基于可拓灰色模型的臺風(fēng)暴雨型泥石流易發(fā)性評價

胡富杭　熊朝正　石豫川　吉鋒

摘要：2019年8月10日，受臺風(fēng)“利奇馬”登陸影響，安徽寧國抽水蓄能電站匯水區(qū)域內(nèi)6條臺風(fēng)暴雨型泥石流暴發(fā)，對工程建筑設(shè)施及居民生命財產(chǎn)造成了巨大損害。臺風(fēng)暴雨型泥石流的易發(fā)性研究目前尚處于起步階段，在對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查的基礎(chǔ)上，總結(jié)了臺風(fēng)暴雨型泥石流特征，將可拓理論與灰色關(guān)聯(lián)度法相結(jié)合，采用定量的方式對區(qū)內(nèi)泥石流進行易發(fā)性評價，并將評價結(jié)果與規(guī)范推薦的評分法和三要素法進行對比分析。研究結(jié)果表明：臺風(fēng)暴雨型泥石流具有超強短歷時降雨啟動、低頻性、群發(fā)性的特征;在可拓灰色關(guān)聯(lián)法的易發(fā)性評價結(jié)果中僅虹龍河為中等易發(fā)，其余溝谷均為輕度易發(fā);對比發(fā)現(xiàn)，在小流域面積泥石流溝的評價結(jié)果中，3種方法一致性較高，當(dāng)流域面積增大時，規(guī)范推薦的方法出現(xiàn)偏高和偏低，而可拓灰色關(guān)聯(lián)法的易發(fā)性評價結(jié)果更加穩(wěn)定可靠，與實際調(diào)查情況更吻合，進而為臺風(fēng)暴雨型泥石流的易發(fā)性研究提供了一種新的思路。

關(guān)鍵詞：臺風(fēng)暴雨型泥石流; 泥石流易發(fā)性評價; 可拓理論; 灰色關(guān)聯(lián)度法; 安徽寧國抽水蓄能電站

中圖法分類號： P642.23

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.005

0引 言

泥石流是一種暴發(fā)突然，運動迅速，影響范圍廣，破壞性強，具有多次致災(zāi)能力的山地地質(zhì)災(zāi)害。其常發(fā)育于地形變化大，物源儲量豐富的狹窄溝谷，在持續(xù)性降雨或突發(fā)型暴雨的作用下啟動，沿途不斷侵蝕并裹挾溝道物質(zhì)，對溝道及溝口所在區(qū)域內(nèi)的工程建筑及居民生命財產(chǎn)安全造成巨大威脅。泥石流的易發(fā)性研究是泥石流危險性評價的前提，也是區(qū)域泥石流預(yù)警預(yù)報和防治的基礎(chǔ)。20世紀70年代后，泥石流易發(fā)性研究逐步發(fā)展完善，從定性評價開始向半定量評價、定量評價發(fā)展[1]。目前采用的方法有層次分析法、多因子綜合評判模型[2]、信息量權(quán)數(shù)法、機器學(xué)習(xí)算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]、貝葉斯模型、灰色關(guān)聯(lián)分析法、可拓學(xué)理論等。田運濤[1]等在對白龍江泥灣溝泥石流地質(zhì)調(diào)查及動力學(xué)特征計算的基礎(chǔ)上選取了18個評價因子，應(yīng)用層次分析法評價了該泥石流為高易發(fā)性。王金亮等[4]應(yīng)用雅魯藏布江冰川泥石流實例介紹了主成分分析理論的概念和方法，并評價了該方法的實用性。Xu等[5]結(jié)合GIS技術(shù)和信息量方法，選取了7個環(huán)境因子作為信息量模型對四川省泥石流易發(fā)性的帶狀分布特征進行了深入研究。王念秦等[6]以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，結(jié)合泥石流易發(fā)性特點，建立了多級模糊綜合評價模型，并應(yīng)用于西安市大水溝泥石流易發(fā)性評價中。Gómez等[7]以委內(nèi)瑞拉安地斯山脈雅蓬諾薩河流域為例，介紹了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中的應(yīng)用，結(jié)果表明其評價精度高達90%。此外，許多學(xué)者在研究過程中還將多種方法結(jié)合，取得了不少研究成果[8-9]。葛濤濤[10]結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，GIS和機器學(xué)習(xí)算法，對西藏日喀則地區(qū)泥石流易發(fā)性進行了深入研究，并總結(jié)出其中起主要影響作用的環(huán)境因子。蔡健玲[10]采用貝葉斯模型對滇西北區(qū)域泥石流易發(fā)性空間分布進行了評價，同時結(jié)合全因子及區(qū)域特色logistic回歸模型進行對比，表明了貝葉斯模型在大尺度范圍泥石流評價中的重要作用。崔傳峰、金星等[12-13]在可拓學(xué)理論基礎(chǔ)上利用灰色關(guān)聯(lián)分析法獲取評價因子權(quán)重，建立了一種新的泥石流災(zāi)害評價模型，并應(yīng)用于多條泥石流溝災(zāi)害評價，結(jié)果表明該方法具有很高的適用性。

中國地勢總體上西高東低，據(jù)統(tǒng)計，傳統(tǒng)的泥石流災(zāi)害多分布在中國地形陡峭、植被貧瘠的西北、西南地區(qū)，經(jīng)過多年的科學(xué)研究和工程經(jīng)驗積累，已形成了相當(dāng)成熟的易發(fā)性評價體系。近年來，隨著東部地區(qū)臺風(fēng)登陸愈加頻繁，由臺風(fēng)暴雨引發(fā)的臺風(fēng)暴雨型泥石流越來越成為東部地質(zhì)災(zāi)害防治的重點。王一鳴[14]等結(jié)合臺風(fēng)暴雨特點，以浙江省溫州市為主要研究區(qū)域，深入研究了臺風(fēng)暴雨型泥石流啟動機制及單溝危險度，并提出了此類特殊泥石流的風(fēng)險評價方法。Chen [15]、甘建軍[16]等通過野外調(diào)查和室內(nèi)實驗，對臺風(fēng)暴雨型泥石流的形成條件和致災(zāi)模式進行了深入研究，總結(jié)了該類泥石流的災(zāi)害連鎖效應(yīng)、低頻性、群發(fā)性等特點。

但是，在東部地區(qū)，地形較為平緩，因其靠近大海，空氣常年濕潤，利于植被的生長發(fā)育，泥石流溝谷普遍具有較小的縱比降和較大的植被覆蓋率，按傳統(tǒng)泥石流的易發(fā)性評價方法及工程經(jīng)驗常認為其難以爆發(fā)泥石流，考察因素不夠全面，忽略了在臺風(fēng)暴雨這種極端天氣條件下爆發(fā)的可能性，難以做到有效的預(yù)防。因此，針對東部地區(qū)，為了準確科學(xué)地進行臺風(fēng)暴雨型泥石流易發(fā)性評價，需要建立一種考慮多方面因素，且要將各因素進行量化的泥石流易發(fā)性評價方法。本文在總結(jié)臺風(fēng)暴雨型泥石流特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程實例，建立了可拓灰色關(guān)聯(lián)模型進行臺風(fēng)暴雨型泥石流易發(fā)性評價。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)為影響擬建安徽寧國抽水蓄能電站的整個匯水區(qū)域（見圖1（a）），位于安徽省宣城市寧國市境內(nèi)。2019年9號超強臺風(fēng)“利奇馬”于8月10日在浙江溫嶺市登陸，受其影響，研究區(qū)當(dāng)日降雨量高達285～306 mm，共導(dǎo)致區(qū)內(nèi)多條溝谷暴發(fā)泥石流，不僅對擬建電站工程場地造成嚴重破壞，還對當(dāng)?shù)鼐用竦纳敭a(chǎn)造成了巨大損害。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及遙感解譯，暴發(fā)的泥石流溝主要為虹龍河、青龍溝、羅漢塘溝、大石里溝、記陽坑溝、大河壩溝，分布如圖1（a）所示。

研究區(qū)處于天目山山脈的中段西北坡，上水庫區(qū)正常蓄水位高程633 m，位于青龍山凹地，青龍溝是庫內(nèi)主溝，庫區(qū)平坦寬闊，庫周分水嶺封閉較好，山脊走向呈NE～NNE向展布，地形較為陡峭。下水庫區(qū)位于虹龍河圣龍寺村河段，正常蓄水位208 m，庫區(qū)河道蜿蜒狹窄，斷面呈“V”字型，植被茂密，庫周山坡坡度一般30°～45°，局部見陡崖、陡坎。下水庫主要受虹龍河、大石里溝、羅漢塘溝和記陽坑溝影響。

區(qū)內(nèi)地層巖性主要為雷公塢組（Z1l）含礫凝灰?guī)r，藍田組（Z2l）薄層硅質(zhì)泥巖、白云質(zhì)灰?guī)r，皮園村組（Z2p）硅質(zhì)泥巖、炭質(zhì)硅質(zhì)巖。第四系堆積體在溝道兩側(cè)廣泛分布，結(jié)構(gòu)較為松散，是泥石流暴發(fā)的物質(zhì)基礎(chǔ)。研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，年平均降水量為1 455.9 mm。區(qū)內(nèi)水流主要以降雨的形式補給，以地表水的形式向虹龍河排泄。

在這次9號臺風(fēng)“利奇馬”影響下，研究區(qū)所處霞西鎮(zhèn)日降雨量高達285 mm，如圖2所示。據(jù)目擊者描述，16：00左右（約臺風(fēng)登陸14 h）虹龍河水位暴漲，在半小時內(nèi)泥石流暴發(fā)，沖毀多處居民住房，掩埋工程施工設(shè)備。虹龍河和青龍溝是此次暴發(fā)最為嚴重的泥石流溝，虹龍河因其溝道長，整體縱比降小，泥流堆積物呈現(xiàn)出多段堆積特征，主要集中在汪家園及塔里附近停留堆積（見圖1（b）和圖1（c））。青龍溝泥石流堆積體主要集中在較為寬闊的上水庫庫區(qū)，整體粒徑較小，僅少量塊石粒徑大于30 cm，據(jù)計算堆積物方量約2.49萬m3（見圖1（d））。

對研究區(qū)內(nèi)6條臺風(fēng)暴雨型泥石流進行分析后，總結(jié)出以下特征：

（1） 在超強短歷時降雨下啟動。根據(jù)降雨數(shù)據(jù)（見圖2），研究區(qū)的小時降雨量在臺風(fēng)登陸后14.25 h達到極值46 mm，是前一記錄點的4.6倍，超強短歷時降雨特征十分突出。根據(jù)目擊者描述的泥石流啟動暴發(fā)時段在16：00左右，與超強短歷時降雨出現(xiàn)的時段高度吻合。

（2） 暴發(fā)頻率低。一般受臺風(fēng)影響嚴重的東部沿海地區(qū)地形變化相對較小，而且常年濕潤的氣候使得山區(qū)植被覆蓋率極高，在一般條件下難以暴發(fā)大規(guī)模泥石流。據(jù)訪問，研究區(qū)內(nèi)溝谷雖然常年流水，但百年以來從未暴發(fā)具有破壞性的泥石流。

（3） 集群式暴發(fā)。據(jù)記載，2004年14號臺風(fēng)“云娜”造成浙江省樂清市北部山區(qū)41處泥石流集中暴發(fā)，“莫蘭蒂”造成泰順縣泗溪鎮(zhèn)22處泥石流集中暴發(fā)[14]。在本次臺風(fēng)“利奇馬”作用下，面積僅16.86 km2的研究區(qū)內(nèi)共暴發(fā)6條主要泥石流溝，同樣具有顯著的集群式暴發(fā)特點。

2可拓灰色關(guān)聯(lián)模型的構(gòu)建

1983年蔡文教授創(chuàng)立了可拓學(xué)，將事件、事件特征、特征量值通過建立物元的方式進行有機結(jié)合，把事物的質(zhì)和量進行綜合考慮，用關(guān)聯(lián)度的大小將特征性質(zhì)與研究對象的從屬關(guān)系進行定量描述，針對問題本身來解決矛盾，是一種新的人工智能工具。根據(jù)前人研究成果，可拓理論能很好地應(yīng)用于泥石流易發(fā)性評價。

3結(jié)果分析

3.1評價因子選擇及等級劃分

泥石流的暴發(fā)是多種影響因子共同耦合作用的結(jié)果，在不同地質(zhì)條件下影響因子的作用機理差異巨大。然而在各種客觀因素的限制下，難以將所有影響因子都納入泥石流易發(fā)性及危險性評價中加以考慮。因此，需要根據(jù)研究區(qū)泥石流溝實際情況選擇具有代表性和明確物理意義的參評因子，這些因子不僅要易于獲得，能做數(shù)值化處理，而且要相互獨立。

在泥石流的發(fā)育中，山體坡度越大，邊坡物源越不穩(wěn)定，更易為泥石流提供固體物質(zhì)，同時也更利于匯流的快速產(chǎn)生。主溝長度與補給段長度占比表明了泥石流溝的物源儲量情況，即主溝越長，補給段占比越大，則泥石流物源儲量越豐富。主溝長度與主溝高差決定了溝床縱比降，縱比降的增加會促使固體物質(zhì)的動勢能轉(zhuǎn)換，利于泥石流的啟動發(fā)生。降雨量及溝谷流域面積控制著影響泥石流發(fā)生的水源條件，降雨量和流域面積的增加均會加大溝床徑流強度，使泥石流在強大的水動力條件下更易啟動，此外邊坡松散物源的穩(wěn)定性還會隨著降雨量的增加顯著降低，利于產(chǎn)生滑坡為泥石流提供固體物質(zhì)。溝谷兩岸生長的植被能消減降雨沖擊和坡表徑流對表層土體的破壞作用，同時通過根系的生長不斷加固邊坡表層土體，因此較高的植被覆蓋率能有效減小泥石流的易發(fā)性。

對研究區(qū)內(nèi)在臺風(fēng)期間暴發(fā)的6條泥石流溝的實測數(shù)據(jù)及遙感解譯數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如表1所列。其中，在這次“利奇馬”臺風(fēng)影響下，根據(jù)研究區(qū)降雨統(tǒng)計數(shù)據(jù)，24 h降雨量為285 mm，為評價區(qū)內(nèi)泥石流溝在臺風(fēng)暴雨影響下的易發(fā)性，對24 h最大降雨量c6均取值為285 mm。參照前人根據(jù)多年工程經(jīng)驗建立的易發(fā)性分級標準[12，17，22]，同時結(jié)合研究區(qū)實際調(diào)查情況及研究特性，將7個評價因子及易發(fā)性按照《泥石流災(zāi)害防治工程勘查規(guī)范》中的定名分為不易發(fā)生（N1），輕度易發(fā)（N2），中度易發(fā)（N3），極度易發(fā)（N4）4個等級，如表2所列。

3.2灰色關(guān)聯(lián)度法確定評價因子的權(quán)重

在泥石流災(zāi)害的易發(fā)性評價中，選取的各評價因子對泥石流易發(fā)性的貢獻程度是不一樣的[13]，即各因子所占權(quán)重不等，單以關(guān)聯(lián)函數(shù)來衡量易發(fā)性不夠準確，因此對參評因子權(quán)重的確定是關(guān)乎評價結(jié)果準確與否的另一核心問題。

目前對權(quán)重的計算多采用經(jīng)驗法[12]、簡單關(guān)聯(lián)函數(shù)法、專家評價法[19]、模糊綜合評價法[20-22]、灰色關(guān)聯(lián)度法等。為避免評價過程中主觀性的影響，通過比較，本文選用適用性強的灰色關(guān)聯(lián)度法計算各參評因子的權(quán)重。

3.3物元的構(gòu)造與計算

根據(jù)表1數(shù)據(jù)及表2易發(fā)性分級標準，構(gòu)建研究區(qū)臺風(fēng)暴雨型泥石流溝易發(fā)性評價經(jīng)典物元（Ri）與節(jié)域物元（R）如表3所示。

根據(jù)式（4）對指定泥石流溝S進行關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算，以虹龍河為例，計算結(jié)果如表4所示。根據(jù)該計算方法，分別對研究區(qū)其余5條泥石流溝進行關(guān)聯(lián)函數(shù)計算。

3.4泥石流易發(fā)性計算與分析

前文已求得研究區(qū)6條泥石流溝的易發(fā)性關(guān)聯(lián)函數(shù)值及7個參評因子的權(quán)重值，通過建立的可拓灰色關(guān)聯(lián)模型式（5）計算泥石流溝關(guān)聯(lián)度ki（S），運用式（6）對泥石流溝易發(fā)程度等級進行劃分，結(jié)果見表5。

為了驗證本文評價結(jié)果，筆者應(yīng)用規(guī)范中泥石流易發(fā)程度評價方法推薦的評分法和三要素評價法對研究區(qū)內(nèi)6條泥石流溝進行了易發(fā)性判定，結(jié)果如表5所列。為了明顯對比3種方法的評價結(jié)果，將其以柱狀圖表示（見圖3）。整體上可明顯觀察到流域范圍較小的大河壩溝、記陽坑溝、大石里溝、羅漢塘溝在3種評價方法中的判定等級均為輕度易發(fā)，與實際情況符合，但青龍溝和虹龍河的判定結(jié)果開始出現(xiàn)差異。

對于青龍溝可拓法和三要素法都評價為輕度易發(fā)，評分法評價其為中等易發(fā)。根據(jù)青龍溝野外調(diào)查情況，物源主要發(fā)育于溝道中上部，青龍溝中部（擬建水庫區(qū)）地形平坦開闊，當(dāng)溝床出現(xiàn)匯流時，大部分物質(zhì)將會停留堆積于此，使得青龍溝爆發(fā)泥石流的可能性大大降低，因此青龍溝整體上更加符合輕度易發(fā)等級，可拓法和三要素法的評價結(jié)果較為合適。

對于虹龍河，可拓法和評分法都評價為中等易發(fā)，而三要素法評價其為不易發(fā)?！袄骜R”登陸期間，虹龍河研究區(qū)內(nèi)是泥石流暴發(fā)最強烈、破壞最嚴重的泥石流溝。根據(jù)后期現(xiàn)場調(diào)查，虹龍河流域面積巨大達16.86 km2，且支溝發(fā)育，匯水條件良好，流域內(nèi)不穩(wěn)定物源總量達163.35萬m3，其易發(fā)性更加符合中等易發(fā)等級。三要素法的評價結(jié)果和實際情況明顯不符，這是因為其僅從小時雨強，不穩(wěn)定物源量及縱坡降3個方面進行評價，評價因子較少，忽略了虹龍河巨大的流域面積，且由于虹龍河主溝長度大，縱坡降極小，使得結(jié)果嚴重偏小。因此可拓法和評分法的評價結(jié)果較為合適。

經(jīng)過上述分析可知，可拓灰色關(guān)聯(lián)法對研究區(qū)內(nèi)泥石流的易發(fā)性評價都是合理的。而評分法和三要素評價法在應(yīng)用于流域面積較大的泥石流溝時會出現(xiàn)評價結(jié)果不準確的情況，這是由于2種方法幾乎都是通過地質(zhì)調(diào)查人員的主觀判斷來對泥石流溝的各種影響因子進行量化，在這過程中存在較大不確定性，而且地質(zhì)人員對泥石流溝的調(diào)查及認識是有限的，當(dāng)泥石流流域面積足夠大時，地質(zhì)人員難以查清確切的地質(zhì)條件情況，在主觀評價時就會加大誤差，從而使得評價結(jié)果不夠準確?？赏鼗疑P(guān)聯(lián)分析法在獲取評價因子時秉持代表性，明確物理意義，容易獲取，相互獨立和能數(shù)值化處理的原則，很大程度上避免了人的主觀影響，因此在評價結(jié)果上與實際調(diào)查情況更加符合。

4結(jié) 論

（1） 在9號臺風(fēng)“利奇馬”影響下，研究區(qū)日降雨量高達285 mm，通過對區(qū)內(nèi)爆發(fā)的泥石流溝進行分析，總結(jié)出臺風(fēng)暴雨型泥石流具有以下特征：超強短歷時降雨啟動、暴發(fā)頻率低、集群式暴發(fā)的特點。

（2） 計算表明選取的7個泥石流易發(fā)性評價因子cj在全部評價因子中所占權(quán)重λj分別為0.158 0，0.149 1，0.156 2，0.160 3，0.070 3，0.162 4，0.143 7。

（3） 運用可拓灰色關(guān)聯(lián)法對研究區(qū)內(nèi)6條臺風(fēng)暴雨型泥石流進行易發(fā)性評價，計算結(jié)果表明虹龍河關(guān)聯(lián)度為0.064 8，屬中等易發(fā);青龍溝、羅漢塘溝、大石里溝、記陽坑溝、大河壩溝關(guān)聯(lián)度分別為0.057 3，-0.166 9，-0.084 7，-0.079 7，-0.048 3，均屬輕度易發(fā)。

（4） 將可拓灰色關(guān)聯(lián)法與規(guī)范推薦的評分法和三要素評價法進行對比時發(fā)現(xiàn)，在評價流域面積較小的泥石流溝時3種方法評價結(jié)果一致，而當(dāng)流域面積過大時，評分法偏高1個等級，三要素法偏低2個等級，分析表明本文采用的可拓灰色關(guān)聯(lián)法更加客觀科學(xué)。

（5） 影響泥石流暴發(fā)的因素很多，可拓灰色關(guān)聯(lián)法在泥石流易發(fā)性評價中可避免定性指標的選取，減少人為主觀影響，可拓理論中關(guān)聯(lián)函數(shù)計算與灰色關(guān)聯(lián)分析法中權(quán)重計算相結(jié)合，將定性問題定量化，使評價結(jié)果更加真實可靠，該方法具有很好的適用性，為臺風(fēng)暴雨型泥石流的易發(fā)性研究提供了一種新思路。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：On August 10，2019，affected by the landing of typhoon “Lekima”，six typhoon-triggered debris flows broke out in the catchment area of Ningguo Pumped Storage Power Station in Anhui Province，causing great damage to the engineering construction facilities and residents′ lives and properties.At present，the research on the susceptibility of typhoon-triggered debris flow is still in its infancy.Based on the investigation of the geological environment in the research area，this paper summarized the characteristics of typhoon-triggered debris flow.Combining the extension theory with the grey correlation method，we evaluated the susceptibility of debris flow in this area，and the evaluated results were compared with the standard recommended scoring method and the three factors method.The results showed that the typhoon-triggered debris flow had the characteristics of super short duration rainfall initiation，low frequency and massive occurrence;in the evaluation results of the extension grey correlation method，only the Honglong river was moderately prone，and the other gullies were mildly prone.The comparison shows that the three methods give highly consistent evaluation results for debris flow gullies with small valley area，however when the valley area increases，the results of standard recommended method is high or low，the extension grey correlation method give more stable and reliable results，which is more consistent with the actual investigation situation，thus providing a new idea for the research on susceptibility of typhoon-triggered debris flows.

Key words：typhoon-triggered debris flow;susceptibility evaluation on debris flow;extension theory;grey correlation degree method;Ningguo Pumped Storage Power Station in Anhui Province