基于強(qiáng)度理論的單溝泥石流風(fēng)險評估

徐繼維，張茂省，范仲杰，賈 俊，高 波

（1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，陜西 西安710054；2.國土資源部 黃土地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室 中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安710054）

風(fēng)險管理是一門新興的管理學(xué)科，在國際上蓬勃發(fā)展［1－2］。風(fēng)險評估作為風(fēng)險管理的重要組成部分，對地質(zhì)災(zāi)害的研究有著深遠(yuǎn)意義。1991年聯(lián)合國公布了自然災(zāi)害風(fēng)險的評估方法，將地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險定義為危險性與易損性乘積［3］。隨后，唐川等［4］提出，泥石流風(fēng)險評估應(yīng)根據(jù)山地斜坡的環(huán)境條件和災(zāi)害史劃分危險等級并評估泥石流對人類和財產(chǎn)可能造成損失的程度。進(jìn)入21世紀(jì)，泥石流風(fēng)險評估有了進(jìn)一步的發(fā)展。國內(nèi)研究中劉希林等［5］提出了用人口經(jīng)濟(jì)和土地資源代表自然環(huán)境的綜合評估泥石流災(zāi)害風(fēng)險的復(fù)合函數(shù)模型；國外研究中Jonkman S N等［6］提出按照生命風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險總結(jié)出的生命和財產(chǎn)損失風(fēng)險表達(dá)的思路；隨后，F(xiàn)ell R等［7］在國際會議中提出泥石流災(zāi)害財產(chǎn)風(fēng)險的定量計算公式：

式中：P（L）——泥石流發(fā)生概率；P（T∶L）——泥石流到達(dá)承災(zāi)體的概率；P（S∶T）——時空概率；V——易損性；E——承災(zāi)體價值。本文以此公式為基礎(chǔ)，引入強(qiáng)度的概念對其進(jìn)行拓展，以紅椿溝為例，從強(qiáng)度角度分析不同降雨條件下泥石流的危險性和危害性并對其進(jìn)行風(fēng)險評估。研究基于強(qiáng)度的風(fēng)險評估方法的適應(yīng)性，為泥石流風(fēng)險評估提供一種新的思路。

1 紅椿溝概況

紅椿溝位于秦嶺南麓，陜西省商洛市山陽縣城關(guān)鎮(zhèn)南部，地質(zhì)結(jié)構(gòu)屬秦祁地槽型東秦嶺褶皺系，主要受東西向深大斷裂（牛耳川—銀花斷裂）及印支褶皺影響，構(gòu)造活動強(qiáng)烈。出露的地層巖性以泥盆系灰?guī)r、第三系砂礫巖等沉積巖為主，夾雜部分侵入巖。

1.1 地形地貌

紅椿溝位于牛耳川—銀花斷裂下盤抬升區(qū)，次級構(gòu)造發(fā)育，分支斷裂沿溝頭和溝口近東西向展開。地勢上南高北低，切割強(qiáng)烈，“V”字型溝谷異常發(fā)育，為強(qiáng)烈侵蝕的中、低山峽谷地貌。區(qū)內(nèi)水域?qū)捬?，匯水面積達(dá)3.24km2，主溝長約2.45km，相對高差約812m。頂部兩條支溝平均坡度分別為53°，51°，中部溝道順直，整體呈“Y”型。這種地形地貌極利于降雨短時間匯集，形成泥石流。根據(jù)流域地形地貌特征，將紅椿溝進(jìn)行分區(qū)（表1）。

1.2 物源條件

紅椿溝內(nèi)物源豐富，主要由天然物源和人為物源兩部分組成。

1.2.1 天然物源 受構(gòu)造運動及風(fēng)化作用的影響，區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)松散、完整性差。破碎巖土體絕大部分披覆于溝谷內(nèi)及岸坡表部，少部分在面流及重力作用下被運移到溝谷緩坡地段儲存（圖1）。進(jìn)行顆分試驗對紅椿溝物源特征分析，結(jié)果表明，物源的透水性大，壓縮性小，顆粒間黏結(jié)差。

表1 紅椿溝各功能區(qū)地形特征統(tǒng)計

1.2.2 人為物源 紅椿溝內(nèi)人類工程活動強(qiáng)烈，共有4處采石場，大量廢棄石料堆積。且持續(xù)的爆破開采導(dǎo)致巖體松動，結(jié)構(gòu)面貫通，加劇了岸坡巖體的崩落。

大量的松散固體物質(zhì)構(gòu)成了紅椿溝泥石流的潛在物源。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，流域內(nèi)固體物質(zhì)總量為4.88×105m3，動儲量為 1.00×105m3，占總量的20.51%，主要為溝道內(nèi)采石場廢料堆積體。

圖1 紅椿溝流域堆積物形態(tài)特征

1.3 水文條件

紅椿溝屬于季風(fēng)性半濕潤山地氣候，降雨豐富。年平均降雨量709mm，最大降雨量1 131.8mm（1964年），其次為1 120.7mm （1983年），最小降雨量473.2mm（1978年）。降雨主要集中在7，8，9月，其次為5，6，10月，5—10月是主要降雨期，也是泥石流災(zāi)害高發(fā)期。統(tǒng)計42a的降雨數(shù)據(jù)，降大雨暴雨271次，年平均6.5次，連陰雨66次，年平均1.6次，最多的5次（1964年），最少的0次（1962年，1977年，1980年，1997年，2001年）。秋季連陰雨最多，共50次，占總次數(shù)的75%，春季次之（圖2）。

依據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料及災(zāi)害史預(yù)測可能發(fā)生泥石流的固體沖出量。按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘察規(guī)范》中雨洪法計算泥石流流量及一次最大沖出量，得出不同降雨頻率下泥石流體積（表2）。

1.4 災(zāi)害史及損失

1964年7月19日，6h降雨量達(dá)123.2mm，紅椿溝發(fā)生泥石流。泥石流摧毀溝道部分房屋，堆積溝道內(nèi)部，造成溝道中部農(nóng)田被毀 。由于當(dāng)時人口較少，并無人員傷亡。

1983年7月28日，7h降雨量達(dá)131.4mm，紅椿溝再次發(fā)生泥石流。泥石流造成上游溝道兩側(cè)民房設(shè)施被毀。同時，1964年泥石流后堆積區(qū)上開墾的農(nóng)田被全部掩埋，溝道中房屋部分被淤埋。相關(guān)部門統(tǒng)計，經(jīng)濟(jì)損失約148萬，但無人員傷亡。與1964年相比，該次泥石流造成的經(jīng)濟(jì)損失更大。

表2 紅椿溝不同降雨條件下泥石流暴發(fā)總量預(yù)測

2 泥石流災(zāi)害風(fēng)險評估

從物理學(xué)的基本定義分析，泥石流強(qiáng)度（I）指單次泥石流事件所爆發(fā)出來的能量大小。強(qiáng)度作為分析泥石流破壞能力的指標(biāo)，對泥石流風(fēng)險評估具有重要意義，其影響因子包括體積方量、流域面積、主溝長度、縱坡降、降雨量等［5］。但就單溝泥石流而言，流域面積、主溝長度、縱坡降等是固定不變的。因此，本文僅用泥石流體積大小和降雨量的乘積來表征單溝泥石流災(zāi)害的強(qiáng)度指數(shù)。

式中：V——泥石流體積方量大?。╩3）；r——降雨量（mm）。下同。

強(qiáng)度分析的目的在于評估泥石流的風(fēng)險。拓展風(fēng)險計算公式［7］為：

式中：I——泥石流災(zāi)害強(qiáng)度指數(shù)。

I×P（L）×P（T∶L）×P（S∶T）相當(dāng)于泥石流災(zāi)害對生命或財產(chǎn)產(chǎn)生不利影響的可能性，即危險性，V×E相當(dāng)于危害程度的度量，即危害性。故風(fēng)險又表達(dá)為

式中：H——泥石流的危險性；D——泥石流的危害性。

2.1 泥石流災(zāi)害危險性評估

泥石流危險性是泥石流災(zāi)害對某一范圍內(nèi)產(chǎn)生某種破壞的可能性，是一個空間、發(fā)生概率、規(guī)模（強(qiáng)度）的綜合概念。因此評估泥石流危險性，首先要對泥石流的致災(zāi)范圍、發(fā)生概率、強(qiáng)度進(jìn)行評估。

2.1.1 泥石流致災(zāi)范圍 紅椿溝堆積區(qū)處于兩座低山之間，泥石流的致災(zāi)范圍具有溝道的特殊性。根據(jù)山陽縣城區(qū)周邊15條泥石流溝的致災(zāi)歷史及溝道特征，總結(jié)出經(jīng)驗公式，分別用來計算泥石流堆積體的長度（L）、寬度（B）、高度（H）。從而計算出泥石流堆積范圍。

式中：V——泥石流堆積體體積（m3）。

2.1.2 泥石流發(fā)生概率 泥石流發(fā)生概率是計算泥石流危險性的必要條件。降雨作為泥石流的誘發(fā)條件和啟動因子，對泥石流的發(fā)生概率有著決定性的影響。本文用一定歷時某種強(qiáng)度降雨的降雨量的相關(guān)函數(shù)來表征泥石流的發(fā)生概率〔P（L）〕。依據(jù)山陽縣的氣象及災(zāi)害資料，山陽縣城南共發(fā)生泥石流31次（1964年8次，1967年4次，1983年10次，1998年6次，2003年3次），通過對資料的統(tǒng)計可以看出，當(dāng)6h降雨量達(dá)到198.4mm以上時，泥石流的發(fā)生概率為100%；當(dāng)6h降雨量低于198.4mm時，泥石流發(fā)生概率隨著降雨量的減小而減小。結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出降雨量與泥石流發(fā)生概率的函數(shù)關(guān)系。

式中：q——降雨強(qiáng)度（mm／s）；t——降雨持續(xù)時間（s）；r——降雨量（mm）。

2.1.3 泥石流強(qiáng)度指數(shù) 由于體積與降雨量在數(shù)值和量綱上有顯著差異，為確保計算結(jié)果的真實性與可靠性，采用歸一化處理方法將數(shù)據(jù)處理到（0.1，0.9）區(qū)間內(nèi)。處理后的泥石流方量指標(biāo)、降雨量指標(biāo)和強(qiáng)度指數(shù)如表3所示。為方便計算，對強(qiáng)度進(jìn)行分級：當(dāng)I＞0.2時，強(qiáng)度很高；當(dāng)0.1＜I＜0.2時，強(qiáng)度高；當(dāng)0.05＜I＜0.1時，強(qiáng)度中；當(dāng)I＜0.05時，強(qiáng)度低。

表3 紅椿溝泥石流強(qiáng)度指數(shù)

2.1.4 泥石流危險性 泥石流危險性的計算公式為：

要確定危險性，還需確定泥石流的到達(dá)概率與時空概率。可以認(rèn)為堆積范圍內(nèi)泥石流的到達(dá)概率和時空概率均為1。則將泥石流危險性計算公式簡化為泥石流發(fā)生頻率與強(qiáng)度指數(shù)的乘積，即H＝P（L）×I。對危險性進(jìn)行分級：當(dāng) H＞0.02時，危險性很高；當(dāng)0.01＜H＜0.02時，危險性高；當(dāng)0.005＜H＜0.01時，危險性中；當(dāng) H＜0.005時，危險性低。

2.2 泥石流災(zāi)害危害性評估

按照不同降雨條件下的泥石流堆積范圍對危險區(qū)內(nèi)的承災(zāi)體進(jìn)行調(diào)查，確定承災(zāi)體價值。同時，將承災(zāi)體分為建筑和人員兩大類，給出不同強(qiáng)度下的易損性（表4）。（0，0.3］為輕度損壞，（0.3，0.6］為中度損壞，（0.6，0.9］為高度損壞，（0.9，1］為完全損壞。危害性分級：當(dāng)D≤3人或D≤100萬元時，為一般級；當(dāng)3人＜D≤10人或100萬元＜D≤500萬元，為較大級；當(dāng)10人＜D≤50人或500萬元＜D≤1 000萬元時，為重大級；當(dāng)D＞50人或D＞1 000萬元時，為特大級。

表4 紅椿溝承災(zāi)體分類及其易損性

2.3 泥石流風(fēng)險評估

根據(jù)危險性和危害性將泥石流風(fēng)險進(jìn)行分級（表5）。VH為風(fēng)險很高，H為風(fēng)險高，M為風(fēng)險中，L為風(fēng)險低。

表5 泥石流風(fēng)險分級

根據(jù)野外調(diào)查及泥石流堆積范圍計算，得到不同強(qiáng)度下的紅椿溝承災(zāi)體的危害性。綜合考慮泥石流的危險性與危害性，得出紅椿溝在不同降雨條件下的風(fēng)險（表6）。

從表6中可知，隨著降雨的增加，泥石流的危險性增大；在危險性相同的降雨條件下，降雨大的泥石流規(guī)模遠(yuǎn)大于降雨小的泥石流規(guī)模（如①與②，⑤與⑥）。

表6 不同降雨條件下紅椿溝泥石流風(fēng)險

3 結(jié)論

（1）本文將泥石流強(qiáng)度引入到風(fēng)險計算公式，推導(dǎo)出基于強(qiáng)度指數(shù)的泥石流危險性計算公式H＝P（L）×I，可以表征泥石流的規(guī)模和可能破壞能力。

（2）山陽縣城區(qū)，當(dāng)6h降雨量達(dá)到198.4mm以上時，紅椿溝發(fā)生泥石流的概率為1，當(dāng)6h降雨量小于198.4mm時，泥石流發(fā)生概率遞減。同時提出山陽縣城區(qū)周邊泥石流的發(fā)生概率公式為P（L）＝0.051e0.015r，可以按照降雨量計算泥石流的發(fā)生概率。

（3）根據(jù)危險性與危害性確定不同降雨條件下紅椿溝風(fēng)險：H＝0.000 89，D＝402，風(fēng)險低；H＝0.002 93，D＝551，風(fēng)險中；H＝0.011 86，D＝620，風(fēng)險高；H ＝0.722 5，D＝709，風(fēng)險高；H ＝0.284 22，D＝861，風(fēng)險很高；H＝0.81，D＝1 100，風(fēng)險很高。

（4）泥石流強(qiáng)度指數(shù)沒有提及地震等地質(zhì)因素，希望在以后的研究中進(jìn)一步完善。

［1］ 吳樹仁，石菊松，張春山，等.地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估技術(shù)指南初論［J］.地質(zhì)通報，2009，8（8）：995－1005.

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