地震區(qū)降雨作用下泥石流易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)估

胡凱衡，陳 成，3，李秀珍，李 浦，3

(1.中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院-水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是重要的非工程措施之一，已成為泥石流減災(zāi)的主要工作之一。從十九世紀(jì)奧地利對(duì)阿爾卑斯山區(qū)泥石流溝開展分類評(píng)價(jià)工作開始，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已經(jīng)從定性評(píng)判發(fā)展到定量評(píng)價(jià)，從地學(xué)統(tǒng)計(jì)方法發(fā)展到物理模型和數(shù)值模擬方法[1]。一般來說，災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以分為易發(fā)性、危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性三個(gè)不同層次[2]。災(zāi)害易發(fā)性評(píng)估主要是評(píng)價(jià)或者計(jì)算某個(gè)地理空間上地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性或大小程度，有時(shí)也稱為區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。目前災(zāi)害易發(fā)性研究比較多，相對(duì)成熟。現(xiàn)有的方法主要是根據(jù)災(zāi)害的環(huán)境背景因子，比如降雨、坡度、坡向、巖性等，成災(zāi)過程和歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)等信息，采用地學(xué)的和統(tǒng)計(jì)的方法，在較大的空間尺度上對(duì)災(zāi)害發(fā)生的可能性進(jìn)行評(píng)估[3-10]。

在氣候、地震以及人類活動(dòng)等強(qiáng)烈影響下，泥石流的致災(zāi)因子如物源量、暴雨次數(shù)、土地利用等是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程。隨著致災(zāi)因子的變化，災(zāi)害易發(fā)性也發(fā)生變化。比如，地震之后較長時(shí)間內(nèi)，泥石流災(zāi)害的活躍性增強(qiáng)，即數(shù)量增多、規(guī)模增大、頻率增加、風(fēng)險(xiǎn)升高[11]。而現(xiàn)有的易發(fā)性評(píng)估多基于靜態(tài)的環(huán)境背景因子(坡度、高差、巖性等)，是一種靜態(tài)的結(jié)果，無法反映其動(dòng)態(tài)變化。由于對(duì)災(zāi)害易發(fā)性動(dòng)態(tài)變化認(rèn)識(shí)不足，常導(dǎo)致山區(qū)廠礦、居民點(diǎn)、旅游設(shè)施修建在易發(fā)性大幅升高的區(qū)域，加重了災(zāi)害的損失。比如，2008年汶川地震后，由于未認(rèn)識(shí)到震前泥石流低發(fā)區(qū)易發(fā)性已發(fā)生變化，大量的安置房、廠礦企業(yè)和旅游設(shè)施修建在都江堰市龍溪河流域、汶川縣的桃關(guān)溝和七盤溝流域等泥石流高易發(fā)區(qū)。2010年和2013年的幾次特大暴雨事件將這些重建設(shè)施毀于一旦，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，需要研究地震和氣候影響下，區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，科學(xué)評(píng)估災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的變化，為預(yù)測和規(guī)避災(zāi)害高易發(fā)區(qū)提供依據(jù)。本文以橫斷山區(qū)為研究區(qū)域，分析了區(qū)域?yàn)?zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素，研究了地震和降雨事件對(duì)泥石流易發(fā)性的影響系數(shù)模型。

1 動(dòng)態(tài)評(píng)估模型和方法

1.1 動(dòng)態(tài)評(píng)估方法

區(qū)域?yàn)?zāi)害易發(fā)性可以看作是由靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素兩類因子決定的。靜態(tài)的因素由基本的下墊面條件決定，比如相對(duì)高差、坡度、巖性、斷層密度等，在幾百年尺度上的變化很小。由靜態(tài)因素決定的那部分易發(fā)性可以認(rèn)為是區(qū)域本底值。災(zāi)害的動(dòng)態(tài)因素主要是指在年的尺度上影響水土供給和耦合的突出因素。從泥石流發(fā)生的物源、能量和水源條件來看，在橫斷山區(qū)影響水土要素供給的主要有地震、降雨和強(qiáng)烈的人類活動(dòng)(圖1)。

圖1 影響泥石流易發(fā)性的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)因素Fig.1 Static and dynamic effective factors with geo-hazard susceptibility

由于人類活動(dòng)的影響更多涉及到社會(huì)經(jīng)濟(jì)的因素，影響較為復(fù)雜。本研究暫時(shí)只考慮地震和降雨的影響。實(shí)際上，地震和降雨的影響也是非常復(fù)雜的，不同的時(shí)間尺度下變化差異也較大。為簡單起見，以年為時(shí)間單位，假設(shè)地震和降雨作用下每年的易發(fā)性與靜態(tài)易發(fā)性成正比，即一個(gè)簡化的線性模型。那么，地震和降雨綜合影響下災(zāi)害的動(dòng)態(tài)易發(fā)性可以表示為靜態(tài)易發(fā)性與地震和降雨影響系數(shù)的乘積：

H(t)=S×Ek(t)×Rk(t)

(1)

式中：H——災(zāi)害逐年的易發(fā)性；

S——靜態(tài)因素導(dǎo)致的易發(fā)性(即易發(fā)性的本底值)；

Ek和Rk——地震和降雨對(duì)易發(fā)性的逐年影響系數(shù)。

1.2 靜態(tài)評(píng)估方法

靜態(tài)易發(fā)性評(píng)估主要選取區(qū)域長期不變或者緩變的致災(zāi)因子，比如地形、地質(zhì)、植被、土壤等下墊面因子，來評(píng)價(jià)橫斷山區(qū)域在空間上災(zāi)害發(fā)生的可能性，可以采用以下的條件概率模型：

(2)

式中：ωi——第i個(gè)靜態(tài)因子的權(quán)重；

Pi(x)——當(dāng)?shù)趇個(gè)靜態(tài)因子取x時(shí)，災(zāi)害發(fā)生的概率。

根據(jù)橫斷山區(qū)已有的災(zāi)害分布數(shù)據(jù)，采用主成分分析的方法，發(fā)現(xiàn)相對(duì)高差、坡度、巖性和斷裂帶密度與災(zāi)害的關(guān)系最為密切。相對(duì)高差定義為某一半徑范圍內(nèi)，最大高程與最小高程之差。相對(duì)高差代表了水土遷移的能量條件，反映的是局地勢(shì)能。坡度為某一單元與相鄰單元單位長度的高差，反映的是能量梯度。根據(jù)巖土體的軟硬程度和抗風(fēng)化能力，將地層巖性劃分為松散巖組、軟巖組、軟硬相間巖組和硬巖組。在斷裂構(gòu)造發(fā)育區(qū)，巖石破碎，地形切割強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害常常密集分布。在ArcGIS中，分別計(jì)算了這四種因子中災(zāi)害發(fā)生的條件概率(圖2)。

采用灰色關(guān)聯(lián)度法和GIS相結(jié)合的方法分別確定了相對(duì)高差、坡度、工程地質(zhì)巖組和斷層密度在易發(fā)性中的權(quán)重值[12]：相對(duì)高差=0.204 8，坡度=0.196 9，地質(zhì)巖組=0.183 6，斷層密度=0.219 6。然后，對(duì)各個(gè)因子的條件概率加權(quán)求和，就得到橫斷山區(qū)的靜態(tài)易發(fā)性評(píng)估圖(圖3)。

圖3 橫斷山區(qū)災(zāi)害易發(fā)性靜態(tài)評(píng)估結(jié)果Fig.3 Static susceptibility of the hazard in Hengduan Mountainous Region

2 地震事件影響系數(shù)

地震的影響主要體現(xiàn)在“土”的因素，即松散物質(zhì)一開始大量增加。強(qiáng)震常帶來大量的滑坡，極震區(qū)滑坡面積常占到20%以上，甚至達(dá)到50%。數(shù)量眾多的地震滑坡崩塌滾石等松散物質(zhì)堆積于上游坡面和溝道，為泥石流災(zāi)害提供了豐富的物源，在暴雨激發(fā)作用下極易暴發(fā)災(zāi)害。國內(nèi)外山區(qū)的大地震(如日本的關(guān)東大地震、臺(tái)灣的集集地震、西藏的察隅地震、四川的汶川地震等)表明[13-16]，地震后一段時(shí)間內(nèi)，泥石流災(zāi)害的活躍性明顯增強(qiáng)，即數(shù)量增多、規(guī)模增大、頻率增高。相關(guān)研究表明，地震在V度及以下烈度區(qū)引發(fā)的滑坡崩塌數(shù)量極少[17]。汶川地震VI度以下崩塌滑坡數(shù)量僅占總數(shù)的0.18%[18]。因?yàn)榈卣鸬哪芰颗c震級(jí)為指數(shù)函數(shù)關(guān)系。因此，假設(shè)地震對(duì)災(zāi)害易發(fā)性的影響系數(shù)與烈度為一個(gè)2次方的關(guān)系。

另一方面，隨著時(shí)間的推移，松散物質(zhì)逐漸被輸移到下游河道或堆積扇，或者逐漸固結(jié)強(qiáng)度增大。因此，災(zāi)害的易發(fā)性也會(huì)隨著時(shí)間逐漸在降低。根據(jù)1950年西藏察隅地震之后古鄉(xiāng)溝泥石流的記錄數(shù)據(jù)，冪函數(shù)比較好地描述了物源控制型泥石流活躍性的衰減過程，冪函數(shù)的指數(shù)約為-0.63。其衰減指數(shù)與剩余物質(zhì)儲(chǔ)量和總物質(zhì)儲(chǔ)量之比存在密切的關(guān)系[19]。

根據(jù)上面的分析，地震在VI度區(qū)以下對(duì)泥石流物源幾乎沒有影響，在VI度區(qū)以上烈度每升高1度，影響系數(shù)提高1倍。而影響系數(shù)隨著時(shí)間呈冪指數(shù)的衰減關(guān)系。由此，單次地震事件的影響系數(shù)可以用如下公式來表示：

(3)

x為烈度值，分6度以下和以上兩個(gè)區(qū)間，6度以下取1.0，表示地震對(duì)6度以下區(qū)域的易發(fā)性沒有影響；N距離發(fā)震時(shí)間的時(shí)長(年為單位)。由這個(gè)函數(shù)隨時(shí)間的變化曲線可以看出，Ⅶ、Ⅷ和Ⅸ區(qū)的影響系數(shù)大約在30年后都大致接近于1.0(圖4)。而Ⅺ區(qū)的影響系數(shù)在30年后還是非常高，約為4.8。

圖4 地震影響系數(shù)的衰減曲線Fig.4 Decay curve of effective coefficient of earthquake

為了分析地震對(duì)橫斷山區(qū)泥石流災(zāi)害的影響，以VI烈度區(qū)為地震最大影響范圍，搜集了從1995年以來VI及以上烈度區(qū)與橫斷山區(qū)有交集的歷史地震事件(Ms>6.5)(表1)。然后，根據(jù)每次事件的烈度范圍，采用公式(3)疊加計(jì)算了橫斷山區(qū)1995～2015年地震事件對(duì)災(zāi)害易發(fā)性的總影響系數(shù)。

表1 橫斷山區(qū)1995年以來的歷史地震事件

圖5 2010年橫斷山區(qū)大雨天數(shù)空間分布圖 (1.龍門山區(qū)；2.攀西地區(qū)；3.滇西北區(qū))Fig.5 Occurrence days of heavy rainfall in Hengduan Mountainous Area in 2010 (1.Longmen Mountainous Area; 2.Panxi district; 3.Northwestern Yunnan Province.)

3 降雨事件影響系數(shù)

橫斷山區(qū)泥石流災(zāi)害主要是由大雨或暴雨激發(fā)的。利用TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)(網(wǎng)格空間分辨率為0.25°)，提取了橫斷山區(qū)從2000年到2015年每個(gè)網(wǎng)格單元大雨發(fā)生天數(shù)的逐年變化數(shù)據(jù)。圖中可以看出，大雨發(fā)生較多的有龍門山區(qū)、攀西地區(qū)、滇西北區(qū)(圖5)。

根據(jù)橫斷山區(qū)每個(gè)網(wǎng)格單元大雨天數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了每年整個(gè)橫斷山區(qū)大雨出現(xiàn)的總天數(shù)見表2。從中可以看出，大雨事件最多的一年是2001年。總天數(shù)大約是最少一年(2011年)的1.81倍。這說明橫斷山區(qū)的大雨事件的分布在時(shí)間上極不平衡。一般來說，在同等地形和地質(zhì)條件下，大雨事件越多，其激發(fā)的災(zāi)害也越多。所以，可用大雨天數(shù)來表征降雨的影響系數(shù)：

圖6 橫斷山區(qū)2005、2008、2010和2015年的易發(fā)性分區(qū)圖Fig.6 Maps of hazard susceptibility in 2005, 2008, 2010 and 2015 in the Hengduan

Rk=b×I>25 mm

(4)

式中：b——比例系數(shù)；

I>25 mm——大雨天數(shù)。

根據(jù)全國2001～2015年的TRMM數(shù)據(jù)，每年平均發(fā)生日降雨量大于25 mm的大雨天數(shù)為84 497.13。而根據(jù)2001～2015年的《全國地質(zhì)災(zāi)害通報(bào)》，在此期間平均每年發(fā)生的災(zāi)害總數(shù)為23 980.6次。兩者的比值為0.284。即，就全國來說，一次大雨事件大概能引發(fā)0.284次災(zāi)害。橫斷山區(qū)的災(zāi)害發(fā)生水平應(yīng)該高于全國平均水平。但是，目前沒有該區(qū)域的災(zāi)害歷史數(shù)據(jù)。因此，系數(shù)b暫取為0.284。

4 動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果

綜合橫斷山區(qū)泥石流災(zāi)害的靜態(tài)易發(fā)性、地震影響系數(shù)、降雨影響系數(shù)的計(jì)算結(jié)果，在考慮地震和降雨事件對(duì)災(zāi)害易發(fā)性逐年影響變化的情況下，用公式(1)計(jì)算從2000到2015年橫斷山區(qū)泥石流易發(fā)性的變化，并將易發(fā)性劃分為極高、高、中和低四個(gè)等級(jí)(圖6)。

表2 橫斷山區(qū)逐年大雨和暴雨天數(shù)

將搜集的2015年災(zāi)害事件分布與2015年易發(fā)性分區(qū)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者在大區(qū)域分布上比較吻合(圖7)。災(zāi)害主要發(fā)生在龍門山西側(cè)、金沙江下游和滇西南地區(qū)。

圖7 橫斷山區(qū)2015年易發(fā)性分區(qū)和災(zāi)害分布圖Fig.7 Maps of the hazard susceptibility and inventory in 2015 in the Hengduan

5 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)

泥石流災(zāi)害的易發(fā)性受地震、降雨和人類活動(dòng)等的影響，是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程。本文將泥石流易發(fā)性的影響因素分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類，分析了地震的烈度和衰減效應(yīng)、大雨事件對(duì)災(zāi)害的影響，并以年為時(shí)間單位，初步建立了考慮地震和降雨影響的災(zāi)害易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)估方法和模型。應(yīng)用該方法和模型計(jì)算了橫斷山區(qū)泥石流易發(fā)性的地震影響系數(shù)和2000到2015年逐年易發(fā)性。結(jié)果表明，極震區(qū)的災(zāi)害易發(fā)性在30年后仍然是震前的4倍多。橫斷山區(qū)2000～2015年大雨次數(shù)變幅大，極大年是極小年的1.81倍。2015年災(zāi)害事件的實(shí)際分布與2015年易發(fā)性分區(qū)結(jié)果吻合得還是比較好。

本文提出的災(zāi)害易發(fā)性動(dòng)態(tài)評(píng)估模型和方法從定性上看是可以接受的，但還需要更多的災(zāi)害事件數(shù)據(jù)來驗(yàn)證和改進(jìn)。災(zāi)害事件數(shù)據(jù)的缺失，以及降雨、地質(zhì)等數(shù)據(jù)的誤差，有可能導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)計(jì)算的結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差。另外，地震對(duì)泥石流影響的定量關(guān)系目前還沒有一個(gè)普遍接受的模型。所采用的動(dòng)態(tài)易發(fā)性假設(shè)和地震影響系數(shù)衰減模型還需要更多實(shí)際監(jiān)測和研究資料的檢驗(yàn)。

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