基于灰色关联度的舟曲小流域泥石流灾害风险评价

吴庆安, 张金霞, 刘兴荣, 马兴华, 黄金燕, 王磊

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院, 兰州 730070; 2.甘肃省科学院自然灾害防治研究所, 兰州 730000)

泥石流是一种广泛分布于山区的地质灾害,而中国又是一个多山国家(山区面积约占国土面积的70%),因此,泥石流灾害已成为中国重要地质灾害之一。对泥石流灾害进行风险评价,可以有效地反映泥石流目前的状况和今后来的发展趋势[1],为进一步开展泥石流的防灾减灾工作提供技术支撑。

泥石流风险评价是近些年形成的一个新的研究方向,也是当前泥石流防治技术研究的新热点[2]。由于评价方法多、判断标准和尺度不统一,增加了其评价难度。众所周知,泥石流破坏性极强、复杂性高,长期以来,受到国内外学者的广泛关注,并不断通过新手段优化传统的评价方法[3]。就国外而言,Guzzetti等[4]应用 Poisson概率模式,对意大利北部 Staffora河谷地区的滑坡风险进行了分析。Cutter等[5]基于美国1990年县域经济为基础,建立了环境灾害社会脆弱性指标。中国从20世纪80年代开始,有学者对泥石流灾害的风险性分析进行研究,如刘希林[6]从灾害风险评价的基本模式出发,分析、介绍了泥石流的危险性、区域易损性,并提出了危险度的评估模型;刘丽等[7]以泥石流灾害损失、风险区价值、孕灾环境等综合评判因素,对泥石流灾害风险进行了综合评价,得到了比较客观的评价结果;丁继新等[8]将灾害熵用于区域泥石流灾害的定量风险分析。目前泥石流危险性评价的主要方法有灰色关联预测法、层次分析法、信息熵法、神经网络预测法、模糊数学法等[6]。

为了有效地防止或减少泥石流灾害可能造成的损失[9],现结合国内外泥石流危险性评价的方法,以甘肃省舟曲县泥石流沟道特征参数为研究对象,建立泥石流灾害风险评价模型,为区域防灾减灾和工程规划建设决策等提供理论依据[10]。

1 研究区概况及技术路线图

1.1 位置

舟曲县(103°51′39″E～104°45′31″E,33°13′06″N～34°01′00″N)地处甘南藏族自治州东南的白龙江上游,附属于长江一级支流嘉陵江干流,是中国泥石流、滑坡等灾害频发区之一[11]。

1.2 地形地貌

舟曲县位于青藏平原东部、西秦岭西部和岷山群系的交汇点,属构造侵蚀型山地。区域山势层层叠叠,山谷窄辖,坡度陡峭,水流湍急。整体地形由西北到东南,西北高,东南低[12]。舟曲县山区约占全县域面积的80%,江河约占10%,可耕地约占10%,白龙江谷底地势低洼,平均海拔1 200 m,南北两侧最高可达到4 500 m[13]。

1.3 地质构造与地层岩性

舟曲县处在西秦岭南缘凹陷褶皱带西侧及白龙江复合背斜中,具有较大的抬升运动和断裂特征。由于喜山运动的作用,该区新的地质构造活动极为活跃,尤其是以洋布-大年、峪坪-朱家山、坪定-化马三组断裂等断裂活动最多,它们对岩性划分及地质灾害的发生与发育有着显著的影响[14]。

县域内地层以黄土、千枚岩、碳质板岩、片岩和变质砂岩为主,松散物质丰富且较集中,尤其是一些天然形成的堆石坝积累了大量物源。在暴雨作用下,极易促发泥石流。

1.4 气象水文状况

舟曲县降雨分布不均匀,具体表现为:在空间上,降雨量随着海拔升高而增大,呈现出西南大于东北、山区大于河谷的特征。根据统计舟曲气象局的资料,舟曲县全年年平均降雨量为435.8 mm,24 h 最大降雨量为9.77 mm,1 h最大降雨量为77.3 mm,30 min最大降水量为43.2 mm。降雨模式多为持续降水和强降水,全年降雨日数不多,大部分集中在5～8月,连续降雨日数最多为14 d。降雨密集,雨量大且暴雨较多,易诱发或加重泥石流的发生[15]。

1.5 各沟位置概况

龙庙沟、罗家峪、三眼峪、硝水沟、寨子沟位于舟曲县城北侧,总体呈南北展布,北高南低。磨沟位于舟曲县城中部,庙儿沟、水泉沟、台子沟、阴山沟位于舟曲县城西侧,武都沟位于舟曲县城东北部,各沟所处位置地质构造复杂,新构造运动活跃,整体地势起伏强烈,地层软硬相间,地质灾害极为发育。

2 泥石流研究内容及风险评价方法

泥石流风险是指在特定的地区、特定时期,因自然灾害而造成的人类生命、财产、经济活动的预期损失或潜在损失[4]。泥石流风险评价是由危险性及易损性和暴露性组成的,其中危险性、易损度、风险度是评价的重点,目前,已取得了长足进展。

2.1 研究内容

风险概念由1992年联合国人道主义事业部首次提出:风险是由某种自然灾害而引起,条件必须处于一定区域、一定时间段内,风险结果是对人民生命财产造成损害和经济损失[16],并由此衍生出了风险度概念,既包括致灾体的自然属性,又包括受灾体的社会属性[17]。泥石流危险性是指在某些地区和时间段内存在的人、财、遭受泥石流灾害损失的可能性大小,危险性评价侧重于泥石流自然特性评价。近几年,中国许多学者针对地质灾害易发性提出了各种评价方法,并进行了一定范围内的应用[18-19]。

2.2 危险度评价

泥石流危险性是指泥石流对生命财产及环境造成损害的概率,就泥石流灾害风险评价而言,国内外已取得了较多成果[20],国内对区域泥石流危险性评价的方法较多。已初步发展了一套泥石流危险性评价的基本原理和定量方法,并在实践应用中不断加以完善。

刘希林[6]从泥石流特征出发,建立了一个多因素综合评判模型,并应用在泥石流危险度评价上,这一研究成果在中国泥石流研究中可以说是首创,所提出的区域泥石流评价方法是根据中国山地地貌特征而提出的,它与中国地区的泥石流特征吻合,得到了广泛的认可和应用。

由于泥石流的特征、类型等不同,各影响因子对泥石流发生的贡献力也不相同。根据区域特点、历史灾情、形成条件和前人的研究成果等多方面条件分析,选定了10个评价指标作为关联因子[21-22],确定以一次泥石流(可能)最大冲出量(y)作为主要因子,其余部分影响因子为次要因子:泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固体物质总量(x3)、容重(x4)、山体相对高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面积(x7)、主沟长度(x8)、植被覆盖率(x9)[23]。

2.3 易损度评价

易损度是指某一地区、某一特定时期内,因泥石流灾害造成的可能最大的人员财产损失[24]。易损性是承载体的一种属性,它的损失用0～1的数值来表达(未损失—完全损失),而数值的大小则是造成人员和财产损失的数量。通过赋值法来确定影响因子和历史记录。

2.4 泥石流灾害风险度评价

自然灾害风险的特征是影响因子较多、评估方法较多[25-26]。目前的灾害风险评估定量表示,通常是依据联合国人道主义事务部于1992年发布的灾难危险定义及其数学公式[27-28]。

R=HV

(1)

式(1)中:R为风险;H为危险度;V为易损度;R、H、V的取值都在0～1。采用布氏定律以0.2为公差,在0～1范围内,区域泥石流危险度的计算公式[式(1)]可分为5个等级:极低风险(0～0.04);低风险(0.04～0.16);中等风险(0.16～0.36);高风险(0.36～0.64);极高风险(0.64～1)[29]。

风险度和易损度都代表了某一区域的潜在风险。不同之处在于,危险度代表预测值,而易损度代表的是当前的价值。二者之间的大小关系总是表现为R≤V。

3 关联度和权重的计算

在各个评估因素中,由于其取值单位和影响范围较大,因此,对其进行了分类赋值,对各个因子进行除纲量(0～1):从相关系数最小的因素出发,以初始权重1为起点,然后按照公差先后顺序,由等差序列向大的方向递增次要因子的权数。为了区别主次因子之间的差别,以最大次要危险因子的权数为基数,在此基础之上主要因子,以2为基准,依次呈等比级数增加各危险因子的权数和权重值,计算得出10个危险因子的权重之和等于1[30]。如表1所示为无量纲后的数据。

表1 无量纲化后的数据Table 1 Data after dimensionless

3.1 关联系数计算

以一次泥石流(可能)最大冲出量为基准数列Xy={Xy(k),k=1,2,…,9},泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固体物质总量(x3)、容重(x4)、山体相对高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面积(x7)、主沟道长度(x8)、植被覆盖率(x9)作为比较数列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为分辨系数,其作用是提高关联系数之间的差异性。P越小,分辨能力越大。一般取值范围为[0,1],取P=0.5。

3.2 关联度计算

关联度记为ri,其表达式为

(3)

式(3)中:ri为xi对参考曲线x0的关联度;ξi(k)(k=1,2,…,m),其关联度分别ri(k)(i=1,2,…,m)按从大到小进行排序,由式(2)和式(3)得到因子间的关联度。表2为计算结果,表3为权数和权重计算结果。

表2 次要因子与主要因子的关联度Table 2 Correlation degree between secondary factors and primary factors

表3 权数和权重的计算Table 3 Weight and calculation of weight

4 危险度模型的建立及计算

各泥石流危度是指各影响因子的赋值与其权重乘积之和,记为Wd。则舟曲县泥石流危险度计算模型为

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为泥石流危险度;y′i和x′i分别为泥石流沟道各项指标极差变换后的数值。

4.1 样本数据的归一化处理

采用式(5)、式(6)[31]对数据归一化处理。

主导因子的极差变换公式为

y′i=(yi-minyi)/(maxyi-minyi)

(5)

其他定量指标的极差变换公式为

x′i=(xi-minxi)/(maxxi-minxi)

(6)

舟曲县11条石流沟危险度计算结果如表4所示。

表4 泥石流沟危险度计算结果Table 4 Calculation results of debris flow gully risk

4.2 泥石流危险性分级

对于任何一条泥石流沟道无论目前有无发生过泥石流,其都具有一定的泥石流危险度,但其危险度有大有小,所以在计算完泥石流危险度后,要对其进行危险性大小分级[32-34],结果如表5所示,其计算结果与调查和历史泥石流灾害情况基本符合,具有较强的实用性[21]。

表5 泥石流危险性区分结果表Table 5 Results of debris flow hazard classification

5 泥石流易损度模型的建立及计算

根据统计可以看出,用0.5作为指数的幂函数拟合易损性与财产、人口的关系最优[35],从而得到了一个易损度一般的公式,即

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

(7)

式(7)中:V取值范围(0～1或0～100%)表示易损度;FV1为(0～1)的财产指标V1的转换函数赋值;FV2为(0～1)的人口指标V2的转换函数赋值。依据式(7),并结合表6,计算泥石流易损度,其结果见表7。

表6 泥石流易损度分级及泥石流沟道Table 6 Vulnerability classification of debris flow and debris flow channel

表7 易损度计算Table 7 Vulnerability calculation

6 风险评价

经上述内容,将危险度、易损度的计算值代入式(1),计算得泥石流风险度值,见表8。

表8 风险度计算Table 8 Calculation of risk degree

根据泥石流危险度计算公式,从计算结果上来看,极高风险区有三眼峪、罗家峪、武都沟,占比27.27%,高风险区有龙庙沟、庙儿沟、台子沟、寨子沟,占比36.36%,中风险区有、磨沟、水泉沟,占比18.18%,低风险区有硝水沟、阴山沟占比18.18%。对划分区的5个危险度等级区域进行面积统计,情况如图1所示。

图1 危险度各等级面积统计Fig.1 Area statistics of various levels of risk

7 结论

泥石流风险评价是一项涉及民生的重要工作。在回顾风险评价概念及其应用的基础上,以甘肃舟曲县区域泥石流灾害为例,在实际调查资料的基础上,对舟曲县11条泥石流沟进行风险评价,得出以下结论。

(1)通过利用层次分析法和灰色关联度法分结合舟曲县实际概况,分析计算了泥石流不同影响因素间关联度,以此计算出11条典型泥石流沟危险度。运用人口与财产相关性计算出泥石流区域易损度,最后运用风险度计算公式得出结论与客观实际状况相符,说明此模型应用与舟曲县泥石流风险度评价是可行的,泥石流沟道治理可按结论分出轻急缓重。

(2)考虑区域差异对泥石流成灾条件的影响,本文根据区域特点选取了:以一次泥石流(可能)最大冲出量、泥石流流量、泥石流最大流速、固体物质总量等10个因子,计算了区域泥石流危险度,计算结果与实际情况基本一致。

(3)根据风险评价模型算的区域泥石流沟风险度计算公式得出结论。计算结果表明:舟曲泥石流沟绝大多数在、中高风险等级区域,占比81.81%,仅有少数落在低风险区,占比18.18%。经实地调查、实例运用表明,评估的结论和实地考察的比较符合,验证了其评价的可靠性,可为当地相关部门防灾减灾提供理论支撑。