5?12地震后災(zāi)區(qū)泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)評價(jià)

沈興菊,張金山,王士革,謝 洪,魏軍林

(1.西南民族大學(xué)旅游與歷史文化學(xué)院,四川成都610041;2.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都610041;3.中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所,四川成都610041;4.四川省金科成地理信息技術(shù)有限公司,四川成都610041)

“5?12”地震引發(fā)了大量的崩塌、滑坡、不穩(wěn)定邊坡,造成大量的松散碎屑物質(zhì)堆積在溝道和坡面上,為泥石流的形成提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。地震后重災(zāi)區(qū)汶川、北川、青川、茂縣等地,受降雨激發(fā),多次發(fā)生泥石流,危及災(zāi)區(qū)群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,并造成公路損毀、交通中斷,阻礙了抗震救災(zāi)工作的開展。據(jù)研究,震后10～20 a內(nèi),汶川地震強(qiáng)震區(qū)泥石流將處于高度活躍期,是震后發(fā)育最廣泛、影響最大的災(zāi)害形式[1]。如2008年9月24日汶川地震區(qū)中心位置的北川一帶突降暴雨,導(dǎo)致區(qū)域性泥石流的暴發(fā),位于北川老縣城附近的西山坡溝暴發(fā)大規(guī)模泥石流,導(dǎo)致了42人死亡、失蹤[2]。

人們很早就開始了地震影響泥石流活動(dòng)的研究。鐘敦倫[3]認(rèn)為,地震在泥石流活動(dòng)中從多方面起著重要作用,強(qiáng)地震區(qū)往往是泥石流的強(qiáng)烈活動(dòng)區(qū),地震可為泥石流的形成提供豐富的松散固體物質(zhì)、充足的動(dòng)力條件,在一定條件下還可以為泥石流活動(dòng)提供水源。謝正倫、陳俞旭[4-5]根據(jù)1999—2006年的監(jiān)測數(shù)據(jù),分析了臺(tái)灣集集地震后地震區(qū)激發(fā)泥石流的臨界暴雨量,指出由于地震為泥石流提供了大量的固體松散物質(zhì),震后地震區(qū)泥石流發(fā)生的臨界雨量基準(zhǔn)線大幅度的下降。陳寧生[6]利用土動(dòng)三軸剪力儀,取泥石流源區(qū)的礫石土作為實(shí)驗(yàn)對象,證實(shí)了地震的作用會(huì)使泥石流源區(qū)的礫石土體強(qiáng)度降低,導(dǎo)致土源大量激發(fā),促進(jìn)泥石流的暴發(fā)的設(shè)想。

泥石流是突發(fā)性的災(zāi)害過程,歷時(shí)短暫,一旦成災(zāi),往往損失嚴(yán)重。因此,進(jìn)行泥石流災(zāi)害發(fā)生前的危險(xiǎn)性評價(jià),具有重要的實(shí)際意義,它不僅為國家和地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)布局提供依據(jù),而且還能為布設(shè)防災(zāi)減災(zāi)工程提供決策支持,是減輕災(zāi)害損失的重要的非工程措施。國際上對泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)非常重視,有關(guān)危險(xiǎn)性的研究也相對較早[7],目前泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)的研究得到了長足的進(jìn)展,研究成果的實(shí)用性和可操作性不斷加強(qiáng)[8],在防災(zāi)減災(zāi)實(shí)踐中被廣泛應(yīng)用。但這些方法涉及參數(shù)多,所需數(shù)據(jù)不易獲得,更關(guān)鍵的是地震引起的巖土體變得更為松散、溝谷內(nèi)堰塞壩的作用等特征難以用常規(guī)的參數(shù)來表達(dá),使得建立在常規(guī)條件下的泥石流危險(xiǎn)度評價(jià)方法在災(zāi)區(qū)震后泥石流危險(xiǎn)度評價(jià)中的使用中受到限制。5?12汶川大地震發(fā)生以后,關(guān)于地震泥石流的研究十分活躍[2,9-15],但對震區(qū)泥石流危險(xiǎn)度評價(jià)方法的研究還未見諸文獻(xiàn)。因泥石流危險(xiǎn)性評價(jià)已有一些比較成熟的方法,所以本文目標(biāo)鎖定在震后危險(xiǎn)度的增加情況的評價(jià)中。針對震后災(zāi)區(qū)溝谷內(nèi)固體物質(zhì)增加量、地震烈度、堰塞壩規(guī)模等參數(shù),建立模型計(jì)算這些因素引起的泥石流危險(xiǎn)度的增加量,最后綜合計(jì)算為震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)。危險(xiǎn)度增加系數(shù)可表征地震對溝谷泥石流促進(jìn)作用的程度,與應(yīng)用成熟方法評價(jià)的溝谷原有危險(xiǎn)度進(jìn)行運(yùn)算還可得到溝谷地震后的危險(xiǎn)度。

1 地震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)的評價(jià)模型

地震直接造成大量的崩塌、滑坡物質(zhì)堆積于溝谷,不僅給泥石流提供了豐富的固體物質(zhì)來源,而且阻塞溝谷,產(chǎn)生潰決洪水的可能性大大增加,從而更易于暴發(fā)泥石流。另外由于地震及其后余震的多次作用,陡峻的山坡產(chǎn)生大量的邊坡重力裂縫,降雨時(shí)地表水滲入裂縫,在水的靜壓力和動(dòng)壓力作用下形成一個(gè)軟弱帶,軟弱帶之上的土石體因水分飽和重量增加,且變得松軟,易于形成崩塌、滑坡或受到侵蝕而發(fā)生泥石流,導(dǎo)致泥石流危險(xiǎn)度增加。地震后泥石流溝危險(xiǎn)度增加系數(shù)的評價(jià)應(yīng)從流域和溝谷內(nèi)增加的固體物質(zhì)方量、地震影響程度及堰塞壩規(guī)模等方面開始。

1.1 新增固體碎屑物質(zhì)造成的泥石流危險(xiǎn)度增加量

地震是地殼活動(dòng)的劇烈表現(xiàn)形式,瞬間造成山河巨變,在劇烈活動(dòng)的過程中植被被破壞,在遙感圖像上根據(jù)地震前后的植被變化就可能大致確定崩塌滑坡發(fā)生的面積,結(jié)合實(shí)地調(diào)查的崩滑體厚度可估算地震貢獻(xiàn)的固體物質(zhì)方量。

以5?12地震后的2008年5月16日遙感圖像為基礎(chǔ)進(jìn)行固體物質(zhì)方量的估算,首先將地震前后的遙感圖像進(jìn)行比較,量算出地震后裸露巖體面積的變化量,并根據(jù)實(shí)地調(diào)查確定的崩塌滑坡厚度,計(jì)算出增加的固體物質(zhì)方量。但固體物質(zhì)增加量在不同的流域無法直接進(jìn)行比較,一般在溝谷泥石流危險(xiǎn)度評價(jià)中通行的做法是計(jì)算單位面積上的固體物質(zhì)方量,將其做為影響泥石流危險(xiǎn)度的一個(gè)參數(shù),而本文擬通過固體物質(zhì)的增加量來判斷其對泥石流活動(dòng)的貢獻(xiàn)則必須將其與泥石流活動(dòng)直接聯(lián)系起來,所以本文選擇了一次泥石流沖出物總量這一參數(shù),計(jì)算增加的固體物質(zhì)方量與一次泥石流沖出物總量的比值來表達(dá)因固體物質(zhì)增加引起的泥石流危險(xiǎn)度增加量。

本文采用泥石流防治工程設(shè)計(jì)中常用的配方法來計(jì)算一定設(shè)計(jì)頻率下泥石流的洪峰流量和一次泥石流沖出物總量[16]。因形成災(zāi)害的泥石流暴發(fā)頻率都較低[17],結(jié)合地震災(zāi)區(qū)以往泥石流的暴發(fā)特征,本文泥石流的設(shè)計(jì)洪峰流量和總量計(jì)算時(shí)采用P2%即50年一遇的標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)算步驟如下:

(1)按水文方法計(jì)算 P2%時(shí)的設(shè)計(jì)洪水流量Qw,洪水總歷時(shí)T(計(jì)算方法查閱當(dāng)?shù)厮氖謨?。

(2)用配方法計(jì)算 P2%時(shí)的設(shè)計(jì)泥石流洪峰流量。

(3)用概化過程線法計(jì)算一次泥石流總量Wc和沖出固體物質(zhì)方量Ws。

用地震后新增固體物質(zhì)方量與P2%的泥石流固體物質(zhì)總量的比值來表達(dá)新增固體物質(zhì)對泥石流危險(xiǎn)度的增加量,其物理意義是地震后新增加的固體物質(zhì)需要多少次這種規(guī)模的泥石流來輸移。

式中:As——地震后泥石流危險(xiǎn)度增加量;Wls——溝內(nèi)固體物質(zhì)總方量;——設(shè)計(jì)頻率泥石流固體物質(zhì)總量。

用配方法計(jì)算泥石流設(shè)計(jì)洪峰流量和沖出物總量時(shí)綜合考慮了溝谷的流域條件和降水條件,使增加的固體物質(zhì)方量與泥石流活動(dòng)直接聯(lián)系起來,可以用來判斷因固體物質(zhì)的增加對泥石流危險(xiǎn)度的貢獻(xiàn)大小。

1.2 巖土體松散造成的泥石流危險(xiǎn)度增加量

地震載荷的反復(fù)作用使巖土體松軟,更易于侵蝕,也會(huì)促進(jìn)泥石流的形成。但這種現(xiàn)象在地表沒有明顯表現(xiàn),特別是從遙感圖像上難以反映出來,為了將這些地表難以反映出來的現(xiàn)象在評價(jià)時(shí)有所考慮,本文引入了烈度對泥石流的影響系數(shù)。據(jù)研究[3],烈度7°以下對泥石流活動(dòng)基本沒有影響,7°以上烈度對泥石流影響大小用影響系數(shù)表示,各級(jí)地震烈度對應(yīng)的影響系數(shù)采用專家打分的方法賦值(表1)。

表1 地震烈度對泥石流的影響系數(shù)表

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),若一個(gè)流域中地震作用下產(chǎn)生的滑坡、崩塌較多,則其未發(fā)生滑坡、崩塌的區(qū)域巖土體松散程度也更大一些。所以可將設(shè)定的地震烈度對泥石流的影響系數(shù)與上述崩塌、滑坡提供的固體物質(zhì)的危險(xiǎn)度增加量相乘來表示地震烈度造成流域泥石流危險(xiǎn)度的增加量。

式中:Ras——用地震烈度表示的巖土體松散影響下泥石流危險(xiǎn)度的增加量;Si——設(shè)定的地震烈度影響系數(shù)。

1.3 堰塞體造成的泥石流危險(xiǎn)度增加量

當(dāng)溝岸上大量的崩滑物質(zhì)進(jìn)入溝谷對溝谷產(chǎn)生阻塞時(shí),就會(huì)形成堰塞湖。堰塞湖蓄水到一定高度后潰決,這種潰決洪水暴發(fā)突然,規(guī)模巨大,可以起動(dòng)溝谷內(nèi)的松散固體物質(zhì)成為泥石流。暴雨激發(fā)泥石流與其流量關(guān)系密切,在用配方法計(jì)算泥石流流量時(shí)也認(rèn)為在洪水達(dá)到一定流量時(shí)才可形成泥石流,所以本文用堰塞湖的庫容大小與一定設(shè)計(jì)頻率的洪峰流量的比較來判斷其對泥石流暴發(fā)的影響。根據(jù)前面的分析,5?12地震災(zāi)區(qū)P2%的設(shè)計(jì)洪峰流量與泥石流危險(xiǎn)度關(guān)系密切,計(jì)算堰塞壩內(nèi)水體以此流量排泄所需要的時(shí)間(h)作為堰塞體增加泥石流危險(xiǎn)度的增加量。

1.4 震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)

上述計(jì)算的3類泥石流危險(xiǎn)度增加量相互間基本獨(dú)立,相加后可全面表達(dá)地震后泥石流危險(xiǎn)度的增加情況,為了與原來評價(jià)的危險(xiǎn)度銜接,在計(jì)算結(jié)果中加1,然后與原評價(jià)結(jié)果相乘就是該溝地震后的泥石流危險(xiǎn)度。我們將其定義為地震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)。

式中:Ra——地震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù),其余參數(shù)同前。

震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)與原溝谷泥石流危險(xiǎn)度相乘便是地震后溝谷泥石流危險(xiǎn)度的綜合評價(jià)結(jié)果。

2 典型溝谷震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)評價(jià)

為驗(yàn)證震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)計(jì)算的合理性,本文選取5?12地震重災(zāi)區(qū)位于不同烈度,不同環(huán)境背景區(qū)的9條泥石流溝進(jìn)行計(jì)算(表2),這9條泥石流溝的分布及其所處地地震烈度區(qū)如圖1所示。

圖1 典型泥石流溝分布及其所處烈度區(qū)

表2 典型泥石流溝基本參數(shù)

2.1 計(jì)算過程

根據(jù)式(1)計(jì)算崩塌、滑坡等新增固體碎屑物質(zhì)造成的各溝泥石流危險(xiǎn)度增加量(表3)。

表3 固體碎屑物數(shù)量所致的泥石流危險(xiǎn)度增加量

根據(jù)式2計(jì)算地震引造成巖土體松散所致的泥石流危險(xiǎn)度增加量(表4)。

表4 巖土體松散所致的泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)

這些典型泥石流溝中大溪溝溝谷中有堰塞體(圖2),根據(jù)實(shí)地調(diào)查測量,該堰塞體最低處高31 m,使用地震前地形圖用GIS軟件的填方分析法算得該堰塞湖庫容為1.4×105m3。根據(jù)式(3),大溪溝50年一遇的洪峰流量為138.56 m3/s,庫內(nèi)蓄水若以此流量排泄,則需要0.28 h即可將庫內(nèi)蓄水完全排干,以此數(shù)據(jù)作為有堰塞體流域的危險(xiǎn)度增加量。

圖2 大溪溝溝口地震崩塌形成堰塞體

根據(jù)式(4)計(jì)算9條典型溝谷泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù),最后的評價(jià)結(jié)果如表5所示。為便于比較驗(yàn)證,將各溝地震后泥石流活動(dòng)情況也列于表中。

表5 震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)及實(shí)際表現(xiàn)

2.2 評價(jià)結(jié)果分析

魏家溝、磨子溝、謝家店子溝、牛圈溝和高家子溝地震后危險(xiǎn)度增加系數(shù)較大,都在1.2以上,這幾條溝谷處于5?12地震的Ⅹ度以上烈度區(qū),地震造成大量的崩塌滑坡,固體物質(zhì)充足,泥石流十分活躍,泥石流規(guī)模也較大。魏家溝由于滑坡直接補(bǔ)給泥石流,2008年9月暴雨引發(fā)了大規(guī)模的泥石流。磨子溝5?12地震后該溝泥石流活動(dòng)強(qiáng)烈,截止2008年9月已發(fā)生多次泥石流活動(dòng),泥石流淤埋和沖毀了溝口村內(nèi)房屋,溝口形成巨大的堆積扇,堆積扇擠壓岷江,并一度堵斷岷江。謝家店子溝中5?12地震引發(fā)高速滑坡轉(zhuǎn)化為碎屑流,堆積物在下游陡峻的山坡上停積,形成厚達(dá)40 m以上的堆積物質(zhì),大量固體物質(zhì)在溝內(nèi)、下游山坡及溝口堆積,加之上中游區(qū)域又多滑坡崩塌,固體物質(zhì)十分充足,一旦有暴雨激發(fā)就會(huì)暴發(fā)泥石流。牛圈溝支溝蓮花芯溝是5?12汶川大地震的地面暴發(fā)點(diǎn),地震發(fā)生時(shí)蓮花芯溝上游高速滑坡將大量的固體物質(zhì)迅速輸送到主溝內(nèi),大量的固體物質(zhì)堆積于溝內(nèi)及岸坡上,地震后已暴發(fā)過多次泥石流。高家子溝在震后也多次發(fā)生泥石流,造成了較大的損害。

大溪溝、磨子溝、福堂壩溝和龍洞溝地震后泥石流危險(xiǎn)度增加系數(shù)較小,都在1.2以下。從實(shí)際表現(xiàn)來看,這幾條溝谷除福堂壩溝外都處于5?12地震的Ⅸ度及以下烈度區(qū),受地震的破壞作用較小,溝內(nèi)堆積的松散固體物質(zhì)相對較少,在5?12地震后這4條溝谷還沒有暴發(fā)過泥石流,與評價(jià)結(jié)果相符。

3 結(jié)論

(1)從評價(jià)結(jié)果來看,地震后泥石流活動(dòng)明顯增強(qiáng)的魏家溝、磨子溝、謝家店子溝、牛圈溝、高家子溝的增加系數(shù)較大;計(jì)算出增加系數(shù)較小的大溪溝、龍洞溝、福堂壩溝和南溝實(shí)際中也沒有表現(xiàn)出泥石流活動(dòng)性增大的現(xiàn)象。可見該評價(jià)方法是合理的,也是實(shí)用的。

(2)配方法計(jì)算泥石流的設(shè)計(jì)洪峰流量和固體物質(zhì)總量時(shí)要根據(jù)流域面積、溝長、比降等參數(shù)結(jié)合流域降水特征使用水文模型計(jì)算設(shè)計(jì)洪峰流量和洪水過程,此方法以往多用于泥石流防治工程設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算中,本文嘗試將其用于泥石流的危險(xiǎn)度增加系數(shù)評價(jià)中,使增加的固體物質(zhì)方量、堰塞壩規(guī)模與泥石流活動(dòng)直接聯(lián)系起來,用來判斷這些因素對泥石流危險(xiǎn)度的貢獻(xiàn)大小,取得了較為理想的結(jié)果。

(3)溝谷地震之前的泥石流危險(xiǎn)度可用現(xiàn)有的較為成熟的方法進(jìn)行評價(jià),震后溝谷泥石流的危險(xiǎn)度為原危險(xiǎn)度乘以危險(xiǎn)度增加系數(shù)。這一方法的優(yōu)勢在于可以充分使用以往的研究成果,不需要從頭進(jìn)行研究;而且有些溝谷以前已經(jīng)進(jìn)行過危險(xiǎn)度的評價(jià),可直接使用這些數(shù)據(jù),節(jié)省了大量的成本。

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