基于灾害链效应的小秦岭乱石沟矿山泥石流风险评价

郭付三，周春梅，杜 娟

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.河南省地矿局第二地质矿产调查院，河南 郑州 450001；3.武汉工程大学资源与土木工程学院，湖北 武汉 430073；4.中国地质大学（武汉）教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，湖北 武汉，430074）

矿山泥石流是小秦岭金矿区最主要的矿山地质环境问题，经过30多年的无序开采及堆放，区内现存矿渣堆数量巨大。在历史上发生的泥石流灾害及现存的泥石流灾害隐患点中，约90%的物源来自于采矿矿渣。矿区内，在主要支沟上形成大量的“楼上楼”矿渣堆，矿渣堆均沿山坡及沟谷无序堆放，堆弃方式为自然倾倒，以其天然休止角稳定。在长时间降雨、暴雨、爆破、继续堆载等外界诱发因素作用下，矿渣堆极易失稳，引发矿山泥石流，其较大的冲击力对流程内的道路、民房等均会造成严重的破坏。此外，由于矿渣堆沿沟谷呈逐级链状分布，上一级矿渣堆形成的泥石流对下一级坑口的矿工生活区及矿渣堆将造成直接的影响，同时下一级矿渣堆的失稳又会是再下一级矿渣堆的潜在威胁。这种矿山泥石流在空间上的逐级影响构成矿山地质环境问题特有的灾害链效应。

矿山泥石流的概念由钟敦伦等［1］提出，其后戴君义等［2］、杨成立［3］对矿山泥石流的形成条件、失稳机制及危险性分析进行了初步的论述。在危险性评价方面，毛新虎等［4］以太原西山矿区虎峪沟特大泥石流为例，应用模糊综合评判法对研究区的泥石流沟进行了危险性评判；陈华清［5］采用线性评价模型，考虑沟谷物源总渣量、沟谷纵坡降比、沟谷河流弯曲程度等7个指标，对潼关“7.23”泥石流进行了矿山泥石流危险性评价。在易损性评价方面，唐川等［6］采用对地观测技术解译城市不同土地覆盖类型，并在此基础上构建了泥石流灾害易损性评价模型，但该模型只进行了承灾体价值的核算，并未考虑承灾体遭受损失的程度及可能性；胡封兵等［7］根据人的价值理论改进了泥石流灾害易损度评价体系，提出了社会易损度的定量化方法；蒋庆丰等［8］指出山坡泥石流的场地易损性主要由受灾体遭受泥石流破坏的机会大小和受灾体受泥石流破坏自身发生损毁的难易程度两方面构成；陈华清等［5］在各单沟泥石流堆积距离计算的基础上，对财产和人口开展易损性评价，得到各冲沟的易损度值。

总之，前人研究过程中，对矿山地质环境灾害链效应考虑较少，在矿山泥石流灾害风险评价过程中未考虑多级链状灾害的叠加作用。鉴于此，本文以小秦岭枣香峪乱石沟矿山泥石流为例，在计算矿山泥石流失稳滑动距离的基础上，分析了各矿山泥石流灾害体之间潜在的链式触发关系，开展了经济类及人口类承灾体易损性评价研究，进而结合文献［9］中危险性评价结果对乱石沟矿山流石流灾害进行了风险预测评价。

1 矿山泥石流灾害危险性评价

秦岭金矿区枣香峪乱石沟位于灵宝市故县镇正南枣乡峪河右岸，总长度2 700m，采矿坑口分布密集，共25个坑口呈串珠状分布在乱石沟主沟及三岔口以上的东壕、中壕及西壕三条支沟内。乱石沟矿渣堆的危险性评价已在文献［9］中进行了详细的分析研究，评价指标考虑矿渣堆高度、坡度、方量、是否堆载振动、底床坡度和降雨汇流累计量6项，得到乱石沟矿渣堆危险性评价结果，见图1。在此基础上，通过矿山泥石流滑移距离的计算和多级矿渣堆逐级链状影响因素的考虑，得到灾害链效应下乱石沟矿渣堆危险性评价结果，见图2。

图1 乱石沟矿渣堆危险性评价图Fig.1 Hazard evaluation of slag heaps in Luanshi Valley

图2 考虑灾害链效应的乱石沟矿渣堆危险性评价图Fig.2 Hazard evaluation of slag heaps in Luanshi Valley based on disaster chain effect

2 矿山泥石流灾害易损性评价

2.1 承灾体构成分析

枣香峪乱石沟内的矿山泥石流对在矿区生活的矿工、相关生活设施及沟内运输道路等均会造成不同程度的破坏，产生一定的人员伤亡和经济损失。损失类型可概括为：人员伤亡、矿工生活区房屋及室内设施的破坏、采矿设备的损坏和道路的破坏。因此，承灾体调查对象主要为各采矿坑口人员集中居住点的建筑物、放置的采矿设备、人员分布情况、人员年龄及文化程度、人员健康状况以及沟内道路位置的标定，调查结果见图3和表1。

图3 乱石沟承灾体分布图Fig.3 Distribution of vulnerable elements in Luanshi Valley

2.2 承灾体价值评估

承灾体价值的合理评估是易损性评价工作的基础，包括经济类承灾体的价值De和人口类承灾体的价值Da。

经济类承灾体的价值De主要包括乱石沟矿区内的民房、室内财产、采矿设备、简易碎石路以及乱石沟口沿枣香峪河的矿山公路。根据承灾体的现场调查，矿区内民房的结构类型主要为砖瓦结构、砖木结构和土木结构，其中土木结构即简易搭建的矿工工棚是矿区内主要的房屋结构类型，根据当地的经济发展水平及原材料的价格，确定砖瓦结构、砖木结构和土木结构房屋的单位造价为600 元／m2、350 元／m2和200元／m2，房屋面积为每间平均20m2，由此得到各坑口矿工生活区房屋总价值，见表1。矿工生活区的室内物品仅为简单的生活用品，因此室内财产平均取值为2 000元／间。矿山设备主要包括空压机、风钻、凿岩机、动力线、矿车、铁锨以及变压器等相关的电力设施，在调查的基础上对各坑口设备数量及价值进行统计，其总价值最高达20万元，最低为4万元，见表1。此外根据调查评估，乱石沟内简易碎石路造价约为6万元／km，沟口沿枣香峪河的矿山公路主要提供重载运输车辆通行，路面强度等级较高，按照单位造价为100万元／km 进行计算。

乱石沟矿区生产生活的人员主要为矿工及其家属，分布于各采矿坑口附近，沟内其他地段基本无人口居住，因此其人口类承灾体分布较为分散、稀少。人口类承灾体价值主要通过人口密度反映，在研究区易损性评价单元划分的基础上，各坑口人数除以相应的生活区分布面积即可获取人口密度信息，见表1。

表1 乱石沟承灾体价值统计表Table 1 Values of hazard-affected bodies in Luanshi Valley

2.3 承灾体易损性评价

2.3.1 矿山泥石流失稳滑移距离计算

以乱石沟内每个矿渣堆作为一独立的泥石流物源考虑，根据野外调查数据绘制各矿渣堆剖面图，并计算其最危险滑动面，得到最危险状况下的失稳方量作为初始破坏体积。在此基础上，采用变体积法（UBCDFLOW）估算泥石流的失稳滑移距离［10-12］。通过计算，得到各矿渣堆可能形成泥石流的滑移距离，并绘制矿渣堆失稳影响范围图（见图4）（具体计算过程见文献［9］）。由图4可知，DE1620号矿渣堆可能受到DW3、DW4和D884三个矿渣堆的影响，而DE1620号矿渣堆的失稳又将威胁1555号矿渣堆，即上级矿渣堆的失稳将诱发下一级矿渣堆的破坏，而这种诱发失稳作用可能延续至更下一级的矿渣堆。在易损性评价过程中，某承灾体的破坏程度可能受多级灾害体的影响，因此易损性评价需要考虑灾害链效应。

图4 乱石沟矿渣堆失稳影响范围图Fig.4 Influence range of mine debris in Luanshi Gully

2.3.2 经济类承灾体易损性评价

按照承灾体的属性、结构及功能特征，将枣香峪矿区的承灾体分为房屋、室内财产、设备、简易碎石路和矿山公路五种，其中砖瓦结构、砖木结构和土木结构房屋统一归类为简易结构房屋类型。经济类承灾体的易损性与承灾体和灾害体的空间位置关系、承灾体的逃脱性和损害难易程度相关，其易损性评价模型为

式中：Ve为经济类承灾体易损性，取值为［0，1］，0表示承灾体没有遭到破坏，1表示完全破坏，0到1的其他数值表示经济类承灾体不同程度的破坏；n为经济类承灾体的总个数；L为承灾体位置系数，描述承灾体与灾害体的相对位置对承灾体破坏程度的影响，取值为［0，1］，0表示承灾体在该位置处不会遭到破坏，1表示该位置处承灾体的破坏程度最大，针对崩塌、滑坡和泥石流灾害，根据灾害体变形及失稳破坏的运动特征，承灾体位置系数的取值参见表2；Vc为承灾体易损系数，描述承灾体材料、结构及自身特性差异引起的遭受相同地质灾害所表现出的损害难易程度，取值为［0，1］，0表示承灾体具备较强的结构而不会遭受破坏，1表示承灾体不具备抵抗破坏的能力易损系数的取值见表3；E 为承灾体逃脱系数，描述承灾体被搬移而逃离灾害影响范围的难易程度，主要受其结构、重量和体积等因素的影响，可逃脱性越强，逃脱系数越大，承灾体易损性越小，因此采用逃脱系数的倒数表征其易损特征，即1／E为0表示承灾体极易被搬运出灾害影响范围，1／E 为1表示承灾体无法被挪动，逃脱系数的取值见表4。

表2 承灾体不同分布位置的位置系数赋值表Table 2 Position coefficient of hazard-affected bodies according to the relative position

表3 承灾体易损性等级划分及其易损系数赋值表Table 3 Vulnerable coefficient of hazard-affected bodies

表4 承灾体逃脱性等级划分及逃脱系数赋值表Table 4 Classification of escape characters of hazardaffected bodies and their escape coefficient values

对应表3和表4，研究区经济类承灾体的逃脱系数和易损系数的取值见表5。

表5 经济类承灾体逃脱系数和易损系数表Table 5 Escape coefficient and vulnerable coefficient of economic hazard-affected bodies

针对位置系数，由于矿山地质灾害存在灾害链效应，即某一承灾体可能遭受多级灾害体的破坏作用，因此其取值应综合考虑承灾体与对其造成威胁的多个灾害体之间的相互位置关系。若承灾体位于多个矿渣堆的影响范围之内，则应“叠加”考虑各矿渣堆对承灾体的破坏性，位置系数的计算公式如下：

式中：L 为某承灾体的位置系数；n 为对该承灾体具备潜在破坏可能性的灾害体个数；Li为该承灾体相对于第i个灾害体的位置系数。

依据研究区矿渣堆分布图、承灾体分布图（见图3）及矿渣堆失稳影响范围分布图（见图4），确定房屋、室内财产及矿山设备三类承灾体的位置系数见表6。对于简易碎石路和矿山公路而言，由于大部分路段不会受到矿渣堆失稳的威胁，仅小部分路段位于矿渣堆失稳影响范围内，因此该部分路段的位置系数取值为0.55。

表6 经济类承灾体位置系数表Table 6 Position coefficient and vulnerable coefficient of economic hazard-affected bodies

利用公式（1），可计算得到乱石沟矿区内经济类承灾体房屋、室内财产和矿山设备的易损性见表7，简易碎石路和矿山公路的易损性分别取值为0.55和0.33。

表7 经济类承灾体易损性表Table 7 Vulnerability of economic hazard-affected bodies

2.3.3 人口类承灾体易损性评价

人口类承灾体易损性评价主要考虑人口年龄结构、受教育程度、居民房屋结构类型、政府对地质灾害的重视程度以及地质灾害预警预报体系的完善程度五个方面，其易损性评价模型为

式中：Va为人口易损性，取值为［0，1］，0表示无人员伤亡，1表示所有人员在灾害作用下丧生，0 到1的其他数值表示人员不同程度的伤亡；Wm为第m类评价因素的权重，根据评价区各因素所占比重的实际情况，采用层次分析法、灰色关联分析法等方法进行计算确定，且为第m 类评价因素系数，Cm取值为［0，1］；Ca为人口年龄系数，由老人和儿童的人数与人口总数的比值确定；Cq为受教育程度系数，由没有接受初等以上教育的人员数与人口总数的比值确定；Cs为居民房屋结构系数，将居民房屋类型划分为简易结构（砖结构、土木结构等）和钢结构（钢架结构、钢混结构），由研究区简易结构房屋数量与房屋总数量的比值确定；Cg为政府重视程度系数，0表示政府部门不重视研究区的地质灾害防治工作，1表示政府非常重视；Cf为地质灾害预警预报体系完善系数，0表示尚未建立预警预报体系，1 表示已建立了完善的预警预报体系。其中，Cg和Cf根据研究区的具体情况相应赋值。

乱石沟矿区内由于采矿区生活的人员基本为矿工及其家属，因此其年龄情况均为13～60岁之间，健康状况较好，文化程度多为小学及以下，根据调查数据计算得到人口年龄系数及受教育程度系数分别为0.1和0.7；乱石沟矿区内居民住房均为非钢结构，房屋结构系数取值为1；乱石沟矿渣堆不合理堆弃、堆积规模过大并缺乏支挡治理措施，且没有采取专业的监测措施，因此政府对地质灾害的重视程度以及地质灾害预警预报体系的完善程度均较低，Cg和Cf系数取值为0.1和0.1。结合目前乱石沟矿区内人口易损性各评价因素的重要程度，其权重取值见表8。

表8 人口类承灾体评价因素系数及其权重取值Table 8 Evaluation factor coefficient and weight of population hazard-affected bodies

利用公式（3），可计算得到乱石沟矿区内人口类承灾体易损性为0.51。

3 矿山泥石流灾害风险评价

在对乱石沟矿渣堆泥石流灾害进行危险性评价、承灾体价值评估及易损性评价的基础上，将承灾体分为经济类和人口类分别进行风险评价。

根据地质灾害风险的计算方法，经济风险值的计算公式为

式中：Re为研究区矿山地质灾害经济风险预测值；Pfi为第i个评价单元内矿山地质灾害的危险性；Deij为第i个评价单元内第j类承灾体的经济价值总量；Veij为第i个评价单元内第j类承灾体的易损性；m 为研究区评价单元个数；n为研究区承灾体类型数。

人口风险值的计算公式为

式中：Rp为研究区矿山地质灾害人口风险预测值；Pfi为第i个评价单元矿山地质灾害发生的概率；Dai为第i个评价单元内的人口密度；Vai为第i 个评价单元内人口易损性。

3.1 未考虑灾害链效应的矿山泥石流灾害风险评价

依据公式（4）和（5），采用未考虑灾害链效应的矿渣堆危险性评价结果（见图1）对乱石沟矿山泥石流风险进行计算。针对乱石沟经济类承灾体风险计算结果，以100元／100m2、1 000元／100m2及10 000元／100m2为界线，将研究区分为高风险、中等风险、较低风险和低风险，见图5。由图5可见，乱石沟的经济风险值普遍较低，其中DE1620号矿渣堆后部的矿工生活区由于位于高危险性范围内，总经济价值为41.6万元，因而成为研究区范围内仅有的高风险区；中等风险区主要分布在中壕、三岔口以及38号、1280号矿渣堆的后侧；较低风险及低风险区主要分布在简易碎石路、矿山公路以及1120号、1140号等矿渣堆的居民生活区。

针对乱石沟人口承灾体风险计算结果，以1人／100m2、10 人／100m2和20 人／100m2为界线，将研究区分为高风险、中等风险、较低风险和低风险，见图6。由图6可见，与经济类承灾体风险分布相比，乱石沟人口高风险区同样分布于DE1620号矿渣堆后部的矿工生活区内；人口中等风险区分布面积最小，仅分布于1280号矿渣堆后部的局部地段；人口较低风险区分布面积较大，包括中壕、东壕、三岔口以及1280 号、D385、DW2 号矿渣堆后部的居民生活区；人口低风险区主要分布在简易碎石路、矿山公路以及1120 号、1140 号、DW4 号矿渣 堆居民生活区和三岔口的部分地段。

图5 未考虑灾害链效应的乱石沟经济类承灾体风险预测Fig.5 Risk assessment of economic hazard-affected bodies

图6 未考虑灾害链效应的乱石沟人口类承灾体风险预测Fig.6 Risk assessment of population hazard-affected bodies

3.2 考虑灾害链效应的矿山泥石流灾害风险评价

考虑灾害链效应后，乱石沟矿渣堆的危险性评价结果相应发生变化［9］。受上游矿渣堆失稳潜在影响的矿渣堆，失稳概率明显增高，由此计算得到的风险值也相应增大。根据上述考虑灾害链效应的乱石沟矿渣堆危险性评价结果（见图2）和乱石沟承灾体易损性分布情况，依据公式（4）和（5），对乱石沟经济类及人口类承灾体风险分别进行计算，其结果见图7和图8。

图7 考虑灾害链效应的乱石沟经济类承灾体风险预测Fig.7 Risk assessment of economic hazard-affected bodies considering disaster chain effect

图8 考虑灾害链效应的乱石沟人口类承灾体风险预测Fig.8 Risk assessment of population hazard-affected bodies considering disaster chain effect

由图7和图8可知，与未考虑灾害链效应作用相比，处于灾害链作用中下游的1280号、D385号、38号、DE33号和DW4号矿渣堆分布位置处的经济类承灾体的风险等级有所提高，主要原因是受上游矿渣堆失稳滑动及冲击扰动作用的影响，中下游矿渣堆危险性提高，造成了风险的增大；同样，这些矿渣堆分布位置处的人口类承载体风险也有不同程度的提高。

综上分析可见，在风险评价过程中，对灾害致灾机制考虑方式的差异直接影响地质灾害的风险评价结果。对于存在灾害链效应的研究区段，例如沟谷流域的矿渣堆灾害，若忽视了多级灾害体之间扰动或触发等作用机制的灾害链效应，则会导致灾害风险预测结果偏保守，人为降低了灾害可能造成的潜在风险。因此，在风险性评价的过程中，应重视对灾害链效应的分析，使得评价结果能够真实地反映研究区的灾害风险作用机制。

4 结论

（1）在对小秦岭枣香峪乱石沟矿山泥石流灾害危险性及易损性评价的基础上，开展了经济类及人口类承灾体的风险预测评价。评价结果显示：DE1620号矿渣堆后部的矿工生活区是经济及人口高风险的集中区域；经济中等风险区主要分布在中壕、三岔口以及38 号、1280 号矿渣堆的后侧；人口中等风险区分布面积较小，仅分布于1280号矿渣堆后部的局部地段。风险预测评价的结果可以为研究区泥石流灾害防治工程的布设提供参考依据。

（2）在沟谷流域矿山泥石流灾害风险评价的过程中，尤其应重视对灾害链效应的分析，若忽视了多级灾害体之间扰动或触发等作用机制的灾害链效应，则会导致灾害风险预测结果偏保守，人为降低了灾害可能造成的潜在风险。

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