坡面泥石流災(zāi)變易損性分析評(píng)價(jià)及防災(zāi)模式

羅冠枝，陳全明，王國(guó)衛(wèi)

（湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，湖南 長(zhǎng)沙410007）

0 引言

2016年7月17日中午12 點(diǎn)05分，受持續(xù)性強(qiáng)降雨影響，湖南省湘西自治州古丈縣默戎鎮(zhèn)龍鼻村九組附近山體發(fā)生坡面泥石流，由于預(yù)警及時(shí)、處置果斷，在災(zāi)害發(fā)生前15分鐘成功轉(zhuǎn)移群眾500余人，無(wú)造成人員傷亡。這次成功避讓得到了湖南省委、省政府及國(guó)土資源部的高度肯定，引起社會(huì)廣泛關(guān)注。據(jù)調(diào)查，該災(zāi)害體掩埋鐵路60 余米，造成焦柳鐵路中斷（達(dá)100個(gè)小時(shí)），摧毀房屋14間，初步估算直接經(jīng)濟(jì)損失2000萬(wàn)元。

以此為背景，提出坡面泥石流災(zāi)變易損性的概念，初步定義為“由于坡面泥石流災(zāi)害突變導(dǎo)致承災(zāi)體遭受不同程度的損毀”。在湖南地區(qū)對(duì)坡面泥石流研究比較少，坡面泥石流的識(shí)別目前仍是技術(shù)難題，特別對(duì)于一些災(zāi)變不明顯的坡面。本文以默戎坡面泥石流為研究對(duì)象，分析評(píng)價(jià)坡面泥石流災(zāi)變易損性，更好地實(shí)現(xiàn)“防災(zāi)于前，減損于后”的防災(zāi)模式［1］。

1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

坡面泥石流災(zāi)變易損性反映了坡面泥石流對(duì)承災(zāi)體自身造成危害程度所表現(xiàn)出的差異性，選取致災(zāi)因子和承災(zāi)因子作為主要評(píng)價(jià)因子，其中致災(zāi)因子包括坡面泥石流暴發(fā)頻率、規(guī)模、物質(zhì)成分、24 小時(shí)降雨量、勢(shì)能儲(chǔ)量環(huán)境，承災(zāi)因子包括承災(zāi)體與坡面泥石流的空間關(guān)系、承災(zāi)體結(jié)構(gòu)類型和質(zhì)量、承災(zāi)體所處的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜程度、承災(zāi)體使用年限與設(shè)計(jì)年限比等［2-7］（表1）。

表1 坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)等級(jí)

1.2 建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)以上確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)及其相互影響關(guān)系，建立分級(jí)層次結(jié)構(gòu)（圖1）。可分為3個(gè)層次：目標(biāo)層（A）、主要因子層（B）和基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)層（C）。其中目標(biāo)層是指坡面泥石流災(zāi)變作用對(duì)承災(zāi)體的易損作用，是整個(gè)層次分析的最終目標(biāo)；主要因子層表示坡面泥石流和承災(zāi)體的特點(diǎn)，它是坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)；針對(duì)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的因素影響分析，細(xì)化為11個(gè)基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以表示坡面泥石流和承災(zāi)體的基本特性。

2 基于AHP的改進(jìn)灰色聚類法在坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

改進(jìn)灰色聚類法主要將評(píng)價(jià)對(duì)象中不同聚類指標(biāo)所在的白化函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，按不同的灰類進(jìn)行分類處理，進(jìn)而判定評(píng)價(jià)對(duì)象的歸屬性。本文把坡面泥石流看作是一個(gè)灰色系統(tǒng)研究對(duì)象，將該方法引入到坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)中。

2.1 給定聚類白化數(shù)

2.2 改進(jìn)的白化函數(shù)

把聚類指標(biāo)以聚類等級(jí)i確定白化函數(shù)Ubi（xab）（b=1+，2+，3+…；i=1，2，3…）。因?yàn)槊總€(gè)聚類指標(biāo)的白化數(shù)值相差較大，難以對(duì)比分析，因此先做無(wú)量綱化處理，其取值范圍一般在0～1之間。第一類：

對(duì)于傳統(tǒng)白化函數(shù)是線性穩(wěn)定變化的，不能獲取最佳的評(píng)價(jià)效果。由于坡面泥石流是一個(gè)復(fù)雜的灰色系統(tǒng)，并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，因此采用非線性的白化函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)坡面泥石流災(zāi)變易損性更為合理，應(yīng)用改進(jìn)后的白化函數(shù)［8］形式如下：

對(duì)于逆指標(biāo)：

式中， xab為第a 個(gè)評(píng)價(jià)單元的第b個(gè)指標(biāo)實(shí)際值， sup（m）、inf（m）為指標(biāo)易損性等級(jí)

該指數(shù)型白化函數(shù)具有區(qū)間單調(diào)性和極限存在特性［8］，其函數(shù)為分段的指數(shù)函數(shù)形式，作為坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)的白化函數(shù)較為合適。

2.3 規(guī)范化處理

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的各個(gè)指標(biāo)所表征對(duì)象的性質(zhì)屬性各不相同，它們的量綱值也不相同。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，要對(duì)各個(gè)不同量綱的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，先將其進(jìn)行規(guī)范化處理，對(duì)這些數(shù)據(jù)全部轉(zhuǎn)換成無(wú)量綱數(shù)據(jù)，再進(jìn)行比較。按下面的線性關(guān)系對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)值進(jìn)行無(wú)量綱處理。對(duì)于正指標(biāo)：閾值的上、下確界， Rab為指標(biāo)規(guī)范化值。經(jīng)過(guò)這種規(guī)范化處理所得到的新數(shù)據(jù)均在0～1之間。

2.4 改進(jìn)的聚類權(quán)

本文改用層次分析法來(lái)確定聚類權(quán)，可根據(jù)實(shí)際情況，確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)之間的合理排序，不至于出現(xiàn)指標(biāo)系數(shù)與指標(biāo)實(shí)際重要程度相違背的情況。

利用層次分析法確定聚類權(quán)的方法為：

（1）構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)多個(gè)專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分來(lái)構(gòu)造判斷矩陣。判斷矩陣元素的值主觀反映了各評(píng)價(jià)因素相對(duì)重要性的認(rèn)識(shí)，一般采用1～9及其倒數(shù)的標(biāo)度方法（表2）。

表2 層次分析法的判斷矩陣標(biāo)度及其含義

一般采用根法或和積法，求得判斷矩陣的特征向量wi=（w1，w2，…wn），即為評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

（2）一致性檢驗(yàn)

衡量判斷矩陣的不一致程度的數(shù)量指標(biāo)為一致性指標(biāo)為CI，滿足

則判斷矩陣的一致性準(zhǔn)則為：

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值， RI 可通過(guò)查一致性指標(biāo)RI 值表得到。當(dāng)CR<0.1時(shí)，則判斷矩陣有可接受的不一致性；否則需要重新調(diào)整修正，直到一致性檢驗(yàn)通過(guò)為止。

2.5 確定聚類系數(shù)

σai為第a 個(gè)聚類對(duì)象對(duì)于第i灰類的聚類系數(shù)。 從而構(gòu)造向量：

2.6 聚類分析評(píng)判

3 應(yīng)用實(shí)例

本文以默戎坡面泥石流為例，說(shuō)明基于AHP 的改進(jìn)灰色聚類法在坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。

3.1 默戎坡面泥石流概況

3.1.1 氣象水文

3.1.2 地形地貌

3.1.3 地層巖性

3.1.4 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)地下水類型主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。（1）松散巖類孔隙水：賦存于第四系殘積相粉質(zhì)粘土中，地下水水量貧乏，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，由高向低徑流，在低洼處呈下降泉排泄或以線狀向山腳下溪流中排泄。（2）基巖裂隙水：賦存于下伏頁(yè)巖基巖裂隙中，主要受大氣降水、地表水及松散層孔隙水補(bǔ)給，地下水主要沿裂隙運(yùn)移，水量貧乏。

3.1.5 工程地質(zhì)條件

（1）土體：分布于坡麓地帶及溪溝兩側(cè)的沖溝谷底。其特征為含碎石粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土綜合土體（殘坡積物），松散單層結(jié)構(gòu)，地基承載力特征值為150～260KPa。（2）巖體：強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖層極破碎，抗變形能力稍強(qiáng)。中風(fēng)化頁(yè)巖，屬較硬巖組，抗變形能力較強(qiáng)，巖體較為完整。

3.1.6 災(zāi)害體特征

（1）基本特征

該坡面泥石流寬40m，坡體斜長(zhǎng)130 m，坡向50°，坡面坡度50°。泥石流物質(zhì)主要是由粉質(zhì)粘土及碎石土組成，基巖主要為頁(yè)巖，巖層產(chǎn)狀320°＜12°，節(jié)理裂隙較發(fā)育，土層厚約2m。

據(jù)航測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，受災(zāi)害影響面積為12120m2。其中，上部地質(zhì)災(zāi)害形成區(qū)域面積為4960m2，災(zāi)體下部受損面積為7160 m2，體積9900 m3，屬小型坡面泥石流地質(zhì)災(zāi)害（圖2、圖3）。

圖2 默戎坡面泥石流正面圖Fig.2 Morong slopedebris flow front view

圖3 默戎坡面泥石流俯視圖Fig.3Morong slope debris flow view

（2）形成及危害特征

該坡面泥石流是在特大暴雨的激發(fā)下，凹型坡面內(nèi)的松散土體飽水后突然起動(dòng)，沿著基巖表面向下快速運(yùn)動(dòng)，猛烈地沖擊下面的山體。滑塌體啟動(dòng)后立即轉(zhuǎn)化為泥石流并繼續(xù)向下流動(dòng)，強(qiáng)烈地沖刷坡面，在山坡上留下了長(zhǎng)條狀的侵蝕凹槽，最后泥沙停積在斜坡腳，形成倒石堆狀的堆積體。

默戎坡面泥石流沖毀5棟房屋，造成焦柳鐵路龍鼻嘴2號(hào)隧道北硐口被掩埋，中斷交通100 小時(shí)（圖4、圖5）。

綜上所述可知，默戎泥石流是坡面泥石流，強(qiáng)降雨是其誘發(fā)因素，其危害方式以淤積和沖毀為主，調(diào)查參數(shù)如表3所示。

3.2 默戎坡面泥石流災(zāi)變易損性計(jì)算結(jié)果

根據(jù)層次分析法確定指標(biāo)聚類權(quán)，判斷矩陣如表4 所示。

表3默戎坡面泥石流調(diào)查參數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo) 調(diào)查參數(shù)S1調(diào)查參數(shù)S2調(diào)查參數(shù)S3 C10.010.010.01 C20.990.990.99 C3面蝕、溝蝕中等，由土、砂組成，顆粒差異較少面蝕、溝蝕中等，由土、砂組成，顆粒差異較少面蝕、溝蝕中等，由土、砂組成，顆粒差異較少C4>200>200>200 C5相對(duì)高差290m，坡度一般25°～50° 相對(duì)高差290 m，坡度一般25°～50°相對(duì)高差290 m，坡度一般25°～50°C60°～20°0°～20°20°～60°C7＜1010～5030～100 C8合理性較好，能較為便利泥石流的排通合理性差，不利于泥石流排泄，并會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的沖擊與沖刷破壞合理性一般，較利于泥石流的排泄，但會(huì)引起一定程度的泥石流破壞作用C9鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，質(zhì)量較好 木制結(jié)構(gòu)，質(zhì)量差 木制結(jié)構(gòu)，質(zhì)量差C10地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，不良地質(zhì)現(xiàn)象與地質(zhì)災(zāi)害較發(fā)育C110.2 ～0.40.2 ～0.60.2 ～0.6

表4AHP法判斷矩陣指標(biāo)C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11 C11.00.30.50.10.30.20.20.20.20.20.2 C24.01.03.30.32.00.30.50.30.52.02.5 C32.00.31.00.10.30.10.10.10.20.30.3 C48.04.09.01.03.31.31.71.41.72.53.3 C53.00.54.00.31.00.20.30.30.30.50.3 C66.03.08.00.85.01.02.01.31.73.32.5 C75.02.07.00.64.00.51.00.30.33.32.0 C86.03.08.00.74.00.84.01.03.35.03.3 C96.02.06.00.63.00.63.00.31.02.53.3 C105.00.53.00.42.00.30.30.20.41.00.3 C115.00.44.00.33.00.40.50.30.33.01.0

求得w=（0.0172，0.0673，0.0186，0.1745，0.0388，0.1603，0.0991，0.1872，0.1211，0.04 94，0.0665）。

再由改進(jìn)灰色聚類法公式計(jì)算出聚類向量σS1=（0.0000，0.4593，0.0341，0.0727，0.4339），σS2=（0.0000，0.1178，0.0674，0.4801，0.3348），σS3=（0.0000，0.1178，0.4300，0.2777，0.1745），根據(jù)擇近原則，位于坡面泥石流正下方的隧道承災(zāi)體S1屬于低度易損性，位于坡面泥石流正下方的房屋承災(zāi)體S2 屬于高度易損性，位于坡面泥石流兩側(cè)的房屋承災(zāi)體S3屬于中度易損性。調(diào)查表明，位于坡面泥石流正下方的隧道未受損毀，位于坡面泥石流正下方的房屋損毀嚴(yán)重，位于坡面泥石流兩側(cè)的房屋受損較輕，與評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合，表明該評(píng)估方法不僅可以應(yīng)用在坡面泥石流災(zāi)變性易損性評(píng)價(jià)上，而且所得的結(jié)果具有較好的適用性。

4 防災(zāi)模式

默戎泥石流發(fā)生后，相關(guān)部門采取了積極有效的防災(zāi)減災(zāi)措施，包括撤離措施、搶險(xiǎn)措施和治理措施，取得了明顯的防災(zāi)效果。通過(guò)本次默戎泥石流成功的避險(xiǎn)案例，本文提出“防災(zāi)于前，減損于后”的防災(zāi)模式，包括監(jiān)測(cè)、預(yù)警、決策、處置等，為今后類似的災(zāi)害作出借鑒。

（1）監(jiān)測(cè)

地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)是地質(zhì)災(zāi)害防治工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。通過(guò)采用不同的監(jiān)測(cè)手段，了解災(zāi)害體的動(dòng)態(tài)變化特征。在此基礎(chǔ)上，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)預(yù)報(bào)，確定有針對(duì)性的具體防范措施。監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容包括水文氣象監(jiān)測(cè)、地下水監(jiān)測(cè)、位移監(jiān)測(cè)等。同時(shí)，要有效落實(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警值班和動(dòng)態(tài)巡查制度，建立汛期24小時(shí)監(jiān)測(cè)值班值守制度，堅(jiān)持汛前排查、汛中巡查、汛后復(fù)查。

（2）預(yù)警

國(guó)土部門與氣象部門聯(lián)合開(kāi)展地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)報(bào)工作，不斷完善地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警服務(wù)平臺(tái)，超限報(bào)警自動(dòng)向各級(jí)防災(zāi)責(zé)任人和群測(cè)群防員發(fā)送警預(yù)信息，為地質(zhì)災(zāi)害防治提供更加快捷準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)預(yù)警信息，與氣象、水利等部門建立會(huì)商機(jī)制，采用“群測(cè)+群防”的工作方式構(gòu)筑地質(zhì)災(zāi)害防治預(yù)警的“安全網(wǎng)”，更加準(zhǔn)確科學(xué)防災(zāi)。

（3）決策

建立會(huì)商指揮決策管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)是地質(zhì)災(zāi)害防治決策過(guò)程中最重要的工作環(huán)節(jié)之一，當(dāng)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的可視化形式，實(shí)現(xiàn)分布在不同地方的各種地質(zhì)災(zāi)害防治專家和地質(zhì)災(zāi)害防治決策人員實(shí)時(shí)查看該地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的現(xiàn)狀，以會(huì)商的形式，收集整理各位專家提出的各類地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，并由地質(zhì)災(zāi)害防治決策人員根據(jù)國(guó)家有關(guān)規(guī)定，在確保人們生命財(cái)產(chǎn)以及重大工程安全、盡量較少災(zāi)害損失及盡量保護(hù)環(huán)境的前提下，選擇出滿意的應(yīng)急預(yù)案，并對(duì)各種地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案做出科學(xué)的評(píng)估和決策。

（4）處置

建立應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制，組建突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急指揮部和由國(guó)土、財(cái)政、公安、武警、醫(yī)療、交通、水利、建設(shè)、環(huán)保、氣象等部門工作人員聯(lián)合組成的應(yīng)急處理隊(duì)伍。對(duì)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件，采取積極有效的應(yīng)急反應(yīng)措施，保障災(zāi)區(qū)社會(huì)穩(wěn)定，減輕災(zāi)害造成的損害。

5 結(jié)論

（1）本文以默戎坡面泥石流為背景，提出坡面泥石流災(zāi)變易損性的概念，初步定義為“由于坡面泥石流災(zāi)害突變導(dǎo)致承災(zāi)體遭受不同程度的損毀”。它反映了坡面泥石流對(duì)承災(zāi)體自身造成危害程度所表現(xiàn)出的差異性。

（2）在坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)中，本文利用層次分析法并結(jié)合灰色聚類理論，建立了坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)以默龍坡面泥石流為例進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果基本相符，表明該方法適用于坡面泥石流災(zāi)變易損性評(píng)價(jià)，可以為工程建設(shè)選址和方案優(yōu)化、工程建設(shè)抗災(zāi)能力分析提供科學(xué)參考依據(jù)。

（3）通過(guò)本次默戎坡面泥石流成功的避險(xiǎn)案例，本文提出“防災(zāi)于前，減損于后”的防災(zāi)模式，為今后類似的災(zāi)害防治提供參考。