我國堰塞湖致因分析及災害鏈構建研究*

宋英華,呂貝貝,呂 偉

(1.武漢理工大學 中國應急管理研究中心，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

近年，受地震、滑坡等因素影響,在我國四川、貴州、云南、西藏等地形成堰塞湖，堰塞湖災害事件頻發，嚴重威脅上、下游居民生命及財產安全。堰塞湖形成具有明顯突發性與不可預測性，探究堰塞湖形成因素，揭示其災害鏈系統變化規律，可為堰塞湖防治提供理論依據，對全面提升我國自然災害綜合防御能力具有重要意義。

目前，堰塞湖致因機理研究主要集中于以下4個方面：1)通過分析堰塞湖所處區域地質環境[1-7]，從地形地貌、地層巖性、地質構造、水文條件等方面研究堰塞湖形成條件及成災機理。2)基于地質環境分析，研究壩體結構特征及物質組成[8-10]，對堰塞湖形成機制進行系統研究。3)通過研究滑坡、崩塌、泥石流特征等，分析堰塞湖成因機制[11-14]。4)針對巖層結構、降雨、地震等堰塞湖形成關鍵因素，分析其成災機理[15-17]。此外，部分學者認為堰塞湖形成內因為堵江地貌條件，外因為觸發河谷斜坡發生滑坡或崩塌[18]。目前，對我國整體區域內堰塞湖致因分析研究比較匱乏。

本文以48例堰塞湖為研究對象，基于災害鏈式理論及堰塞湖數據集，構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型，確定災害鏈系統主要斷鏈環節。研究結果可為我國堰塞湖災害防治提供依據。

1 堰塞湖形成致因因素

不同地區堰塞湖形成致因因素不同。通過調研，搜集2000—2020年我國發生48例堰塞湖事件，得到堰塞湖災害事件數據集[19-20]，見表1。

表1 2000—2020年我國堰塞湖災害事件數據集Table 1 Data sets of dammed lake disasters in China from 2000 to 2020

堰塞湖形成致因因素可分為滑坡型堰塞湖、崩塌型堰塞湖、泥石流型堰塞湖及雨水填溝型堰塞湖4類[21]。堰塞湖類型見表2。

表2 堰塞湖類型Table 2 Types of dammed lakes

根據堰塞湖形成致因因素與類型，得到不同類型堰塞湖形成致因因素占比，如圖1所示。由圖1可知，持續降雨是各類堰塞湖形成主要致因；冰雪融水及地下水入滲、地震、長期重力演化作用均可觸發滑坡型堰塞湖形成；雨水填溝型堰塞湖僅受持續降雨因素影響；崩塌型堰塞湖受多種因素影響；泥石流型堰塞湖主要受持續降雨及冰川活動因素影響。

圖1 不同類型堰塞湖形成觸發因素占比Fig.1 Proportions of triggering factors for formation of dammed lakes with different types

堰塞湖是在特定地貌條件下，由地震、降雨、施工擾動、地下水入滲等1個或多個因素共同作用形成的不穩定湖泊。由圖1可知，持續降雨是堰塞湖形成主要致因，為研究我國堰塞湖形成水文條件，參考《中國自然地理圖集》[22]中國水文區劃圖，統計48例堰塞湖發生地水文分區情況。中國水文區劃圖以徑流深、不同時段徑流量占年徑流量百分比為分區指標，將我國水文生態環境分為11個一級區。由堰塞湖類型可知，特定地貌是堰塞湖形成必要條件。根據中國地貌類型圖，統計48例堰塞湖發生地的地貌類型及地貌成因類型，將中國地貌分為平原、高原和臺地、丘陵、山地4種，并根據地貌類型成因作進一步分類。48例堰塞湖發生地的地貌、地貌成因及水文區劃類型見表3。

表3 堰塞湖地貌、地貌成因及水文區劃類型Table 3 Types of geomorphology,geomophogensis and hydrological regionalization of dammed lakes

堰塞湖形成地貌及地貌成因占比如圖2所示。由圖2可知，約70%堰塞湖在山地地貌下形成，因為長時間侵蝕作用為堰塞湖形成創造良好地質條件。部分堰塞湖發生在丘陵地帶，其次為高原和臺地、平原。其中，侵蝕山地為堰塞湖高發地，其次為冰川、冰緣作用山地和巖溶化山地；丘陵地貌中侵蝕的紅層丘陵是堰塞湖高發地。

圖2 堰塞湖形成地貌類型及地貌成因占比Fig.2 Proportions of geomorphology types and geomophogensis for formation of dammed lakes

數據顯示，降雨因素形成堰塞湖，占致因因素總量73%。根據《中國水文區劃圖》劃分方式，結合圖3可知，我國西南亞熱帶、熱帶多水區、青藏高原東部和西南部溫帶平水區和秦巴、大別山北亞熱帶多水區為堰塞湖高發地，該類地區多為熱帶多水區和溫帶平水區。

圖3 堰塞湖形成地的水文區域占地貌類型的比例Fig.3 Proportions of hydrological area to geomorphology types in formation areas of dammed lakes

2 堰塞湖災害鏈演化過程分析

災害鏈是近年災害學領域研究熱點，學者將災害鏈應用于不同研究領域，如城市燃氣管線泄漏、城鎮-森林火災、軌道交通樞紐[23-25]等，在災害預警預測、過程分析及災害防治方面起重要作用。

本文通過探究堰塞湖形成過程，并基于災害鏈式理論[26]，分析堰塞湖災害鏈演化過程。災害鏈式理論將自然災害抽象為具有載體的共性反應特征，描述單一或多災種的形成、滲透、干涉、轉化、分解、合成等相關物化信息過程，直至災害發生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈鎖關系總稱。

自然災害演變過程一般分為災害孕育期、災害成形期、災害迸發期3個階段，階段演化過程也是災害能量聚集過程，即災害孕育、成形、迸發過程是各種因素與條件綜合作用下能量聚集過程。自然災害鏈演化過程如圖4所示。

圖4 自然災害鏈演化過程Fig.4 Evolution process of natural disaster chain

3 堰塞湖災害鏈構建

3.1 堰塞湖災害鏈網絡模型構建

從成災條件方面考慮，堰塞湖形成需具備充足外部條件，如地貌類型、降雨、地震、人類活動等；從堰塞湖成災機理方面考慮，災害孕育期、災害成形期、災害迸發期整個過程即災害能量聚集過程。本文基于災害鏈式理論，參考不同類型堰塞湖成因機理，從災害孕育期、成形期、迸發期3個階段分析堰塞湖災害鏈演化過程，構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型，如圖5所示。

圖5 堰塞湖災害鏈演化模型Fig.5 Evolution model of dammed lake disaster chain

本文基于堰塞湖災害鏈演化模型，對48個堰塞湖案例演化過程進行分析，考慮堰塞湖從生成到消亡全過程，忽略堰塞湖災害后果，基于Gephi軟件構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型，如圖6所示。網絡節點編號見表4。

表4 網絡節點編號Table 4 Number of network nodes

注：網絡中節點越大、顏色越深，表示節點度值越大；邊的粗細表示邊的權重大小，邊越粗表示邊的權重值越大。圖6 堰塞湖災害鏈演化網絡模型Fig.6 Evolution network model of dammed lake disaster chain

3.2 堰塞湖災害鏈關鍵節點分析

基于Gephi軟件計算結果，得到我國堰塞湖災害鏈演化網絡入度、出度、中心度、接近中心度、中介中心度和特征向量中心度等特征參數，見表5。

節點入度指進入該節點邊的條數，由表5可知，入度較大節點包括山地、堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、丘陵，表示作用于節點的節點數量較多；節點出度指從該節點出發邊的條數，出度較大節點包括山地、持續降雨、堰塞湖、丘陵、高原和臺地，表示由節點引發的節點事件較多；節點中心度指與該節點關聯邊的條數，中心度較大節點包括山地、堰塞湖、丘陵、滑坡、持續降雨，表示節點在網絡中比較重要；接近中心度指某節點到其他節點最短路徑平均長度，表示某節點與其它節點相鄰程度，接近中心度較大節點包括堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、山地，表明該節點位于網絡中心位置；中介中心度指某節點作為另外2個節點間最短橋梁次數，中介中心度較大節點包括堰塞湖、山地、滑坡、丘陵、凹坑、泥石流，表示該節點對其他節點依賴性較強；特征向量中心度認為1個節點的重要性既取決于其相鄰節點數量，也取決于每個相鄰節點重要性，特征向量中心度較大節點包含堰塞湖、上游洄水、自然潰決、人工泄流，表示該節點在網絡中影響力較大，風險較高。因此，山地、持續降雨、滑坡、堰塞湖4個節點是災害鏈中關鍵節點。

表5 我國堰塞湖災害鏈演化網絡節點特征表Table 5 Node characteristics of disaster chain evolution network of dammed lakes in China

3.3 堰塞湖災害鏈關鍵邊分析

邊表示節點間演化關系，本文依據48個堰塞湖災害鏈演化過程，分析我國堰塞湖災害鏈演化網絡關鍵邊。以48個堰塞湖災害鏈中各邊出現次數為權重，進行歸一化處理，得到堰塞湖災害鏈演化網絡30條邊的權重值，見表6。

由表6可知，持續降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為網絡中最重要的邊。因此，持續降雨作用于山地等特定地貌，發生滑坡形成堰塞湖，是我國堰塞湖災害鏈演化網絡模型中非常重要的1條災害鏈。

表6 堰塞湖災害鏈演化網絡邊的權重值Table 6 Weights of evolution network edges of dammed lake disaster chain

3.4 斷鏈減災措施

堰塞湖斷鏈減災關鍵在于從源頭控制堰塞湖形成。堰塞湖形成主要致因為持續降雨和特定地質環境。因此，控制堰塞湖形成及堰塞湖災害造成的損失，需加大特定地區雨量監測與地質環境監測力度。切斷災害演化過程中關鍵節點和邊，避免次生災害發生是堰塞湖災害斷鏈減災關鍵。堰塞湖災害鏈演化過程中山地、持續降雨、滑坡、堰塞湖為關鍵節點，持續降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為關鍵邊，以上均可作為斷鏈最佳位置。為避免持續降雨情況下山地、丘陵地帶發生滑坡形成堰塞湖，可加大我國熱帶多水區和溫帶平水區山地與丘陵地帶侵蝕地貌地區地質環境監測與降雨監測強度，建立監測預警機制；對于無法避免形成的堰塞湖，可提前轉移當地居民，以減少生命財產損失。

4 結論

1)基于災害鏈思想及災害鏈式理論，從孕育期、成形期、迸發期3個階段對我國堰塞湖形成致因因素進行分析，突破以往僅考慮單一區域或堰塞湖致因機理研究。

2)通過分析發現，影響較大的節點與權重較大的邊具有較強關聯性，在該節點進一步演化為災害鏈之前，進行針對性預防或控制，可有效減少堰塞湖災害損失。

3)堰塞湖形成主要由持續降雨引發，屬于不可控因素，因此，做好山地豐雨區等特定地區滑坡、崩塌災害監測預警工作十分重要。