不同尺度的忻州市东北部泥石流风险评价及风险管控研究

王晓娅,陈晓文,焦姗,田德志,崔丽鹏

(1.中国冶金地质总局第三地质勘查院,太原 030031;2.山西省煤炭地质资源环境调查院有限公司,太原 030006)

0 引言

泥石流是一种含有大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体[1],具有灾害范围大、影响范围广、破坏性强的特点。据统计,忻州市1978—2020年发生的40起泥石流共造成22人死亡,直接经济损失24495.28万元。近年来,开展地质灾害风险评价和风险管控逐渐成为地质灾害防治的重要工作内容。“十四五”期间,自然资源部推进地质灾害防控方式由“隐患点防控”逐步向“隐患点+风险区双控”转变,重视高风险区和高风险点,保护当地人们的生命财产安全。

泥石流风险评价包括危险性和易损性两部分,是指对泥石流在某一地区可能发生的概率和一旦发生对人们生命财产构成的危害做出评价[2]。地质灾害风险评价模型有极值风险模型、概率风险模型和可能性风险模型三种[3],因此风险评价的方法也多种多样。不同于崩塌、滑坡等斜坡类地质灾害,泥石流风险评价可以从区域风险评价和单体风险评价两个角度来考虑,区域泥石流风险评价方法主要有遥感与GIS评价法[4]、GIS评价法[5]、机器深入学习法[6]、模糊综合评判法[7]、遥感和数值模拟法[8]等,此外还有灰色预测评价法[9]、人工神经网络评价法[10]、信息熵理论评价法等。大部分学者认为区域泥石流风险评价结果是易发性(危险性)与易损性叠加的结果,但对易发性或危险性的定义、建立的评价指标体系有一定的差异。

单沟泥石流风险评价与考虑一个区域内多条泥石流风险性不同,只评价一条泥石流沟的风险性,一般考虑为易发性与易损性的乘积或危险性与易损性的和。评价方法与区域泥石流评价方法类似,包括层次分析法、模糊综合评判法、遥感与GIS评价法等[11-14]。

忻州市东北部的沟谷内发育数十条沟谷型泥石流,集中在繁峙县中西部的山区,中高山区陡峻的地形地貌、风化的岩土体及采矿废渣形成的大量物源使得该区域在暴雨时期发生泥石流的概率很大。为进一步加强当地“隐患点+风险区双控”的地质灾害管控体系,选取忻州市东北部发育的21条泥石流为研究对象,通过层次分析法开展单沟泥石流评价,然后采用GIS分析法开展区域泥石流风险评价,比较两种不同方法泥石流的风险性,确定研究区内的高风险区、高风险点,为保障当地人们的生命财产安全提供基础。

本次选取的21条泥石流分布于忻州市东北部的中高山区和山区—山前平原过渡带,集中在繁峙县岩头乡(9条)、繁城镇(7条)和光裕堡乡(5条)等3个乡镇。

1 单沟泥石流风险评价

根据联合国对自然灾害风险性的定义,单沟泥石流风险性计算公式如下[1]:

R单=H单×V单

(1)

式中,R单为泥石流风险性;H单为泥石流易发性;V单为泥石流易损性。

单沟泥石流易发性的计算公式如下:

H单=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+0.06S3+0.11S4+0.03S5

(2)

式中,M、F、S1、S2、S3、S4、S5均为评价因子,其转换值的取值见表1。

表1 单沟泥石流易发性评价因子转换值Table 1 Conversion values of risk assessment factors of each mudflow

根据研究区的实际情况,修正后的单沟泥石流易损性V单计算公式[1]如下:

V单=[0.5(FV1单+FV2单)]0.5

(3)

FV1单=1/{1+exp[-1.25(logV1单-2)]}

(4)

FV2单=1-exp(-0.0035V2单)

(5)

V1单=I+E+L单

(6)

V2单=(a+b+r)D/3

(7)

式中,V1单为财产指标(万元);FV1单为财产指标的转换函数赋值(0～1);V2单为人口指标(人/km2);FV2单为人口指标的转换函数赋值(0～1);I为泥石流影响范围内的受威胁财产(万元);E为经济易损度指标(万元),包括人均年收入E1、人均储蓄存款余额E2、人均拥有的固定资产E3;L单为影响范围内各类土地的价值(万元);a为59岁及以上老人和14岁以下少年儿童的比例;b为只接受过初等教育(小学)及以下人口的比例;r为人口自然增长率(‰);D为人口密度(人/km2)。

风险性等于易发性和易损性的乘积,按布拉德福定律的区域分析方法决定风险性的5个等级:0.00

图1 泥石流单沟风险性评价分区Fig.1 Division of single mudflow risk

2 区域泥石流风险评价

2.1 评价单元的划分

区域泥石流风险评价为危险性与易损性叠加得到,本次评价基于遥感解译的区域数值高程模型(DEM)进行栅格单元划分,以ArcGIS为平台,选取的栅格单元大小为30 m×30 m。

2.2 危险性评价

2.2.1 AHP法确定评价体系

选取本区域内与泥石流形成密切相关的斜坡坡度、斜坡坡高、斜坡坡向、岩土体类型、水文影响、植被、人类工程活动影响等7个因素作为评价指标,然后专家打分法构建评价网格矩阵,通过一致性检验,得到评价指标权重表(表2)。

表2 泥石流易发性评价体系Table 2 Assessment system of susceptibility mudflow

2.2.2 危险性评价

采用信息量模型通过ArcGIS计算得到各个评价指标的信息量分布图,然后将7张图进行叠加,首先得到易发性评价结果。在此基础上,叠加月降雨等值线图进行危险评价(图2),计算公式如下:

图2 研究区泥石流地质灾害易发性、危险性、易损性及风险性评价图Fig.2 Diagram showing susceptibility, danger degree, vulnerability and risk degree of mudflow disasters of the study area a.泥石流灾害易发性评价图;b.泥石流灾害危险性评价图;c.泥石流灾害易损性评价图;d.泥石流灾害风险性评价图

H=0.8Iy+0.2Ij

(8)

式中,H为危险性计算结果;Iy为易发性评价总信息量;Ij为降雨信息量。

2.2.3 易损性评价

根据《地质灾害风险调查评价技术要求》,本次评价侧重于对影响区范围内人口数量、建筑(房屋、建筑等)、交通设施等进行分类评价,再叠加得到综合易损性评价结果。

2.2.4 风险性评价结果

将地质灾害的危险性和易损评价结果叠加,采用矩阵分析方法将风险评价结果分为四级,极高风险、高风险、中风险、低风险。最终得到研究区21条泥石流的区域风险评价结果(图2)。从图2可以看出,研究区的泥石流均位于中风险区和高风险区,最后将单体风险评价和区域风险评价结果进行汇总(表3)。

表3 泥石流评价成果汇总Table 3 Summary of the assessment

将单体泥石流风险评价结果与用GIS方法进行该区区域泥石流风险评价结果进行对比可以看出,同一泥石流单体风险评价结果和区域风险评价结果可能“不一致”。对上述泥石流评价结果进行了分类,高风险区中的高风险点有5处,高风险区中的中风险点有10处,中风险区中的中风险点有6处,对不同的分类结果进行不同的风险管控。

3 泥石流灾害风险管控

根据上述3类分类结果,本次对研究区泥石流提出的风险管控措施包括三个层面。

(1)高风险区中的高风险点管控

主要位于五台县岩头乡西北部和繁峙县光裕堡乡中部,为研究区内泥石流风险评价为最危险的区域,应该加强这些区域的泥石流防灾减灾及风险管控工作,必要时建议采取工程治理、避让搬迁等措施。

(2)高风险区中的中风险点管控

主要位于五台县岩头乡北部和繁峙县光裕堡乡中南部,该区域内的泥石流发生概率也较高,具有形成泥石流的陡峻地形、丰富的岩土体及采矿废石等物源条件,应该对该区域的泥石流防灾减灾及风险管控工作引起重视。此外,建议对这些泥石流采取定期清理沟谷中的松散物、开展专业化监测预警等治理措施。

(3)中风险区中的中风险点管控

主要位于繁峙县繁城镇南部,该区域内泥石流的综合风险评价结果相比上述2个区域略低,但也应当引起足够重视,在区域内进一步加强群测群防等工作。

4 结语

(1) 泥石流风险评价是进一步开展灾害防灾减灾、风险管控的重要基础,不同的评价方法、评价指标可能得到的评价结果略有差异。本文从区域和单体两种不同的角度切入,得到的评价结果更为准确可靠,具有一定的参考价值。

(2)泥石流风险管控不仅仅从单条泥石流沟的角度考虑,更应该结合区域评价结果,实现“风险区+隐患点双控”的基础是将区域和单体评价结果综合考虑分为高风险区中的高风险点、高风险区中的中风险点、中风险区中的中风险点等3类,再对不同的分类提出不同的工程治理、避险搬迁、专业监测等风险管控建议。