基于灰色關聯度的舟曲小流域泥石流災害風險評價

吳慶安, 張金霞, 劉興榮, 馬興華, 黃金燕, 王磊

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院, 蘭州 730070; 2.甘肅省科學院自然災害防治研究所, 蘭州 730000)

泥石流是一種廣泛分布于山區的地質災害,而中國又是一個多山國家(山區面積約占國土面積的70%),因此,泥石流災害已成為中國重要地質災害之一。對泥石流災害進行風險評價,可以有效地反映泥石流目前的狀況和今后來的發展趨勢[1],為進一步開展泥石流的防災減災工作提供技術支撐。

泥石流風險評價是近些年形成的一個新的研究方向,也是當前泥石流防治技術研究的新熱點[2]。由于評價方法多、判斷標準和尺度不統一,增加了其評價難度。眾所周知,泥石流破壞性極強、復雜性高,長期以來,受到國內外學者的廣泛關注,并不斷通過新手段優化傳統的評價方法[3]。就國外而言,Guzzetti等[4]應用 Poisson概率模式,對意大利北部 Staffora河谷地區的滑坡風險進行了分析。Cutter等[5]基于美國1990年縣域經濟為基礎,建立了環境災害社會脆弱性指標。中國從20世紀80年代開始,有學者對泥石流災害的風險性分析進行研究,如劉希林[6]從災害風險評價的基本模式出發,分析、介紹了泥石流的危險性、區域易損性,并提出了危險度的評估模型;劉麗等[7]以泥石流災害損失、風險區價值、孕災環境等綜合評判因素,對泥石流災害風險進行了綜合評價,得到了比較客觀的評價結果;丁繼新等[8]將災害熵用于區域泥石流災害的定量風險分析。目前泥石流危險性評價的主要方法有灰色關聯預測法、層次分析法、信息熵法、神經網絡預測法、模糊數學法等[6]。

為了有效地防止或減少泥石流災害可能造成的損失[9],現結合國內外泥石流危險性評價的方法,以甘肅省舟曲縣泥石流溝道特征參數為研究對象,建立泥石流災害風險評價模型,為區域防災減災和工程規劃建設決策等提供理論依據[10]。

1 研究區概況及技術路線圖

1.1 位置

舟曲縣(103°51′39″E～104°45′31″E,33°13′06″N～34°01′00″N)地處甘南藏族自治州東南的白龍江上游,附屬于長江一級支流嘉陵江干流,是中國泥石流、滑坡等災害頻發區之一[11]。

1.2 地形地貌

舟曲縣位于青藏平原東部、西秦嶺西部和岷山群系的交匯點,屬構造侵蝕型山地。區域山勢層層疊疊,山谷窄轄,坡度陡峭,水流湍急。整體地形由西北到東南,西北高,東南低[12]。舟曲縣山區約占全縣域面積的80%,江河約占10%,可耕地約占10%,白龍江谷底地勢低洼,平均海拔1 200 m,南北兩側最高可達到4 500 m[13]。

1.3 地質構造與地層巖性

舟曲縣處在西秦嶺南緣凹陷褶皺帶西側及白龍江復合背斜中,具有較大的抬升運動和斷裂特征。由于喜山運動的作用,該區新的地質構造活動極為活躍,尤其是以洋布-大年、峪坪-朱家山、坪定-化馬三組斷裂等斷裂活動最多,它們對巖性劃分及地質災害的發生與發育有著顯著的影響[14]。

縣域內地層以黃土、千枚巖、碳質板巖、片巖和變質砂巖為主,松散物質豐富且較集中,尤其是一些天然形成的堆石壩積累了大量物源。在暴雨作用下,極易促發泥石流。

1.4 氣象水文狀況

舟曲縣降雨分布不均勻,具體表現為:在空間上,降雨量隨著海拔升高而增大,呈現出西南大于東北、山區大于河谷的特征。根據統計舟曲氣象局的資料,舟曲縣全年年平均降雨量為435.8 mm,24 h 最大降雨量為9.77 mm,1 h最大降雨量為77.3 mm,30 min最大降水量為43.2 mm。降雨模式多為持續降水和強降水,全年降雨日數不多,大部分集中在5～8月,連續降雨日數最多為14 d。降雨密集,雨量大且暴雨較多,易誘發或加重泥石流的發生[15]。

1.5 各溝位置概況

龍廟溝、羅家峪、三眼峪、硝水溝、寨子溝位于舟曲縣城北側,總體呈南北展布,北高南低。磨溝位于舟曲縣城中部,廟兒溝、水泉溝、臺子溝、陰山溝位于舟曲縣城西側,武都溝位于舟曲縣城東北部,各溝所處位置地質構造復雜,新構造運動活躍,整體地勢起伏強烈,地層軟硬相間,地質災害極為發育。

2 泥石流研究內容及風險評價方法

泥石流風險是指在特定的地區、特定時期,因自然災害而造成的人類生命、財產、經濟活動的預期損失或潛在損失[4]。泥石流風險評價是由危險性及易損性和暴露性組成的,其中危險性、易損度、風險度是評價的重點,目前,已取得了長足進展。

2.1 研究內容

風險概念由1992年聯合國人道主義事業部首次提出:風險是由某種自然災害而引起,條件必須處于一定區域、一定時間段內,風險結果是對人民生命財產造成損害和經濟損失[16],并由此衍生出了風險度概念,既包括致災體的自然屬性,又包括受災體的社會屬性[17]。泥石流危險性是指在某些地區和時間段內存在的人、財、遭受泥石流災害損失的可能性大小,危險性評價側重于泥石流自然特性評價。近幾年,中國許多學者針對地質災害易發性提出了各種評價方法,并進行了一定范圍內的應用[18-19]。

2.2 危險度評價

泥石流危險性是指泥石流對生命財產及環境造成損害的概率,就泥石流災害風險評價而言,國內外已取得了較多成果[20],國內對區域泥石流危險性評價的方法較多。已初步發展了一套泥石流危險性評價的基本原理和定量方法,并在實踐應用中不斷加以完善。

劉希林[6]從泥石流特征出發,建立了一個多因素綜合評判模型,并應用在泥石流危險度評價上,這一研究成果在中國泥石流研究中可以說是首創,所提出的區域泥石流評價方法是根據中國山地地貌特征而提出的,它與中國地區的泥石流特征吻合,得到了廣泛的認可和應用。

由于泥石流的特征、類型等不同,各影響因子對泥石流發生的貢獻力也不相同。根據區域特點、歷史災情、形成條件和前人的研究成果等多方面條件分析,選定了10個評價指標作為關聯因子[21-22],確定以一次泥石流(可能)最大沖出量(y)作為主要因子,其余部分影響因子為次要因子:泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固體物質總量(x3)、容重(x4)、山體相對高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面積(x7)、主溝長度(x8)、植被覆蓋率(x9)[23]。

2.3 易損度評價

易損度是指某一地區、某一特定時期內,因泥石流災害造成的可能最大的人員財產損失[24]。易損性是承載體的一種屬性,它的損失用0～1的數值來表達(未損失—完全損失),而數值的大小則是造成人員和財產損失的數量。通過賦值法來確定影響因子和歷史記錄。

2.4 泥石流災害風險度評價

自然災害風險的特征是影響因子較多、評估方法較多[25-26]。目前的災害風險評估定量表示,通常是依據聯合國人道主義事務部于1992年發布的災難危險定義及其數學公式[27-28]。

R=HV

(1)

式(1)中:R為風險;H為危險度;V為易損度;R、H、V的取值都在0～1。采用布氏定律以0.2為公差,在0～1范圍內,區域泥石流危險度的計算公式[式(1)]可分為5個等級:極低風險(0～0.04);低風險(0.04～0.16);中等風險(0.16～0.36);高風險(0.36～0.64);極高風險(0.64～1)[29]。

風險度和易損度都代表了某一區域的潛在風險。不同之處在于,危險度代表預測值,而易損度代表的是當前的價值。二者之間的大小關系總是表現為R≤V。

3 關聯度和權重的計算

在各個評估因素中,由于其取值單位和影響范圍較大,因此,對其進行了分類賦值,對各個因子進行除綱量(0～1):從相關系數最小的因素出發,以初始權重1為起點,然后按照公差先后順序,由等差序列向大的方向遞增次要因子的權數。為了區別主次因子之間的差別,以最大次要危險因子的權數為基數,在此基礎之上主要因子,以2為基準,依次呈等比級數增加各危險因子的權數和權重值,計算得出10個危險因子的權重之和等于1[30]。如表1所示為無量綱后的數據。

表1 無量綱化后的數據Table 1 Data after dimensionless

3.1 關聯系數計算

以一次泥石流(可能)最大沖出量為基準數列Xy={Xy(k),k=1,2,…,9},泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固體物質總量(x3)、容重(x4)、山體相對高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面積(x7)、主溝道長度(x8)、植被覆蓋率(x9)作為比較數列Xi=(k),k=1,2,…,9|(i=1,2,…,9)。

ξi(K)=[minimink|Xy(k)-Xi(k)|+

Pmaximaxk|Xy(k)-Xi(k)][|Xy(k)-

Xi(k)+Pmaximaxk|Xy(k)-Xi(k)|]-1

(2)

式(2)中:P為分辨系數,其作用是提高關聯系數之間的差異性。P越小,分辨能力越大。一般取值范圍為[0,1],取P=0.5。

3.2 關聯度計算

關聯度記為ri,其表達式為

(3)

式(3)中:ri為xi對參考曲線x0的關聯度;ξi(k)(k=1,2,…,m),其關聯度分別ri(k)(i=1,2,…,m)按從大到小進行排序,由式(2)和式(3)得到因子間的關聯度。表2為計算結果,表3為權數和權重計算結果。

表2 次要因子與主要因子的關聯度Table 2 Correlation degree between secondary factors and primary factors

表3 權數和權重的計算Table 3 Weight and calculation of weight

4 危險度模型的建立及計算

各泥石流危度是指各影響因子的賦值與其權重乘積之和,記為Wd。則舟曲縣泥石流危險度計算模型為

Wd=0.258 7y′i+0.142 9x′7+0.127 0x′1+

0.111 1x′3+0.095 2x′2+0.079 4x′5+

0.063 5x′6+0.047 6x′8+0.031 7x′9+

0.015 9x′4

(4)

式(4)中:Wd為泥石流危險度;y′i和x′i分別為泥石流溝道各項指標極差變換后的數值。

4.1 樣本數據的歸一化處理

采用式(5)、式(6)[31]對數據歸一化處理。

主導因子的極差變換公式為

y′i=(yi-minyi)/(maxyi-minyi)

(5)

其他定量指標的極差變換公式為

x′i=(xi-minxi)/(maxxi-minxi)

(6)

舟曲縣11條石流溝危險度計算結果如表4所示。

表4 泥石流溝危險度計算結果Table 4 Calculation results of debris flow gully risk

4.2 泥石流危險性分級

對于任何一條泥石流溝道無論目前有無發生過泥石流,其都具有一定的泥石流危險度,但其危險度有大有小,所以在計算完泥石流危險度后,要對其進行危險性大小分級[32-34],結果如表5所示,其計算結果與調查和歷史泥石流災害情況基本符合,具有較強的實用性[21]。

表5 泥石流危險性區分結果表Table 5 Results of debris flow hazard classification

5 泥石流易損度模型的建立及計算

根據統計可以看出,用0.5作為指數的冪函數擬合易損性與財產、人口的關系最優[35],從而得到了一個易損度一般的公式,即

V=[(FV1+FV2)/2]0.5

(7)

式(7)中:V取值范圍(0～1或0～100%)表示易損度;FV1為(0～1)的財產指標V1的轉換函數賦值;FV2為(0～1)的人口指標V2的轉換函數賦值。依據式(7),并結合表6,計算泥石流易損度,其結果見表7。

表6 泥石流易損度分級及泥石流溝道Table 6 Vulnerability classification of debris flow and debris flow channel

表7 易損度計算Table 7 Vulnerability calculation

6 風險評價

經上述內容,將危險度、易損度的計算值代入式(1),計算得泥石流風險度值,見表8。

表8 風險度計算Table 8 Calculation of risk degree

根據泥石流危險度計算公式,從計算結果上來看,極高風險區有三眼峪、羅家峪、武都溝,占比27.27%,高風險區有龍廟溝、廟兒溝、臺子溝、寨子溝,占比36.36%,中風險區有、磨溝、水泉溝,占比18.18%,低風險區有硝水溝、陰山溝占比18.18%。對劃分區的5個危險度等級區域進行面積統計,情況如圖1所示。

圖1 危險度各等級面積統計Fig.1 Area statistics of various levels of risk

7 結論

泥石流風險評價是一項涉及民生的重要工作。在回顧風險評價概念及其應用的基礎上,以甘肅舟曲縣區域泥石流災害為例,在實際調查資料的基礎上,對舟曲縣11條泥石流溝進行風險評價,得出以下結論。

(1)通過利用層次分析法和灰色關聯度法分結合舟曲縣實際概況,分析計算了泥石流不同影響因素間關聯度,以此計算出11條典型泥石流溝危險度。運用人口與財產相關性計算出泥石流區域易損度,最后運用風險度計算公式得出結論與客觀實際狀況相符,說明此模型應用與舟曲縣泥石流風險度評價是可行的,泥石流溝道治理可按結論分出輕急緩重。

(2)考慮區域差異對泥石流成災條件的影響,本文根據區域特點選取了:以一次泥石流(可能)最大沖出量、泥石流流量、泥石流最大流速、固體物質總量等10個因子,計算了區域泥石流危險度,計算結果與實際情況基本一致。

(3)根據風險評價模型算的區域泥石流溝風險度計算公式得出結論。計算結果表明:舟曲泥石流溝絕大多數在、中高風險等級區域,占比81.81%,僅有少數落在低風險區,占比18.18%。經實地調查、實例運用表明,評估的結論和實地考察的比較符合,驗證了其評價的可靠性,可為當地相關部門防災減災提供理論支撐。