基于灰色關(guān)聯(lián)度的舟曲小流域泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

吳慶安, 張金霞, 劉興榮, 馬興華, 黃金燕, 王磊

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)水利水電工程學(xué)院, 蘭州 730070; 2.甘肅省科學(xué)院自然災(zāi)害防治研究所, 蘭州 730000)

泥石流是一種廣泛分布于山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害,而中國(guó)又是一個(gè)多山國(guó)家(山區(qū)面積約占國(guó)土面積的70%),因此,泥石流災(zāi)害已成為中國(guó)重要地質(zhì)災(zāi)害之一。對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),可以有效地反映泥石流目前的狀況和今后來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)[1],為進(jìn)一步開展泥石流的防災(zāi)減災(zāi)工作提供技術(shù)支撐。

泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是近些年形成的一個(gè)新的研究方向,也是當(dāng)前泥石流防治技術(shù)研究的新熱點(diǎn)[2]。由于評(píng)價(jià)方法多、判斷標(biāo)準(zhǔn)和尺度不統(tǒng)一,增加了其評(píng)價(jià)難度。眾所周知,泥石流破壞性極強(qiáng)、復(fù)雜性高,長(zhǎng)期以來(lái),受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,并不斷通過(guò)新手段優(yōu)化傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法[3]。就國(guó)外而言,Guzzetti等[4]應(yīng)用 Poisson概率模式,對(duì)意大利北部 Staffora河谷地區(qū)的滑坡風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析。Cutter等[5]基于美國(guó)1990年縣域經(jīng)濟(jì)為基礎(chǔ),建立了環(huán)境災(zāi)害社會(huì)脆弱性指標(biāo)。中國(guó)從20世紀(jì)80年代開始,有學(xué)者對(duì)泥石流災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)性分析進(jìn)行研究,如劉希林[6]從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本模式出發(fā),分析、介紹了泥石流的危險(xiǎn)性、區(qū)域易損性,并提出了危險(xiǎn)度的評(píng)估模型;劉麗等[7]以泥石流災(zāi)害損失、風(fēng)險(xiǎn)區(qū)價(jià)值、孕災(zāi)環(huán)境等綜合評(píng)判因素,對(duì)泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),得到了比較客觀的評(píng)價(jià)結(jié)果;丁繼新等[8]將災(zāi)害熵用于區(qū)域泥石流災(zāi)害的定量風(fēng)險(xiǎn)分析。目前泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的主要方法有灰色關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)法、層次分析法、信息熵法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法、模糊數(shù)學(xué)法等[6]。

為了有效地防止或減少泥石流災(zāi)害可能造成的損失[9],現(xiàn)結(jié)合國(guó)內(nèi)外泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法,以甘肅省舟曲縣泥石流溝道特征參數(shù)為研究對(duì)象,建立泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型,為區(qū)域防災(zāi)減災(zāi)和工程規(guī)劃建設(shè)決策等提供理論依據(jù)[10]。

1 研究區(qū)概況及技術(shù)路線圖

1.1 位置

舟曲縣(103°51′39″E～104°45′31″E,33°13′06″N～34°01′00″N)地處甘南藏族自治州東南的白龍江上游,附屬于長(zhǎng)江一級(jí)支流嘉陵江干流,是中國(guó)泥石流、滑坡等災(zāi)害頻發(fā)區(qū)之一[11]。

1.2 地形地貌

舟曲縣位于青藏平原東部、西秦嶺西部和岷山群系的交匯點(diǎn),屬構(gòu)造侵蝕型山地。區(qū)域山勢(shì)層層疊疊,山谷窄轄,坡度陡峭,水流湍急。整體地形由西北到東南,西北高,東南低[12]。舟曲縣山區(qū)約占全縣域面積的80%,江河約占10%,可耕地約占10%,白龍江谷底地勢(shì)低洼,平均海拔1 200 m,南北兩側(cè)最高可達(dá)到4 500 m[13]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造與地層巖性

舟曲縣處在西秦嶺南緣凹陷褶皺帶西側(cè)及白龍江復(fù)合背斜中,具有較大的抬升運(yùn)動(dòng)和斷裂特征。由于喜山運(yùn)動(dòng)的作用,該區(qū)新的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)極為活躍,尤其是以洋布-大年、峪坪-朱家山、坪定-化馬三組斷裂等斷裂活動(dòng)最多,它們對(duì)巖性劃分及地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與發(fā)育有著顯著的影響[14]。

縣域內(nèi)地層以黃土、千枚巖、碳質(zhì)板巖、片巖和變質(zhì)砂巖為主,松散物質(zhì)豐富且較集中,尤其是一些天然形成的堆石壩積累了大量物源。在暴雨作用下,極易促發(fā)泥石流。

1.4 氣象水文狀況

舟曲縣降雨分布不均勻,具體表現(xiàn)為:在空間上,降雨量隨著海拔升高而增大,呈現(xiàn)出西南大于東北、山區(qū)大于河谷的特征。根據(jù)統(tǒng)計(jì)舟曲氣象局的資料,舟曲縣全年年平均降雨量為435.8 mm,24 h 最大降雨量為9.77 mm,1 h最大降雨量為77.3 mm,30 min最大降水量為43.2 mm。降雨模式多為持續(xù)降水和強(qiáng)降水,全年降雨日數(shù)不多,大部分集中在5～8月,連續(xù)降雨日數(shù)最多為14 d。降雨密集,雨量大且暴雨較多,易誘發(fā)或加重泥石流的發(fā)生[15]。

1.5 各溝位置概況

龍廟溝、羅家峪、三眼峪、硝水溝、寨子溝位于舟曲縣城北側(cè),總體呈南北展布,北高南低。磨溝位于舟曲縣城中部,廟兒溝、水泉溝、臺(tái)子溝、陰山溝位于舟曲縣城西側(cè),武都溝位于舟曲縣城東北部,各溝所處位置地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍,整體地勢(shì)起伏強(qiáng)烈,地層軟硬相間,地質(zhì)災(zāi)害極為發(fā)育。

2 泥石流研究?jī)?nèi)容及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法

泥石流風(fēng)險(xiǎn)是指在特定的地區(qū)、特定時(shí)期,因自然災(zāi)害而造成的人類生命、財(cái)產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的預(yù)期損失或潛在損失[4]。泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是由危險(xiǎn)性及易損性和暴露性組成的,其中危險(xiǎn)性、易損度、風(fēng)險(xiǎn)度是評(píng)價(jià)的重點(diǎn),目前,已取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

2.1 研究?jī)?nèi)容

風(fēng)險(xiǎn)概念由1992年聯(lián)合國(guó)人道主義事業(yè)部首次提出:風(fēng)險(xiǎn)是由某種自然災(zāi)害而引起,條件必須處于一定區(qū)域、一定時(shí)間段內(nèi),風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果是對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成損害和經(jīng)濟(jì)損失[16],并由此衍生出了風(fēng)險(xiǎn)度概念,既包括致災(zāi)體的自然屬性,又包括受災(zāi)體的社會(huì)屬性[17]。泥石流危險(xiǎn)性是指在某些地區(qū)和時(shí)間段內(nèi)存在的人、財(cái)、遭受泥石流災(zāi)害損失的可能性大小,危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)側(cè)重于泥石流自然特性評(píng)價(jià)。近幾年,中國(guó)許多學(xué)者針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性提出了各種評(píng)價(jià)方法,并進(jìn)行了一定范圍內(nèi)的應(yīng)用[18-19]。

2.2 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

泥石流危險(xiǎn)性是指泥石流對(duì)生命財(cái)產(chǎn)及環(huán)境造成損害的概率,就泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)而言,國(guó)內(nèi)外已取得了較多成果[20],國(guó)內(nèi)對(duì)區(qū)域泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的方法較多。已初步發(fā)展了一套泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的基本原理和定量方法,并在實(shí)踐應(yīng)用中不斷加以完善。

劉希林[6]從泥石流特征出發(fā),建立了一個(gè)多因素綜合評(píng)判模型,并應(yīng)用在泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)上,這一研究成果在中國(guó)泥石流研究中可以說(shuō)是首創(chuàng),所提出的區(qū)域泥石流評(píng)價(jià)方法是根據(jù)中國(guó)山地地貌特征而提出的,它與中國(guó)地區(qū)的泥石流特征吻合,得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用。

由于泥石流的特征、類型等不同,各影響因子對(duì)泥石流發(fā)生的貢獻(xiàn)力也不相同。根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)、歷史災(zāi)情、形成條件和前人的研究成果等多方面條件分析,選定了10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為關(guān)聯(lián)因子[21-22],確定以一次泥石流(可能)最大沖出量(y)作為主要因子,其余部分影響因子為次要因子:泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固體物質(zhì)總量(x3)、容重(x4)、山體相對(duì)高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面積(x7)、主溝長(zhǎng)度(x8)、植被覆蓋率(x9)[23]。

2.3 易損度評(píng)價(jià)

易損度是指某一地區(qū)、某一特定時(shí)期內(nèi),因泥石流災(zāi)害造成的可能最大的人員財(cái)產(chǎn)損失[24]。易損性是承載體的一種屬性,它的損失用0～1的數(shù)值來(lái)表達(dá)(未損失—完全損失),而數(shù)值的大小則是造成人員和財(cái)產(chǎn)損失的數(shù)量。通過(guò)賦值法來(lái)確定影響因子和歷史記錄。

2.4 泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的特征是影響因子較多、評(píng)估方法較多[25-26]。目前的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定量表示,通常是依據(jù)聯(lián)合國(guó)人道主義事務(wù)部于1992年發(fā)布的災(zāi)難危險(xiǎn)定義及其數(shù)學(xué)公式[27-28]。

R=HV

(1)

式(1)中:R為風(fēng)險(xiǎn);H為危險(xiǎn)度;V為易損度;R、H、V的取值都在0～1。采用布氏定律以0.2為公差,在0～1范圍內(nèi),區(qū)域泥石流危險(xiǎn)度的計(jì)算公式[式(1)]可分為5個(gè)等級(jí):極低風(fēng)險(xiǎn)(0～0.04);低風(fēng)險(xiǎn)(0.04～0.16);中等風(fēng)險(xiǎn)(0.16～0.36);高風(fēng)險(xiǎn)(0.36～0.64);極高風(fēng)險(xiǎn)(0.64～1)[29]。

風(fēng)險(xiǎn)度和易損度都代表了某一區(qū)域的潛在風(fēng)險(xiǎn)。不同之處在于,危險(xiǎn)度代表預(yù)測(cè)值,而易損度代表的是當(dāng)前的價(jià)值。二者之間的大小關(guān)系總是表現(xiàn)為R≤V。

3 關(guān)聯(lián)度和權(quán)重的計(jì)算

在各個(gè)評(píng)估因素中,由于其取值單位和影響范圍較大,因此,對(duì)其進(jìn)行了分類賦值,對(duì)各個(gè)因子進(jìn)行除綱量(0～1):從相關(guān)系數(shù)最小的因素出發(fā),以初始權(quán)重1為起點(diǎn),然后按照公差先后順序,由等差序列向大的方向遞增次要因子的權(quán)數(shù)。為了區(qū)別主次因子之間的差別,以最大次要危險(xiǎn)因子的權(quán)數(shù)為基數(shù),在此基礎(chǔ)之上主要因子,以2為基準(zhǔn),依次呈等比級(jí)數(shù)增加各危險(xiǎn)因子的權(quán)數(shù)和權(quán)重值,計(jì)算得出10個(gè)危險(xiǎn)因子的權(quán)重之和等于1[30]。如表1所示為無(wú)量綱后的數(shù)據(jù)。

表1 無(wú)量綱化后的數(shù)據(jù)Table 1 Data after dimensionless

3.1 關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

以一次泥石流(可能)最大沖出量為基準(zhǔn)數(shù)列Xy={Xy(k),k=1,2,…,9},泥石流流量(x1)、泥石流最大流速(x2)、固體物質(zhì)總量(x3)、容重(x4)、山體相對(duì)高差(x5)、岸坡坡度(x6)、流域面積(x7)、主溝道長(zhǎng)度(x8)、植被覆蓋率(x9)作為比較數(shù)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為分辨系數(shù),其作用是提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異性。P越小,分辨能力越大。一般取值范圍為[0,1],取P=0.5。

3.2 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

關(guān)聯(lián)度記為ri,其表達(dá)式為

(3)

式(3)中:ri為xi對(duì)參考曲線x0的關(guān)聯(lián)度;ξi(k)(k=1,2,…,m),其關(guān)聯(lián)度分別ri(k)(i=1,2,…,m)按從大到小進(jìn)行排序,由式(2)和式(3)得到因子間的關(guān)聯(lián)度。表2為計(jì)算結(jié)果,表3為權(quán)數(shù)和權(quán)重計(jì)算結(jié)果。

表2 次要因子與主要因子的關(guān)聯(lián)度Table 2 Correlation degree between secondary factors and primary factors

表3 權(quán)數(shù)和權(quán)重的計(jì)算Table 3 Weight and calculation of weight

4 危險(xiǎn)度模型的建立及計(jì)算

各泥石流危度是指各影響因子的賦值與其權(quán)重乘積之和,記為Wd。則舟曲縣泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算模型為

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為泥石流危險(xiǎn)度;y′i和x′i分別為泥石流溝道各項(xiàng)指標(biāo)極差變換后的數(shù)值。

4.1 樣本數(shù)據(jù)的歸一化處理

采用式(5)、式(6)[31]對(duì)數(shù)據(jù)歸一化處理。

主導(dǎo)因子的極差變換公式為

y′i=(yi-minyi)/(maxyi-minyi)

(5)

其他定量指標(biāo)的極差變換公式為

x′i=(xi-minxi)/(maxxi-minxi)

(6)

舟曲縣11條石流溝危險(xiǎn)度計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 泥石流溝危險(xiǎn)度計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of debris flow gully risk

4.2 泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)

對(duì)于任何一條泥石流溝道無(wú)論目前有無(wú)發(fā)生過(guò)泥石流,其都具有一定的泥石流危險(xiǎn)度,但其危險(xiǎn)度有大有小,所以在計(jì)算完泥石流危險(xiǎn)度后,要對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性大小分級(jí)[32-34],結(jié)果如表5所示,其計(jì)算結(jié)果與調(diào)查和歷史泥石流災(zāi)害情況基本符合,具有較強(qiáng)的實(shí)用性[21]。

表5 泥石流危險(xiǎn)性區(qū)分結(jié)果表Table 5 Results of debris flow hazard classification

5 泥石流易損度模型的建立及計(jì)算

根據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出,用0.5作為指數(shù)的冪函數(shù)擬合易損性與財(cái)產(chǎn)、人口的關(guān)系最優(yōu)[35],從而得到了一個(gè)易損度一般的公式,即

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

(7)

式(7)中:V取值范圍(0～1或0～100%)表示易損度;FV1為(0～1)的財(cái)產(chǎn)指標(biāo)V1的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值;FV2為(0～1)的人口指標(biāo)V2的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值。依據(jù)式(7),并結(jié)合表6,計(jì)算泥石流易損度,其結(jié)果見表7。

表6 泥石流易損度分級(jí)及泥石流溝道Table 6 Vulnerability classification of debris flow and debris flow channel

表7 易損度計(jì)算Table 7 Vulnerability calculation

6 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

經(jīng)上述內(nèi)容,將危險(xiǎn)度、易損度的計(jì)算值代入式(1),計(jì)算得泥石流風(fēng)險(xiǎn)度值,見表8。

表8 風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算Table 8 Calculation of risk degree

根據(jù)泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算公式,從計(jì)算結(jié)果上來(lái)看,極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有三眼峪、羅家峪、武都溝,占比27.27%,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有龍廟溝、廟兒溝、臺(tái)子溝、寨子溝,占比36.36%,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有、磨溝、水泉溝,占比18.18%,低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)有硝水溝、陰山溝占比18.18%。對(duì)劃分區(qū)的5個(gè)危險(xiǎn)度等級(jí)區(qū)域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì),情況如圖1所示。

圖1 危險(xiǎn)度各等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)Fig.1 Area statistics of various levels of risk

7 結(jié)論

泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是一項(xiàng)涉及民生的重要工作。在回顧風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概念及其應(yīng)用的基礎(chǔ)上,以甘肅舟曲縣區(qū)域泥石流災(zāi)害為例,在實(shí)際調(diào)查資料的基礎(chǔ)上,對(duì)舟曲縣11條泥石流溝進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),得出以下結(jié)論。

(1)通過(guò)利用層次分析法和灰色關(guān)聯(lián)度法分結(jié)合舟曲縣實(shí)際概況,分析計(jì)算了泥石流不同影響因素間關(guān)聯(lián)度,以此計(jì)算出11條典型泥石流溝危險(xiǎn)度。運(yùn)用人口與財(cái)產(chǎn)相關(guān)性計(jì)算出泥石流區(qū)域易損度,最后運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式得出結(jié)論與客觀實(shí)際狀況相符,說(shuō)明此模型應(yīng)用與舟曲縣泥石流風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)價(jià)是可行的,泥石流溝道治理可按結(jié)論分出輕急緩重。

(2)考慮區(qū)域差異對(duì)泥石流成災(zāi)條件的影響,本文根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)選取了:以一次泥石流(可能)最大沖出量、泥石流流量、泥石流最大流速、固體物質(zhì)總量等10個(gè)因子,計(jì)算了區(qū)域泥石流危險(xiǎn)度,計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本一致。

(3)根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型算的區(qū)域泥石流溝風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算公式得出結(jié)論。計(jì)算結(jié)果表明:舟曲泥石流溝絕大多數(shù)在、中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域,占比81.81%,僅有少數(shù)落在低風(fēng)險(xiǎn)區(qū),占比18.18%。經(jīng)實(shí)地調(diào)查、實(shí)例運(yùn)用表明,評(píng)估的結(jié)論和實(shí)地考察的比較符合,驗(yàn)證了其評(píng)價(jià)的可靠性,可為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門防災(zāi)減災(zāi)提供理論支撐。