“4·25”尼泊爾大地震背景下白朗縣泥石流的易發(fā)性分析

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(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川成都 610031)

泥石流是發(fā)生在山區(qū)的一種常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，其形成條件復(fù)雜，爆發(fā)突然，破壞力強(qiáng)，它的發(fā)生常毀壞交通設(shè)施、植被耕地、居民住房等，嚴(yán)重影響了山區(qū)的工程建設(shè)活動(dòng)，阻礙了山區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成巨大威脅。因此，圍繞存在潛在泥石流災(zāi)害的地區(qū)進(jìn)行易發(fā)性評(píng)價(jià)成為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的必要環(huán)節(jié)。通過(guò)分析子流域泥石流災(zāi)害的易發(fā)程度，使人們對(duì)其所處自然環(huán)境的安全性大小有一個(gè)直觀的了解，從而為當(dāng)?shù)鼐幼∵x址、基礎(chǔ)建設(shè)提供一個(gè)可靠依據(jù)。

白朗縣位于青藏高原南部，雅魯藏布江主要支流年楚河中游河谷地帶。區(qū)中以中高山為主，地處歐亞大陸與印度大陸的縫合帶—雅魯藏布斷裂之南側(cè)仲巴—仁布亞帶、喜馬拉雅北拉軌崗日北坡北喜馬拉雅構(gòu)造帶拉軌崗日亞帶[1]。與主流域發(fā)育一致的斷裂兩盤巖石均較為破碎[2]，使得主要流域兩側(cè)發(fā)育大量子流域溝谷，子流域溝谷內(nèi)堆積大量固體物源，整個(gè)子流域即構(gòu)成了泥石流的形成區(qū)、流通區(qū)，以及溝口的堆積區(qū)。由于構(gòu)造抬升作用，地表剝蝕嚴(yán)重，地形起伏大，泥石流災(zāi)害的形成由溝谷子流域內(nèi)的地理地質(zhì)環(huán)境的相互影響，不同溝谷子流域間泥石流發(fā)生相互不影響，因此，傳統(tǒng)的以柵格單元為整個(gè)易發(fā)性評(píng)價(jià)單元的模型，評(píng)價(jià)結(jié)果無(wú)法體現(xiàn)小流域泥石流在區(qū)域中的獨(dú)立性。但若將子流域單元作為整個(gè)易發(fā)性評(píng)價(jià)的評(píng)價(jià)單元，將子流域單元中因子的某一值作為整個(gè)子流域的代表值，則有失精度與真實(shí)性，無(wú)法體現(xiàn)各個(gè)評(píng)價(jià)因子在空間上的連續(xù)性、差異性。因此，本文在分析白朗泥石流災(zāi)害過(guò)程中，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)學(xué)者已有的研究成果進(jìn)行的系統(tǒng)的分析，如唐川[3-4]、劉希林[5-7]、胡桂勝[8-9]、曾凡偉[10]等學(xué)者，在評(píng)價(jià)白朗縣泥石流災(zāi)害易發(fā)性過(guò)程中，結(jié)合前人研究成果，綜合考慮研究區(qū)泥石流發(fā)育及流域特性，基于GIS平臺(tái)，運(yùn)用層次分析法，選取25m×25m的柵格單元作為易發(fā)性分析的因子分析單元，并對(duì)研究區(qū)進(jìn)行子流域劃分，以此作為評(píng)價(jià)分區(qū)單元，以此建立的易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，切實(shí)符合研究區(qū)泥石流的實(shí)際發(fā)育情況，可為白朗縣的泥石流災(zāi)害防治及人類經(jīng)濟(jì)活動(dòng)選址提供準(zhǔn)確、可利用性的參考依據(jù)。

1 區(qū)域地貌地質(zhì)背景

研究區(qū)位于青藏高原南部，喜馬拉雅山脈北部，東經(jīng)88 °47 ′40 ″～89 °25 ′04 ″，北緯28 °17 ′36 ″～29 °17 ′30 ″，區(qū)域面積2 758.98km2，總體地勢(shì)呈南高北低，區(qū)內(nèi)主要水系年楚河為雅隆藏布江支流，主河流谷地有小范圍堆積平原，兩側(cè)為中高山地貌，海拔4 200～5 000m,占全區(qū)面積的80 %以上，相對(duì)切割深度500～100m，地形陡峭，溝谷發(fā)育，斜坡坡度30～55 °，生長(zhǎng)稀少灌叢。 研究區(qū)地處復(fù)雜構(gòu)造變形的造山帶，區(qū)內(nèi)有多條斷裂構(gòu)造發(fā)育，斷裂帶附近巖層十分破碎，發(fā)育各類松散堆積物，平均厚度達(dá)到20m以上。受南部喜馬拉雅山脈阻擋，只有少部分氣流沿雅隆藏布江峽谷深入到年楚河流域，但因區(qū)內(nèi)中部高山阻擋了氣流的繼續(xù)南下，全區(qū)降雨量呈現(xiàn)由北至南逐漸減少，導(dǎo)致研究區(qū)泥石流災(zāi)害主要集中在北部年楚河流域。

2 研究區(qū)泥石流分布特征

野外調(diào)查顯示研究區(qū)現(xiàn)發(fā)育泥石流災(zāi)害共167條，從規(guī)模上看以小型規(guī)模為主，共154條，占92.22 %，其余為中型；溝谷型泥石流共113條，占67.66 %；泥石流災(zāi)害沿河流呈帶狀分布，全區(qū)泥石流均屬于暴雨型的稀性泥石流。

泥石流的發(fā)育受地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水系降雨等因素綜合影響，經(jīng)過(guò)野外實(shí)地調(diào)查來(lái)具體分析研究區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害影響因子與泥石流的分布情況。分布在4 200～4 400m的泥石流占53.3 %，而在4 000m以下及4 600m以上的泥石流只占3.6 %。從坡度上來(lái)看，20～40°發(fā)育的泥石流占83.8 %。馬達(dá)普曲斷裂帶發(fā)育泥石流災(zāi)害43條，占25.75 %；研究區(qū)分布范圍最廣的薄(中)層堅(jiān)硬(半堅(jiān)硬石)英砂巖、板巖、片巖、泥灰?guī)r巖組，共發(fā)育災(zāi)害點(diǎn)134處，占白朗縣泥石流災(zāi)害總數(shù)的81.46 %。研究區(qū)降雨集中在6～9月，降雨量占全年的80 %以上，河網(wǎng)分布較密集，泥石流主要發(fā)育于河流兩側(cè)溝谷內(nèi)，以溝谷泥石流為主。

3 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)因子選取

在泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)因子的選取過(guò)程中，所選因子必須能夠切實(shí)的體現(xiàn)實(shí)際地質(zhì)環(huán)境條件及其對(duì)泥石流災(zāi)害影響的重要性，所選因子還必須能夠較好的進(jìn)行數(shù)值化。

白朗縣泥石流易發(fā)性研究是以西藏省白朗縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項(xiàng)目原始數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)來(lái)源，建立泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)，以白朗縣1∶5萬(wàn)數(shù)字化地形圖為基礎(chǔ)建立基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育受地質(zhì)環(huán)境條件、降雨、地震及人類工程活動(dòng)等各種因素的控制。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害具點(diǎn)多面廣、時(shí)空分布不均、暴發(fā)時(shí)段集中、危險(xiǎn)性大等特點(diǎn)。因此，本文選取占白朗縣地質(zhì)災(zāi)害93.82 %的泥石流作為研究?jī)?nèi)容，從工程地質(zhì)、人類活動(dòng)影響、環(huán)境條件的角度，全面考慮泥石流災(zāi)害的各個(gè)因素，經(jīng)過(guò)分析，最終選取高程、坡度、巖性、斷裂帶、水系、居民居住密度、降雨、地貌、災(zāi)點(diǎn)密度9個(gè)因子進(jìn)行研究。

3.2 評(píng)價(jià)因子數(shù)值化與歸一化處理

本文以白朗縣1∶5萬(wàn)地形圖為基礎(chǔ)，以25m×25m為柵格單元，在ArcGIS平臺(tái)上，利用高精度DEM、區(qū)域構(gòu)造、降雨、人口居住分布、水系、分布災(zāi)點(diǎn)分布、地層巖性分布，進(jìn)行數(shù)值化、空間分析處理。根據(jù)泥石流災(zāi)害各個(gè)因子不同狀態(tài)下對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的影響程度表(表1，其中值1表示不易發(fā)生泥石流災(zāi)害，值6表示極易發(fā)生泥石流災(zāi)害)，對(duì)高程、坡度、水系密度、降雨量、斷裂帶、工程巖組、人類活動(dòng)、地貌、災(zāi)點(diǎn)密度進(jìn)行歸一化處理。

3.3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重確定

根據(jù)選取的泥石流災(zāi)害的9個(gè)影響因素，自由組合兩兩進(jìn)行比較，通過(guò)判斷他們分別對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)育的重要程度，并按照美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Satty的提議1～9標(biāo)度法所規(guī)定的標(biāo)度進(jìn)行定量化[11]，構(gòu)造判斷矩陣，本文對(duì)9個(gè)影響因子構(gòu)造了成對(duì)比較矩陣A=(aij)n×n(表2)。

運(yùn)用Matlab軟件計(jì)算成對(duì)比較陣計(jì)算最大特征值λmax及對(duì)應(yīng)特征向量w，對(duì)特征向量采取歸一化處理，然后通過(guò)一致性指標(biāo)CI見(jiàn)式(1)和隨機(jī)一致性指標(biāo)(表3)計(jì)算一致性比率CR見(jiàn)式(2)，以此來(lái)檢驗(yàn)矩陣的一致性。若CR<0.1,則檢驗(yàn)通過(guò)，矩陣的特征向量(歸一化后)即為權(quán)向量若CR>0.1,則矩陣不一致，需重新構(gòu)造成對(duì)比較陣。

(1)

(2)

RI的取值:隨機(jī)構(gòu)造成對(duì)比較陣B,bij的值是從1,2,…,9,1/2,1/3 , …,1/9中隨機(jī)選取的，由此得到的矩陣B是不一致的, 當(dāng)構(gòu)建充分多矩陣B子樣,所得到矩陣B最大特征值的平均值。

將矩陣A歸一化，計(jì)算矩陣的最大特征值λmax及相應(yīng)特征向量。特征向量w=(0.0187,0.0773,0.0646,0.0539,0.2987,0.0265,0.0925,0.1528,0.215)T得到最大特征值λmax=10.1153，根據(jù)公式，得一次性指標(biāo)CI=0.1394，一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CR=0.096<0.1，滿足一致性檢驗(yàn)。最后通過(guò)檢驗(yàn)合格的成對(duì)比較矩陣計(jì)算坡高、工程巖組、地質(zhì)構(gòu)造、坡形、降雨、坡度、水系、人類工程活動(dòng)、坡向、災(zāi)點(diǎn)的權(quán)重系數(shù)wi。計(jì)算公式見(jiàn)式(3)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表1 因子指標(biāo)等級(jí)劃分及賦值

表2 因子權(quán)重的成對(duì)比較矩陣

表3 隨機(jī)一致性指標(biāo)

(3)

3.4 易發(fā)性評(píng)價(jià)分區(qū)

在ArcGIS平臺(tái)上，將歸一化處理的9個(gè)泥石流災(zāi)害因子數(shù)據(jù)，進(jìn)行權(quán)重疊加計(jì)算得泥石流易發(fā)性指數(shù)，計(jì)算模型見(jiàn)式(4)。

SI=∑wiIFi

(4)

式中：SI為評(píng)價(jià)單元上泥石流災(zāi)害易發(fā)性綜合指數(shù)；wi為影響因子的權(quán)重值，具體取值見(jiàn)前表所示；IFi為影響因子歸一化值。

通過(guò)ArcGIS的水文分析工具對(duì)研究區(qū)進(jìn)行子流域劃分，以子流域單元最為易發(fā)性等級(jí)劃分的單元，計(jì)算子流域單元中泥石流易發(fā)性指數(shù)的平均值作為該單元易發(fā)性的特征值，最后運(yùn)用自然間斷法劃分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)(表5)。

本文通過(guò)泥石流災(zāi)害分布與易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的對(duì)比，以預(yù)測(cè)泥石流面積累計(jì)為橫坐標(biāo)，以實(shí)際泥石流累計(jì)數(shù)為縱坐標(biāo)構(gòu)建檢驗(yàn)曲線(圖1)，檢驗(yàn)曲線下的面積(AUC)作為評(píng)價(jià)易發(fā)性預(yù)測(cè)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

表5 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

圖1 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)曲線

從檢驗(yàn)曲線看，成功率AUC=0.71，表明預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率較高。從評(píng)價(jià)結(jié)果看，研究區(qū)的極高易發(fā)區(qū)主要建中在馬達(dá)普曲流域，面積約204.78km2，占研究區(qū)總面積的7.42 %；區(qū)內(nèi)實(shí)際發(fā)育泥石流災(zāi)害68條，占已發(fā)育泥石流災(zāi)害總數(shù)的40.72 %；高易發(fā)區(qū)面積約為571.91km2，占研究區(qū)總面積的20.73 %；區(qū)內(nèi)發(fā)育63條泥石流災(zāi)害，占總災(zāi)害數(shù)的37.72 %；中易發(fā)區(qū)面積為742.02km2，占總面積的26.95 %；區(qū)內(nèi)發(fā)育泥石流27條，占總數(shù)的16.17 %；極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)面積總和占研究區(qū)面積的55.05 %，該區(qū)內(nèi)已發(fā)育泥石流災(zāi)害數(shù)占總數(shù)的94.61 %，表明易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際泥石流對(duì)比效果極好(圖2)。

圖2 白朗縣泥石流災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

4 結(jié)論

(1)本文在研究白朗縣的泥石流災(zāi)害易發(fā)性過(guò)程中，充分考慮白朗縣特殊區(qū)域地理地質(zhì)環(huán)境條件，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)泥 石流特點(diǎn)，所選取的泥石流因子有坡高、坡度、工程巖組、區(qū)域構(gòu)造、水系分布、降雨量、人類活動(dòng)、災(zāi)點(diǎn)密度、地貌這9個(gè)因子，能充分體現(xiàn)白朗縣高原高寒地區(qū)泥石流災(zāi)害評(píng)價(jià)特點(diǎn)。

(2)本文借助ArcGIS平臺(tái)的強(qiáng)大的空間分析處理能力，運(yùn)用AHP層次分析方法，結(jié)合野外實(shí)際調(diào)查情況，以25m×25m柵格單元作為單因子分析單元，以水文分析的子流域單元為易發(fā)性等級(jí)劃分單元，經(jīng)檢驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況非常吻合。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是泥石流災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的首要環(huán)節(jié)也是影響評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，如何更加準(zhǔn)確詳盡的提取影響因子，減小其對(duì)整個(gè)評(píng)價(jià)體系的誤差影響，一直是易發(fā)性評(píng)價(jià)不可回避的考量。本文在選取白朗縣泥石流影響因子中，依然存在因子指標(biāo)選取和數(shù)據(jù)的空間化不確定性，對(duì)影響因子的等級(jí)劃分存在主觀性，在這方面，仍然存在較大改善空間，希望未來(lái)能夠更加完善評(píng)價(jià)體系，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀化。