岷江上游典型泥石流活动特征及其易发性评价

林虹宇，丁明涛，佘 涛，杨江涛

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734)

岷江上游典型泥石流活动特征及其易发性评价

林虹宇1，丁明涛1，佘 涛2，杨江涛1

(1.西南科技大学环境与资源学院，四川 绵阳 621010；2.中国地质科学院探矿工艺研究所，四川 成都 611734)

为了研究岷江上游震后泥石流活动特征和易发程度，结合高精度遥感影像和历史灾害统计资料，系统分析区内泥石流活动特征；在Matlab软件支持下，采用可拓模糊物元模型，选取松散物源、地层岩性、年降雨量、流域面积、主沟纵比降、完整系数、坡度、地震烈度、人类活动9个影响因子作为评价参数，并将岷江上游典型泥石流划分为极高、高、中、低易发4个等级，同时采用谭炳炎打分法对典型泥石流沟严重程度数量化综合评判，通过对两种方法比较分析，结果表明，整个岷江上游泥石流以中易发性为主且主要沿都汶公路沿线、杂谷脑干流分布；极高、高易发泥石流沟分布在汶川-理县一带，研究区易发程度由汶川县城附近沿岷江上、下游递减；评价结果对岷江上游灾后重建和生态恢复具有一定的借鉴和参考价值；模糊可拓物元模型能更好的与历史泥石流灾害分布情况相吻合，分级层次更加明显，为泥石流易发性评价提供了一种定性和定量解决问题的方法。

岷江上游；泥石流；易发性评价；可拓模糊物元；严重程度

0 引言

泥石流是各种自然因素(地质、地貌、水文、气象、土壤、植被)和人为因素综合作用的结果[1]；四川省地质环境较为复杂，尤其是岷江上游区域，多泥石流灾害发育，每年造成较大的经济损失，特别是“5·12”汶川地震后，呈现新的泥石流活动特征。

国内外[2-5]对泥石流的灾害活动特征研究主要是通过总结特征参数，统计分析，获得地貌与泥石流之间的关系，能较好的反映区域泥石流的特征。易发性评价又名灾害敏感性评价，通过水文地质条件、地形地貌、工程地质岩组、区域地质构造、人类活动、植被覆盖率等相关因素来确定灾害发生有无或强弱，划定灾害发生频率高的地区。其中针对泥石流的易发性评价最初是在定性和定量基础上相结合的多因子综合评价模型[6]；20世纪80年代谭炳炎基于泥石流单沟提出了严重程度的数理化综合判别标准[7]；20世纪90年代至今，基于GIS技术和数理统计模型结合得以广泛运用，其中可拓模糊物元模型和GIS的结合在泥石流评价中得到成功运用[8]。

本文在借鉴上述方法的基础上，针对“5·12”汶川地震对岷江上游泥石流沟巨大影响，选取岷江上游典型泥石流沟作为研究对象，结合高精度遥感影像和历史灾害统计资料，探讨其灾害活动特征，应用可拓模糊物元模型对区域典型泥石流进行易发性分区，为汶川地震灾区的灾后重建、山区经济发展提供参考。

1 研究区概况

岷江上游位于北纬30°45′37″～33°69′35″，东经102°33′46″～104°15′36″之间，研究区主要包括四川省阿坝藏族羌族自治州的汶川、茂县、理县、黑水、松潘五县的全部和都江堰小部分区域。流域主沟总长约341 km，流域面积约2.3×104km2(图1)。

图1 岷江上游区位以及典型泥石流沟分布图Fig.1 Location of the upper reaches of Min River

研究区主要发育的地质灾害以泥石流为主，威胁对象主要为沟谷分散农户和堆积区的城镇及相关基础设施。由于泥石流在研究区发育条件充分，危害范围广，在一定程度上制约了区域经济发展，特别是“5·12”汶川大地震后，直接引发了大量的泥石流等次生灾害的发生，研究区泥石流呈现新的活动特征。

2 数据获取

从泥石流形成机理出发，总结前人对研究区泥石流发育规律：(1)集中发育大断裂附近区域；(2)高山峡谷区且降雨分布不均匀区域；(3)出露岩层主要为千枚岩、板岩等变质岩和花岗岩区域；基于以上规律，在四川省国土资源厅多年岷江上游泥石流灾害事件中选取汶川县、茂县、黑水县、松潘县、理县、典型的40条泥石流沟作为本文研究对象，总结归纳出典型泥石流沟基本信息表(表1)；利用2013年30 m分辨率Landsat8影像和DEM提取出流域面积、主沟纵比降、流域完整系数、坡度数据，通过分析历史文献资料，整理出松散物储量、岩性、人类活动高低，参照2008年汶川地震烈度划分得到研究区地震烈度。最后对部分影响因子进行分级、数值化得到影像因子特征参数表。(松散物储量C1(×104m3)、岩性C2、年降雨量C3(mm)、流域面积C4(km2)、主沟纵比降C5(‰)、完整系数C6、坡度C7(°)、地震烈度C8、人类活动系数C9)

表1 典型泥石流沟参数特征值Table 1 Topographic characteristic values of typical debris flow gullies

3 泥石流活动特征

3.1 泥石流灾害明显呈条带状沿河流干流分布

泥石流沟主要沿岷江、杂谷脑河、黑河干流流域分布，且呈条带状(图1)。一方面，泥石流的成灾范围主要是堆积区，河流主沟与支沟相会形成山前堆积扇，孕育了泥石流沟的堆积环境。另一方面，泥石流是一种受内外力地质构造作用影响的灾害，内力作用形成陡峭地形，外力作用雨水不断冲刷，而河谷正是这种内外力共同作用的结果。

3.2 泥石流暴发时间带有相对集中性和准周期性

泥石流暴发主要集中在雨量充沛的夏季，特别是强暴雨后。如2010年“8·14”群发性泥石流，汶川映秀镇牛圈沟、磨子沟、红椿沟等多处支沟几乎同时暴发泥石流。区域内河流主支沟交汇处，保留了较厚的泥石流堆积区，地貌上多表现为泥石流阶地，表明历史上的泥石流曾有过一段集中发育期。如黑水河罗坝街沟泥石流，自1885年至今先后多次发生大规模泥石流，形成了较厚的泥石流阶地。

根据对岷江上游典型泥石流沟的发生时间统计(表1)，可以推断区域内一些老泥石流沟的暴发具有一定周期性，如黑水河罗坝街沟，自1983年至今的18年间，共暴发了3次大规模的黏性泥石流，暴发频率平均为6年一次；茂县龙洞沟泥石流先后于1934、1949、1975、1986年暴发了泥石流，暴发周期大约为12年。

3.3 泥石流以暴雨型-黏性-中低频率泥石流为主

泥石流类型的划分主要受其物源形成类型、降水条件影响，常见的有暴雨型泥石流和黏性泥石流。本文泥石流的分类主要根据以上影响因素来划分，按不同的分类指标可划分为不同类型的泥石流，本文主要从水源类型、物源类型、暴发频率3个方面来讨论(表2)。

根据统计和文献查阅，将暴雨型泥石流细分为强暴雨泥石流和非强暴雨泥石流。统计结果表明区域泥石流主要为强暴雨型，占了90%，非强暴雨型较少；参照容重指标划分[41]，从统计结果可看出岷江上游泥石流主要以黏性泥石流为主，表明岷江上游泥石流沟有巨大的物源提供，且多为松散的坡积物，成为黏性泥石流的最主要成分；采用中国地质调查局《滑坡崩塌泥石流灾害详细调查规范》来划分暴发频率，按暴发频率可以看出岷江上游主要以中-低频率为主，以其极强的隐蔽性和破坏力给山区环境带来巨大破坏，如汶川县茶园沟泥石流属大型低频黏性泥石流，2013年8月暴发造成直接经济损失高达151 315万元。综上可见岷江泥石流主要以暴雨型-黏性-中低频率泥石流为主(图2)。

有论者认为，沈从文有自己的情爱审美选择，其作品中的情爱的描写打破了长期统治中原的封建文化的影响，摒弃封建文化核心——礼教，主张“忠、孝、节”奴性，扼杀个性自由［3］。从沈从文对男女之间的情爱论也许可以这么说，但在沈从文的血亲情理审美选择中，始终坚守民间精神立场的沈从文，其作品中的血亲情理的描写始终坚守着封建文化核心——慈孝友悌的特殊性血缘亲情，也就是传统儒家那种主张血缘亲情本根至上、坚持血亲情理精神的特殊主义理论架构。这种坚守，没有让沈从文在封建文化的熏染中消极与落伍，反而在这种慈孝友悌的特殊性血缘亲情中滋长与怒放着文思与才情。

表2 泥石流频率类型分类Table 2 Debris flow frequency type classification

注：据中国地质调查局《滑坡崩塌泥石流灾害详细调查规范》

图2 泥石流分类情况直方图Fig.2 The histogram of debris flow classification

4 易发性评价

4.1 模糊物元模型

模糊物元分析是把模糊数学和物元分析有机地结合在一起，对事物特征相应的量值所具有的模糊性和影响事物众多因素间的小相容性加以分析、综合，从而获得解决这类模糊不相容问题的一种新方法。可拓集合和关联函数是可拓学定量化工具，可拓方法的理论基础是物元理论和可拓集合理论[42]。

依据各特征指标对泥石流易发性的影响程度将其划为若干等级，得到区域泥石流易发性可拓物元模型的经典域矩阵，在确定经典域矩阵基础上，首先根据各特征指标所有等级的量值范围，确定节域物元矩阵，其次将泥石流易发性指标体系中各指标及其具体量值在待判物元矩阵中体现，通过物元的量值大小确定该物元隶属程度及等级。

若Kj(Xi)=maxKj(Xi)j=1,2,3,…，m，Kj(Xi)Kj(Xi)则评价指标Ci隶属于等级j。

|X0ji|=|b0ji-a0ji|(i=1,2...n;j=1,2...m)

4.2 指标体系及量化分级

4.2.1指标体系分级

本文在分析区域泥石流形成的环境背景和活动特征基础上，从泥石流形成的松散物源、地形、降水三大条件出发，选取松散物储量(C1)、岩性(C2)、年降雨量(C3)、流域面积(C4)、主沟纵比降(C5)、完整系数(C6)、坡度(C7)、地震烈度(C8)、人类活动系数(C9)9个因子构建泥石流易发性评价指标体系。结合参考文献和结合实地考察资料，对影响因子的分级并以表征意义说明(表3)。

表3 指标分级及表征意义Table 3 The classification and the symbol meanings of the identification factors

4.2.2指标体系量化权重

由于各因子对泥石流影响作用不同，需对各因子确立权重。本文结合层析分析法建立构造判断矩阵(表4)主观的确立各因子的权重，专家主观判断给予各因子初步的比较，为了进一步探讨数据间信息熵大小，这里引入熵权法进行客观的进一步比较讨论，同时采用以上两种权重方法，主客观结合更好的确保各因子的权重大小。

表4 构造判断矩阵Table 4 Construct judgment matrix

经过权向量计算及一致性检验后得到判断矩阵的权向量：

W1=[0.279，0.208，0.155，0.115，0.082，0.059，0.044，0.033，0.024]

通过对判断矩阵最大特征根检验，CR=0.02<0.1，得到判断矩阵一致性检验通过，因此，上诉权重计算结果基本合理。通过熵权法得到指标权重

W2=[0.126，0.139，0.152，0.126，0.106，0.005，0.083，0.129，0.132]

最终得到总权重(层次分析法和熵权法权重各取一半)

W=1/2(W1+W2)=[0.032，0.203，0.094，0.063，0.173，0.120，0.153，0.078，0.081]

最后通过的总权重可以看出，岩性、主沟纵比降、坡度是研究区泥石流易发的主要影响因子，这也符合研究区破碎的变质岩类为主地层岩性和山高谷深的“V”型的地貌。

4.3 关联度检验

根据上述模糊物元评价方法确定了泥石流沟易发性不同评价等级的关联函数，并最终确定了典型泥石流沟的关联度，基于Matlab2014b软件编程计算得到结果，通过ArcGIS10.2制图得到研究区典型泥石流沟易发性评价图(图3)。

Kj(P0)表示关联度，当Kj(P0)>0时，表示待评价事物符合某级标准的要求，并且其值越大，符合程度越好；当-1≤Kj(P0)≤0时，表示待评价事物不符合某级标准的要求，但具备转化为该级别标准的条件，并且其值越大，越易转化；当Kj(P0)<-1时，表示待评价事物不符合某级标准的要求，并且不具备转化为该级标准的条件，其值越小，表明与某评价标准的距离越大；其中40条典型泥石流沟易发性的关联度均属于[-1,1]，虽然部分Kj(P0)值属于[-1,0]，但是均具有转化为该级别的潜力，各评价等级的关联度符合实际。

图3 研究区典型泥石流易发性评价图(模糊物元模型)Fig.3 Zonation of typical debris flow gullies susceptibility in the study area

4.4 谭炳炎打分法

谭炳炎打分法主要是对泥石流沟严重程度进行综合评判，对泥石流沟的判定及其活动强度采用了定性和定量的判定，统计和专家系统相结合的方法进行权重并打分，得到区域泥石流沟的严重程度。其中严重程度采用4值逻辑判别，即：严重—各项影响因素很活跃，处境严峻，有威胁感；中等—各项影响因素有一定程度的活跃，总的威胁感不突出，需引起注意；轻度—各项影响因素均较稳定，一定时期内不会有活动成灾的泥石流沟；没有—不属于泥石流沟[7]。基于谭炳炎打分法，从获取的典型泥石流沟参数表(表1)中选取松散物储量、岩性、流域面积、主沟纵比降、流域相对高差、坡度、人类活动系数7个影响因素进行分级(表5)，在根据以上判别条件进行打分计算，得到N1=44、N2=32、N3=17为此得到严重程度综合得分，由于研究对象是典型泥石流沟，40条泥石流沟的打分均大于17分，为此本文严重程度分为严重、中等和轻微三级，最后通过ArcGIS10.2制图得到研究区典型泥石流严重程度评价图(图4、图5)。

图4 研究区典型泥石流严重程度评价图(谭炳炎打分法)Fig.4 Assessment of gravity of typical debris flow gullies in the study area

图5 易发分区统计Fig.5 The statistics of susceptibility zoning

5 评价结果分析

基于以上研究区易发性分区结果与参考泥石流沟现实情况，本文将从典型泥石流沟分布情况、易发程度和数学模型的适用效率3个方面来讨论基于典型单沟的区域泥石流易发性分区是否具有合理性和可能性。

表5 典型泥石流沟综合评判及严重程度分级表Table 5 Comprehensive evaluation of the typical debris flow gullies and Severity classification

(1)对评价结果进行统计可以看出，两种模型下研究区40条典型泥石流沟都主要以中度易发性为主，占了总数的50%以上；极高和高易发性或严重泥石流沟共6条，占总数的15%，其中以汶川县城为中心向四周递减，并在映秀镇也形成极高易发中心，常形成极高易发或严重的泥石流沟，这主要由08年汶川地震造成龙门山断裂带破碎引发，产生强大的松散物源并提供巨大的势能条件，极有利于泥石流的发生，如红椿沟、茶园沟和哈尔木沟形成高易发泥石流沟；而向北黑水县、松潘县内的泥石流受地震影响较小，泥石流易发性偏低，低易发性泥石流沟共8条，占总数的20%。

(2)从两种模型得到的典型泥石流沟的分布情况基本趋于一致，得到的极高和高易发区主要分布在汶川-理县一带，映秀镇也为极高易发点之一；中度易发泥石流沟是主要的沿都汶公路沿线、杂谷脑干流分布，其中高、中易发泥石流沟相间排列，这种相间沿线排列方式更易带来局部环境的破坏，形成灾害链，如常见的堵江事件易促使中易发性泥石流沟向高易发性转变；低易发或较弱易发泥石流沟主要分布在松潘县和黑水县内，这类泥石流沟受人类活动较小、远离汶川震中，泥石流沟灾害威胁较小。

(3)对两种模型的结果进行统计分析(图5)，依据两种结果之间的拟合程度探究研究两种评价模型的效率。结果发现两种评价结果之间具有相同易发等级的评价单元共28个，占研究区总数的70%，表明两种模型的重合度较好；基于模糊可拓物元模型进行评价，相对于传统的谭炳炎打分法，更好的与历史泥石流灾害分布情况相吻合，分级层次更加明显，划分区域的说服力较强，通过熵权法和AHP确立的权重，减少人为认识的控制；谭炳炎打分法也为我们提供了泥石流严重程度判别最基本影响因子与分级标准，在如今多变的地理环境下(特别是受大地震影响)，模糊可拓物元模型在泥石流灾害评价中具有良好的可塑性和适用性。

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CharacteristicanalysisandsusceptibilityassessmentofthetypicaldebrisflowintheupperreachesofMinRiver

LIN Hongyu1, DING Mingtao1, SHE Tao2, YANG Jiangtao1

(1.SchoolofEnvironmentandResourceSouthwestUniversityofScienceandTechnology，Mianyang,Sichuan621010China；2.InstituteofExplorationTechnology，CAGS，Chengdu,Sichuan611734China)

In order to research post-earthquake features and susceptibility of the typical debris flow in the upper Reaches of Min River and base on high precision remote sensing images, systematic analysis on characteristics of debris flow in the region. Acquire 9 activity factors which including lithology, loose material, precipitation, drainage area, channel gradient, integrity coefficient, slope, earthquake intensity, human activities of debris flow disaster and summarize the characteristics of debris flows by means of fuzzy matter element extension method in the MATLAB with the 4 different level including very high, high, middle, low susceptibility. According to numerical marks of debris flow gullies which was established by Tan Binyan, the result of Comparing of two models are that the typical debris flow of the upper reaches of Min River is given priority to middle susceptibility, along the Du-Wen Highway and Zagunao River. Very high and high susceptible debris flow gullies mainly are distributed in Wenchuan to Lixian County. the susceptibility of near Wenchuan County is high and decreases along the upstream and downstream of Min River. The evaluation results offer some reference to rebuild after disaster and ecological restoration. In addition, The result using fuzzy matter element extension has a better agreement with the historical distributed situation with getting clear hierarchical level and provides a method to assess susceptibility the typical debris flow in the upper Reaches of Min River with a qualitative and quantitative method.

upper reaches of Min River; debris flow; susceptibility evaluation; fuzzy matter element extension method; corruption severity

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.02

P694

A

1003-8035(2017)04-0006-10

2016-09-22;

2015-10-31

国家自然科学基金项目(41371185;41401195)；教育部人文社会科学研究专项任务项目(工程科技人才培养研究)(15JDGC019)

林虹宇(1990-)，男，硕士，主要从事地质灾害评价与防治研究。E-mail:hongyulinhyl@163.com

丁明涛(1981-)，男，博士，教授，硕士生导师，主要从事地质灾害风险控制与聚落减灾研究。E-mail:mingtaoding@163.com