汶川縣城泥石流災害風險評價研究*

鐵永波，唐川

(1.成都地質礦產研究所，四川成都610081;2.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059)

2008年9月24 日，僅距汶川8.0級大地震后短短4個月，主震區(qū)北川縣境內普降暴雨，引發(fā)了區(qū)域性的泥石流災害，造成40余人死亡或失蹤，數千畝良田及房屋被沖毀，北川老縣城幾乎全部被泥石流所淤埋，致使縣城多處地震遺址被破壞，造成了不可估量的損失。這次震區(qū)暴發(fā)的泥石流災害再次給人們敲響了警鐘，開展強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價及風險控制已迫在眉睫。

自1990年代以來，受全球氣候變暖的影響，極端氣象災害事件引發(fā)的泥石流災害逐漸成為制約山區(qū)城鎮(zhèn)發(fā)展的突出問題，受到各國和相關組織的關注［1－2］。1996年10月9日，聯合國國際減災十年委員會提出以“城市化與災害”為主題的“國際減災日”，將城市災害作為減災的重中之重［3］。1993年，日本“國際減災十年”國家委員會提出《發(fā)展中國家大城市災害易損性評價的對比研究》報告，以馬尼拉、墨西哥城、惠靈頓和東京等大城市作為試點研究對象，提出了較為系統(tǒng)的災害風險分析及評價研究技術，為城市災害風險評價的理論及方法體系奠定了基礎［4］;美國地質勘探局(USGS)開展了特定區(qū)域城鎮(zhèn)的風險評價研究工作，并編制了區(qū)域性泥石流災害風險評價圖［5］;法國政府開展了全國范圍內泥石流調查和風險評價研究，繪制了全國1∶25 000地質災害風險圖［6］。此外，許多國家也開展了相應的山區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險防范計劃，如加拿大自然資源部提出的城市地質計劃［7］、英國自然環(huán)境委員會的“城市改造與環(huán)境”計劃［8］、美國和巴西若干城市的地質災害調查與填圖計劃、澳大利亞的“城市社區(qū)地質災害易損性”計劃［9］，及洛杉磯、東京、倫敦和莫斯科等城市的地下深部調查和填圖項目等［10］。我國學者也開展了相應的研究，在我國西部山區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害預警預報［11］、數值模擬［12］、易損性評價［13－15］、風險評價［16－17］、防災減災與應急響應［18－20］等方面開展了深入的研究，形成了較為系統(tǒng)的風險評價方法與風險管理模式，在國內城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價研究中具有代表作用。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川盆地北部邊緣，居阿壩藏族羌族自治州東南部，東鄰彭州市、都江堰市，南靠崇州市、大邑縣、蘆山縣，西接寶興、小金縣，西北和東北分別與理縣、茂縣相連，地理坐標為30°45'37″～31°43'10″N，102°51'46″～103°44'37″E。研究區(qū)屬高原季風氣候，氣候干燥，降水量少而穩(wěn)定，年降水量526.3 mm，日最大降水量79.9 mm。因季節(jié)分配不均，干雨季分明。降雨量主要集中5－8月，降水量為324 mm，占年降水量62.1%。區(qū)內氣候總體特點是冬干夏濕，冬寒夏暖、雨熱同季、日差較大、日照充足，年平均氣溫8.2℃，氣溫自東南向西北并隨海拔由低到高而相應降低。在高山峽谷地帶，隨著海拔高度變化，氣候從亞熱帶到溫帶、寒溫帶、寒帶，呈明顯的垂直性差異。龍門山斷裂帶的后山斷裂－茂汶斷裂由縣城鄰近的東南側通過，軟弱的千枚巖地層廣泛分布，地質環(huán)境較為脆弱。在汶川8.0級地震的影響下，汶川縣城城區(qū)共發(fā)現的地質災害隱患點有12處，其中包括對縣城構成潛在威脅的泥石流溝南溝。

南溝位于岷江左岸、汶川縣城東南側后山，溝道直接穿過縣城區(qū)，威脅到下游學校、政府機關、醫(yī)院、賓館、居民住宅及公路等，流域面積6.8 km2，主溝長5.6 km，流域相對高差1 840 m，主溝縱比降約330‰;主溝以“V”型為主，溝道常年有流水，水源補給主要為雪山融水;流域內基巖主要為花崗巖，混雜有變質后的板巖及少量千枚巖。通過實地調查發(fā)現，地震后南溝流域內發(fā)育了不同規(guī)模的滑坡4處、崩塌9處、不穩(wěn)定斜坡及溝道兩岸的坍塌堆積體，總規(guī)模約110 000 m3。這些已經發(fā)生的滑坡及崩塌體在溝道內堆積，在流水的作用下極易啟動，同時，溝道兩側坡體上還有多處不穩(wěn)定斜坡，在地震作用下已極不穩(wěn)定，一旦在降雨作用下，很容易滑落到溝道內，成為泥石流發(fā)生的物源?？傮w上看，該溝具備了泥石流發(fā)生的物源條件和地形地貌條件，在暴雨作用下極易發(fā)生泥石流(圖1)。

圖1 汶川縣城遙感影像圖

2 強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價的主要內容與方法

研究的資料主要來源于:①汶川8.0級地震后國土資源部于2008年5月18日完成的汶川縣航空拍攝照片，該航片分辨率為0.5 m;②汶川縣1∶5萬地形圖數據、1∶5萬DEM和1∶10萬地質圖;③對泥石流溝開展現場調查獲取的流域特征資料。風險評價主要通過對應用高分辨率遙感影像對承災體進行解譯后，分別得到危險性評價結果和易損性評價結果，最后在GIS平臺下將泥石流危險性和易損性進行量化賦值并進行空間疊加分析和計算，從而實現風險評價及分區(qū)。

2.1 泥石流危險性評價

泥石流危險性的本質是泥石流發(fā)生的可能性(或發(fā)生的概率)及其可能的危險范圍，往往是相對特定的頻率而言。通常情況下，泥石流危險性評價往往通過危險性分區(qū)體現。國際通用的方法是借鑒瑞士早期繪制雪崩危險圖的方法，即用不同的顏色表示災害危險程度的不同［21－22］。但迄今為止對危險區(qū)等級劃分并無統(tǒng)一的標準。如奧地利采用二級區(qū)劃(劃分紅色區(qū)和黃色區(qū))［23］;瑞士采用三級區(qū)劃(劃分為紅色區(qū)、藍色區(qū)、黃色區(qū))的方法來劃分泥石流危險區(qū)［24］;我國學者的二級區(qū)劃(劃分為紅色區(qū)和黃色區(qū)［25］)、四級區(qū)劃(極危險區(qū)、高危險區(qū)、中危險區(qū)和低危險區(qū))等標準［26］。根據以上分析，本文主要采用泥石流堆積區(qū)地形地貌特征和危險性三級劃分的方法來表示泥石流的危險性，這里主要考慮兩個因素:堆積區(qū)的坡度和距離主溝的水平距離。

(1)堆積區(qū)坡度。通常情況下，當泥石流溝道在溝口坡度小于10°時，便開始發(fā)生堆積，即坡度小于10°的地區(qū)是泥石流危險性相對最高的區(qū)域［27－28］。這一特征與2008年9月24日北川暴雨泥石流的發(fā)生具有較好的吻合性。為此，將堆積區(qū)坡度對應分為3個危險級別的值，并在GIS平臺下進行相應的賦值與打分，其標準為:坡度介于0°～10°之間為高危險區(qū)，相應的賦值為5;坡度介于10°～15°之間為中危險區(qū)，相應的賦值為3;坡度介于15°～20°之間為低危險區(qū)，相應的賦值為2(表1)。

表1 泥石流危險性分區(qū)與堆積扇坡度對應關系表

(2)距主溝的水平距離。距離主溝道越近，泥石流的危險性越高，反之則危險性越低，危險性最高的是距泥石流主溝道100 m以內的區(qū)域［29］。通過對汶川8.0級地震后北川縣暴雨泥石流的調查發(fā)現，泥石流發(fā)生堆積的區(qū)域均介于距主溝兩側200 m的范圍之內。為此，根據泥石流危險性的三級劃分標準，對應將距主溝水平距離劃分為三級，并在GIS平臺下通過緩沖區(qū)分析分別賦予相應的值:距主溝道距離＜100 m為泥石流高危險區(qū)，賦值為5;距主溝道距離介于100～200 m之間為中危險區(qū)，賦值為3;距主溝道距離＞200 m為低危險區(qū)，賦值為2(表2)。最后，將以上兩個劃分標準在GIS支持下進行空間疊加計算和分析，得到泥石流危險性分區(qū)圖。

表2 距泥石流主溝水平距離與危險性分級對應表

2.2 泥石流易損性評價

易損性(Vulnerability)這一術語與風險的理解較為接近，并被應用到許多風險和災害管理中。由于易損性通常與自然風險的結果密切相關，其定義是抽象的，難以直觀地進行表達，因此，對其定義也有不同的理解［30］。1991年和1992年聯合國兩次公布了自然災害易損度的定義:“在給定地區(qū)由于潛在損害現象可能造成的損失程度”，并將其表現形式進行了量化定義，即易損性的取值范圍介于0～1之間［31］。

易損性評價主要通過高分辯率遙感影像資料，對遭受泥石流災害威脅的承災體進行解譯，承災體主要分為人口、建筑、道路、生命線設施及農業(yè)用地五大類。①各類承災體的解譯與賦值:人口分布特征的解譯主要根據遙感解譯，結合實地調查結果，對房屋建筑的使用類型(民房、工廠或學校等)來確定人口的活動區(qū)域，并勾劃出對應的邊界，采用格柵化的形式對研究區(qū)進行劃分，網格的大小為100 m×100 m，將格柵化后的圖層和解譯的居民房屋進行疊加，對網格內居民房屋建筑面積的大小來確定人口分布密度的大小，用人口密度的方式得到人口密度分布圖，并賦予相應的值(高密度區(qū)賦值為5，中密度區(qū)賦值為3，低密度區(qū)賦值為2);房屋建筑特征的解譯主要通過遙感影像和實地調查確定房屋的結構特征，并根據不同房屋類型易損性的差異進行賦值(框架結構賦值為5，磚木結構賦值為3，土木結構賦值為2)，同理，其它承災體的解譯和賦值也以此類推;②空間疊加分析:將各類承災體的解譯結果在GIS下進行空間疊加分析，根據賦值相加得到的結果確定出綜合的易損性分區(qū)圖(高、中、低)。

2.3 風險評價

雖然多數研究都將風險看作是對人類和生存環(huán)境構成影響的事件，但對風險評價的定義和解釋，不同學者的理解均有差異。1992年聯合國人道主義事務部(Department of Humanitarian Affairs)提出了自然災害風險的統(tǒng)一定義:“風險是在特定區(qū)域和特定時間段內由某一自然災害而造成的生命財產及經濟活動可能的損失”，并提出了風險度(R)是危險度(H)和易損度(V)的乘積，這一定義一直沿用至今［32］。這里所采用的風險評價方法也主要采用該計算公式。文中的風險評價主要在GIS支持下完成，即根據危險性和易損性的分區(qū)賦值結果，再進行空間疊加計算，得到相應的計算值，通過將不同計算值區(qū)間分別用紅色、黃色和綠色表示高風險區(qū)、中風險區(qū)和低風險區(qū)。最后，將風險評價圖與遙感影像進行疊加，可以很直觀地從遙感影像上分辨出不同風險區(qū)內承災體的空間分布特征。

3 汶川縣城泥石流災害風險評價

以汶川縣城后山南溝為例，開展了基于高分辨率遙感影像和GIS技術的強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價研究。首先通過堆積區(qū)坡度分區(qū)，確定坡度小于10°的區(qū)域，同時通過緩沖區(qū)分析，分別得到距離主溝小于100 m、100～150 m和150～200 m三個分級，分別用不同的顏色(紅、黃、綠)表示高、中、低三個危險性級別，并分別賦值為5、3、2，而后得到危險性分區(qū)圖(圖2a);然后通過對承災體(人口、房屋、道路等)的遙感解譯，按照前文中易損性分級與賦值的方法，也用不同顏色(紅、黃、綠)分別表示高、中、低三個易損性級別，通過相應賦值5、3、2后，得到易損性分區(qū)圖(圖2b、圖2c);最后在GIS的空間計算和分析功能下，將危險性圖層和易損性圖層進行疊加計算，最終得到風險評價圖(圖2d)。

圖2 汶川縣城南溝泥石流風險評價圖

根據南溝泥石流災害風險分區(qū)的面積統(tǒng)計結果顯示，高風險區(qū)面積約0.06 km2，占總面積的24%;中風險區(qū)面積約0.09 km2，占總面積的37%;低風險區(qū)面積約0.1 km2，占總面積的39%(圖2)。從不同風險區(qū)內承災體的數量統(tǒng)計上看，高風險區(qū)內房屋面積約占該區(qū)總面積的73%，建設用地面積占1%，公路占26%;中風險區(qū)內房屋面積約占該區(qū)總面積的66%，建設用地面積占8%，公路占26%;低風險區(qū)內房屋面積約占該區(qū)總面積的63%，建設用地面積占15%，公路占22%(表3)。

表3 南溝泥石流不同風險區(qū)內承災體數量統(tǒng)計表m2

針對以上評價結果，在汶川縣城泥石流災害風險控制和防災減災規(guī)劃過程中，需要優(yōu)先考慮對高風險區(qū)和中風險區(qū)采取有效的減災措施，如開展工程防治措施、預警預報措施、應急演練等，以降低泥石流可能造成的危害;對于泥石流低風險區(qū)，則可通過群策群防、應急演練等方式降低泥石流潛在的危害。

4 結論

在我國，泥石流對城鎮(zhèn)的危害在山區(qū)隨處可見，尤其是在受地質構造運動影響強烈的山區(qū)更為明顯。為引起人們對山區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害威脅的關注，有效減輕泥石流可能造成的損失，本文以汶川8.0級地震強震區(qū)之一的汶川縣為例，通過應用高分辨率遙感影像和GIS技術，開展了強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價與實例研究，主要得到以下結論。

(1)受西南強震區(qū)的控制，泥石流災害活動較為頻繁，汶川8.0地震后北川縣境內爆發(fā)的區(qū)域性暴雨泥石流表明，該強震區(qū)泥石流已進入一個新的活躍期，泥石流在未來很長一段時間內將會對強震區(qū)內的山區(qū)城鎮(zhèn)和村莊等高承載體密度區(qū)造成潛在威脅，開展強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價方法對防災減災具有較強的現實意義。

(2)由于泥石流自身的一些不確定性因素導致對其評價具有較大的難度，加之城鎮(zhèn)這一復雜的承載體，使得城鎮(zhèn)泥石流風險評價設計的內容較多，難以采用傳統(tǒng)的評價方法開展有效評價。應用高分辨率遙感和GIS技術能在很大程度上提高風險評價的效率和精度，尤其是在風險分區(qū)上具有很直觀的效果，能為城鎮(zhèn)的防災減災提供科學的依據。

(3)通過對汶川縣城南溝泥石流開展風險評價研究發(fā)現，雖然泥石流溝的中、低風險區(qū)的面積超過了總風險區(qū)面積的70%，而高風險區(qū)面積不到總面積的30%，但從各區(qū)承災體的分布情況看，房屋面積、人口數量及其它承災體的比例卻占了總數的50%以上，由此可以看出，高、中風險區(qū)的界定受承災體的分布特征(人口密度和房屋建筑密度)影響較大;低風險區(qū)的界定則主要受危險性因素的控制，在風險控制中需根據不同風險區(qū)制訂相應的措施。

(4)由于受山區(qū)城鎮(zhèn)承災體分布特征及類型的影響，在應用遙感影像對承載體進行解譯時，需要針對承載體的具體特征進行取舍，如生命線設施中只有公路能很好識別，其它的如電線桿、水管道的分布特征無法在遙感影像上進行解譯。雖然這些參數可以通過結合現場調查進行分析，但在實際易損性評價中，這些承災體的存在對易損性的影響幾乎可以忽略。

(5)根據評價結果，可為汶川縣城南溝泥石流災害風險控制及防災減災規(guī)劃提供合理的依據。同時，該評價方法可作為我國西南強震區(qū)城鎮(zhèn)泥石流災害風險評價的一個探索，為我國西南強震區(qū)城鎮(zhèn)風險控制提供決策依據。

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