我國(guó)堰塞湖致因分析及災(zāi)害鏈構(gòu)建研究*

宋英華,呂貝貝,呂 偉

(1.武漢理工大學(xué) 中國(guó)應(yīng)急管理研究中心，湖北 武漢 430070；2.武漢理工大學(xué) 安全科學(xué)與應(yīng)急管理學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

近年，受地震、滑坡等因素影響,在我國(guó)四川、貴州、云南、西藏等地形成堰塞湖，堰塞湖災(zāi)害事件頻發(fā)，嚴(yán)重威脅上、下游居民生命及財(cái)產(chǎn)安全。堰塞湖形成具有明顯突發(fā)性與不可預(yù)測(cè)性，探究堰塞湖形成因素，揭示其災(zāi)害鏈系統(tǒng)變化規(guī)律，可為堰塞湖防治提供理論依據(jù)，對(duì)全面提升我國(guó)自然災(zāi)害綜合防御能力具有重要意義。

目前，堰塞湖致因機(jī)理研究主要集中于以下4個(gè)方面：1)通過(guò)分析堰塞湖所處區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[1-7]，從地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件等方面研究堰塞湖形成條件及成災(zāi)機(jī)理。2)基于地質(zhì)環(huán)境分析，研究壩體結(jié)構(gòu)特征及物質(zhì)組成[8-10]，對(duì)堰塞湖形成機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究。3)通過(guò)研究滑坡、崩塌、泥石流特征等，分析堰塞湖成因機(jī)制[11-14]。4)針對(duì)巖層結(jié)構(gòu)、降雨、地震等堰塞湖形成關(guān)鍵因素，分析其成災(zāi)機(jī)理[15-17]。此外，部分學(xué)者認(rèn)為堰塞湖形成內(nèi)因?yàn)槎陆孛矖l件，外因?yàn)橛|發(fā)河谷斜坡發(fā)生滑坡或崩塌[18]。目前，對(duì)我國(guó)整體區(qū)域內(nèi)堰塞湖致因分析研究比較匱乏。

本文以48例堰塞湖為研究對(duì)象，基于災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚摷把呷?shù)據(jù)集，構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型，確定災(zāi)害鏈系統(tǒng)主要斷鏈環(huán)節(jié)。研究結(jié)果可為我國(guó)堰塞湖災(zāi)害防治提供依據(jù)。

1 堰塞湖形成致因因素

不同地區(qū)堰塞湖形成致因因素不同。通過(guò)調(diào)研，搜集2000—2020年我國(guó)發(fā)生48例堰塞湖事件，得到堰塞湖災(zāi)害事件數(shù)據(jù)集[19-20]，見(jiàn)表1。

表1 2000—2020年我國(guó)堰塞湖災(zāi)害事件數(shù)據(jù)集Table 1 Data sets of dammed lake disasters in China from 2000 to 2020

堰塞湖形成致因因素可分為滑坡型堰塞湖、崩塌型堰塞湖、泥石流型堰塞湖及雨水填溝型堰塞湖4類[21]。堰塞湖類型見(jiàn)表2。

表2 堰塞湖類型Table 2 Types of dammed lakes

根據(jù)堰塞湖形成致因因素與類型，得到不同類型堰塞湖形成致因因素占比，如圖1所示。由圖1可知，持續(xù)降雨是各類堰塞湖形成主要致因；冰雪融水及地下水入滲、地震、長(zhǎng)期重力演化作用均可觸發(fā)滑坡型堰塞湖形成；雨水填溝型堰塞湖僅受持續(xù)降雨因素影響；崩塌型堰塞湖受多種因素影響；泥石流型堰塞湖主要受持續(xù)降雨及冰川活動(dòng)因素影響。

圖1 不同類型堰塞湖形成觸發(fā)因素占比Fig.1 Proportions of triggering factors for formation of dammed lakes with different types

堰塞湖是在特定地貌條件下，由地震、降雨、施工擾動(dòng)、地下水入滲等1個(gè)或多個(gè)因素共同作用形成的不穩(wěn)定湖泊。由圖1可知，持續(xù)降雨是堰塞湖形成主要致因，為研究我國(guó)堰塞湖形成水文條件，參考《中國(guó)自然地理圖集》[22]中國(guó)水文區(qū)劃圖，統(tǒng)計(jì)48例堰塞湖發(fā)生地水文分區(qū)情況。中國(guó)水文區(qū)劃圖以徑流深、不同時(shí)段徑流量占年徑流量百分比為分區(qū)指標(biāo)，將我國(guó)水文生態(tài)環(huán)境分為11個(gè)一級(jí)區(qū)。由堰塞湖類型可知，特定地貌是堰塞湖形成必要條件。根據(jù)中國(guó)地貌類型圖，統(tǒng)計(jì)48例堰塞湖發(fā)生地的地貌類型及地貌成因類型，將中國(guó)地貌分為平原、高原和臺(tái)地、丘陵、山地4種，并根據(jù)地貌類型成因作進(jìn)一步分類。48例堰塞湖發(fā)生地的地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型見(jiàn)表3。

表3 堰塞湖地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型Table 3 Types of geomorphology,geomophogensis and hydrological regionalization of dammed lakes

堰塞湖形成地貌及地貌成因占比如圖2所示。由圖2可知，約70%堰塞湖在山地地貌下形成，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間侵蝕作用為堰塞湖形成創(chuàng)造良好地質(zhì)條件。部分堰塞湖發(fā)生在丘陵地帶，其次為高原和臺(tái)地、平原。其中，侵蝕山地為堰塞湖高發(fā)地，其次為冰川、冰緣作用山地和巖溶化山地；丘陵地貌中侵蝕的紅層丘陵是堰塞湖高發(fā)地。

圖2 堰塞湖形成地貌類型及地貌成因占比Fig.2 Proportions of geomorphology types and geomophogensis for formation of dammed lakes

數(shù)據(jù)顯示，降雨因素形成堰塞湖，占致因因素總量73%。根據(jù)《中國(guó)水文區(qū)劃圖》劃分方式，結(jié)合圖3可知，我國(guó)西南亞熱帶、熱帶多水區(qū)、青藏高原東部和西南部溫帶平水區(qū)和秦巴、大別山北亞熱帶多水區(qū)為堰塞湖高發(fā)地，該類地區(qū)多為熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)。

圖3 堰塞湖形成地的水文區(qū)域占地貌類型的比例Fig.3 Proportions of hydrological area to geomorphology types in formation areas of dammed lakes

2 堰塞湖災(zāi)害鏈演化過(guò)程分析

災(zāi)害鏈?zhǔn)墙隇?zāi)害學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，學(xué)者將災(zāi)害鏈應(yīng)用于不同研究領(lǐng)域，如城市燃?xì)夤芫€泄漏、城鎮(zhèn)-森林火災(zāi)、軌道交通樞紐[23-25]等，在災(zāi)害預(yù)警預(yù)測(cè)、過(guò)程分析及災(zāi)害防治方面起重要作用。

本文通過(guò)探究堰塞湖形成過(guò)程，并基于災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚揫26]，分析堰塞湖災(zāi)害鏈演化過(guò)程。災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚搶⒆匀粸?zāi)害抽象為具有載體的共性反應(yīng)特征，描述單一或多災(zāi)種的形成、滲透、干涉、轉(zhuǎn)化、分解、合成等相關(guān)物化信息過(guò)程，直至災(zāi)害發(fā)生給人類社會(huì)造成損失和破壞等各種鏈鎖關(guān)系總稱。

自然災(zāi)害演變過(guò)程一般分為災(zāi)害孕育期、災(zāi)害成形期、災(zāi)害迸發(fā)期3個(gè)階段，階段演化過(guò)程也是災(zāi)害能量聚集過(guò)程，即災(zāi)害孕育、成形、迸發(fā)過(guò)程是各種因素與條件綜合作用下能量聚集過(guò)程。自然災(zāi)害鏈演化過(guò)程如圖4所示。

圖4 自然災(zāi)害鏈演化過(guò)程Fig.4 Evolution process of natural disaster chain

3 堰塞湖災(zāi)害鏈構(gòu)建

3.1 堰塞湖災(zāi)害鏈網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

從成災(zāi)條件方面考慮，堰塞湖形成需具備充足外部條件，如地貌類型、降雨、地震、人類活動(dòng)等；從堰塞湖成災(zāi)機(jī)理方面考慮，災(zāi)害孕育期、災(zāi)害成形期、災(zāi)害迸發(fā)期整個(gè)過(guò)程即災(zāi)害能量聚集過(guò)程。本文基于災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚?，參考不同類型堰塞湖成因機(jī)理，從災(zāi)害孕育期、成形期、迸發(fā)期3個(gè)階段分析堰塞湖災(zāi)害鏈演化過(guò)程，構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示。

圖5 堰塞湖災(zāi)害鏈演化模型Fig.5 Evolution model of dammed lake disaster chain

本文基于堰塞湖災(zāi)害鏈演化模型，對(duì)48個(gè)堰塞湖案例演化過(guò)程進(jìn)行分析，考慮堰塞湖從生成到消亡全過(guò)程，忽略堰塞湖災(zāi)害后果，基于Gephi軟件構(gòu)建堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型，如圖6所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)見(jiàn)表4。

表4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)編號(hào)Table 4 Number of network nodes

注：網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)越大、顏色越深，表示節(jié)點(diǎn)度值越大；邊的粗細(xì)表示邊的權(quán)重大小，邊越粗表示邊的權(quán)重值越大。圖6 堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型Fig.6 Evolution network model of dammed lake disaster chain

3.2 堰塞湖災(zāi)害鏈關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分析

基于Gephi軟件計(jì)算結(jié)果，得到我國(guó)堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)入度、出度、中心度、接近中心度、中介中心度和特征向量中心度等特征參數(shù)，見(jiàn)表5。

節(jié)點(diǎn)入度指進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)邊的條數(shù)，由表5可知，入度較大節(jié)點(diǎn)包括山地、堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、丘陵，表示作用于節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多；節(jié)點(diǎn)出度指從該節(jié)點(diǎn)出發(fā)邊的條數(shù)，出度較大節(jié)點(diǎn)包括山地、持續(xù)降雨、堰塞湖、丘陵、高原和臺(tái)地，表示由節(jié)點(diǎn)引發(fā)的節(jié)點(diǎn)事件較多；節(jié)點(diǎn)中心度指與該節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)邊的條數(shù)，中心度較大節(jié)點(diǎn)包括山地、堰塞湖、丘陵、滑坡、持續(xù)降雨，表示節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中比較重要；接近中心度指某節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)最短路徑平均長(zhǎng)度，表示某節(jié)點(diǎn)與其它節(jié)點(diǎn)相鄰程度，接近中心度較大節(jié)點(diǎn)包括堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、山地，表明該節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)中心位置；中介中心度指某節(jié)點(diǎn)作為另外2個(gè)節(jié)點(diǎn)間最短橋梁次數(shù)，中介中心度較大節(jié)點(diǎn)包括堰塞湖、山地、滑坡、丘陵、凹坑、泥石流，表示該節(jié)點(diǎn)對(duì)其他節(jié)點(diǎn)依賴性較強(qiáng)；特征向量中心度認(rèn)為1個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要性既取決于其相鄰節(jié)點(diǎn)數(shù)量，也取決于每個(gè)相鄰節(jié)點(diǎn)重要性，特征向量中心度較大節(jié)點(diǎn)包含堰塞湖、上游洄水、自然潰決、人工泄流，表示該節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中影響力較大，風(fēng)險(xiǎn)較高。因此，山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖4個(gè)節(jié)點(diǎn)是災(zāi)害鏈中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

表5 我國(guó)堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)特征表Table 5 Node characteristics of disaster chain evolution network of dammed lakes in China

3.3 堰塞湖災(zāi)害鏈關(guān)鍵邊分析

邊表示節(jié)點(diǎn)間演化關(guān)系，本文依據(jù)48個(gè)堰塞湖災(zāi)害鏈演化過(guò)程，分析我國(guó)堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵邊。以48個(gè)堰塞湖災(zāi)害鏈中各邊出現(xiàn)次數(shù)為權(quán)重，進(jìn)行歸一化處理，得到堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)30條邊的權(quán)重值，見(jiàn)表6。

由表6可知，持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為網(wǎng)絡(luò)中最重要的邊。因此，持續(xù)降雨作用于山地等特定地貌，發(fā)生滑坡形成堰塞湖，是我國(guó)堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)模型中非常重要的1條災(zāi)害鏈。

表6 堰塞湖災(zāi)害鏈演化網(wǎng)絡(luò)邊的權(quán)重值Table 6 Weights of evolution network edges of dammed lake disaster chain

3.4 斷鏈減災(zāi)措施

堰塞湖斷鏈減災(zāi)關(guān)鍵在于從源頭控制堰塞湖形成。堰塞湖形成主要致因?yàn)槌掷m(xù)降雨和特定地質(zhì)環(huán)境。因此，控制堰塞湖形成及堰塞湖災(zāi)害造成的損失，需加大特定地區(qū)雨量監(jiān)測(cè)與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)力度。切斷災(zāi)害演化過(guò)程中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和邊，避免次生災(zāi)害發(fā)生是堰塞湖災(zāi)害斷鏈減災(zāi)關(guān)鍵。堰塞湖災(zāi)害鏈演化過(guò)程中山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為關(guān)鍵邊，以上均可作為斷鏈最佳位置。為避免持續(xù)降雨情況下山地、丘陵地帶發(fā)生滑坡形成堰塞湖，可加大我國(guó)熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)山地與丘陵地帶侵蝕地貌地區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)與降雨監(jiān)測(cè)強(qiáng)度，建立監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制；對(duì)于無(wú)法避免形成的堰塞湖，可提前轉(zhuǎn)移當(dāng)?shù)鼐用?，以減少生命財(cái)產(chǎn)損失。

4 結(jié)論

1)基于災(zāi)害鏈思想及災(zāi)害鏈?zhǔn)嚼碚摚瑥脑杏?、成形期、迸發(fā)期3個(gè)階段對(duì)我國(guó)堰塞湖形成致因因素進(jìn)行分析，突破以往僅考慮單一區(qū)域或堰塞湖致因機(jī)理研究。

2)通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，影響較大的節(jié)點(diǎn)與權(quán)重較大的邊具有較強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，在該節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步演化為災(zāi)害鏈之前，進(jìn)行針對(duì)性預(yù)防或控制，可有效減少堰塞湖災(zāi)害損失。

3)堰塞湖形成主要由持續(xù)降雨引發(fā)，屬于不可控因素，因此，做好山地豐雨區(qū)等特定地區(qū)滑坡、崩塌災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警工作十分重要。