基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法

耿佳弟,陳五一,趙艷華

(1.四川大學錦城學院,四川 成都 611731;2.西南石油大學地球科學與技術學院,四川 成都 610500;3.四川交通運輸職業學校,四川 成都 611130)

0 引言

由于地震釋放大量能量,使不穩定斜坡發生滑塌,誘發了數以萬計的滑坡崩塌災害,產生了很多松散堆積物,為泥石流發生提供了充足的物源[1]。加之災區降雨入滲導致邊坡體自重增加、土體顆粒抗剪強度降低,進而引起邊坡系統基質吸力場、土體容重場及地下動水壓力場的改變,發生時效變形,從而影響邊坡的安全穩定性,形成滑坡[2]。發生泥石流災害時巖石、泥沙等雜物在短期內順流而下,在溝谷或河流處堆積,對災害發生所在地的人身財產、資源供應、生態環境、道路和通信等基本條件造成嚴重的破壞[3]。泥石流具有并發性、突發性、周期性和強破壞性的特點,一旦發生爆發頻率高、來勢兇猛、時間短、流速快、流量大,對人民的生命安全和財產安全造成極大的威脅[4]。當前震后泥石流災害損失預測方法存在預測效率低和預測準確率低的問題,需要對震后泥石流災害預測方法進行分析和研究[5]。

舒和平等[6]提出基于Flo-2d數值模擬模型的災害損失預測方法,該方法的基礎評價指標選取易損度和單溝危險度,通過Flo-2d數值模擬軟件對泥石流災害進行模擬,對危險區域進行劃分,結合承災體經濟價值和遙感解譯技術計算承災體的易損度,實現泥石流災害的預測,但該方法采用軟件模擬泥石流災害所用的時間較長,存在預測效率低的問題。白淑英等[7]提出基于GIS9-3的泥石流災害損失預測方法,該方法在GIS9-3軟件的基礎上從人類活動、地質構造、氣象水文和地形地貌4個方面選取評價因子,通過層次分析法對泥石流災害損失進行預測,得到的預測結果誤差較大,存在預測準確率低的問題。陳劍等[8]提出基于指標熵模型的災害損失預測方法,該方法在指標熵模型的基礎上對泥石流災害損失的影響因子進行分析,選取月均降雨量、地貌熵值、植被歸一化指數、巖土類型、坡度和坡向作為泥石流災害損失評價因子,通過權重系數法構建泥石流災害損失預測模型,實現泥石流災害損失的預測。該方法構建的損失預測模型精準度較低,存在預測準確率低的問題。

為了解決上述方法中存在的問題,提出基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法,通過GIS技術獲取泥石流災害的相關信息,構建由流域水量和固體物質量計算模型組成的泥石流起動模型,在該模型基礎上進行震后泥石流災害損失耦合預測,預測人員損失和財產損失,最后通過實驗證明本文設計的預測方法預測精準度較高,為震后泥石流災害損失預測提供參考。

1 震后泥石流災害損失耦合預測方法

1.1 泥石流起動模型的構建

1.1.1 流域水量計算模型

通過描述隨時間變化土體入滲能力的衰減過程,在入滲強度受降雨強度的影響下,通過4個特征參數描述時間變換下土體的入滲強度變化[9-13]。

基于此令入滲強度與降雨強度相等,在上述模型的基礎上獲得形成地表徑流的時間:

(1)

式中:if為最終入滲量;Ri為降雨強度;i0為初始入滲量;Ks為土體飽和入滲系數;Tp為形成地表徑流時刻。由式(1)可知,上述參數都會影響形成地表徑流的時刻,因此通過GIS技術獲取上述信息,構建流域水量計算模型,模型符合下述邊界條件:

(1)如果最終入滲量大于等于降水條件,則不產生地表徑流[14-15],產生徑流的時間通常是無限的Tp=∞,設Ri=if,此時Tp的計算公式為:

(2)

(2)如果降雨強度在降雨初期大于等于初始入滲量,此時形成徑流,即Tp=0,設Ri≥i0,存在下式:

(3)

(3)不考慮蒸發作用造成的含水量降低,如果長時間未降雨,入滲量在此時不發生變化,即Ri=0,土體入滲量i的計算公式如下:

i=if+(i0-if)exp(0)=i0

(4)

土體入滲總量Ic在整個降雨過程中的計算公式如下:

(5)

式中:TD描述的是降雨總歷時。

1.1.2 固體物質量計算模型

通過GIS技術獲取泥石流起動層平均厚度和起動區表面積對固體物質方量,基于此進行估計。

圖1為單位體積的滑體。

圖1 單位體積的滑體Fig.1 Sliding body per unit volume

設Fg=ρsgsinθ代表的是滑體下滑時對應的驅動力,其中θ描述的是起動區坡度;ρs描述的是土體密度;1/h描述的是滑體對應的接觸表面積;Fs描述的是抗滑力,可通過表面積和抗剪強度S計算得到;h描述的是滑體平均厚度,其計算公式如下:

(6)

式中:φ為土體內摩擦角。

1.1.3 泥石流起動模型

在降雨條件下松散堆積層自重增加,影響坡體的穩定性[16-18],利用GIS技術的繪圖儀繪制松散層的受力分布圖(圖2)。

圖2 松散堆積層受力分布Fig.2 Force distribution of loosely deposited layers

設γ代表的是松散堆積層自重,其計算公式為:

γ=Cρs+(1-C)ρw=C(ρs-ρw)+ρw

(7)

式中:C代表的是堆積層固體對應的體積濃度;ρw代表的是水體密度;ρs代表的是土體密度。

當堆積層的厚度為h時,此時塊體頂部存在的驅動力為τd,其計算公式如下:

τd=[C(ρs-ρw)+ρs]ghsinθ

(8)

如果塊體底部只存在正應力,不對土體孔隙水壓力和松散土體黏聚力進行考慮,此時塊體的抗剪強度τr的計算公式為:

τr=C(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(9)

分析上式可知,土體固體體積濃度C受抗剪強度τr和驅動力τd的影響,當驅動力τd小于抗剪強度τr時,塊體保持穩定,當驅動力τd等于抗剪強度τr時,塊體處于平衡狀態,體積濃度此時即為臨界濃度Cc。

在平衡分析的基礎上獲得下式:

[Cc(ρs-ρw)+ρw]ghsinθ=

Cc(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(10)

臨界濃度Cc描述的是泥石流起動時對應的臨界狀態,其計算公式為:

(11)

如果tanθ滿足下式,則臨界濃度將會大于初始固體體積濃度C*:

(12)

經調查發現臨界濃度Cc的值不會太高,通常小于0.9C*,因此固體在泥石流起動臨界狀態下的體積濃度Cc為:

(13)

(14)

式(14)為固體體積濃度的概念公式,其中Vs描述的是固體物質在松散層中的體積;Vw描述的是水體在松散層中的體積。在式(14)的基礎上獲得起動特定方量的固體物質參與泥石流需要的水量Vw,其計算公式:

(15)

通過上述分析可知,如果泥石流起動所需水量小于模型計算的水量,判定泥石流在該時刻形成。

1.2 損失耦合預測

1.2.1 人員損失預測模型

人員損失由兩部分構成,分別是傷害損失和死亡損失。傷害損失描述的是由泥石流造成的除死亡以外的醫療、疾病和受傷等損失,死亡損失描述的是由于人員死亡造成的損失[19-20]。人員損失SH可通過下式表示:

SH=SI+SD

(16)

式中:SI為傷害損失;SD為人員損失。

傷害個體的損失通常包括誤工、恢復和治療等費用,利用當地、當年的人均GDP損失對傷害損失和人員損失進行估算,計算公式分別如下:

SD=40×Y×P1

(17)

SI=Y×P2

(18)

式中:P1為由于泥石流造成的死亡人數;Y為當地當年人均GDP;P2為因泥石流造成的疾病、受傷人數。

結合式(16)～(18)構建人員損失SH的預測模型:

SH=40×Y×P1+Y×P2

(19)

1.2.2 財產損失預測模型

在泥石流災害經驗和調查的基礎上對泥石流的危險區進行劃分。采用分類調查統計方法對不同危險區的承災體期望值損失進行核算,構建預測模型:

(20)

式中:D(s)描述的是泥石流造成的財產損失;Fij描述的是i類承災體在泥石流災害下發生j級損毀的數量;E(d)i描述的是發生泥石流災害前i類承災體對應的平均單價;Gij描述的是發生j級損毀時i類承災體的平均價值損失率。

結合財產損失預測模型和人員損失預測模型構建震后泥石流災害損失耦合預測模型:

E=SH+D(s)

(21)

2 實驗結果與分析

GIS的應用系統由方法、硬件、人員、數據和軟件五個部分構成,GIS的硬件配置如圖3。

圖3 GIS硬件配置Fig.3 GIS hardware configuration

基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法通過GIS技術獲取泥石流災害的相關信息,為震后泥石流災害損失預測提供依據。為了驗證基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法的整體有效性,需要對基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法進行測試,本次測試在Matlab R2016平臺中完成。

分別采用基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法、基于Flo-2d數值模擬模型的災害損失預測方法和基于指標熵模型的災害損失預測方法進行測試,對比三種方法的預測時間,測試結果如圖4。

圖4 不同方法的預測時間Fig.4 Forecast time of different methods

由圖4可知,在多次迭代中基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法所用的預測時間低于基于Flo-2d數值模擬模型的災害損失預測方法和基于指標熵模型的災害損失預測方法。因為基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法是利用GIS技術獲取震后泥石流的相關數據,為震后泥石流災害的損失預測提供了依據,縮短了預測所用的時間,提高了基于GIS技術的震后泥石流災害耦合預測方法的預測效率。

對比3種方法的預測準確率,測試結果如圖5。

圖5 不同方法的預測準確率 Fig.5 Prediction accuracy of different methods

由圖5中的數據可知,基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法在多次迭代中獲得的預測準確率均高于基于Flo-2d數值模擬模型的災害損失預測方法和基于指標熵模型的災害損失預測方法,這是因為基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法是結合財產損失預測模型和人員損失預測模型進行預測,提高了該方法的預測準確率。

3 結語

泥石流是一種介于碎屑流和水流的兩相流體,具有爆發突然、沖擊強和流速快等運動特征,強烈且快速地作用在受災地區,通常發生在強震后,嚴重危害災區的電力設施、居民、水利、交通、城鎮等安全。當前泥石流災害損失預測方法存在預測效率低和預測準確率低的問題,提出基于GIS技術的震后泥石流災害損失耦合預測方法,構建了震后泥石流災害損失耦合預測模型,可在較短的時間內準確地完成震后泥石流災害損失的預測,為災后重建提供相關依據。