基于模糊綜合評判法分析的岷縣洮河流域單溝泥石流危險性評價

郭萬銘,焦金魚

(1.甘肅省定西市安定區(qū)水利水保局,定西 743000;2.定西師范高等?？茖W校,定西 743000)

基于模糊綜合評判法分析的岷縣洮河流域單溝泥石流危險性評價

郭萬銘1,焦金魚2

(1.甘肅省定西市安定區(qū)水利水保局,定西 743000;2.定西師范高等?？茖W校,定西 743000)

針對洮河谷地(岷縣段)所處的地質環(huán)境和條件的多樣性、變異性、復雜性,泥石流溝谷從形成、發(fā)展至消亡受到了很多因素的影響,從而形成了這樣一個較為復雜的泥石流災害“模糊”巨系統(tǒng),本文將模糊數(shù)學理論引入泥石流危險度的評價研究中。運用模糊綜合評判法,參考國內劉希林、宮雪、陳偉等的相關文獻,最后確定了溝谷縱比降、流域相對高差、泥沙沿程長度補給比、沖淤變幅、植被覆蓋率等8個因素作為泥石流危險性評判因子,對岷縣洮河流域21條泥石流溝做了單溝危險性評價。

泥石流;模糊綜合評判法;危險性評價

由于泥石流所處的地質環(huán)境和條件的多樣性、變異性、復雜性,泥石流溝谷從形成、發(fā)展至消亡受到了很多因素的影響,它們相互作用并形成了一個復雜的“模糊”巨系統(tǒng),從而使得對其進行危險性評價的因素也存在大量的不確定性,這種不確定性既具有隨機性又具有模糊性,因而不少學者將模糊數(shù)學理論引入泥石流危險度的評價研究中,模糊數(shù)學為研究和處理這類具有不確定性的事物提供了新的思路。模糊綜合評判法是一種以模糊推理為主的定性與定量相結合、精確與非精確相統(tǒng)一的分析評判方法,它對受多種因素影響的現(xiàn)象或事物進行總的評價,即根據(jù)所給的條件,對評判對象的全體、每個因素都賦于一個評判指標,然后擇優(yōu)選擇,最后運用模糊變換原理的最大隸屬原則確定災害的危險度等級,從而能夠得到更切合實際的結果,在各個學科領域中得到了越來越廣泛的應用[1～3]。

1 研究區(qū)概況

洮河谷地(岷縣段)為岷縣經(jīng)濟最發(fā)達的地段,位于東經(jīng)103°14′～103°59′,北緯34°07′～34°45′之間,面積1526.7km2,占全縣總面積的42.3%,同時也是泥石流災害威脅最嚴重的地段。在地質構造上,屬西秦嶺地槽褶皺系的北支秦嶺海西褶皺帶,次級構造為弧形構造,古地理環(huán)境為秦嶺海槽。受亞熱帶和高原氣候影響,氣候高寒陰濕,多年平均降雨量為560.8mm,平均蒸發(fā)量為1203mm。根據(jù)岷縣民政局資料,歷史上發(fā)生的泥石流災害有53.4%在該區(qū)內。經(jīng)濟損失累計達1458.7萬元, 70余人在災害中死亡。

2 泥石流形成的條件分析

泥石流的活動強度主要與地形地貌、地質環(huán)境和水文氣象條件3個方面的因素有關。比如:滑坡、崩塌、巖堆群聚地區(qū),巖石破碎,風化程度深,則容易成為泥石流固體物質的補給源;溝谷的長度較大,匯水面積大,縱坡坡度較陡等因素為泥石流的流通提供了條件;水文氣象因素直接提供水動力條件,往往強度大、短時間出現(xiàn)的暴雨容易形成泥石流,其強度顯然與暴雨的強度密切相關。

2.1 地形條件分析

根據(jù)岷縣山區(qū)泥石流形成與發(fā)育的自然地理環(huán)境背景,選取溝谷縱比降、山坡坡度等8個因子為泥石流溝谷危險度劃分的主要因子,其中溝谷縱比降為主導因子。比降越大,溝道可獲得的固體物質補充越多,也反映了泥石流活動的危險性。由于該區(qū)多為構造侵蝕的中山,流域相對高差300～1000m左右,地形起伏,溝谷多呈“V”形谷,主溝縱坡度大,支溝兩岸坡度都超過了災害暴發(fā)的臨界值。土層間的摩擦系數(shù)越小,坡體巖石的剪切應力也越小,導致地表徑流流速增大,因此能夠為泥石流的啟動提供巨大的勢能。

2.2 物源條件分析

本流域構造活動較強烈,斷層、褶皺較發(fā)育,地震烈度為Ⅶ度。出露的地層主要為二疊系、三疊系灰?guī)r、板巖、砂巖、粉砂質頁巖和第三系砂巖、礫巖、泥巖等,上覆黃土。巖石風化強烈,坡腳堆積物多,不良地質現(xiàn)象十分發(fā)育,溝道侵蝕嚴重,山上很少生長植物,加上近年來人為的肆意破壞,山區(qū)大面積被開發(fā)為陡坡耕地,山地大面積裸露,植被覆蓋率小于10%,致使大多數(shù)溝谷固體松散物質充足,一旦出現(xiàn)大暴雨,極易誘發(fā)泥石流。有些泥石流溝谷中因滑坡、崩塌重力侵蝕嚴重,導致溝谷表土疏松,沖溝十分發(fā)育,甚至有的直接是由滑坡、崩塌轉化而成為泥石流災害的,因而加大了該區(qū)暴發(fā)泥石流災害的危險性。滑坡是岷縣除泥石流災害外第二大地質災害,該區(qū)內滑坡及滑坡災害隱患點10多處,絕大多數(shù)在目前條件下穩(wěn)定性差。如中寨鎮(zhèn)塔溝村的牙力泥石流溝分布有大小滑坡6處,面積0.4km2,占整個流域面積的10%,娥扎滑坡在南部支溝溝腦中,體積達875.0×104m3;北部支溝溝岸小型滑塌、滑坡有5處,體積達600×104m3,致使該流域內巖土體支離破碎,幾乎每年都暴發(fā)泥石流。1995年,該溝暴發(fā)泥石流,沖毀房屋5間、農(nóng)田2hm2;2002年8月31日暴發(fā)泥石流,沖毀溝堤100m,農(nóng)田3.33 hm2。目前,該溝直接威脅溝口塔溝村356人和塔溝小學200名師生的生命財產(chǎn)安全,經(jīng)濟損失預測評估232.0萬元(圖1)。

圖1 牙力溝泥石流平面圖Fig.1 DrainageofofYaliGullydebrisflow

2.3 降雨條件分析

研究區(qū)年內降水量主要集中于5～9月,期間的降水量占全年降水總量的78%以上。7、8月份,多強對流天氣,受中等尺度天氣系統(tǒng)控制,在地形等因素影響下,往往形成區(qū)域性暴雨,且強度大。岷縣夏季多暴雨的原因是該縣處于西太平洋副熱帶西北側暖濕區(qū),夏季青藏高原基本為長波槽控制,在這種西南氣流型環(huán)流形勢下,主要的影響系統(tǒng)是位于青藏高原上西風帶上的槽,是暴雨過程的冷源,引導冷空氣東移,與南來的暖濕氣流在該區(qū)相交匯,并且出現(xiàn)強烈的水汽和不穩(wěn)定能量的輸入以及持續(xù)的上升運動,形成暴雨。大雨(大于25mm/d)多年平均暴發(fā)次數(shù)為2.1次/a。據(jù)前人研究,岷縣形成泥石流的臨界雨強為大于25mm/d,最大日降水量為61.5 mm,小時最大降水量為54.0mm,10min最大降水量為30.4mm,這種降水特點極有利于泥石流災害的形成和暴發(fā)。可見,在該縣的泥石流活動中,暴雨既是其形成所必備的基本條件,又是激發(fā)條件。故有利的地形條件、豐富的固體物質源和瞬間的強降水決定了岷縣泥石流十分發(fā)育。

3 泥石流危險性評價指標的選取[4]

在進行危險性指標選擇時,主要遵循泥石流的發(fā)生學原則、指標綜合性原則和主導性原則,強調評價方法的可操作性。泥石流產(chǎn)生的必備條件主要是:(1)有陡峻便于集水、集物的地形;(2)有豐富的松散物質;(3)短時間內有大量水的來源。根據(jù)岷縣山區(qū)泥石流的成因及發(fā)育特征,在野外廣泛調查和室內綜合分析的基礎上,參考國內劉希林、宮雪、陳偉等的相關文獻共選擇了與泥石流產(chǎn)生的必備條件及相關因素組成有關的泥石流溝谷縱比降u1、流域相對高差u2、松散固體物質儲量u3、山坡坡度u4、流域面積u5、泥沙沿程長度補給比u6、沖淤變幅u7、植被覆蓋率u8等8個因素作為泥石流危險性評判因子。其中泥石流溝谷縱比降為主導因子,是泥石流暴發(fā)的主要因素之一,決定著泥石流形成和發(fā)生過程的快慢,溝床縱比降越大,越有利于泥石流的形成,泥石流形成后越不易消亡。泥石流功能越大,其破壞性也越大。由于該區(qū)流域面積相對集中,空間跨度不大,降雨量較均勻且已達到泥石流災害暴發(fā)的臨界值,故在本文中不考慮降雨因子。

4 利用灰色關聯(lián)度分析法確定權重[3]

灰色系統(tǒng)理論是由我國學者鄧聚龍教授于20世紀80年代前期提出的用于控制和預測的新理論,目前已廣泛應用于農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟等領域?；疑P聯(lián)度分析是對于一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較,其目的就是通過一定的方法理清系統(tǒng)中各因子間的主要關系。這里可把泥石流災害看成是一個由許多不同性質因子相互制約的子系統(tǒng)構成的灰色系統(tǒng),根據(jù)主導因子與其他因子的關聯(lián)度大小來確定權重的大小,其具體原理如下:

設有m個有序數(shù)列,其中,m個數(shù)列代表m種元素,各有序數(shù)列即各評價的單元中獲取的評價因子的性狀數(shù)據(jù),另外,再給定有序參考數(shù)列:

上式中,x0i(k)為x0與xi在第k點的關聯(lián)系數(shù);|x0(k)-xi(k)|=x0i(k)表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k點的絕對差;稱為二級最小差,其中是第一級最小差,而是第二級最小差;其含義與最小值相似;r為分辨系數(shù),取值為0.5;將比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0各點的關聯(lián)度數(shù)加和平均得到關聯(lián)度roi。

最后將所計算出來的灰色關聯(lián)度經(jīng)歸一化處理,使其權重值在[0,1]區(qū)間之內。本文選取該谷地10條泥石流溝作為樣本在DPS平臺上進行了計算,最后得出具體的各危險因子的權重值按順序分別為0.206,0.110,0.116,0.117,0.075,0.126,0.123, 0.125。

5 基本評價方法[5]

給定兩個有限論域泥石流危險性因子評判集U和泥石流危險性等級評語集V:

U={u1,u2,…,un}={泥石流溝谷縱比降,流域相對高差,…,植被覆蓋率};

V={v1,v1,…,vm}={高度危險Ⅰ,中度危險Ⅱ,輕度危險Ⅲ,無危險Ⅳ}。

由于泥石流危險等級論域V和泥石流危險等級評價因子論域U之間存在一種模糊關系,設對第i個因子的單要素評判向量為V上的模糊集Ri= {ri1,ri2,…,rim},單因子評判矩陣R為R= (rij)n×m,故這種模糊關系可用n×m維模糊矩陣來表示:

這里將泥石流危險度劃分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四個評價等級,設對各危險因子的權重分配為U上的模糊子集A,A={a1,…,ai…,an},其m中ai為第i個因子ui所對應的權重,且0≤ai≤1,i=?1ai=1。

以往的有關泥石流危險性評價研究,大多通過選取隸屬函數(shù)來確定模糊關系轉換矩陣[6,7]。但是,由于對4值邏輯的函數(shù)選取往往較為困難,且不合理的選取反而會導致錯誤判斷,故本研究采用量化模糊判別的方法,即將各參評因子按危險等級作4級分割,將泥石流各危險因子按不同的取值范圍劃定1～0.75為高度危險,0.75～0.50為中度危險,0.50～0.25為輕度危險,≤0.25為無危險,然后取各區(qū)間中值作為不同危險程度的標準值,分別代入公式(2)進行計算,具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 岷縣洮河流域泥石流危險度分級及其賦值Table1 Standardofdebrisflowhazarddegreeandassignment in the Taohe river basin of Min county

在已知模糊權重向量A=(0.206,0.110, 0.116,0.117,0.075,0.126,0.123,0.125)和模糊矩陣R的條件下,通過模糊變換,則可以得到論域V上的一個模糊集B,其對應的數(shù)值就是對岷縣洮河流域泥石流溝危險性進行的最后綜合模糊評判結果。

B=A*R,式中“*”為某種合成運算,具體結果見表2。

表2 岷縣洮河流域泥石流各因子模糊賦值及綜合評判結果等級Table2 Fuzzy comprehensive evaluation result s and hazard degree of debris flows in Taohe basin of Min county

6 結論

通過以上模糊綜合評判結果統(tǒng)計分析,該區(qū)內所選21條典型泥石流溝中有13條為高危險度泥石流,8條為中危險度泥石流,主要威脅縣城、鄉(xiāng)鎮(zhèn)駐地、村莊、公路和農(nóng)田,目前威脅27個村莊3908人,經(jīng)濟損失預測評估2940.7萬元,現(xiàn)已被當?shù)卣畡澏獒嚎h泥石流災害高度危險區(qū),結果與當?shù)貙嶋H野外調查情況基本相符。例如位于洮河北岸的朱家溝是一條高易發(fā)的大型泥石流溝,具暴發(fā)頻率高、危害嚴重特點。該溝如暴發(fā)泥石流,將堵斷洮河,回水對縣城構成極大的威脅(圖2)。

圖2 朱家溝泥石流對岷縣城的威脅示意圖Fig.2 ThreatofZhujiagoudebrisflowtoMincounty

岷縣洮河流域利于泥石流發(fā)生的地形、地貌及地質條件已成為固定格局,該區(qū)山地面積比例大,切割較深,溝和溝源坡降大,大多呈“V”型谷,山坡陡峭,多在35°以上。地層古老,巖體破碎,裂隙發(fā)育,風化強烈,在幾百年內,無法改變這一自然格局。隨著該縣人口的增加和經(jīng)濟的發(fā)展,人們?yōu)榱藬U展生存空間,盲目向陡坡山地的開發(fā)、以期得到更多可利用的土地和增加經(jīng)濟收入的做法如得不到控制,還會使這種格局向著更加惡化的方向發(fā)展,故當?shù)卣畱獙︿恿饔蛑T如朱家溝、蔡家崖溝等高危險度泥石流溝進行重點整治。

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HAZARD ASSESSMENT OF SINGLE GULLY DEBRIS FLOWS IN THE TAOHE RIVER VALLEY OF MIN COUNTY BASED ON FUZZY COMPREHENSIVE EVALUATION METHOD

GUO Wan-ming1,J IAO J in-yu2
(1. Water Resources and Conservation Bureau of Anding Dist rict Dingxi City ,Dingxi 743000 ,China; 2. Dingxi Normal College , Dingxi 743000 ,China)

According to the diversity , variability , complexity of the geological environment and conditions in the Taohe river valley , Min County , debris flow gully formed a more complicated disaster“fuzzy”system f rom the formation and development to the disappearance by a lot of factors influence. This paper int roduced fuzzy mathematics theory into the risk evaluation of the debris flows. This paper used fuzzy comprehensive evaluation method developed by Liu Xilin , Gongxue , and Chen Wei , and selected eight risk factors such as valley relative elevation ,degree of vegetation cover and completed single gully risk assessment about the 10 debris flows in the Taohe valley of Min county.

debris flows;fuzzy comprehensive evaluation method;hazard assessment

P641.6;P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0015-04

郭萬銘(1970- ),男,工程師,甘肅省定西市安定區(qū)人,從事水土保持工作20余年。

2008-03-25改回日期:2010-01-19

項目名稱:甘肅省長江流域嘉陵江支流燕子河小流域綜合治理工程