基于灰色關聯度法的泥石流溝危險性評價

朱成成

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

泥石流是山區常見的一種由土、巖塊等固體物混合雨水形成的高濃度飽和流體在重力作用下沿山谷溝壑等流動的自然地質災害現象。其危害程度大，破壞力強，通常流速能達到(0.8～28.0)m/s，嚴重威脅當地的生態環境及人們的生命財產。泥石流危險性是泥石流災害在各影響因素下發生的密度、規模、頻次等的綜合反映。近些年，人們開始利用ARCGIS強大的矢量繪圖、數據提取及空間分析能力，對泥石流危險性影響因子進行量化分析，得到的危險性計算結果精度更高，評價更為客觀。

為有效解決泥石流地質災害的災情評估、災害性預測以及防治決策制定的相關問題，對于潛在泥石流災害影響范圍，業內通常進行面評價和點評價。面評價通常是指對泥石流災害進行區域性評價，面積可能為幾百上萬平方千米，評價的區域可能是全國性的也可能是縣市域，主要目的是為了區域性防治工程部署以及區域規劃提供宏觀決策的依據，手段以調查統計為主，最后得出的結果可能定性結合半定量化；點評價通常針對單體泥石流災害或災害群，一般不會超過幾十平方千米，評價的范圍更是小區域，不會超過區縣級，主要是為抗災、救災和工程防治提供針對性依據，涉及專門的調查統計及部門試驗分析，以定量化為主。

針對密云區273條泥石流單溝，制定點、線、面結合輔以遙感解譯的方式，進行精細地表調查。根據調查所得資料并參考該地區泥石流災害頻發的經驗，分別從地質、地形、激發因素和植被四個方面選擇了7個評價因子，通過灰色系統關聯度方法分別附以權重，采用對稱不等分間隔的三級分割法來劃分各因子的等級，其中，各評價因子的最大因子值對應的評分即為各因子權重值，總和為1，其余兩級因子值給予對應評分值，最終得到密云區泥石流溝的所有單溝評分，以此劃分風險程度等級評定。

1 研究區概況

密云區位于北京市東北部，屬燕山山地與華北平原交界地，介于北緯40.22°～40.80°，東經116.66°～117.51°之間，總面積約2 229.0 km2，東、北與河北興隆、承德、灤平接壤，南臨平谷、順義，西靠懷柔，是華北通往東北、內蒙的要塞。

密云區臨接燕山山脈，是燕山山地向華北平原過渡的重要地區，總體三面環山，形似中部低緩，西南開口的簸箕形，整體海拔高度約45.0 m～1 730.0 m，地勢整體由東北向西南傾斜，含平原、丘陵、山區等地貌類型，其中，北部及東南部整體山地海拔高度約400.0 m～800.0 m，為中低山區，山體坡度在25°以上的山體約有663.0 km2；占總數46.9%。正中央為北京市重要水源地——密云水庫，面積約118.0 km2。海拔約100.0 m～160.0 m，西南部為山前沖積洪積傾斜平原，總面積約185.0 km2，海拔高度約45.0 m～100.0 m，詳見圖1。

氣候上，密云區屬暖溫帶季風型大陸性半干旱氣候。密云區1981年—2017年多年平均降雨量為550.3 mm，月均降雨量最高為7月份的180.9 mm(見圖2)。據資料顯示，密云區新城子鎮、石城鎮四合堂村及馮家峪鎮番字牌村年降雨量較少，在550 mm以下，南部半城子鎮及卸甲山等山前地帶降雨量較大，在650 mm以上，其余地區降雨量一般在600 mm～650 mm之間，總體上，降雨量自東北向西南遞增。

密云區位于華北地臺北部邊緣，燕山臺褶帶密(云)懷(來)隆斷東部。褶皺斷裂構造十分發育。褶皺以線性或規模較大的寬緩褶皺為主。斷裂構造以東西向、北東向及北北東向為主，其次為近南北向、北西向斷裂。由于該穹斷長期的不斷上隆以及后期構造的不斷疊加及巖漿侵入，因此在基底的線形褶皺上復合了各種形態的晚期褶皺和斷裂，使其發生重褶和明顯錯位，造成構造特征的進一步復雜化[1]。

密云區區域內地層按由老到新主要分為：太古界(Ar)、元古界(Pt)、中生界侏羅系(J)及第四系(Q)，古構造控制了區內的地層的整體分布，其中赤城—長哨營─古北口東西向深大斷裂南側主要為太古界變質巖；該斷裂以南主要廣泛分布有中、上元古界(Pt)長城系、薊縣系巖土體；密云縣城北部山前地區零星出露下古生界寒武系巖土體；密云區北部山前地區零星出露下古生界寒武系巖土體；密云區東北部新城子地區主要分布有中生界侏羅系(J)火山巖；第四系(Q)則遍布于全區，為殘坡積，沖洪積等松散堆積物[2]。

北京市密云區山區地下水的補給主要受大氣降水與地表水滲流等因素影響，在平原區，密云水庫的側向補給也是影響地表水補給的一個重要因素；地下水的排泄主要為向地表徑流、人工開采以及泉水口溢出等。密云北部山區地表水一般沿河道徑流匯入密云水庫，南部經由地表溪河匯入潮白河水域。

密云區林木資源豐富，全區森林覆蓋率達64.31%，林木綠化率72.84%，林木生態覆蓋率達82.34%，區內分布有著名的云蒙山國家森林公園。隨著社會經濟的發展，礦產開發，旅游開發及公共基礎設施建設等需求不斷擴大，但在不能科學合理做好地質災害防治工作的前提下，這些開山筑路、壘壩造田及不合理的旅游景點建設等其他人類活動，都可能誘發或加劇地質災害的發生。

2 泥石流危險性評價

2.1 評價因子的選取

進行危險性評價時，危險性的大小通常用計算危險度得來的數值表示，取值一般在0～1之間，它表示單溝泥石流災害發生的概率大小。同時，研究泥石流災害的危險性，主要從泥石流災害發生的影響因素著手，包括泥石流形成的自身因素(溝長、流域面積等)和外界因素(植被、降雨等)以及歷史泥石流發生頻率等多方面綜合考量。項目通過對地區資料的搜集和對密云區整體泥石流溝內外因素的定量調查，分別從地質、地形、激發因素和植被四個方面選擇7個評價因子：松散堆積物儲量(B1)、流域面積(B2)、主溝長度(B3)、流域相對高差(B4)、山坡平均坡度(B5)、降水量(B6)、植被覆蓋率(B7)作為密云區泥石流評價的主要依據(注：Bi為各評價因子的代號)。

2.2 評價因子的權重

以2017年北京市地質災害隱患點數據庫為基礎，選擇歷史上發生過泥石流的90條溝谷作為樣本數據采用灰色系統關聯度方法來計算評價因子的權重系數。

灰色關聯度模型是研究泥石流危險性評價常用的數值模型之一，它通過計算關聯度系數來表示各影響因子對泥石流的致災作用。該方法主要以分析泥石流災害發生的概率與評價因子之間的關系為主，認為如果兩個評價因子具有相似的變化趨勢，則表示兩者之間具有較大的關聯度；相反，其關聯度較小。由此，灰色關聯度法對泥石流災害發育的影響因子量化提供了數值途徑。對于基于灰色關聯度法的密云區泥石流危險性評價數值模型建立，應有以下步驟：

1)對七個評價因子做均值化處理，消除單位差異影響(見表1)。

表1 評價因子均一化

2)求比較因子(各評價因素)與參考因子(歷史泥石流災害點發生的密度)之間的絕對差(見表2)。

表2 評價因子與泥石流災害點密度的絕對差數列

3)求最大值和最小值。

4)求Xi(k)與X0(k)的關聯系數(見表3)。

其中,k為評價因子；i為泥石流災害；ri(j)為關聯系數；ξ為分辨系數，其值大小與分辨率成反比，取值[0,1],通常取1/2。

表3 灰色關聯系數

5)灰色關聯度。

通過以上關聯度分析，得到各評價因子之間的關聯度數值，由此確定了灰色關聯序并進行了歸一化處理，最終得到了各評價因子的權重系數，如表4所示。可以看出，應用灰色關聯度方法構建的泥石流危險性評價模型中松散物儲量(B1)影響權重最大，約為36.2%，流域面積(B2)、主溝長度(B3)、流域相對高差(B4)三個致災因子對泥石流敏感性影響較大且接近15%，山坡平均坡度(B5)、降水量(B6)次之，植被覆蓋率(B7)對泥石流災害敏感性較低。由于各危險因子的取值范圍變幅很大，考慮到極大和極小所占比例較少這一事實，采用對稱不等分間隔的三級分割法來劃分各因子的等級，結合該因子權重賦予各等級得分事實，根據兩頭少中間多這一特點，在北京市泥石流溝精細調查的基礎上，參考已有規范(見表5)，最后匯總各評價因子得分，得出單溝危險度評價得分。對照表5所示的評價標準，對各泥石流溝進行危險程度等級評定(見表6)。

表4 評價因子的灰色關聯度及權重

表5 泥石流危險因素取值與危險程度評定表

表6 危險程度等級評定表

3 密云區泥石流溝危險程度評定

本文對研究區泥石流溝域完成了1∶10 000專項地質災害地表調查，總面積為487.96 km2，包括的鄉鎮有：溪翁莊鎮、西田各莊鎮、巨各莊鎮、太師屯鎮、高嶺鎮、不老屯鎮、馮家峪鎮、古北口鎮、大城子鎮、北莊鎮、新城子鎮、石城鎮。在ArcGIS圖層中，對照遙感影像，完成對評價因子數據的精準化提取與解譯，最后對應危險程度評定表進行打分，結論顯示，密云區泥溝危險度評分幾乎集中在0.5～0.8之間，說明該區泥石流整體危險度中等偏上，在泥石流災害預防與治理方面應引起足夠重視。對已有的244條單溝危險度級別進行計算，得出高危險21條，中危險36條，低危險187條，各級別占比見圖3，從中可以看出，密云區泥石流溝大部分均為低危險溝，中、高危險溝總共占比在1/5左右，而將密云區泥石流溝危險性整體展布于密云行政區域圖中，其結果如圖4所示，與現場調查得出的結論吻合度較高，由此推斷密云區泥石流溝危險度較高的區域集中在馮家峪鎮、不老屯鎮與大城子鎮，且呈相對密集狀態，相關單位對后期相關地質災害監測、預防工作等進行差異化布置。

4 結論與建議

由灰色關聯度模型計算的密云區泥石流溝危險度評價可以得出，該區域低危險性溝占77%，中危險性溝占15%，高危險性溝占8%。從密云區泥石流危險度整體分布上來看，該區域西北部與東南部出現高危險性泥石流溝的概率較大，主要原因是這些區域地質因素、降雨因素以及地形地貌等因素相對利于泥石流的發育，在后期災害點的防治措施上可對照該區域危險度分布規律結合當地災害的自然屬性進行有針對性的部署，能提高工作效率。