝谷地震后的危險度。

1 地震后泥石流危險度增加系數的評價模型

地震直接造成大量的崩塌、滑坡物質堆積于溝谷,不僅給泥石流提供了豐富的固體物質來源,而且阻塞溝谷,產生潰決洪水的可能性大大增加,從而更易于暴發泥石流。另外由于地震及其后余震的多次作用,陡峻的山坡產生大量的邊坡重力裂縫,降雨時地表水滲入裂縫,在水的靜壓力和動壓力作用下形成一個軟弱帶,軟弱帶之上的土石體因水分飽和重量增加,且變得松軟,易于形成崩塌、滑坡或受到侵蝕而發生泥石流,導致泥石流危險度增加。地震后泥石流溝危險度增加系數的評價應從流域和溝谷內增加的固體物質方量、地震影響程度及堰塞壩規模等方面開始。

1.1 新增固體碎屑物質造成的泥石流危險度增加量

地震是地殼活動的劇烈表現形式,瞬間造成山河巨變,在劇烈活動的過程中植被被破壞,在遙感圖像上根據地震前后的植被變化就可能大致確定崩塌滑坡發生的面積,結合實地調查的崩滑體厚度可估算地震貢獻的固體物質方量。

以5?12地震后的2008年5月16日遙感圖像為基礎進行固體物質方量的估算,首先將地震前后的遙感圖像進行比較,量算出地震后裸露巖體面積的變化量,并根據實地調查確定的崩塌滑坡厚度,計算出增加的固體物質方量。但固體物質增加量在不同的流域無法直接進行比較,一般在溝谷泥石流危險度評價中通行的做法是計算單位面積上的固體物質方量,將其做為影響泥石流危險度的一個參數,而本文擬通過固體物質的增加量來判斷其對泥石流活動的貢獻則必須將其與泥石流活動直接聯系起來,所以本文選擇了一次泥石流沖出物總量這一參數,計算增加的固體物質方量與一次泥石流沖出物總量的比值來表達因固體物質增加引起的泥石流危險度增加量。

本文采用泥石流防治工程設計中常用的配方法來計算一定設計頻率下泥石流的洪峰流量和一次泥石流沖出物總量[16]。因形成災害的泥石流暴發頻率都較低[17],結合地震災區以往泥石流的暴發特征,本文泥石流的設計洪峰流量和總量計算時采用P2%即50年一遇的標準。計算步驟如下:

(1)按水文方法計算 P2%時的設計洪水流量Qw,洪水總歷時T(計算方法查閱當地水文手冊)。

(2)用配方法計算 P2%時的設計泥石流洪峰流量。

(3)用概化過程線法計算一次泥石流總量Wc和沖出固體物質方量Ws。

用地震后新增固體物質方量與P2%的泥石流固體物質總量的比值來表達新增固體物質對泥石流危險度的增加量,其物理意義是地震后新增加的固體物質需要多少次這種規模的泥石流來輸移。

式中:As——地震后泥石流危險度增加量;Wls——溝內固體物質總方量;——設計頻率泥石流固體物質總量。

用配方法計算泥石流設計洪峰流量和沖出物總量時綜合考慮了溝谷的流域條件和降水條件,使增加的固體物質方量與泥石流活動直接聯系起來,可以用來判斷因固體物質的增加對泥石流危險度的貢獻大小。

1.2 巖土體松散造成的泥石流危險度增加量

地震載荷的反復作用使巖土體松軟,更易于侵蝕,也會促進泥石流的形成。但這種現象在地表沒有明顯表現,特別是從遙感圖像上難以反映出來,為了將這些地表難以反映出來的現象在評價時有所考慮,本文引入了烈度對泥石流的影響系數。據研究[3],烈度7°以下對泥石流活動基本沒有影響,7°以上烈度對泥石流影響大小用影響系數表示,各級地震烈度對應的影響系數采用專家打分的方法賦值(表1)。

表1 地震烈度對泥石流的影響系數表

根據經驗,若一個流域中地震作用下產生的滑坡、崩塌較多,則其未發生滑坡、崩塌的區域巖土體松散程度也更大一些。所以可將設定的地震烈度對泥石流的影響系數與上述崩塌、滑坡提供的固體物質的危險度增加量相乘來表示地震烈度造成流域泥石流危險度的增加量。

式中:Ras——用地震烈度表示的巖土體松散影響下泥石流危險度的增加量;Si——設定的地震烈度影響系數。

1.3 堰塞體造成的泥石流危險度增加量

當溝岸上大量的崩滑物質進入溝谷對溝谷產生阻塞時,就會形成堰塞湖。堰塞湖蓄水到一定高度后潰決,這種潰決洪水暴發突然,規模巨大,可以起動溝谷內的松散固體物質成為泥石流。暴雨激發泥石流與其流量關系密切,在用配方法計算泥石流流量時也認為在洪水達到一定流量時才可形成泥石流,所以本文用堰塞湖的庫容大小與一定設計頻率的洪峰流量的比較來判斷其對泥石流暴發的影響。根據前面的分析,5?12地震災區P2%的設計洪峰流量與泥石流危險度關系密切,計算堰塞壩內水體以此流量排泄所需要的時間(h)作為堰塞體增加泥石流危險度的增加量。

1.4 震后泥石流危險度增加系數

上述計算的3類泥石流危險度增加量相互間基本獨立,相加后可全面表達地震后泥石流危險度的增加情況,為了與原來評價的危險度銜接,在計算結果中加1,然后與原評價結果相乘就是該溝地震后的泥石流危險度。我們將其定義為地震后泥石流危險度增加系數。

式中:Ra——地震后泥石流危險度增加系數,其余參數同前。

震后泥石流危險度增加系數與原溝谷泥石流危險度相乘便是地震后溝谷泥石流危險度的綜合評價結果。

2 典型溝谷震后泥石流危險度增加系數評價

為驗證震后泥石流危險度增加系數計算的合理性,本文選取5?12地震重災區位于不同烈度,不同環境背景區的9條泥石流溝進行計算(表2),這9條泥石流溝的分布及其所處地地震烈度區如圖1所示。

圖1 典型泥石流溝分布及其所處烈度區

表2 典型泥石流溝基本參數

2.1 計算過程

根據式(1)計算崩塌、滑坡等新增固體碎屑物質造成的各溝泥石流危險度增加量(表3)。

表3 固體碎屑物數量所致的泥石流危險度增加量

根據式2計算地震引造成巖土體松散所致的泥石流危險度增加量(表4)。

表4 巖土體松散所致的泥石流危險度增加系數

這些典型泥石流溝中大溪溝溝谷中有堰塞體(圖2),根據實地調查測量,該堰塞體最低處高31 m,使用地震前地形圖用GIS軟件的填方分析法算得該堰塞湖庫容為1.4×105m3。根據式(3),大溪溝50年一遇的洪峰流量為138.56 m3/s,庫內蓄水若以此流量排泄,則需要0.28 h即可將庫內蓄水完全排干,以此數據作為有堰塞體流域的危險度增加量。

圖2 大溪溝溝口地震崩塌形成堰塞體

根據式(4)計算9條典型溝谷泥石流危險度增加系數,最后的評價結果如表5所示。為便于比較驗證,將各溝地震后泥石流活動情況也列于表中。

表5 震后泥石流危險度增加系數及實際表現

2.2 評價結果分析

魏家溝、磨子溝、謝家店子溝、牛圈溝和高家子溝地震后危險度增加系數較大,都在1.2以上,這幾條溝谷處于5?12地震的Ⅹ度以上烈度區,地震造成大量的崩塌滑坡,固體物質充足,泥石流十分活躍,泥石流規模也較大。魏家溝由于滑坡直接補給泥石流,2008年9月暴雨引發了大規模的泥石流。磨子溝5?12地震后該溝泥石流活動強烈,截止2008年9月已發生多次泥石流活動,泥石流淤埋和沖毀了溝口村內房屋,溝口形成巨大的堆積扇,堆積扇擠壓岷江,并一度堵斷岷江。謝家店子溝中5?12地震引發高速滑坡轉化為碎屑流,堆積物在下游陡峻的山坡上停積,形成厚達40 m以上的堆積物質,大量固體物質在溝內、下游山坡及溝口堆積,加之上中游區域又多滑坡崩塌,固體物質十分充足,一旦有暴雨激發就會暴發泥石流。牛圈溝支溝蓮花芯溝是5?12汶川大地震的地面暴發點,地震發生時蓮花芯溝上游高速滑坡將大量的固體物質迅速輸送到主溝內,大量的固體物質堆積于溝內及岸坡上,地震后已暴發過多次泥石流。高家子溝在震后也多次發生泥石流,造成了較大的損害。

大溪溝、磨子溝、福堂壩溝和龍洞溝地震后泥石流危險度增加系數較小,都在1.2以下。從實際表現來看,這幾條溝谷除福堂壩溝外都處于5?12地震的Ⅸ度及以下烈度區,受地震的破壞作用較小,溝內堆積的松散固體物質相對較少,在5?12地震后這4條溝谷還沒有暴發過泥石流,與評價結果相符。

3 結論

(1)從評價結果來看,地震后泥石流活動明顯增強的魏家溝、磨子溝、謝家店子溝、牛圈溝、高家子溝的增加系數較大;計算出增加系數較小的大溪溝、龍洞溝、福堂壩溝和南溝實際中也沒有表現出泥石流活動性增大的現象。可見該評價方法是合理的,也是實用的。

(2)配方法計算泥石流的設計洪峰流量和固體物質總量時要根據流域面積、溝長、比降等參數結合流域降水特征使用水文模型計算設計洪峰流量和洪水過程,此方法以往多用于泥石流防治工程設計參數的計算中,本文嘗試將其用于泥石流的危險度增加系數評價中,使增加的固體物質方量、堰塞壩規模與泥石流活動直接聯系起來,用來判斷這些因素對泥石流危險度的貢獻大小,取得了較為理想的結果。

(3)溝谷地震之前的泥石流危險度可用現有的較為成熟的方法進行評價,震后溝谷泥石流的危險度為原危險度乘以危險度增加系數。這一方法的優勢在于可以充分使用以往的研究成果,不需要從頭進行研究;而且有些溝谷以前已經進行過危險度的評價,可直接使用這些數據,節省了大量的成本。

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