拖海小流域泥石流危險性評價

劉星星，毛吉成，張成奎，許廣飛，張沖沖

(1.喀斯特環(huán)境與地質(zhì)災(zāi)害防治教育部重點實驗室(貴州大學(xué))，貴陽 550025； 2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴陽 550025)

1 概 述

泥石流是由強降雨或冰雪消融形成的高濃度、寬級配的多相非均質(zhì)流體，是地形地貌、氣候、土壤等自然條件和人類破壞山區(qū)自然環(huán)境的人為因素綜合作用的結(jié)果[1]。泥石流是最常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，喀斯特地區(qū)具有溝谷相間、地表破碎、地形切割強度大等特點[2]。目前，常采用專家經(jīng)驗法、層次分析法[3-5]、灰色關(guān)聯(lián)度法[6]、投影尋蹤法[7]、主成分分析法[8]、模糊綜合評價法[9]等方法選取泥石流的分析評價指標(biāo)[10]。模糊綜合評價法是用模糊數(shù)學(xué)作為基礎(chǔ)，處理泥石流此類有較多模糊因素的地質(zhì)災(zāi)害具有一定的優(yōu)勢[10]。首先是選取評價因子屬性進行歸一化處理，然后計算得到影響因子的權(quán)重[11]，隨后將屬性函數(shù)與權(quán)重乘積加和，得到災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)；最后對泥石流危險度進行計算分析和危險程度分級[12-13]。泥石流評價的工作內(nèi)容主要包含易發(fā)性評價、危險性評價、易損性評以及風(fēng)險性評價[14]。泥石流易發(fā)性評價建立在地質(zhì)環(huán)境條件(內(nèi)在控制因素)基礎(chǔ)上，靜態(tài)描述泥石流災(zāi)害在相對穩(wěn)定的孕災(zāi)環(huán)境中發(fā)生的可能性。而危險性評價是在此基礎(chǔ)之上，進一步考慮外在誘發(fā)泥石流發(fā)生的動態(tài)因素，考察泥石流發(fā)生的可能性。拖海小流域地處貴州西部，地處喀斯特地區(qū)。通過對拖海小流域的泥石流進行危險性評價，對將來拖海小流域的泥石流治理具有指導(dǎo)意義。見圖1。

圖1 泥石流溝危險性評價指標(biāo)體系

2 泥石流溝發(fā)育程度分析

拖海小流域地處貴州西部，拖海小流域面積155.6 km2，拖海小河發(fā)育支溝3條。拖海小流域內(nèi)最高點海拔2 580 m；最低點為西南側(cè)可渡河入口處，海拔1 320 m，高差約1 260 m。研究區(qū)地形地貌形成以侵蝕作用為主，溶蝕作用其次，河谷切割深度約200～800 m。在強烈侵蝕作用下，形成“坡陡、脊尖、谷窄”的地貌特征。根據(jù)巖組特性，可分為中低高程的砂泥巖區(qū)和高高程灰?guī)r區(qū)。砂泥巖區(qū)巖體風(fēng)化較強烈，巖體較破碎，坡面上松散堆積物較發(fā)育；灰?guī)r區(qū)地勢陡峭，松散堆積物較少。小流域范圍內(nèi)植被覆蓋較低，坡面松散物質(zhì)在雨水作用下流失嚴(yán)重。

參照《地質(zhì)災(zāi)害危險性評價規(guī)范》(DZT 0286-2015),泥石流溝發(fā)育程度的調(diào)查指標(biāo)包括崩塌、滑坡及水土流失(自然和人為)嚴(yán)重程度、區(qū)域構(gòu)造影響程度、泥沙沿程補給長度比、溝口泥石流堆積活動強度、河溝縱坡比、河流植被覆蓋率、巖性影響、河溝近期一次變幅、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)溝槽橫斷面、溝岸山坡坡度、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、流域相對高差、流域面積、河溝堵塞程度等共15個評價指標(biāo)。其中，中等發(fā)育的泥石流溝谷面積26.96 km2，占22.3%；弱發(fā)育區(qū)面積93.89 km2，占77.7%。見圖2。

圖2 研究區(qū)地形地貌及泥石流發(fā)育程度

3 評價指標(biāo)選取

泥石流發(fā)育的影響因素有很多，如崩塌、滑坡及水土流失(自然和人為)嚴(yán)重程度、降雨影響、區(qū)域構(gòu)造影響程度、泥沙沿程補給長度比、溝口泥石流堆積活動強度、河溝縱坡比、河流植被覆蓋率、巖性影響、河溝近期一次變幅、沿溝松散物儲量、產(chǎn)沙區(qū)溝槽橫斷面、溝岸山坡坡度、產(chǎn)沙區(qū)松散物平均厚度、流域相對高差、流域面積、河溝堵塞程度等。評價指標(biāo)體系的建立是以縣為尺度的泥石流危險性評價的根基，其應(yīng)具有普遍適應(yīng)性和較強的操作性。因此，選取評價指標(biāo)應(yīng)滿足以下原則：①全面性原則；②規(guī)范性原則；③主導(dǎo)因素原則；④可比性原則；⑤可操作性原則；⑥定量與定性結(jié)合原則[10]。

3.1 評價因子分析

3.1.1 地形地貌評價因子

地形地貌評價因子需要直觀地反映出流域內(nèi)地表環(huán)境，溝道的陡峭以及溝壑的發(fā)育情況都能客觀地描述泥石流溝流域的實際環(huán)境，從而體現(xiàn)泥石流災(zāi)害的孕育條件。本文借助GIS軟件的空間分析功能，分析研究區(qū)內(nèi)泥石流域內(nèi)所具備的流域面積、流域高程差、泥石流溝密度、縱坡降等評價因子，描述研究區(qū)的地形地貌條件。

1) 流域面積。流域面積能適當(dāng)?shù)胤从吵隽饔虻膮R流狀況和產(chǎn)沙量。一般情況下，流域面積越大，產(chǎn)沙量越多，而產(chǎn)沙量的多少會影響流域內(nèi)物源儲量。本文借助GIS軟件統(tǒng)計研究區(qū)28條泥石流溝的流域面積，流域面積大部分集中在2～6 km2以內(nèi)。其中，流域面積最大的泥石流溝為煤炭溝2#溝，達22.05 km2；流域面積最小的泥石流溝為華沙小學(xué)溝，面積為0.85 km2。

2) 流域高程差。流域高差是地形地貌特征中視覺最為直觀的一個因素，也是基礎(chǔ)要素之一，而且流域高差是判定泥石流能否起動的根本條件。高程差越大，潛在勢能就越高，泥石流發(fā)生的動力條件就越好。研究區(qū)28條泥石流溝的流域高差在100～900范圍內(nèi)，分布不集中。研究區(qū)內(nèi)泥石流高差最小的為楊家灣，高差為110 m；最大的為園寶山2#溝，高差為885 m。研究區(qū)內(nèi)泥石流溝單元具體流域高差分級統(tǒng)計見圖3-圖4。

圖3 泥石流流域面積圖

圖4 泥石流流域高差圖

3) 主溝縱坡降。泥石流主溝縱坡降即泥石流溝流域高差和主溝長度的比值。主溝縱坡降在泥石流勘查治理中是一個必不可少的重要因子，對泥石流溝床徑流的坡度有直觀的反映，也是影響泥石流動力條件的重要指標(biāo)之一。泥石流溝縱坡降越大，其勢能也越大，泥石流發(fā)生的動力條件也就越好。對28條泥石流溝的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，縱比降范圍為40‰～450‰，其中多數(shù)縱坡降集中在0～250‰之間，數(shù)量為24條，縱坡降最大的為水塘村的416‰。

4) 泥石流溝密度。溝壑密度是反映流域內(nèi)溝壑發(fā)育的能力，表現(xiàn)流域內(nèi)地表受外力侵蝕的程度。溝壑密度越高，泥石流溝受水利侵蝕能力則越強，越有利于泥石流的形成，其計算公式如下:

(1)

式中:D為流域內(nèi)溝密度；L為流域內(nèi)溝壑總長度；S為流域面積。

本文以分水嶺為界劃分小流域的微流域作為基本研究單元，利用GIS軟件統(tǒng)計各流域單元的溝長度和流域面積，利用公式計算出各個單元泥石流溝密度，其溝密度范圍在1.2～4.5之間，其中泥石流溝壑密度在1.2～3.5之間的有25條。具體統(tǒng)計見圖5-圖6。

圖5 泥石流主溝縱坡降圖

圖6 泥石流溝密度圖

上述4類評價因子都是針對研究區(qū)地形地貌方面進行描述分析因子。流域面積越大，縱坡降越大，流域高程差越大，泥石流溝密度越高則表明孕育泥石流發(fā)生的條件越好。

3.1.2 物源動態(tài)條件

物源動態(tài)條件：動態(tài)頻率(降雨、地震等)和物源狀態(tài)因子相擬合的動態(tài)評價因子。從降雨頻率來說，年降雨量越大，泥石流流域內(nèi)物源儲量越多，活動性越強，則越有利于泥石流的大規(guī)模暴發(fā)。

3.1.2.1 物源條件

1) 根據(jù)坡度建立土層厚度。①通過現(xiàn)場調(diào)查獲取不同坡度下表面土層厚度，然后建立函數(shù)關(guān)系。②利用ARCGIS：地形圖→DEM→坡度，通過柵格計算器，利用已建立的函數(shù)關(guān)系式，利用坡度作出土層厚度。

2) 根據(jù)巖性對上一步建立的厚度進行折減。①通過ARCGIS中建立地層巖性分類圖，并通過ARCGIS賦予上述折減系數(shù)，得到不同巖性的折減系數(shù)圖。②將從坡度下提取的土層厚度圖進行折減，即將第1步中提取的土層厚度與第2步得到的不同巖性下的折減系數(shù)圖通過ARCGIS進行乘法計算。③根據(jù)各流域單元面積得到其物源儲量。

3.1.2.2 降雨條件

根據(jù)威寧、赫章、六盤水、宣威近20年最大降雨量進行空間插值，得到區(qū)域內(nèi)降雨分布圖，見圖7-圖9。

圖7 堆積層厚度與坡度關(guān)系圖

圖8 地層巖性折減圖

圖9 小流域降雨量分布圖

3.2 評價因子權(quán)重

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害危險性評價規(guī)范》(DZT0286-2015)中泥石流發(fā)育程度量化評分標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料中選取符合研究區(qū)的影響因素及其評分，確定危險性評價指標(biāo)及其權(quán)重，見表1。

表1 泥石流評價指標(biāo)權(quán)重

4 評價指標(biāo)的疊加與危險性分級

研究區(qū)內(nèi)作為描述研究對象的地形地貌條件，如流域高程差、流域面積、縱坡降、泥石流溝密度等因子；物源動態(tài)條件如流域平均年降雨量和流域堆積層平均厚度因子。對流域危險性的影響都是條件因子越大，危險性越大。因此，采用閥值法函數(shù)對各評價因子進行無量綱歸一化處理[15]。

(2)

4.1 評價指標(biāo)量化

利用ARCGIS里的研究區(qū)原始等高線文件，繪制小流域原始DEM圖，作為底圖。將賦有屬性值的各單元流域加載進來，對不同的評價指標(biāo)分別進行無量綱歸一化，得到不同指標(biāo)的歸一化圖，見圖10-圖14。

圖10 流域面積與高差歸一化圖

圖11 主溝縱坡降與溝密度歸一化圖

圖12 降雨量與物源厚度歸一化圖

圖13 溝口堆積活動強度與巖性歸一化圖

圖14 植被覆蓋率與災(zāi)害程度歸一化圖

4.2 疊加計算結(jié)果

根據(jù)權(quán)重在ARCGIS軟件中進行歸一化指標(biāo)圖層調(diào)整計算得到。在軟件中，統(tǒng)計分析28條泥石流溝得到其危險度，見圖15。

圖15 泥石流發(fā)育程度和危險性區(qū)劃圖

5 結(jié) 論

根據(jù)調(diào)查，拖海小流域內(nèi)發(fā)育泥石流溝谷28條，均為山區(qū)小型溝谷型稀性泥石流。根據(jù)計算得到拖海小流域中等危險的泥石流溝共13條，面積65.48 km2，占54.8%；其余15條溝谷為低危險泥石流溝，面積55.37 km2，占45.2%；研究區(qū)內(nèi)無危險性高和極高的泥石流溝。其中，曹家溝、煤炭溝、卯家溝、寺惡溝、跛子溝等溝谷均直接與拖海小河相連，在洪水季節(jié)拖海小河水位較枯水位高出2～3 m，泥石流一般又發(fā)生在每年的雨季，尤其是每年的6-10月份，即使這些溝谷發(fā)生泥石流，其泥石流堆積物也很難保存下來。據(jù)調(diào)查，區(qū)域內(nèi)這些溝谷近20～30年來未有大規(guī)模泥石流發(fā)生，但暴雨條件下有暴發(fā)山洪的可能，且水中攜帶有大的塊石、泥沙，這說明各主溝盡管暴發(fā)泥石流的頻率較低，但存在高含沙水流。按照泥石流發(fā)生頻率分類，研究區(qū)這些溝谷均屬于低頻率泥石流溝。對于所研究溝谷的各支溝而言，泥石流發(fā)生頻率相對較主溝高，但單一溝谷發(fā)生泥石流，并不能徹底改變整個溝谷洪水的性質(zhì)，只能使主溝形成高含沙水流或在主溝局部地段形成稀性泥石流，不會導(dǎo)致全溝發(fā)生泥石流。