降雨驅(qū)動單溝泥石流風(fēng)險區(qū)劃方法研究

［關(guān)鍵詞］ 單溝泥石流；堆積區(qū)；FLO-2D數(shù)值模擬；空間分析；風(fēng)險區(qū)劃；汶川縣城南溝

［摘" 要］ 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃是依據(jù)風(fēng)險區(qū)域遭受不同強(qiáng)度地質(zhì)災(zāi)害可能造成的損失程度大小而劃分出不同風(fēng)險級別的區(qū)域，是當(dāng)前防災(zāi)減災(zāi)體系重要的工作環(huán)節(jié)。當(dāng)前，絕大多數(shù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價與區(qū)劃工作主要是針對縣級以上區(qū)域，很少有針對單體地質(zhì)災(zāi)害威脅區(qū)域進(jìn)行細(xì)致的風(fēng)險區(qū)劃研究。以汶川縣城南溝泥石流堆積扇區(qū)域為研究區(qū)，利用FLO-2D數(shù)值模擬軟件模擬南溝100 a一遇與200 a一遇兩種頻率下泥石流運(yùn)動堆積過程，根據(jù)模擬的泥深與流速在堆積扇區(qū)域細(xì)致劃分不同的危險強(qiáng)度區(qū)域；以單溝泥石流易損性計算模型為基礎(chǔ)，依據(jù)具體地物類型與人口密集程度對研究區(qū)進(jìn)行細(xì)致的易損性分區(qū)，最后完成研究區(qū)域風(fēng)險區(qū)劃，所采用的計算方式能夠形象描繪出小區(qū)域的承災(zāi)風(fēng)險高低，具備了對單體泥石流溝威脅區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險量化分級的能力。風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果可對強(qiáng)震區(qū)城鎮(zhèn)周邊的泥石流災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險預(yù)判，以及為防災(zāi)減災(zāi)、應(yīng)急救援提供強(qiáng)有力的信息支撐。

［中圖分類號］ P642.23" ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A" DOI：10.3969/j.issn.1000-0941.2024.09.020

［引用格式］ 王毅，唐銑亮，張鴻，等.降雨驅(qū)動單溝泥石流風(fēng)險區(qū)劃方法研究［J］.中國水土保持，2024（9）：63-68.

風(fēng)險即在一定區(qū)域或給定的時間段內(nèi)，特定災(zāi)害引起的人們的生命財產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動的損失程度，其表達(dá)式為風(fēng)險=危險性×易損性。地質(zhì)災(zāi)害作為威脅人類生命財產(chǎn)和損壞自然環(huán)境最為常見的一種自然過程或現(xiàn)象，對其進(jìn)行相應(yīng)的風(fēng)險評價與區(qū)劃研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。自20世紀(jì)末以來，國內(nèi)外對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價與區(qū)劃進(jìn)行了一系列的深入研究，并取得了一些具有代表性的成果。劉希林等［1］將修復(fù)生態(tài)破壞的必須費(fèi)用作為生態(tài)環(huán)境風(fēng)險價值，提出了綜合風(fēng)險評估模型，并以八一溝為例，對模型進(jìn)行了初步驗證。NOCENTINI et al.［2］將DAN-W與FLO-2D模型相結(jié)合，對研究區(qū)泥石流進(jìn)行危險性評價，得到滿意結(jié)果。崔鵬等［3］提出了一套可用于具體泥石流災(zāi)害點的風(fēng)險管控措施及技術(shù)方案，并建立了基于山洪泥石流動力過程的風(fēng)險評估、風(fēng)險管理理論與方法體系。王毅等［4］采用將GIS技術(shù)與層次分析法、模糊數(shù)學(xué)模型等相結(jié)合的方法，對汶川縣全縣泥石流進(jìn)行危險性評價，得到了與實際調(diào)查相吻合的結(jié)果。吳慶安等［5］利用灰色關(guān)聯(lián)度方法構(gòu)建了小流域泥石流危險度評價模型，得到了各泥石流溝危險度，并根據(jù)財產(chǎn)及人口構(gòu)建的易損度，獲得了小流域內(nèi)各強(qiáng)度泥石流風(fēng)險度結(jié)果，將結(jié)果與實際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，兩者基本吻合。

目前，我國的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價與區(qū)劃研究已經(jīng)取得了很多成就，但較為成熟的風(fēng)險評價與區(qū)劃方法大多針對縣級以上區(qū)域，往往依據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地形地質(zhì)條件、降雨情況、人口密度、城鎮(zhèn)分布等因素，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)與邏輯回歸等數(shù)學(xué)模型宏觀地對區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險等級區(qū)劃［6］。這類方法雖然體系較為成熟，但較難詳細(xì)反映局部小區(qū)域所面臨的風(fēng)險程度。我國西南山區(qū)地形陡峭，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，向來是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)域，加之受“5·12”汶川地震、“4·20”蘆山地震、“9·5”瀘定地震等強(qiáng)震干擾，地質(zhì)環(huán)境更加惡劣，許多山區(qū)小城鎮(zhèn)受到泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害威脅程度加大，因此對山區(qū)小城鎮(zhèn)進(jìn)行小范圍詳細(xì)風(fēng)險區(qū)劃研究愈發(fā)重要［7-9］。本研究以汶川縣南溝泥石流為例，基于數(shù)值模擬與單溝泥石流易損性評價模型，對南溝泥石流威脅的汶川縣城區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險區(qū)劃與制圖，探討研究針對單體泥石流災(zāi)害，山區(qū)小城鎮(zhèn)具體風(fēng)險區(qū)劃與制圖問題。

1" 研究區(qū)概況與研究思路

1.1" 研究區(qū)概況

南溝地處汶川縣城南段，為岷江左岸的一級支流，其溝口坐標(biāo)為103°35′06.6″E、31°28′53.2″N。流域形態(tài)整體上呈長條狀口袋形，流域面積約6.1 km2，平均縱向長度5.3 km，相對高差約1 870 m。其總體上為深切割V形谷，溝床狹窄，岸坡陡峻，切割深度較大，溝谷縱比降較大，沒有明顯的支溝發(fā)育。南溝溝口地帶為當(dāng)前汶川縣城最為繁華的地區(qū)，人口密集。

1.2" 研究思路

基于風(fēng)險的復(fù)雜性，僅僅基于統(tǒng)計原理的數(shù)學(xué)模型對風(fēng)險進(jìn)行評估已經(jīng)不再適用。南溝作為威脅汶川縣城的典型泥石流溝，自1961年暴發(fā)泥石流后，當(dāng)?shù)卣汴懤m(xù)修建排導(dǎo)槽、谷坊等防治工程（工程防治標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇），有效防止了泥石流的再發(fā)生。因此，本研究選取100 a一遇和200 a一遇兩種頻率對南溝泥石流進(jìn)行純自然狀態(tài)下的數(shù)值模擬，圈畫出其在相同頻率下危險沖積的最大范圍，估算研究區(qū)內(nèi)面臨的最大風(fēng)險程度［10］。

至于易損性評價方面，以劉希林等［11］所提出的單溝泥石流易損性評價模型為基礎(chǔ)，依據(jù)地物類型與實地考察資料，按地物單元對研究區(qū)域進(jìn)行易損度計算與分區(qū)制圖。利用GIS的空間分析功能將區(qū)域易損性分區(qū)圖和危險性分區(qū)圖進(jìn)行疊置分析，獲取研究區(qū)的風(fēng)險分區(qū)圖，研究流程見圖1。

2" 危險性分區(qū)

2.1" 流域洪水流量推算

水體作為引發(fā)泥石流的三要素之一，其總量大小、供給情況均會對泥石流物理特性造成直接影響。而流域洪水流量與總量又是反映流域水體情況的常用指標(biāo)，因此推導(dǎo)流域內(nèi)地表水體徑流量，確定流域洪水過程總量是泥石流研究的基本課題，

王毅等：降雨驅(qū)動單溝泥石流風(fēng)險區(qū)劃方法研究

也是進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)工作。研究區(qū)水體的主要來源是大氣降水，故降雨頻率與雨量大小將是決定流域洪水總量的主要因素。采用《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》中統(tǒng)計模型，對南溝小流域在100 a一遇與200 a一遇兩種降雨頻率下的最大洪峰流量Q進(jìn)行計算，公式為

Q=0.278ψIF=0.278ψsτmF（1）

式中：Q為最大洪峰流量，單位m3/s；ψ為洪峰徑流系數(shù)；I為最大暴雨強(qiáng)度，單位mm/h；F為集水面積，單位km2；s為暴雨雨力，單位mm/h；τ為流域匯流時間，單位h；m為暴雨公式指數(shù)。

基于Q值，參照《汶川縣城區(qū)南溝泥石流防治工程局部變更說明書及變更設(shè)計圖》，采用洪水總量概化模型對流域洪水總量進(jìn)行計算，結(jié)果見表1。

2.2" FLO-2D數(shù)值模擬模型

FLO-2D模擬軟件是以O(shè)’Brien在1988年提出的非牛頓流體模型以及中央有限差分?jǐn)?shù)值理論為基礎(chǔ)，用以演化模擬二維洪水、泥石流等流體運(yùn)動特征的商業(yè)集成軟件。該模型基本原理是將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為規(guī)則的數(shù)值網(wǎng)格，對每個網(wǎng)格賦值相應(yīng)的高程與粗糙系數(shù)，仿真現(xiàn)實地形，進(jìn)而讓賦有一定流體特性的流體（洪水、泥石流）在規(guī)則地形網(wǎng)格中進(jìn)行運(yùn)動計算，從而在平面上顯示流體的運(yùn)動過程與范圍，在X與Y方向上求解流體的運(yùn)動速度與深度，常用于城市淹沒分析、洪水災(zāi)害風(fēng)險分析與制圖，以及泥石流災(zāi)害管理等研究，其控制方程公式為

I=ht+（uh）x+（vh）y（2）

式中：I為降雨強(qiáng)度，單位mm/h；t為泥石流歷時，單位h；u為在X方向上泥石流的流速，單位m/s；v為在Y方向上泥石流的流速，單位m/s；h為泥石流的流體深度，單位m。

除此之外，模型之中泥石流的流體總剪應(yīng)力是以坡度的形式表達(dá)的，計算公式為

Sf=Sy+Sv+Std=τyγh+Kημγh2+n2μ2h4/3（3）

η=α1eβ1CV（4）

τy=α2eβ2CV（5）

CV=V固V液+V固（6）

式中：Sf為總摩擦坡降；Sy為屈服坡降；Sv為黏滯坡降；Std為離散坡降；τy為屈服應(yīng)力，單位Pa；γ為泥沙密度，取值為1.62 t/m3；K為層流阻力系數(shù)，取值2 280；η為黏滯系數(shù)；n為曼寧粗糙系數(shù)；μ為流速，單位m/s；CV為體積濃度，在1%降雨頻率下體積濃度為0.5，0.5%降雨頻率下體積濃度為0.45；V固為泥石流固體物質(zhì)體積，單位m3；V液為泥石流液體體積，單位m3；α1、α2、β1、β2分別為經(jīng)驗系數(shù)，取值分別為0.811、0.004 62、13.72、11.24。

在本次模擬研究中，模擬網(wǎng)格大小為10 m×10 m，泥石流歷時為0.5 h。泥沙密度及泥石流歷時根據(jù)泥石流物源量和流域洪水總量，并參考2010年南溝泥石流應(yīng)急勘查資料而獲得，層流阻力系數(shù)依據(jù)FLO-2D軟件參數(shù)附錄與詹錢登的毛細(xì)管流變實驗結(jié)果而設(shè)定［12-14］。

2.3" 南溝泥石流模擬與危險區(qū)劃

基于FLO-2D模型機(jī)理，模擬中需要在南溝小流域內(nèi)根據(jù)實際情況設(shè)定一個合理出水點，作為泥石流流體運(yùn)動促發(fā)位置。由于南溝松散物源基本散布于茨里村至溝口的中上游位置，其下游區(qū)域基本為清水流通區(qū)，故本研究將出水點設(shè)置在茨里村，結(jié)合以上模擬參數(shù)對南溝100 a一遇與200 a一遇的泥石流暴發(fā)沖積情況進(jìn)行了模擬。FLO-2D軟件不僅可以模擬泥石流流體運(yùn)動的整個過程，而且會對模擬單元賦予相應(yīng)的流體性質(zhì)參數(shù)值，如泥深、流速等，以此從宏觀上來表現(xiàn)整個泥石流物理特性。本研究以堆積厚度參數(shù)圖來體現(xiàn)整個泥石流暴發(fā)情況（見圖2），為危險區(qū)范圍劃定提供直接依據(jù)。由圖2可知，200 a一遇的泥石流暴發(fā)堆積范圍明顯大于100 a一遇，威脅范圍更廣，且最大堆積厚度由4.39 m提升到4.80 m，將會對泥石流溝口建筑物及人員造成更大的威脅。

危險性等級區(qū)劃方面，區(qū)別于以往同類型區(qū)域?qū)δ嗍魑ｋU度的模糊判斷，也不同于通過某種數(shù)學(xué)模型計算出的單一危險值判定泥石流的危險程度，本研究參照汶川縣映秀鎮(zhèn)紅椿溝FLO-2D模擬成果的危險強(qiáng)度分區(qū)原則［15］，以泥深×流速的方式表現(xiàn)泥石流沖積區(qū)域內(nèi)的危險強(qiáng)度大小，將堆積區(qū)危險等級分為4個等級，分別為極低危險性、低危險性、中危險性、高危險性，具體威脅范圍情況見圖3。由圖3可知，在200 a一遇的情況下，高風(fēng)險區(qū)（紅色區(qū)域）范圍明顯大于100 a一遇情況，位于這部分區(qū)域的建筑也是將來最有可能受到嚴(yán)重破壞的。具體不同危險等級對建筑物的破壞程度劃分情況見表2。

3" 易損性評價

易損性在災(zāi)害風(fēng)險體系中表現(xiàn)的是承災(zāi)體的屬性特征，是一種對承受災(zāi)害損害能力的描述。由于易損性涉及人員結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)水平、建筑物情況等諸多細(xì)致的因素，因此目前還沒有一種具有標(biāo)準(zhǔn)性代表意義的易損性評價模型。本研究以劉希林等［11］所提出的單溝易損性評價模型為基礎(chǔ)，依據(jù)具體地物類型和人口分布情況，對研究區(qū)進(jìn)行了較為詳盡的易損度區(qū)劃。

3.1" 地物類型

在易損性評價中，最為基本的就是調(diào)查了解研究區(qū)內(nèi)基本建筑分布與人口分布等情況。由于研究區(qū)為汶川縣城中心區(qū)域，具有商業(yè)發(fā)達(dá)、機(jī)構(gòu)部門眾多、建筑林立、人口密度大等諸多特征，因此很難將所有的潛在承災(zāi)損失估算出來。本研究通過實地調(diào)查與航片解譯，將研究區(qū)具體地物主要分為人工綠化帶、停車場、公共場所、房屋、天然林地、運(yùn)動場與道路7種類型，依據(jù)地物特性進(jìn)行區(qū)域易損度計算。其中，房屋建筑情況最為復(fù)雜，根據(jù)實地調(diào)查，建筑信息情況見表3。

3.2" 易損性評價模型與評價

易損性是體現(xiàn)人類社會面對自然災(zāi)害的承受能力，是承災(zāi)環(huán)境物質(zhì)屬性與社會屬性的反映，故而不同的建筑、不同的社會群體、不同的社區(qū)環(huán)境均具有不同程度的承災(zāi)能力，易損性的評價指標(biāo)也各不相同。目前易損性大致分為四類：社會易損性（人口密度及年齡結(jié)構(gòu)）、物質(zhì)易損性（建筑物、綠化帶、基礎(chǔ)設(shè)施）、環(huán)境易損性（礦物、土地資源等）、經(jīng)濟(jì)易損性（個人收入、地區(qū)生產(chǎn)總值）［15-16］。由于研究區(qū)為汶川縣城核心區(qū)域，人口密度高，經(jīng)濟(jì)活動頻繁，社會屬性復(fù)雜，所涉及的易損性特征也相應(yīng)復(fù)雜，故以4類基本易損性評價指標(biāo)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)?shù)貙嶋H情況衍生了本次易損性評價指標(biāo)體系，見表4、表5。

基于以上評價指標(biāo)，采用易損度量化模型進(jìn)行評價分析［11，15-16］，公式為

V綜=（FV1+FV22）2（7）

FV1=R1+e-1.25×（lg V1-2）（8）

FV2=1-e-0.003 5V2（9）

V1=A×Wi+Pi×（E1+E2+E3）（10）

V2=（a+b+c）×D/3（11）

式中：V綜為單溝泥石流易損度；FV1為各類地物財產(chǎn)指標(biāo)V1的函數(shù)轉(zhuǎn)換值（0～1）；FV2為人口指標(biāo)V2的函數(shù)轉(zhuǎn)換值（0～1）；R為物質(zhì)結(jié)構(gòu)易損率；V1為各類地物財產(chǎn)指標(biāo)，單位萬元；V2為人口指標(biāo)，單位人/km2；A為地物面積，單位m2；i為地物類型代號；Wi為地物類型i的單位面積價值，單位萬元/m2；Pi為地物類型i內(nèi)常駐人數(shù)，單位人；E1為人均年收入，單位萬元/a；E2為人均擁有的固定財產(chǎn)，單位萬元/人；E3為人均存儲余額，單位萬元/人；a為65歲以上及15歲以下的人口所占比例，單位%；b為只接受初等教育及以下的人口所占比例，單位%；c為人口自然增長率，單位‰；D為人口密度，單位人/km2。

根據(jù)對危險范圍的分析，將位于危險范圍內(nèi)的所有地物類型做了細(xì)致的劃分，一些細(xì)碎的社會因素（受教育程度、人口集中程度等）在局部區(qū)域中會有較大的區(qū)別。其中研究區(qū)的威州師范學(xué)院占地面積大，活動人群在年齡結(jié)構(gòu)、受教育程度等因素上均明顯不同于汶川縣城的基本指標(biāo)，故將研究區(qū)分為威州師范學(xué)院區(qū)域與其他區(qū)域兩個部分進(jìn)行計算評價，結(jié)果見圖4（圖中數(shù)字為房屋編號）。由圖4可知，區(qū)域內(nèi)最低易損度為0.693 6，最高易損度為0.898 5，威州師范學(xué)院及汶川展覽館易損度相對較高，這與實際情況相符合。

4" 風(fēng)險區(qū)劃與制圖

基于對研究區(qū)內(nèi)危險性與易損性的量化計算，采用傳統(tǒng)的風(fēng)險定義模型（風(fēng)險=危險性×易損性）對研究區(qū)的風(fēng)險程度進(jìn)行高低劃分，其中泥石流危險性由泥石流泥深與流速的組合數(shù)據(jù)量化描述，易損性則相應(yīng)由文中的易損度計算模型的評價數(shù)值量化描述。基于兩組量化數(shù)值，借助GIS空間疊置工具，將研究區(qū)易損性圖件與危險性圖件進(jìn)行乘積計算，以此獲得研究區(qū)域在100 a一遇和200 a一遇兩種頻率下的風(fēng)險區(qū)劃圖（見圖5）。圖5能夠清晰地顯示出在不同的降雨頻率下風(fēng)險區(qū)域中不同建（構(gòu)）筑物、路段以及建（構(gòu)）筑物具體部位存在的潛在風(fēng)險程度，能夠很直觀地幫助當(dāng)?shù)卣c居民規(guī)劃防災(zāi)工程與措施，也迎合了當(dāng)前我國西南山區(qū)城鎮(zhèn)面臨單體泥石流災(zāi)害時的防治規(guī)劃需求，具有很強(qiáng)的實際意義。

5" 討論與結(jié)論

本研究針對汶川縣城南溝，主要完成以下研究：

1）基于實測地形數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)，利用FLO-2D軟件對南溝100 a一遇與200 a一遇兩種頻率下的泥石流暴發(fā)情況進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬描繪出了泥石流災(zāi)害可能對縣城造成的損害范圍以及危險強(qiáng)度。

2）對縣城研究區(qū)內(nèi)56棟建筑物、地物類型以及人員分布狀況進(jìn)行了詳細(xì)的實地調(diào)查，對區(qū)域內(nèi)物質(zhì)、環(huán)境、社會及經(jīng)濟(jì)情況進(jìn)行統(tǒng)一衡量，利用數(shù)學(xué)模型綜合各類因素對研究區(qū)進(jìn)行了易損性評價與分區(qū)。

3）基于風(fēng)險模型，借助GIS技術(shù)對危險性分區(qū)與易損性分區(qū)進(jìn)行疊置分析，通過圖件的形式直觀表現(xiàn)研究區(qū)面臨不同頻率泥石流所存在的風(fēng)險程度。

以上的研究成果，既區(qū)別于以往區(qū)域性泥石流災(zāi)害群的危險或風(fēng)險評價分區(qū)，也不同于用單一的數(shù)學(xué)模型對單體泥石流進(jìn)行風(fēng)險值預(yù)判，它結(jié)合了數(shù)值模擬與傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)手段，對單體泥石流威脅區(qū)域所面臨的風(fēng)險程度完成了詳盡的分區(qū)體現(xiàn)，彌補(bǔ)了以前單溝泥石流風(fēng)險評價中風(fēng)險程度體現(xiàn)過于單一化，小范圍風(fēng)險差異無法區(qū)分等缺陷。這類風(fēng)險圖件可以較好地顯示區(qū)域內(nèi)面臨單溝泥石流災(zāi)害風(fēng)險的差異與高低，對于人為降低風(fēng)險或者轉(zhuǎn)移風(fēng)險都有很好的借鑒意義，為減災(zāi)防災(zāi)工作提供了更為全面的決策支撐。

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收稿日期： 2024-03-18

基金項目： 四川省交通運(yùn)輸科技項目（2021-A-06，2022-A-07）;四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司科研項目（2022-YL-03）

第一作者： 王毅（1990—），男，吉林梅河口人，工程師，碩士，主要從事遙感與GIS應(yīng)用、地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價、巖土體穩(wěn)定性分析。

通信作者：唐銑亮（1977—），男，四川成都人，高級工程師，學(xué)士，主要從事工程地質(zhì)、巖土工程研究。

E-mail：624844957@qq.com

（責(zé)任編輯" 楊傲秋）