承德圍場(chǎng)縣西山泥石流溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

陳素敏，菅立江，王 哲，韓 蕾（. 天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384；. 河北地礦局 第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067000）

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地質(zhì)與測(cè)繪

承德圍場(chǎng)縣西山泥石流溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

陳素敏1，菅立江2，王 哲1，韓 蕾1
（1. 天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測(cè)繪學(xué)院，天津 300384；2. 河北地礦局 第四地質(zhì)大隊(duì)，河北承德 067000）

結(jié)合遙感解譯及工程地質(zhì)勘測(cè)，對(duì)承德圍場(chǎng)縣西山的兩條泥石流溝流域的地形地貌、地層巖性、氣象水文等條件進(jìn)行了分析，并對(duì)泥石流溝進(jìn)行了分區(qū).結(jié)合實(shí)際情況，采用單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的函數(shù)賦值模型對(duì)勘察區(qū)廟臺(tái)溝和慶溝危險(xiǎn)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，并利用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度理論進(jìn)行相似性驗(yàn)證，結(jié)果顯示兩條泥石流溝的危險(xiǎn)性都是中低度.

泥石流；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；函數(shù)賦值模型；灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度

泥石流是山區(qū)常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害之一，其暴發(fā)突然、來(lái)勢(shì)兇猛的特點(diǎn)給當(dāng)?shù)厣?cái)產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害［1］.泥石流危險(xiǎn)性評(píng)估是泥石流災(zāi)害評(píng)估的重要組成部分，也是泥石流災(zāi)害的防治前提［2］.地學(xué)中對(duì)泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)常采用在定性基礎(chǔ)上的定量評(píng)價(jià)方法［3］.目前在單溝和區(qū)域泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方面，研究的技術(shù)方法及模型建立已經(jīng)初步成型［4］，方法主要有層次分析法、模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、多元回歸、GIS與遙感應(yīng)用等［5-11］，眾多評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)結(jié)果方面取得了良好效果，為山區(qū)泥石流的防治起到指導(dǎo)作用.基于前人對(duì)理論方法的研究，結(jié)合研究區(qū)中的廟臺(tái)溝和慶溝詳細(xì)的勘測(cè)數(shù)據(jù)，分別采用單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的函數(shù)賦值模型及灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度方法對(duì)廟臺(tái)溝和慶溝的泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究.最后根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)兩種方法的適用性進(jìn)行對(duì)比分析.

1 研究區(qū)概況

圍場(chǎng)縣西山位于縣城西面，地勢(shì)西高東低，包含有廟臺(tái)溝、慶溝等六條泥石流溝，其出口直對(duì)縣城區(qū)（見(jiàn)圖1）.西山各溝曾多次發(fā)生泥石流災(zāi)害，距今較近的兩次泥石流災(zāi)害分別是發(fā)生在1974年的廟臺(tái)溝泥石流和1990年車轱轆溝泥石流，給當(dāng)?shù)厣?cái)產(chǎn)帶來(lái)極大危害.隨著近些年當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展，大量的建筑群建在溝口及泥石流的堆積區(qū)，因此對(duì)西山泥石流溝的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有重要的意義.

圖1 圍場(chǎng)縣縣城西山六條溝谷概略圖

2 泥石流的形成條件

2.1 地形地貌條件

研究區(qū)屬侵蝕構(gòu)造山地地貌（見(jiàn)圖2），多懸崖峭壁和狹窄深谷，溝谷多呈“V”字型，谷內(nèi)巖石風(fēng)化嚴(yán)重，較破碎，多有崩塌、滑坡堆積體.通過(guò)對(duì)研究區(qū)廟臺(tái)溝和慶溝詳細(xì)的野外調(diào)查，遙感影像（分辨率0.89，m）、DEM（分辨率7.11，m）分析，分別獲取了兩條泥石流溝的坡度、相對(duì)高差及溝谷數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖3和表1）.兩條溝谷的山體坡度均較大，一般大于25°，這不僅為松散固體物質(zhì)向溝內(nèi)聚集提供了條件，同時(shí)也為溝源形成坍滑體導(dǎo)致溝床物質(zhì)活動(dòng)預(yù)備了必要條件.

圖2 西山地形地貌圖

圖3 廟臺(tái)溝、慶溝坡度分布圖

2.2 物源條件

研究區(qū)位于內(nèi)蒙臺(tái)軸北部邊緣與內(nèi)蒙華力西晚期褶皺帶之間的過(guò)渡帶.區(qū)內(nèi)地層主要有太古界片麻巖、白堊系礫巖、凝灰質(zhì)砂礫巖及第四系坡洪積、沖洪積物.巖漿巖主要為燕山期花崗巖體，巖石多被走向NE80°、NNE3°、NW335°三組裂隙切割成不同的塊體，多懸崖峭壁，臨空面因風(fēng)化作用而破碎，多見(jiàn)有危巖體，為泥石流提供了豐富的物源.經(jīng)調(diào)查估算，勘查區(qū)內(nèi)易發(fā)生移動(dòng)的松散巖土體的總體積約23.42萬(wàn)m3.

表1 廟臺(tái)溝、慶溝地貌特征一覽表

2.3 氣象水文條件

區(qū)內(nèi)1，000多米的山峰構(gòu)成一道巨大的天然屏障，使得兩側(cè)有冷氣流在此相遇，常常形成中心式暴雨.強(qiáng)暴雨的局地性和短歷時(shí)雨強(qiáng)對(duì)泥石流激發(fā)起著十分重要的作用［12］.根據(jù)圍場(chǎng)氣象站49，a （1951—1999年）降水資料統(tǒng)計(jì)，年平均降水量為443.3，mm，最大年降水量為648.1，mm（1974年），最小年降水量為237.2，mm（1951年），二者相差2.7倍，降水年際變化較大.汛期降水量占全年降水量的76%，7、8兩個(gè)月的降水量可達(dá)到全年降水量的70%左右，顯示出降水年內(nèi)變化極大，且降水十分集中的特點(diǎn).

3 泥石流溝分區(qū)

研究區(qū)廟臺(tái)溝和慶溝具有典型的分區(qū)特征，可以分為清水區(qū)、物源區(qū)、流通區(qū)及堆積區(qū)（見(jiàn)圖4），具有溝谷泥石流的特征.

圖4 廟臺(tái)溝、慶溝泥石流分區(qū)

3.1 清水區(qū)

清水區(qū)受地形的影響成條帶狀，由分水嶺至山梁底部.其中廟臺(tái)溝的匯水面積為0.52，km2，高程1，305～950，m，溝谷縱坡降320‰；慶溝匯水面積1.05，km2，高程1，350～900，m，溝谷縱坡降350‰.溝谷都呈“V”型，溝底平均寬度約15～25，m，兩側(cè)山坡坡度一般大于30°，山坡坡面植被覆蓋率約80%～90%，.

3.2 物源區(qū)

物源區(qū)由梁底至各支溝分叉處，內(nèi)溝道堆積有大量沖洪積物，兩側(cè)岸坡堆積有大量殘積碎石土和坡積碎石土，并分布有多處崩塌地質(zhì)災(zāi)害體，為泥石流的發(fā)生提供了豐富物源.該區(qū)段內(nèi)以沖刷侵蝕為主.其中廟臺(tái)溝匯水面積0.95，km2，高程1，190～880，m，溝谷平均縱坡降300‰；慶溝匯水面積1.07，km2，高程1，150～890，m，高差260，m，溝谷平均縱坡降250‰.溝谷都呈“V”型，支溝發(fā)育，寬度20～30，m，兩側(cè)山坡坡度23°～32°，山坡陰坡坡面植被覆蓋率約65%～90%，山坡陽(yáng)坡坡面植被覆蓋率約30%，溝底植被覆蓋率50%，左右.

3.3 流通區(qū)和堆積區(qū)

流通區(qū)和堆積區(qū)位于溝道下游，兩側(cè)山坡植被覆蓋率較低，多分布有耕地或果樹(shù)林地，為洪積碎石土、泥石流積碎石土，區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)頻繁；其下段居民建筑物密集，建有排導(dǎo)槽.其中廟臺(tái)溝長(zhǎng)約1.00，km，面積0.23，km2，高程920～855，m，坡降45‰左右，其上段河道一般寬約30～40，m.慶溝長(zhǎng)約1.84，km，面積0.38，km2，高程990～850，m，坡降45‰左右，其上段河道一般寬約20，m.

4 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

4.1 評(píng)價(jià)模型的選擇

我國(guó)不同時(shí)期的單溝泥石流評(píng)價(jià)研究模型可分為分級(jí)評(píng)分模型、分級(jí)賦值模型和函數(shù)賦值模型［13］.綜合考慮區(qū)域地質(zhì)背景因素，根據(jù)誘發(fā)泥石流的重要因子為依據(jù)，在此選擇在國(guó)內(nèi)外具有廣泛影響力的函數(shù)賦值模型進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［14-15］.

4.2 評(píng)價(jià)因子的選擇

在評(píng)價(jià)因子的選擇上應(yīng)遵循以下原則：科學(xué)性、正確性、全面性、獨(dú)立性、代表性、簡(jiǎn)便性和實(shí)用性.另外，也應(yīng)當(dāng)考慮是否可以量化［16］.在單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中，兩個(gè)主要的危險(xiǎn)因子必不可少，泥石流規(guī)模和頻率［17］.目前對(duì)評(píng)價(jià)因子的選擇方法主要有關(guān)聯(lián)度分析法、相關(guān)系數(shù)法、追蹤投影法和Spearman等級(jí)相關(guān)系數(shù)等［18］，函數(shù)賦值模型采用劉希林的雙系列關(guān)聯(lián)度法［3］對(duì)評(píng)價(jià)因子進(jìn)行了優(yōu)化.

最后選取7項(xiàng)評(píng)判因子，使評(píng)價(jià)指標(biāo)更易獲取，準(zhǔn)確性較高.除了選取2個(gè)主要內(nèi)在因子泥石流規(guī)模m和發(fā)生頻率f外，另外5個(gè)次要環(huán)境因子分別是流域面積s1、主溝長(zhǎng)度s2、流域相對(duì)高差s3、流域切割密度s6和泥砂補(bǔ)給長(zhǎng)度比s9.

4.3 泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算

為了避免評(píng)價(jià)因子分級(jí)結(jié)合點(diǎn)出現(xiàn)轉(zhuǎn)換值的跳躍式變化，函數(shù)賦值模型采用轉(zhuǎn)換函數(shù)計(jì)算評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)換值，使評(píng)價(jià)因子的轉(zhuǎn)換值連續(xù)變化于0～1之間.危險(xiǎn)度計(jì)算公式如下

式中：各系數(shù)是采用雙系列關(guān)聯(lián)度分析方法得到的各因子的權(quán)重；M、F、S1、S2、S3、S6、S9分別是m、f、s1、s2、s3、s6、s9的轉(zhuǎn)換函數(shù)值（轉(zhuǎn)換函數(shù)詳見(jiàn)文獻(xiàn)［4］－［5］）.

其中泥石流規(guī)模m，即一次泥石流最大沖出量，可根據(jù)泥石流堆積特征、崩塌體面積及松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量等估算推出；泥石流發(fā)生頻率f可根據(jù)歷史記載推算出每百年的發(fā)生次數(shù)；流域面積s1、主溝長(zhǎng)度s2、流域的切割密度s6可以在遙感影像上直接描繪并計(jì)算出來(lái).切割密度是指流域面積內(nèi)沖溝發(fā)育長(zhǎng)度之和與流域面積之比，綜合反映了流域內(nèi)的巖石風(fēng)化程度、匯流情況、巖性、產(chǎn)沙能力和地質(zhì)構(gòu)造等工程地質(zhì)條件；流域的最大相對(duì)高差s3可以通過(guò)兩條泥石流溝的DEM數(shù)據(jù)得到，反映了泥石流的動(dòng)力特性；泥砂補(bǔ)給長(zhǎng)度比s9是泥沙補(bǔ)給源的溝谷長(zhǎng)度與主溝總長(zhǎng)度的比值，可以通過(guò)遙感影像結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得.

將取得的廟臺(tái)溝和慶溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化值計(jì)算，再將轉(zhuǎn)換值代入單溝泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算公式（1），分別得出廟臺(tái)溝和慶溝的危險(xiǎn)度（見(jiàn)表2）.由評(píng)價(jià)結(jié)果可知研究區(qū)廟臺(tái)溝和慶溝的危險(xiǎn)度都是低度.經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)際資料來(lái)看，廟臺(tái)溝和慶溝在泥石流發(fā)生頻率上很低，分別為一百年3.6次和一百年2.0次，而且為影響泥石流危險(xiǎn)度的主要因子之一，這是導(dǎo)致危險(xiǎn)度為低度的主要原因.

表2 廟臺(tái)溝和慶溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)結(jié)果

4.4 灰色系統(tǒng)理論的應(yīng)用

泥石流是多種因素共同作用下產(chǎn)生的，泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)具有明顯的灰色性［19］.為了進(jìn)一步對(duì)廟臺(tái)溝和慶溝泥石流危險(xiǎn)性驗(yàn)證，選擇云南省七條典型泥石流溝基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，其中大白泥溝危險(xiǎn)度極高，具有規(guī)模大、發(fā)育典型的特點(diǎn)，因此選其為參考序列.另外分別選取兩條高度危險(xiǎn)性泥石流溝：小白泥溝和小海河；兩條中度危險(xiǎn)性泥石流溝：芭蕉河溝和巧家白泥溝；兩條低度危險(xiǎn)性泥石流溝：觀音河和小菁河溝作為比較序列，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見(jiàn)朱靜（1995）的泥石流溝判別與危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究［20］.通過(guò)關(guān)聯(lián)度計(jì)算發(fā)現(xiàn)各條泥石流溝的關(guān)聯(lián)度與危險(xiǎn)度存在很好的相關(guān)性，即與參考序列的關(guān)聯(lián)度越高，危險(xiǎn)度也越高，與參考序列的關(guān)聯(lián)度低，危險(xiǎn)度也越低（見(jiàn)表3）.基于此，將廟臺(tái)溝和慶溝的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與其他溝一起進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析，來(lái)驗(yàn)證上述危險(xiǎn)度的計(jì)算結(jié)果是否具有一致性.

表3 關(guān)聯(lián)度值和危險(xiǎn)度值

關(guān)聯(lián)度計(jì)算的方法首先是確定參考數(shù)列和比較數(shù)列，然后用均值化的方法將原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化，得到均值化矩陣（見(jiàn)表4），這樣才可以進(jìn)行比較.之后計(jì)算參考數(shù)列與比較數(shù)列的絕對(duì)差值（見(jiàn)表5），并找出最大絕對(duì)差值和最小絕對(duì)差值，最后按關(guān)聯(lián)度公式計(jì)算比較因子與參考因子的關(guān)聯(lián)度（見(jiàn)表6）.

4.4.1 數(shù)據(jù)的無(wú)量綱化

對(duì)原始數(shù)據(jù)需要消除量綱，轉(zhuǎn)化為可以比較的數(shù)據(jù)序列.消除量綱的方法有很多，在此采用均值化的方法，即

表4 原始數(shù)據(jù)無(wú)量綱化值

4.4.2 差值矩陣

將無(wú)量綱化的數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算式中：Δ（i， j）為參考序列和比較序列的絕對(duì)差值矩陣；x′（a， j）為參考序列；x′（i， j）為比較序列.

表5 差值矩陣

4.4.3 關(guān)聯(lián)度計(jì)算

關(guān)聯(lián)度計(jì)算公式如下式中：R（i）為參考數(shù)列與比較數(shù)列之間的關(guān)聯(lián)度；N為樣本數(shù)；i為第i個(gè)樣本；j為第j個(gè)關(guān)聯(lián)因子；Δmax為所有差值序列中最大的值；Δmin為所有差值序列中最小的值；ρ為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.5.

表6 包括廟臺(tái)溝、慶溝的關(guān)聯(lián)度及危險(xiǎn)度值

由表3和表6可知，在加入廟臺(tái)溝和慶溝進(jìn)行的關(guān)聯(lián)度計(jì)算之后，雖然關(guān)聯(lián)度數(shù)值有所改變，但仍具有很好的一致性及變化趨勢(shì)（見(jiàn)圖5）.廟臺(tái)溝和慶溝的關(guān)聯(lián)度分別為0.551，6和0.560，7，稍微比小菁河溝大，比芭蕉河溝小，由此判斷廟臺(tái)溝和慶溝的危險(xiǎn)等級(jí)為中低度，這與之前計(jì)算出的危險(xiǎn)度基本一致.

注：關(guān)聯(lián)度1、2分別為加入廟臺(tái)溝、慶溝之前和之后的關(guān)聯(lián)度值.圖5 關(guān)聯(lián)度與危險(xiǎn)度的變化趨勢(shì)

5 討 論

函數(shù)賦值模型是在以往評(píng)價(jià)模型基礎(chǔ)上改進(jìn)優(yōu)化建立起來(lái)的，評(píng)價(jià)因子中將環(huán)境因子進(jìn)一步減少到5個(gè)，使評(píng)價(jià)因子更簡(jiǎn)潔、更容易獲取，在實(shí)際使用過(guò)程中具有很好的評(píng)價(jià)效果.另外采用函數(shù)公式的轉(zhuǎn)換值計(jì)算，使轉(zhuǎn)換值連續(xù)變化從而避免了結(jié)合點(diǎn)的跳躍變化.理論上如果準(zhǔn)確知道規(guī)模和頻率這兩個(gè)內(nèi)在因子，危險(xiǎn)度就確定了，但實(shí)際情況中，準(zhǔn)確獲取這兩個(gè)因子有一定難度，因此采用間接的方法估算，并引進(jìn)環(huán)境因子彌補(bǔ)這種估算帶來(lái)的誤差，關(guān)于泥石流規(guī)模和頻率的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究.

灰色系統(tǒng)理論關(guān)聯(lián)度對(duì)泥石流危險(xiǎn)性相似性的評(píng)價(jià)的驗(yàn)證，是對(duì)函數(shù)賦值模型的一個(gè)補(bǔ)充.優(yōu)點(diǎn)是可以使某一地區(qū)的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)與其他地區(qū)的泥石流溝進(jìn)行對(duì)比研究，從而得到更加客觀的認(rèn)識(shí)，避免了評(píng)價(jià)的片面性.

綜合以上評(píng)價(jià)分析，危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法是有效和實(shí)用的，但也存在一些不足之處.首先是因子的選擇問(wèn)題，雖然利用雙系列關(guān)聯(lián)度對(duì)因子進(jìn)行了選擇，但實(shí)際由于影響泥石流活動(dòng)的因子較多，相互之間關(guān)系復(fù)雜，因此在泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中，因子的選取仍然是非常難，而且精確度有待進(jìn)一步提高，關(guān)于因子之間的這種復(fù)雜的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究.另外是評(píng)價(jià)結(jié)果的適用性問(wèn)題，評(píng)價(jià)結(jié)果最終要為防治工程提供參考，同樣的參數(shù)泥石流溝可能會(huì)千差萬(wàn)別，而且與人類關(guān)系也會(huì)有微妙的變化，因此評(píng)價(jià)是否適用還需結(jié)合地區(qū)情況由專家現(xiàn)場(chǎng)綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行修正，進(jìn)一步推動(dòng)評(píng)價(jià)與工程防治相結(jié)合.

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)研究區(qū)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)測(cè)繪得到了西山廟臺(tái)溝、慶溝的地形地貌、地層巖性、氣象水文等基礎(chǔ)資料，結(jié)合遙感圖像及DEM數(shù)據(jù)對(duì)地形地貌的分析，對(duì)泥石流溝進(jìn)行了分區(qū)研究，分析了不同區(qū)的特征.根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，采用單溝泥石流危險(xiǎn)性函數(shù)賦值模型和灰色關(guān)聯(lián)度相似性分析分別進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果為中低度，為工程防治工作提供了參考.采用函數(shù)賦值模型及灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的方法具有很大的優(yōu)點(diǎn)且容易操作，對(duì)所存在的問(wèn)題也提出了合理的建議.參考文獻(xiàn)：

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Hazard Assessment of the Debris Flow Gullies in Western Mountain Area of Weichang County Chengde City

CHEN Sumin1，JIAN Lijiang2，WANG Zhe1，HAN Lei1
（1. School of Geology and Geomatics，TCU，Tianjin 300384；2.The Fourth Geological Brigade，Hebei Mine Bureau，Chengde 067000，China）

The urban area located downstream of western mountain area of Weichang county Chengde city has been threatened by several debris flow gullies. Combined with remote sensing interpretation and engineering geological survey， the topography， lithology， hydrometeorology， etc of two debris flow gullies are analyzed， and the debris flow gullies are zoned. Connected with the practical situation， the hazard degree of Miaotai and Qing gullies is calculated by using function assignment model of single debris flow hazard assessment models，and the method of relational grade of grey system is used to have similarity verification. Results show that the hazard degree of the two debris flow gullies is low to moderate.

debris flow；hazard assessment；function assignment model；relational grade of grey system

P642.23

A

2095-719X（2016）02-0119-07

2015-04-13；

2015-06-18

河北省國(guó)土資源廳特大地質(zhì)災(zāi)害治理項(xiàng)目（ZCZC-2013-158）

陳素敏（1988—），男，河北張家口人，天津城建大學(xué)碩士生.