基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法

耿佳弟,陈五一,赵艳华

(1.四川大学锦城学院,四川 成都 611731;2.西南石油大学地球科学与技术学院,四川 成都 610500;3.四川交通运输职业学校,四川 成都 611130)

0 引言

由于地震释放大量能量,使不稳定斜坡发生滑塌,诱发了数以万计的滑坡崩塌灾害,产生了很多松散堆积物,为泥石流发生提供了充足的物源[1]。加之灾区降雨入渗导致边坡体自重增加、土体颗粒抗剪强度降低,进而引起边坡系统基质吸力场、土体容重场及地下动水压力场的改变,发生时效变形,从而影响边坡的安全稳定性,形成滑坡[2]。发生泥石流灾害时岩石、泥沙等杂物在短期内顺流而下,在沟谷或河流处堆积,对灾害发生所在地的人身财产、资源供应、生态环境、道路和通信等基本条件造成严重的破坏[3]。泥石流具有并发性、突发性、周期性和强破坏性的特点,一旦发生爆发频率高、来势凶猛、时间短、流速快、流量大,对人民的生命安全和财产安全造成极大的威胁[4]。当前震后泥石流灾害损失预测方法存在预测效率低和预测准确率低的问题,需要对震后泥石流灾害预测方法进行分析和研究[5]。

舒和平等[6]提出基于Flo-2d数值模拟模型的灾害损失预测方法,该方法的基础评价指标选取易损度和单沟危险度,通过Flo-2d数值模拟软件对泥石流灾害进行模拟,对危险区域进行划分,结合承灾体经济价值和遥感解译技术计算承灾体的易损度,实现泥石流灾害的预测,但该方法采用软件模拟泥石流灾害所用的时间较长,存在预测效率低的问题。白淑英等[7]提出基于GIS9-3的泥石流灾害损失预测方法,该方法在GIS9-3软件的基础上从人类活动、地质构造、气象水文和地形地貌4个方面选取评价因子,通过层次分析法对泥石流灾害损失进行预测,得到的预测结果误差较大,存在预测准确率低的问题。陈剑等[8]提出基于指标熵模型的灾害损失预测方法,该方法在指标熵模型的基础上对泥石流灾害损失的影响因子进行分析,选取月均降雨量、地貌熵值、植被归一化指数、岩土类型、坡度和坡向作为泥石流灾害损失评价因子,通过权重系数法构建泥石流灾害损失预测模型,实现泥石流灾害损失的预测。该方法构建的损失预测模型精准度较低,存在预测准确率低的问题。

为了解决上述方法中存在的问题,提出基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法,通过GIS技术获取泥石流灾害的相关信息,构建由流域水量和固体物质量计算模型组成的泥石流起动模型,在该模型基础上进行震后泥石流灾害损失耦合预测,预测人员损失和财产损失,最后通过实验证明本文设计的预测方法预测精准度较高,为震后泥石流灾害损失预测提供参考。

1 震后泥石流灾害损失耦合预测方法

1.1 泥石流起动模型的构建

1.1.1 流域水量计算模型

通过描述随时间变化土体入渗能力的衰减过程,在入渗强度受降雨强度的影响下,通过4个特征参数描述时间变换下土体的入渗强度变化[9-13]。

基于此令入渗强度与降雨强度相等,在上述模型的基础上获得形成地表径流的时间:

(1)

式中:if为最终入渗量;Ri为降雨强度;i0为初始入渗量;Ks为土体饱和入渗系数;Tp为形成地表径流时刻。由式(1)可知,上述参数都会影响形成地表径流的时刻,因此通过GIS技术获取上述信息,构建流域水量计算模型,模型符合下述边界条件:

(1)如果最终入渗量大于等于降水条件,则不产生地表径流[14-15],产生径流的时间通常是无限的Tp=∞,设Ri=if,此时Tp的计算公式为:

(2)

(2)如果降雨强度在降雨初期大于等于初始入渗量,此时形成径流,即Tp=0,设Ri≥i0,存在下式:

(3)

(3)不考虑蒸发作用造成的含水量降低,如果长时间未降雨,入渗量在此时不发生变化,即Ri=0,土体入渗量i的计算公式如下:

i=if+(i0-if)exp(0)=i0

(4)

土体入渗总量Ic在整个降雨过程中的计算公式如下:

(5)

式中:TD描述的是降雨总历时。

1.1.2 固体物质量计算模型

通过GIS技术获取泥石流起动层平均厚度和起动区表面积对固体物质方量,基于此进行估计。

图1为单位体积的滑体。

图1 单位体积的滑体Fig.1 Sliding body per unit volume

设Fg=ρsgsinθ代表的是滑体下滑时对应的驱动力,其中θ描述的是起动区坡度;ρs描述的是土体密度;1/h描述的是滑体对应的接触表面积;Fs描述的是抗滑力,可通过表面积和抗剪强度S计算得到;h描述的是滑体平均厚度,其计算公式如下:

(6)

式中:φ为土体内摩擦角。

1.1.3 泥石流起动模型

在降雨条件下松散堆积层自重增加,影响坡体的稳定性[16-18],利用GIS技术的绘图仪绘制松散层的受力分布图(图2)。

图2 松散堆积层受力分布Fig.2 Force distribution of loosely deposited layers

设γ代表的是松散堆积层自重,其计算公式为:

γ=Cρs+(1-C)ρw=C(ρs-ρw)+ρw

(7)

式中:C代表的是堆积层固体对应的体积浓度;ρw代表的是水体密度;ρs代表的是土体密度。

当堆积层的厚度为h时,此时块体顶部存在的驱动力为τd,其计算公式如下:

τd=[C(ρs-ρw)+ρs]ghsinθ

(8)

如果块体底部只存在正应力,不对土体孔隙水压力和松散土体黏聚力进行考虑,此时块体的抗剪强度τr的计算公式为:

τr=C(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(9)

分析上式可知,土体固体体积浓度C受抗剪强度τr和驱动力τd的影响,当驱动力τd小于抗剪强度τr时,块体保持稳定,当驱动力τd等于抗剪强度τr时,块体处于平衡状态,体积浓度此时即为临界浓度Cc。

在平衡分析的基础上获得下式:

[Cc(ρs-ρw)+ρw]ghsinθ=

Cc(ρs-ρw)ghcosθtanφ

(10)

临界浓度Cc描述的是泥石流起动时对应的临界状态,其计算公式为:

(11)

如果tanθ满足下式,则临界浓度将会大于初始固体体积浓度C*:

(12)

经调查发现临界浓度Cc的值不会太高,通常小于0.9C*,因此固体在泥石流起动临界状态下的体积浓度Cc为:

(13)

(14)

式(14)为固体体积浓度的概念公式,其中Vs描述的是固体物质在松散层中的体积;Vw描述的是水体在松散层中的体积。在式(14)的基础上获得起动特定方量的固体物质参与泥石流需要的水量Vw,其计算公式:

(15)

通过上述分析可知,如果泥石流起动所需水量小于模型计算的水量,判定泥石流在该时刻形成。

1.2 损失耦合预测

1.2.1 人员损失预测模型

人员损失由两部分构成,分别是伤害损失和死亡损失。伤害损失描述的是由泥石流造成的除死亡以外的医疗、疾病和受伤等损失,死亡损失描述的是由于人员死亡造成的损失[19-20]。人员损失SH可通过下式表示:

SH=SI+SD

(16)

式中:SI为伤害损失;SD为人员损失。

伤害个体的损失通常包括误工、恢复和治疗等费用,利用当地、当年的人均GDP损失对伤害损失和人员损失进行估算,计算公式分别如下:

SD=40×Y×P1

(17)

SI=Y×P2

(18)

式中:P1为由于泥石流造成的死亡人数;Y为当地当年人均GDP;P2为因泥石流造成的疾病、受伤人数。

结合式(16)～(18)构建人员损失SH的预测模型:

SH=40×Y×P1+Y×P2

(19)

1.2.2 财产损失预测模型

在泥石流灾害经验和调查的基础上对泥石流的危险区进行划分。采用分类调查统计方法对不同危险区的承灾体期望值损失进行核算,构建预测模型:

(20)

式中:D(s)描述的是泥石流造成的财产损失;Fij描述的是i类承灾体在泥石流灾害下发生j级损毁的数量;E(d)i描述的是发生泥石流灾害前i类承灾体对应的平均单价;Gij描述的是发生j级损毁时i类承灾体的平均价值损失率。

结合财产损失预测模型和人员损失预测模型构建震后泥石流灾害损失耦合预测模型:

E=SH+D(s)

(21)

2 实验结果与分析

GIS的应用系统由方法、硬件、人员、数据和软件五个部分构成,GIS的硬件配置如图3。

图3 GIS硬件配置Fig.3 GIS hardware configuration

基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法通过GIS技术获取泥石流灾害的相关信息,为震后泥石流灾害损失预测提供依据。为了验证基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法的整体有效性,需要对基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法进行测试,本次测试在Matlab R2016平台中完成。

分别采用基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法、基于Flo-2d数值模拟模型的灾害损失预测方法和基于指标熵模型的灾害损失预测方法进行测试,对比三种方法的预测时间,测试结果如图4。

图4 不同方法的预测时间Fig.4 Forecast time of different methods

由图4可知,在多次迭代中基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法所用的预测时间低于基于Flo-2d数值模拟模型的灾害损失预测方法和基于指标熵模型的灾害损失预测方法。因为基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法是利用GIS技术获取震后泥石流的相关数据,为震后泥石流灾害的损失预测提供了依据,缩短了预测所用的时间,提高了基于GIS技术的震后泥石流灾害耦合预测方法的预测效率。

对比3种方法的预测准确率,测试结果如图5。

图5 不同方法的预测准确率 Fig.5 Prediction accuracy of different methods

由图5中的数据可知,基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法在多次迭代中获得的预测准确率均高于基于Flo-2d数值模拟模型的灾害损失预测方法和基于指标熵模型的灾害损失预测方法,这是因为基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法是结合财产损失预测模型和人员损失预测模型进行预测,提高了该方法的预测准确率。

3 结语

泥石流是一种介于碎屑流和水流的两相流体,具有爆发突然、冲击强和流速快等运动特征,强烈且快速地作用在受灾地区,通常发生在强震后,严重危害灾区的电力设施、居民、水利、交通、城镇等安全。当前泥石流灾害损失预测方法存在预测效率低和预测准确率低的问题,提出基于GIS技术的震后泥石流灾害损失耦合预测方法,构建了震后泥石流灾害损失耦合预测模型,可在较短的时间内准确地完成震后泥石流灾害损失的预测,为灾后重建提供相关依据。