公路泥石流灾害危险性分区研究*

赵　欢，田伟平，李家春，齐洪亮，尹　超

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)



公路泥石流灾害危险性分区研究*

赵欢，田伟平，李家春，齐洪亮，尹超

(长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064)

摘要:为公路泥石流灾害的防治与管理提供宏观层面的参考，针对中国公路泥石流灾害进行了危险性分区研究。从地形地貌、水源条件、物源条件及植被条件4方面分析了致灾因素，结合致灾因素影响程度，选取了相应评价指标并分级与评分；采用致灾因素叠加法建立了灾害危险性评价模型；利用ArcGIS10.0软件计算绘制了各评价指标分级图件、《中国公路泥石流灾害危险度图》，并以危险度为分区指标，编制了《中国公路泥石流灾害危险性分区图》，将全国划分为极严重危险、严重危险、中等危险、低危险4个等级区，危险性分区结果与公路泥石流灾害实际分布特征相符合。

关键词:公路工程；泥石流灾害；致灾因素；危险性评价；GIS；危险性分区

随着我国公路建设里程数的逐年增加，公路作为展布在自然环境中的线性带状结构物，沿线将穿越不同的自然环境区域，加上，公路建设对原先自然环境的稳定平衡状态产生了一定的影响，导致公路结构物遭受地质灾害的威胁[1-3]。其中，公路泥石流灾害是公路地质灾害的主要类型之一，灾害发生具有突然、破坏性强等特点，一旦发生将会对公路结构物造成毁坏、塌方、道路中断等影响。我国自然环境条件有一定的区域差异性，导致公路泥石流灾害的发生概率、频次、规模和致灾危险程度等有明显的区域差异性，这将对灾害的有效治理和资金合理分配增加了难度，因此，对公路泥石流灾害的危险性分布特征的全面掌握成为灾害有效防治与管理的前提之一。

近年来，我国众多学者对泥石流灾害进行了一定的研究，陈洪凯等通过对川藏公路四川段泥石流灾害的实地调查分析，研究了泥石流灾害形成机理，并提出了护岸结构、抗冲击结构、消能坎等工程对策[3]。丁继新等基于“灾害熵”，建立了泥石流灾害危险性评价模型[4]。刘江川通过对云南37条泥石流沟实地调查与统计，选取泥石流最大冲出量、流域面积、发生频率为评价因子，构建了泥石流危险性评价模型[5]。韦方强等以泥石流运动数值模拟手段，提出了流深与流速为灾害区划指标[6]。候兰功等提出了突出降雨激发因素的单沟泥石流危险性评价模型[7]。马强结合吉林省东南山区泥石流灾害的调查资料，研究了区域泥石流灾害发育分布特征和形成机理，并基于ARCGIS平台编制了吉林省泥石流灾害易发区分布图[8]。通过对相关研究文献的分析发现，我国公路泥石流灾害方面研究较多，但存在以下不足。

(1)已有泥石流灾害危险性方面的研究多从自然环境方面出发，很少以公路工程角度进行泥石流灾害危险性评价的研究。

(2)泥石流灾害危险性分区或区划多以省、市区域进行，很少从全国范围进行宏观层面的泥石流灾害危险性区划，尤其是公路泥石流灾害危险性区划。

公路泥石流灾害危险性区划是在灾害危险性评价的基础上，分析灾害危险性空间分布差异性，将全国分为不同危险等级的分布区，为公路泥石流灾害的防治与管理提供整体层面的参考与借鉴[9]。

本文在分析公路泥石流灾害特点和致灾因素的基础上，选取了危险性评价指标体系，采用致灾因素叠加法建立了危险性评价模型，基于专家调查法和黄金分割原理，计算了各评价指标权重。利用ArcGIS10.0软件，计算绘制了各指标分级图、《中国公路泥石流灾害危险度图》、《中国公路泥石流灾害危险性分区图》，全国划分了极严重危险、严重危险、中等危险、低危险4个等级，为公路泥石流灾害的宏观层面防治和管理提供参考。

1公路泥石流灾害危险性区划内容

公路泥石流灾害是由强降雨等自然灾害引发，携带大量泥沙、石块，通过淤埋、撞击等方式对路基及附属构造物造成损坏的特殊洪流[1，9]。根据公路泥石流灾害的特点和灾害对公路工程结构物的危害影响程度，公路泥石流灾害危险性分区的主要内容包括[9-10]以下几点。

(1)影响因素分析。结合公路工程特点，从自然环境因素中挑选出对公路泥石流灾害致灾危险性产生较大影响的因素，并分析因素作用强度特征对致灾危险性的影响特点。

(2)危险性评价体系建立。结合致灾因素，选取评价指标，并提取最能反映各因素作用特点的数字特征或强度指标，并对各评价指标进行分级和评分。

(3)危险性评价模型的建立。在公路泥石流灾害危险性评价指标研究的基础上，建立危险性数学模型，计算公路泥石流灾害危险度，以计算得到的危险度作为公路泥石流灾害危险性评价的结果。

(4)利用ArcGIS10.0软件，绘制危险性评价指标危险性分级图。结合危险性评价模型和评价指标基础图件，利用ArcGIS的空间叠加计算分析功能，绘制《中国公路泥石流灾害危险性图》。

(5)结合《中国公路泥石流灾害危险性图》，根据灾害危险度，进行公路泥石流灾害危险性分区。

2公路泥石流灾害危险性评价指标

2.1公路泥石流灾害影响因素

公路泥石流灾害的形成条件如下：①地形陡峭，易于集水集物；②上游处堆积大量的松散固体物质；③相对短历时内有突发性的大量流水源。另外，植被条件对灾害的形成也有一定的影响[9，11]。

2.1.1地形地貌条件

地形地貌条件对坡面型和沟谷型公路泥石流灾害的产生、发展的影响机理并不相同：对于坡面型公路泥石流灾害，在沟槽和坡面的逐渐演变中，较大的流域面积和地形坡度一定程度上可提供大量的土石体与水体[11]；对于沟谷型公路泥石流灾害，沟道坡度的重力势能等条件为泥石流提供动能量，给予泥石流侵蚀、搬运与堆积土、石体等物质的能量[12]。

2.1.2物源条件

公路泥石流灾害形成的物源条件是指泥石流灾害形成区的土、石体类型、性状、分布、结构、补给方式等，其来源受地层岩性、风化作用以及冻融作用等因素的影响[10-13]。从地层岩性来看，第四系松散堆积物最容易受到侵蚀，坡面上的残坡积物、沟道内的冲洪积物，以及滑坡、崩塌类灾害产生的堆积物等都是公路泥石流灾害形成的主要物质来源[9]。

2.1.3水源条件

水既是公路泥石流灾害的组成物质，又是固体堆积物的搬运媒介，形成公路泥石流灾害的水源主要有大气降水、溃坝(堤)水、冰雪融水以及地表水等。其中，公路泥石流灾害多发生在汛期，约90%的致灾主要因素是由暴雨引发的。我国的降雨特点以及降雨量的空间分异，导致了公路泥石流灾害的区域性差异，例如我国四川、云南等西南地区年均降雨量大且降雨期集中，公路泥石流灾害较为发育[2]。

2.1.4植被条件

植被类型与植被覆盖度对于公路泥石流灾害的危险性具有一定的影响。植被覆盖度高的地区，水土流失程度弱，从而减少松散固体物质的补给，降低公路泥石流灾害发生的概率[14]。降雨截流能力和蓄水保土能力好的植被，更有利于降低公路泥石流灾害的危险性。

2.2公路泥石流灾害危险性评价指标选取与分级

公路泥石流灾害危险性评价指标是致灾因素影响程度的体现，结合公路泥石流灾害影响因素的分析，选取地形坡度、地表相对高差、沟壑密度、岩土类型、年均暴雨天数、植被覆盖度等6项指标建立公路泥石流灾害危险性评价指标体系[9-10]。根据不同评价指标的强度特征对致灾的影响程度，将指标分为极严重、严重、中等、较低和轻微5个危险等级。由于各评价指标的量纲和范围不同，为便于统一定量评价，将按照相应危险等级分别评分为9、7、5、3、1。

表1　公路泥石流灾害评价指标分级表[9-10]

2.2.1地形地貌表征指标

地形地貌主要体现地形坡度、地形起伏程度,以及地表侵蚀、切割破碎程度等，将直接或间接影响地表径流形成、地表物质位移势能、斜坡地质灾害和沟谷侵蚀造成的泥石流灾害物源补给，是造成公路泥石流灾害的必要条件。本文选取地形地貌因子的危险程度表征指标为地形坡度、地表相对高差和沟谷密度。根据不同地形坡度上公路泥石流灾害的发生频次、地表相对高差和沟谷密度对致灾潜在影响程度，结合文献[10]研究成果，将评价指标分级并评分，见表1。

2.2.2降雨因素表征指标

在强降雨时期，地表径流大量产生，造成地表岩土体含水量增大，抗剪及抗冲刷强度降低，为公路泥石流灾害的发生提供了水动力、地表岩土体稳定性降低随水运动等方面条件。本文选取降雨因子危险程度表征指标为降雨量≥25 mm年平均天数，根据降雨强度的时空分布特征对公路泥石流灾害发生频次的影响[15]，将该指标进行分级并评分，见表1。

2.2.3物源条件表征指标

造成公路泥石流灾害的物质来源主要指地表稳定性差的岩土层，尤其是岩土结构松散的第四系堆积物、砂类土层以及遇水软化、强度降低的粉性土、黄土类土、软质岩等最为突出[16-17]。结合岩土的工程力学特性，将物源条件表征指标-岩土稳定程度对致灾的危险性影响等级划分并评分，见表1。

2.2.4植被条件表征指标

植被条件对公路泥石流灾害的影响主要体现

于植被覆盖度。由于植被根系对岩土体有一定的固着力，可有效减少水土流失和提高地表岩土体抗冲刷能力，据相关统计分析[14-15]，当斜坡植被覆盖度达到75%及以上时，泥石流灾害基本不发生，反之，植被覆盖度小于30%时，泥石流等斜坡地质灾害易发。结合植被覆盖度大小对公路泥石流灾害致灾影响程度，将表征指标植被覆盖度致灾危险性等级划分并评分，见表1。

3公路泥石流灾害危险性评价及成图

3.1评价模型的建立

本文采用致灾因素叠加法建立公路泥石流灾害危险性评价模型，如式(1)所示。

P=BM1+CM2+DM3+EM4+FM5+GM6，

(1)

式中：P为公路泥石流灾害危险度，即公路泥石流灾害危险性评价的结果，B为地形坡度指标评分，C为地表相对高差指标评分，D为沟谷密度指标评分，E为降雨量≥25 mm年均天数指标评分，F为岩土稳定程度指标评分，G为植被覆盖度指标评分；M1、M2、M3、M4、M5、M6分别为对应指标的权重。

3.2评价指标权重确定

不同评价指标对公路泥石流灾害的致灾作用影响程度不同，其相应的致灾作用危险性大小以指标权重值体现。通过对相关领域专家调查，总结分析得出，6个评价指标的致灾危险作用程度排序为：岩土稳定程度>地形坡度>降雨量≥25 mm年均天数>植被覆盖度>沟谷密度>地表相对高差。

表2　评价指标权重值

按照评价指标作用程度大小排序，采用指标作用程度大小遵循黄金分割原理[12]，进行比例分配，即：主次作用程度指标间存在比例关系为0.618。首先给予致灾作用程度最大的岩土稳定程度权重值为1，按照黄金分割原理，其他5个指标权值依次为：0.618、0.382、0.236、0.146、0.09。经归一化得到最终权重值，见表2。

3.3公路泥石流灾害危险性成图

利用ArcGIS10.0软件，结合评价指标分级评分表(表1)，生成各评价指标危险性分级图，按照评价模型(式1)和评价指标权值(表2)，将评价指标危险性分级图配权重值后叠加，得到公路泥石流灾害危险度图[5]。

(1)地形坡度分级图

利用中国1：250 000高程数字模型(DEM)，依托地理信息系统GIS，计算绘制百米网格坡度，生成地形坡度底图，按照地形坡度分级与评分标准(表1)，配准并赋值矢量化底图，得到《中国公路泥石流灾害地形坡度分级图》，见图1。

图1　中国公路泥石流灾害地形坡度分级图

(2)地表相对高差和沟谷密度分级图

依托GIS软件系统，利用DEM百米规则网格，根据水流方向和水流累积矩阵，计算地表相对高差和绘制沟谷信息网格，生成地表相对高差和沟谷密度底图，结合指标分级与评分，配准矢量化底图，得到《中国公路泥石流灾害地表相对高差分级图》和《中国公路泥石流灾害沟谷密度分级图》，见图2～图3。

图2　中国公路泥石流灾害地表相对高差分级图

图3　中国公路泥石流灾害沟谷密度分级图

(3)降雨量≥25 mm年均天数分级图

通过对我国739个气象站点，50年的降雨天数实测数据的统计分析，利用GIS系统模块的Kriging插值功能，生成降雨量≥25mm年均天数底图，结合指标分级与评分，配准矢量化降雨量≥25 mm年均天数底图，得到《降雨量≥25 mm年均天数分级图》，见图4。

(4)岩土稳定程度和植被覆盖度分级图

分别将《中国工程地质图》(1:4 000 000)，《中国植被覆盖度图》(1:4 000 000)作为矢量化底图，利用GIS系统，按照相应指标分级评分标准，配准并矢量化，生成《岩土稳定程度分级图》和《植被覆盖度分级图》，见图5～图6。

图4　中国公路泥石流灾害降雨量≥25 mm年均天数分级图

图5　中国公路泥石流灾害岩土稳定程度分级图

图6　中国公路泥石流灾害植被覆盖度分级图

(5)公路泥石流灾害危险度图

根据式(1)，利用GIS系统的叠加计算分析功能，对各指标分级图(图1～图6)赋值权重，进行叠加计算，生成《中国公路泥石流灾害危险度图》，见图7。

图7　中国公路泥石流灾害危险度图

4公路泥石流灾害危险性分区

根据图7可知，公路泥石流灾害危险度区间范围为[1.0，7.9]，本危险性分区以灾害危险度为分区指标，考虑泥石流灾害对公路的影响程度，将全国区域分为极严重危险、严重危险、中等危险、低危险4个等级，对应的危险度区间依次为[6.0，7.9]、[4.5，6.0]、[2.5，4.5]、[1.0，2.5]。根据危险等级划分标准，在图7的基础上，利用GIS软件计算生成《中国公路泥石流灾害危险性分区图》，见图8所示。

图8　中国公路泥石流灾害危险性分区图

由图8可知，我国公路泥石流灾害极严重危险区为黄土高原区、秦巴山区、福建与广东的东南部、台湾山区、四川南部与云南北部的川滇山区、新疆西部等地区。结合公路泥石流灾害的实际情况和相关建设管理部门经验，上述极严重危险区与实际公路泥石流灾害发生情况吻合，说明本研究具有一定的科学性，能基本反映我国公路泥石流灾害区域分布特点，有助于公路泥石流灾害宏观层面的防治与管理。

5结论

(1)根据公路泥石流灾害的致灾特点，从地形地貌、水源条件、物源条件、植被条件等方面分析了致灾影响因素；结合致灾因素作用程度，选取了地形坡度、地表相对高差、沟谷密度、降雨量≥25 mm年均天数、岩土稳定程度、植被覆盖度6个致灾因素表征评价指标，并分级和评分。

(2)采用致灾因素叠加法建立了公路泥石流灾害危险性评价数学模型，基于专家调查法和黄金分割原理，分析计算了各评价指标权重值。

(3)利用ArcGIS10.0软件，结合评价指标分级，计算绘制了各评价指标分级图，并在此基础上，根据危险性评价模型和指标权值，计算生成了《中国公路泥石流灾害危险度图》，其危险度范围为[1.0，7.9]。

(4)以灾害危险度为分区指标，全国划分为极严重危险[6.0，7.9]、严重危险[4.5，6.0]、中等危险[2.5，4.5]、低危险[1.0，2.5]4个等级区。其中极严重危险区为秦巴山区、黄土高原区、福建与广东的东南部、台湾山区等。

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The Study on the Risk Regionalization of Highway Debris Flow Disasters

Zhao Huan, Tian Weiping, Li Jiachun, Qi Hongliang and Yin Chao

(KeyLaboratoryforSpecialAreaHighwayEngineeringofMinistryofEducation,

Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Abstract:In order to provide macro-level reference for prevention and management of highway debris flow disasters, risk regionalization of highway debris flow disasters was studied. The causal factors of disasters are analyzed from topography condition, water condition, material sources and vegetation condition. In line with disaster effects, the assessment indicator system is selected and each indicator is rated and scored. Risk assessment model of highway debris flow disaster is established adopting the causal factors superposition principle. Each assessment indicator classification map and Risk Figure of Highway Debris Flow Disasters in China are calculated and plotted by GIS, and in view of risk degree, Risk Regionalization Figure of Highway Debris Flow Disasters in China is drew. The highway debris flow disasters in China is rated into four risk levels including extremely high risk area, high risk area, medium risk area and low risk area. The result of risk regionalization was in line with the distribution feature of highway debris flow disasters in China.

Key words:highway engineering; debris flow disasters; causal factor; risk assessment; GIS; risk regionalization

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.006

中图分类号：X43；U416.02

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)02-0024-06

作者简介：赵欢(1985-)，男，汉族，河南三门峡人，博士研究生，主要从事公路自然灾害防治方面的研究. E-mail：zhaohuan2582645@126.com

基金项目：西部交通建设科技项目(200631800007)；中交股份科技研发项目(2011-ZJKJ-04)；中央高校基本科研业务费资助项目(自然科学类)(310821161014)

*收稿日期：2015-10-20修回日期：2015-11-26

赵欢，田伟平，李家春，等. 公路泥石流灾害危险性分区研究[J].灾害学, 2016,31(2):24-29. [Zhao Huan, Tian Weiping, Li Jiachun,et al. The Study on the Risk Regionalization of Highway Debris Flow Disasters[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：24-29.]