基于灰色關(guān)聯(lián)度法的泥石流溝危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

朱成成

(北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038)

泥石流是山區(qū)常見的一種由土、巖塊等固體物混合雨水形成的高濃度飽和流體在重力作用下沿山谷溝壑等流動(dòng)的自然地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。其危害程度大，破壞力強(qiáng)，通常流速能達(dá)到(0.8～28.0)m/s，嚴(yán)重威脅當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境及人們的生命財(cái)產(chǎn)。泥石流危險(xiǎn)性是泥石流災(zāi)害在各影響因素下發(fā)生的密度、規(guī)模、頻次等的綜合反映。近些年，人們開始利用ARCGIS強(qiáng)大的矢量繪圖、數(shù)據(jù)提取及空間分析能力，對(duì)泥石流危險(xiǎn)性影響因子進(jìn)行量化分析，得到的危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果精度更高，評(píng)價(jià)更為客觀。

為有效解決泥石流地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)情評(píng)估、災(zāi)害性預(yù)測以及防治決策制定的相關(guān)問題，對(duì)于潛在泥石流災(zāi)害影響范圍，業(yè)內(nèi)通常進(jìn)行面評(píng)價(jià)和點(diǎn)評(píng)價(jià)。面評(píng)價(jià)通常是指對(duì)泥石流災(zāi)害進(jìn)行區(qū)域性評(píng)價(jià)，面積可能為幾百上萬平方千米，評(píng)價(jià)的區(qū)域可能是全國性的也可能是縣市域，主要目的是為了區(qū)域性防治工程部署以及區(qū)域規(guī)劃提供宏觀決策的依據(jù)，手段以調(diào)查統(tǒng)計(jì)為主，最后得出的結(jié)果可能定性結(jié)合半定量化；點(diǎn)評(píng)價(jià)通常針對(duì)單體泥石流災(zāi)害或?yàn)?zāi)害群，一般不會(huì)超過幾十平方千米，評(píng)價(jià)的范圍更是小區(qū)域，不會(huì)超過區(qū)縣級(jí)，主要是為抗災(zāi)、救災(zāi)和工程防治提供針對(duì)性依據(jù)，涉及專門的調(diào)查統(tǒng)計(jì)及部門試驗(yàn)分析，以定量化為主。

針對(duì)密云區(qū)273條泥石流單溝，制定點(diǎn)、線、面結(jié)合輔以遙感解譯的方式，進(jìn)行精細(xì)地表調(diào)查。根據(jù)調(diào)查所得資料并參考該地區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，分別從地質(zhì)、地形、激發(fā)因素和植被四個(gè)方面選擇了7個(gè)評(píng)價(jià)因子，通過灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度方法分別附以權(quán)重，采用對(duì)稱不等分間隔的三級(jí)分割法來劃分各因子的等級(jí)，其中，各評(píng)價(jià)因子的最大因子值對(duì)應(yīng)的評(píng)分即為各因子權(quán)重值，總和為1，其余兩級(jí)因子值給予對(duì)應(yīng)評(píng)分值，最終得到密云區(qū)泥石流溝的所有單溝評(píng)分，以此劃分風(fēng)險(xiǎn)程度等級(jí)評(píng)定。

1 研究區(qū)概況

密云區(qū)位于北京市東北部，屬燕山山地與華北平原交界地，介于北緯40.22°～40.80°，東經(jīng)116.66°～117.51°之間，總面積約2 229.0 km2，東、北與河北興隆、承德、灤平接壤，南臨平谷、順義，西靠懷柔，是華北通往東北、內(nèi)蒙的要塞。

密云區(qū)臨接燕山山脈，是燕山山地向華北平原過渡的重要地區(qū)，總體三面環(huán)山，形似中部低緩，西南開口的簸箕形，整體海拔高度約45.0 m～1 730.0 m，地勢整體由東北向西南傾斜，含平原、丘陵、山區(qū)等地貌類型，其中，北部及東南部整體山地海拔高度約400.0 m～800.0 m，為中低山區(qū)，山體坡度在25°以上的山體約有663.0 km2；占總數(shù)46.9%。正中央為北京市重要水源地——密云水庫，面積約118.0 km2。海拔約100.0 m～160.0 m，西南部為山前沖積洪積傾斜平原，總面積約185.0 km2，海拔高度約45.0 m～100.0 m，詳見圖1。

氣候上，密云區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)型大陸性半干旱氣候。密云區(qū)1981年—2017年多年平均降雨量為550.3 mm，月均降雨量最高為7月份的180.9 mm(見圖2)。據(jù)資料顯示，密云區(qū)新城子鎮(zhèn)、石城鎮(zhèn)四合堂村及馮家峪鎮(zhèn)番字牌村年降雨量較少，在550 mm以下，南部半城子鎮(zhèn)及卸甲山等山前地帶降雨量較大，在650 mm以上，其余地區(qū)降雨量一般在600 mm～650 mm之間，總體上，降雨量自東北向西南遞增。

密云區(qū)位于華北地臺(tái)北部邊緣，燕山臺(tái)褶帶密(云)懷(來)隆斷東部。褶皺斷裂構(gòu)造十分發(fā)育。褶皺以線性或規(guī)模較大的寬緩褶皺為主。斷裂構(gòu)造以東西向、北東向及北北東向?yàn)橹鳎浯螢榻媳毕?、北西向斷裂。由于該穹斷長期的不斷上隆以及后期構(gòu)造的不斷疊加及巖漿侵入，因此在基底的線形褶皺上復(fù)合了各種形態(tài)的晚期褶皺和斷裂，使其發(fā)生重褶和明顯錯(cuò)位，造成構(gòu)造特征的進(jìn)一步復(fù)雜化[1]。

密云區(qū)區(qū)域內(nèi)地層按由老到新主要分為：太古界(Ar)、元古界(Pt)、中生界侏羅系(J)及第四系(Q)，古構(gòu)造控制了區(qū)內(nèi)的地層的整體分布，其中赤城—長哨營─古北口東西向深大斷裂南側(cè)主要為太古界變質(zhì)巖；該斷裂以南主要廣泛分布有中、上元古界(Pt)長城系、薊縣系巖土體；密云縣城北部山前地區(qū)零星出露下古生界寒武系巖土體；密云區(qū)北部山前地區(qū)零星出露下古生界寒武系巖土體；密云區(qū)東北部新城子地區(qū)主要分布有中生界侏羅系(J)火山巖；第四系(Q)則遍布于全區(qū)，為殘坡積，沖洪積等松散堆積物[2]。

北京市密云區(qū)山區(qū)地下水的補(bǔ)給主要受大氣降水與地表水滲流等因素影響，在平原區(qū)，密云水庫的側(cè)向補(bǔ)給也是影響地表水補(bǔ)給的一個(gè)重要因素；地下水的排泄主要為向地表徑流、人工開采以及泉水口溢出等。密云北部山區(qū)地表水一般沿河道徑流匯入密云水庫，南部經(jīng)由地表溪河匯入潮白河水域。

密云區(qū)林木資源豐富，全區(qū)森林覆蓋率達(dá)64.31%，林木綠化率72.84%，林木生態(tài)覆蓋率達(dá)82.34%，區(qū)內(nèi)分布有著名的云蒙山國家森林公園。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，礦產(chǎn)開發(fā)，旅游開發(fā)及公共基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等需求不斷擴(kuò)大，但在不能科學(xué)合理做好地質(zhì)災(zāi)害防治工作的前提下，這些開山筑路、壘壩造田及不合理的旅游景點(diǎn)建設(shè)等其他人類活動(dòng)，都可能誘發(fā)或加劇地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。

2 泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)因子的選取

進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)時(shí)，危險(xiǎn)性的大小通常用計(jì)算危險(xiǎn)度得來的數(shù)值表示，取值一般在0～1之間，它表示單溝泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率大小。同時(shí)，研究泥石流災(zāi)害的危險(xiǎn)性，主要從泥石流災(zāi)害發(fā)生的影響因素著手，包括泥石流形成的自身因素(溝長、流域面積等)和外界因素(植被、降雨等)以及歷史泥石流發(fā)生頻率等多方面綜合考量。項(xiàng)目通過對(duì)地區(qū)資料的搜集和對(duì)密云區(qū)整體泥石流溝內(nèi)外因素的定量調(diào)查，分別從地質(zhì)、地形、激發(fā)因素和植被四個(gè)方面選擇7個(gè)評(píng)價(jià)因子：松散堆積物儲(chǔ)量(B1)、流域面積(B2)、主溝長度(B3)、流域相對(duì)高差(B4)、山坡平均坡度(B5)、降水量(B6)、植被覆蓋率(B7)作為密云區(qū)泥石流評(píng)價(jià)的主要依據(jù)(注：Bi為各評(píng)價(jià)因子的代號(hào))。

2.2 評(píng)價(jià)因子的權(quán)重

以2017年北京市地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，選擇歷史上發(fā)生過泥石流的90條溝谷作為樣本數(shù)據(jù)采用灰色系統(tǒng)關(guān)聯(lián)度方法來計(jì)算評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)。

灰色關(guān)聯(lián)度模型是研究泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)常用的數(shù)值模型之一，它通過計(jì)算關(guān)聯(lián)度系數(shù)來表示各影響因子對(duì)泥石流的致災(zāi)作用。該方法主要以分析泥石流災(zāi)害發(fā)生的概率與評(píng)價(jià)因子之間的關(guān)系為主，認(rèn)為如果兩個(gè)評(píng)價(jià)因子具有相似的變化趨勢，則表示兩者之間具有較大的關(guān)聯(lián)度；相反，其關(guān)聯(lián)度較小。由此，灰色關(guān)聯(lián)度法對(duì)泥石流災(zāi)害發(fā)育的影響因子量化提供了數(shù)值途徑。對(duì)于基于灰色關(guān)聯(lián)度法的密云區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)數(shù)值模型建立，應(yīng)有以下步驟：

1)對(duì)七個(gè)評(píng)價(jià)因子做均值化處理，消除單位差異影響(見表1)。

表1 評(píng)價(jià)因子均一化

2)求比較因子(各評(píng)價(jià)因素)與參考因子(歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)發(fā)生的密度)之間的絕對(duì)差(見表2)。

表2 評(píng)價(jià)因子與泥石流災(zāi)害點(diǎn)密度的絕對(duì)差數(shù)列

3)求最大值和最小值。

4)求Xi(k)與X0(k)的關(guān)聯(lián)系數(shù)(見表3)。

其中,k為評(píng)價(jià)因子；i為泥石流災(zāi)害；ri(j)為關(guān)聯(lián)系數(shù)；ξ為分辨系數(shù)，其值大小與分辨率成反比，取值[0,1],通常取1/2。

表3 灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)

5)灰色關(guān)聯(lián)度。

通過以上關(guān)聯(lián)度分析，得到各評(píng)價(jià)因子之間的關(guān)聯(lián)度數(shù)值，由此確定了灰色關(guān)聯(lián)序并進(jìn)行了歸一化處理，最終得到了各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)，如表4所示?？梢钥闯?，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度方法構(gòu)建的泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型中松散物儲(chǔ)量(B1)影響權(quán)重最大，約為36.2%，流域面積(B2)、主溝長度(B3)、流域相對(duì)高差(B4)三個(gè)致災(zāi)因子對(duì)泥石流敏感性影響較大且接近15%，山坡平均坡度(B5)、降水量(B6)次之，植被覆蓋率(B7)對(duì)泥石流災(zāi)害敏感性較低。由于各危險(xiǎn)因子的取值范圍變幅很大，考慮到極大和極小所占比例較少這一事實(shí)，采用對(duì)稱不等分間隔的三級(jí)分割法來劃分各因子的等級(jí)，結(jié)合該因子權(quán)重賦予各等級(jí)得分事實(shí)，根據(jù)兩頭少中間多這一特點(diǎn)，在北京市泥石流溝精細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，參考已有規(guī)范(見表5)，最后匯總各評(píng)價(jià)因子得分，得出單溝危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)得分。對(duì)照表5所示的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各泥石流溝進(jìn)行危險(xiǎn)程度等級(jí)評(píng)定(見表6)。

表4 評(píng)價(jià)因子的灰色關(guān)聯(lián)度及權(quán)重

表5 泥石流危險(xiǎn)因素取值與危險(xiǎn)程度評(píng)定表

表6 危險(xiǎn)程度等級(jí)評(píng)定表

3 密云區(qū)泥石流溝危險(xiǎn)程度評(píng)定

本文對(duì)研究區(qū)泥石流溝域完成了1∶10 000專項(xiàng)地質(zhì)災(zāi)害地表調(diào)查，總面積為487.96 km2，包括的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有：溪翁莊鎮(zhèn)、西田各莊鎮(zhèn)、巨各莊鎮(zhèn)、太師屯鎮(zhèn)、高嶺鎮(zhèn)、不老屯鎮(zhèn)、馮家峪鎮(zhèn)、古北口鎮(zhèn)、大城子鎮(zhèn)、北莊鎮(zhèn)、新城子鎮(zhèn)、石城鎮(zhèn)。在ArcGIS圖層中，對(duì)照遙感影像，完成對(duì)評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)化提取與解譯，最后對(duì)應(yīng)危險(xiǎn)程度評(píng)定表進(jìn)行打分，結(jié)論顯示，密云區(qū)泥溝危險(xiǎn)度評(píng)分幾乎集中在0.5～0.8之間，說明該區(qū)泥石流整體危險(xiǎn)度中等偏上，在泥石流災(zāi)害預(yù)防與治理方面應(yīng)引起足夠重視。對(duì)已有的244條單溝危險(xiǎn)度級(jí)別進(jìn)行計(jì)算，得出高危險(xiǎn)21條，中危險(xiǎn)36條，低危險(xiǎn)187條，各級(jí)別占比見圖3，從中可以看出，密云區(qū)泥石流溝大部分均為低危險(xiǎn)溝，中、高危險(xiǎn)溝總共占比在1/5左右，而將密云區(qū)泥石流溝危險(xiǎn)性整體展布于密云行政區(qū)域圖中，其結(jié)果如圖4所示，與現(xiàn)場調(diào)查得出的結(jié)論吻合度較高，由此推斷密云區(qū)泥石流溝危險(xiǎn)度較高的區(qū)域集中在馮家峪鎮(zhèn)、不老屯鎮(zhèn)與大城子鎮(zhèn)，且呈相對(duì)密集狀態(tài)，相關(guān)單位對(duì)后期相關(guān)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、預(yù)防工作等進(jìn)行差異化布置。

4 結(jié)論與建議

由灰色關(guān)聯(lián)度模型計(jì)算的密云區(qū)泥石流溝危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)可以得出，該區(qū)域低危險(xiǎn)性溝占77%，中危險(xiǎn)性溝占15%，高危險(xiǎn)性溝占8%。從密云區(qū)泥石流危險(xiǎn)度整體分布上來看，該區(qū)域西北部與東南部出現(xiàn)高危險(xiǎn)性泥石流溝的概率較大，主要原因是這些區(qū)域地質(zhì)因素、降雨因素以及地形地貌等因素相對(duì)利于泥石流的發(fā)育，在后期災(zāi)害點(diǎn)的防治措施上可對(duì)照該區(qū)域危險(xiǎn)度分布規(guī)律結(jié)合當(dāng)?shù)貫?zāi)害的自然屬性進(jìn)行有針對(duì)性的部署，能提高工作效率。