汶川地震災區泥石流危險性評估——以都江堰—汶川公路為例

韓用順，李龍偉，朱穎彥，孔亞平，李志強，黃鵬

(1.湖南科技大學建筑與城鄉規劃學院，411201，湖南湘潭;2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所，610041，成都;3.交通運輸部科學研究院交通環保與安全研究中心，100029，北京)

汶川大地震誘發了大規模群發性的滾石、崩塌、滑坡、泥石流等次生山地災害，大量的崩塌滑坡活動為泥石流形成提供了豐富的物質條件。隨著雨季的到來，原本松散的山體將會誘發新的次生山地災害，引發大規模的泥石流。在災后恢復重建力度加大和人類活動增強等因素疊加影響作用下，震區泥石流災害將日趨頻繁和嚴重，從而對災區生產生活、公共安全和恢復重建構成巨大威脅，并對道路交通系統造成嚴重破壞。災區泥石流具有點多面廣、成災迅速、監測預報困難等特點，已成為當前防災減災工作中的突出問題和災后重建的主要限制因素［1］。強震、震后強降雨和劇烈人類活動極大地改變了泥石流孕災環境，其發生的規模、頻率、危害程度等都具有不確定性。為了有效預防和科學處置震區泥石流災害，需要在研究震后泥石流孕災條件和形成機制的基礎上，進行震區泥石流危險性評價和區劃。

對于泥石流的研究，國內國際都已相當成熟，從最初的單方面到現在的多因素綜合評判，泥石流的爆發已是一個綜合因素影響的過程，一方面強震作用極大地改變了泥石流的孕災環境，泥石流的爆發帶有很大的不確定性，在這種強震作用下泥石流的危險性評價，國內外還缺少系統的評價方法和指標體系［2－6］，另一方面，強震作用下泥石流形成條件的基礎資料難以充分獲取。在這2 種情況下，如何科學地對災區泥石流進行危險性評價，是防災減災和災害評價急需解決的一個問題。灰色系統具有半開放半封閉性，可以在不完全知道全部情形下由灰到白去推測事件的發生，可以為泥石流的危險性提供一定依據。筆者以都江堰—汶川公路(下文簡稱都汶公路)沿線15 km 廊帶區域及區內28 條泥石流為研究對象，從多因素角度選取構造、巖性、相對高差和降雨等12 個危險性因子，應用遙感和GIS 等技術，結合現場調查資料，運用灰色關聯分析得出各個因子的關聯度和權重，得到研究區泥石流的危險度，以期為災區防災減災管理、災后恢復重建和公路交通選線提供必要的借鑒和依據。

1 研究區概況

都汶公路南起都江堰，北到汶川，沿岷江而建，是國道213 線與317 線的共用路段，是西部交通的重要通道，選取都汶公路岷江兩側的15 km 廊帶區間為研究區，覆蓋漩口、映秀、銀杏、綿池等鄉(鎮)(圖1)。該區是青藏高原東部邊緣與四川盆地的過渡區，地勢總體西北高東南低，新構造運動強烈，斷裂發育，主要有映秀—北川斷裂和茂汶斷裂，2 大斷裂帶呈北東—南西方向斜穿而過;地層發育比較完整，自中元古界至第四系均有發育，其中奧陶系、志留系地層大部分缺失，小范圍有出漏;氣候垂直分帶明顯，南澇北旱分明，光、溫、水、濕時空分布不均，以銀杏鄉蘇坡店為界，可分為2 個明顯的自然氣候區，蘇坡店以南的映秀、漩口河谷地帶屬山地亞熱帶濕潤季風氣候區，是川西多雨中心和暴雨地區之一，年降水量達1 285.1 mm，蘇坡店以北的綿虒、威州河谷地帶屬于暖溫帶半干旱季風氣候區，氣候干燥，年降水量約526.3 mm，季節分配不均;整個區段位于岷江上游，河流縱橫，河谷深切，水流湍急，河床平均坡降8‰，常年水位1 335.5 m，年均流量168 ～268 m3，為典型的高山峽谷區，河流深切，溝谷深邃，地表起伏巨大，相對高差達3 km［7］。

沿線震前是泥石流多發區，沿線的福堂壩溝、桃關溝、七盤溝等多條溝谷有泥石流活動的記錄。汶川特大地震后，沿線大量崩塌滑坡廣布，為泥石流的形成提供物源條件［8］。進入雨季，在強降雨激發下，出現逢溝便發泥石流的現象，震源附近的牛圈溝每年都有泥石流活動的記錄;2010 年8 月13 日四川重災區映秀鎮附近紅椿溝、燒房溝等爆發泥石流，沖毀路基路面，掩埋明洞，阻斷岷江造成改道;2011年7 月2 日，四川映秀鎮羅圈灣組附近高家溝發生泥石流，河道部分阻塞，導致213 國道再度中斷16天。這些泥石流嚴重影響了災后恢復重建進程和人民生命財產安全，危害著公路交通系統和公共安全。

2 基礎數據獲取與處理

2.1 數據源

圖1 都汶公路沿線概況Fig.1 Situation of Du—Wen Highway

根據泥石流的成災特點，綜合考慮其影響因素，選取ADS40 航空數據作為遙感影響數據源，獲取時間為2010 年4 月26—27 日、6 月17 日、6 月26—28日，空間分辨率2 m，影像范圍為岷江河道15 km 沿線區域，其他的資料主要有研究區1∶5萬DEM、1∶1萬數字地形圖和地震烈度、斷裂帶、巖性、年降雨量、土地利用類型、人類活動強度數據等矢量數據和紙質數據。

2.2 數據處理與分類

在已有的地形圖上，結合行政圖、水系圖，將遙感影像在Erdas9.2 中進行幾何糾正，然后進行融合拼接、色彩增強等處理。將預處理好的遙感影像作為底圖，用ArcGIS 9.3 對其進行精確配準之后，依據次生山地災害在遙感圖上的解譯標志［7］，按災害類型分別解譯，獲取基礎數據信息(圖2)。

圖2 銀杏坪溝崩滑體分布Fig.2 Distribution of landslides and collapses near Yinxingping Gully

依據野外調查和室內分析，并參考兩頭小、中間大這一原則和都汶公路沿線的實際情況，對選取的12 個因子進行規范化分級［5］。采用不等分間隔分割法將各個因子定性分為4 個級別，并分別賦值1、2、3、4。例如，將主溝長度分為≤1 km、(1，5］km、(5，10］km 和＞10 km 4 個區間，其中主溝長度≤1 km 的泥石流溝得1 分，(1，5］km 的泥石流溝得2分，(5，10］km 的泥石流溝得3 分，＞10 km 的泥石流溝得4 分。其他因子依此類推，其分級與賦值結果如表1 的所示。

表1 泥石流危險性評價因子分級與賦值Tab.1 Gradation and evaluation of factors for debris flow hazard assessment

2.3 評價過程

從泥石流災害承載機制分析、災害調查與基礎數據庫出發，結合遙感和GIS 空間分析技術，對泥石流評價因子進行選取，關鍵因子選擇，數據處理與分析，影響因子權重確定以及泥石流危險度分析，從而得出分區結果，為減災管理提供參考(圖3)。

圖3 評價流程圖Fig.3 Flow chart of assessment

3 危險性評價

3.1 影響因子確定及危險等級劃分

泥石流研究已相對成熟，從前期選取單方面因子到后續綜合考慮影響因素，前人［3-6］在影響因子選取方面也各不相同。泥石流的爆發是一個綜合的過程，根據泥石流形成條件和致災機制，本文從地形地貌、地質地震、氣象水文、人類活動等方面，選取了構造(斷裂帶距離)X0、平均坡度X1、流域面積X2、主溝彎曲系數X3、主溝長度X4、切割密度X5、年降雨量X6、地震烈度X7、人類活動強度X8、巖性X9、相對高差X10、崩塌滑坡點密度X1112 個主要影響因子，作為泥石流危險性評價的關鍵參數。

3.2 灰色關聯度分析法權重確定

權重的選擇有很多種方法，比如專家打分法、多元回歸分析法等。灰色系統理論中的關聯度分析是確定因素之間關系密切程度的一種方法［9］。它是在確定參考序列的基礎上，把原始數據作量綱歸一化處理，然后計算主導因子序列與各關聯因子序列相互比較的絕對差值，最后計算出主導因子與關聯因子間的關聯度。主導因子對泥石流影響最大;因此，與主導因子關聯度高的關聯因子對泥石流的影響也越大，其權重也越大［10］。

灰色系統理論中關聯度分析首先選中參考序列X0=(X0(1)，X0(2)，…，X0(n) )，本文選擇地質條件中的構造為參考序列，然后依次選擇比較序列，Xi=(Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(n) )，i=1，2，…，m。

1)由于各因子量綱不同，故對數據做均值化處理，使其量綱為1。

式中:i=1，2，…，m; k=0，1，…，n。

2)求參考序列與比較序列的絕對差

3)計算兩極最大差與最小差

4)計算關聯系數

式中k 為常數，0 ＜k ＜1，一般取值0.5。

5)計算關聯值

式中Ri(X0，Xi) 為Xi對X0的關聯度。由得出的關聯值可以看出與參考序列構造X0的關聯相近程度，其與泥石流的關聯性也越大，爆發泥石流的可能性也越大。

3.3 危險度計算

表2 都汶公路沿線各泥石流溝危險性評價因子得分Tab.2 Evaluation of respective assessing factor of debris flow gullies along Du－Wen Highway

表3 都汶公路沿線各泥石流溝危險值Tab.3 Value of hazard degree of debris flow gullies along Du－Wen Highway

圖4 泥石流危險性評價結果Fig.4 Hazards assessment results of debris flow gullies

4 結論與討論

“5·12”汶川大地震后誘發了大規模的次生山地災害，在降雨條件的激發下，出現了逢溝便發泥石流的情形，都汶公路位于斷裂帶附近，沿線災害繁多，進入雨季尤為危險，對沿線泥石流進行危險性評價具有長遠意義和參考作用。筆者從綜合方面，結合GIS 軟件，運用灰色關聯分析法，對研究區28 條泥石流溝進行危險性評價，得到的主要結果如下。

1) 都汶公路28 條泥石流溝大部分處于高度危險以上、占總數的78.57%，其中極高危險區占總數的25%。餌溝、牛圈溝、磨子溝危險性最大，其次是高店子溝、馬埝坪溝和一碗水溝。

2) 從泥石流形成的3 大形成條件，通過對比分析，選取的12 個危險因子基于灰色關聯分析法的多因素評價方法，能較好地確定評價因子及其權重、并計算出泥石流危險度，具有一定實用性。

此方法分析了各個影響因子之間的關系密切程度，從而確定權重得出各個因子對泥石流的影響程度，綜合得出泥石流的危險度。其受到參考序列和溝谷條數的影響較大，本文從構造、巖性、相對高差等方面分別選擇與比較從而確定參考序列。泥石流的發生是一個綜合過程，其影響因子多，泥石流溝松散物質量和臨界雨量也是震后泥石流重要的影響因子，同時灰色系統在參考選擇和溝谷條數不同情況下會有不同的影響，須在后續工作中加入分析完善。

中國科學院數字地球與對地觀測中心、國家測繪局基礎地理信息中心提供了部分遙感數據和基礎地理信息支持，楊志全、廖麗萍、楊萬科等參加了野外考察和數據分析，特此感謝。

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