基于安全系统工程的泥石流灾害分析

张文山，刘国兴，邓永红

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

基于安全系统工程的泥石流灾害分析

张文山，刘国兴，邓永红

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 101601)

为预防泥石流灾害的发生，应用安全系统工程的研究方法对一般泥石流原因分析(危险源辨识)，根据风险的大小，进行风险分级(风险分析)，并提出相应的措施(风险控制)。并且通过预防为主，防治结合，重点监控的思路，实现泥石灾害控制的有效性和节能性。

安全系统工程；泥石流灾害；原因分析

0 引言

泥石流灾害是由暴雨、大量冰雪融水或江湖、水库溃后,急速的地表径流激发含有大量泥砂、石块等固体碎屑物的流动，强大冲击力和泥石流埋覆造成的灾害，主要发生在山区[1]。泥石流与一般洪水的根本区别是含有大量固体碎屑物,按其体积含量最少为15%,最高可达80%，其破坏力比一般洪水更为强大。泥石流的特点：发生具有突发性、破坏性、运动迅速等特点，而且拥有很强的埋覆、搬移能力等自然属性。它以冲击、埋没和阻塞等形式对其通过区域的各种设施进行损坏，损害的后果常常比单一的自然灾害危害更为严重，会对人们的生产和生活场所、交通线路、耕地、河流等造成重大破坏[2]。它的特点决定了泥石流灾害难预测、难逃生，一旦被掩埋，人员难生还，物体难恢复。

我国是一个多山的国家，超过66%的面积属于山地[3]。一方面，受地质结构、常年风化和人为开发的影响，山体多数峻峭且由很多疏松的碎石和泥土等组成。另一方面，我国的森林覆盖率不高，受夏天的季风气候影响，一旦遇到持续降雨或者暴雨等天气情况时，经常有重大的泥石流灾害发生[4]。近年来中国发生的泥石流灾难危害比较大的有：2008年，汶川震后发生的山洪泥石流，山体滑坡等灾害，造成经济损失接近万亿，死亡和失踪人数接近10万人。2009年7月23日，在康定县干沟村，在暴雨作用下，发生特大泥石流，造成50多人的死亡失踪。2010年8月7曰，舟曲县因突发暴雨引发洪水和泥石流等灾害，造成接近0.2万人死亡失踪，大量公共设施和房屋损坏，经济损失非常巨大。2012年，甘肃蜗县下冰雹引发洪水和泥石流灾害，有50多人遇难、受灾人数达40多万人[5]。由此可知，泥石流灾害的摧毁力是惊人的，对泥石流受灾地区群众的生命财产造成的损失是巨大的，泥石流灾害的影响严重地制约了这些地区的发展。

近几年我国泥石流灾害频发，尤其今年5月4日至7月25日，我国境内多地发生泥石流灾害，其中福建、四川、湖北、贵州、陕西、河南、河北、云南等地尤为严重。泥石流灾害具有难预测、难逃生，难救援，难恢复，高死亡率的特点，其灾害的发生对国家和人民的生命财产造成极大了损失，所以泥石流灾害的研究变得越来越迫切。国内外有很多对泥石流研究和应对的方法，其中应用遥感、传感等技术进行泥石流检测和监控最为推崇，但其自身存在的局限性都又难于逾越。尽管泥石流灾害严重地影响了我国某些地区的生产和生活，由于其自身的特点比较特殊，现在还不可以通过技术手段完全去预防和避免灾害的发生，应用安全系统工程的方法是预防泥石流灾害发生的一种有效减灾办法。

1 泥石流灾害的危险源辨识

通过案例的分析和反复实验可得泥石流的行成及灾害发生的严重性主要有以下几个原因：泥石所处的地势因素、土质因素、水的因素、人的因素。

1.1 坡度因素和高度因素

泥石流多发生在山区，猜想其发生或者形成的机理与其所处落差和角度有关。取相同质量(500g)，相同湿度、相同土质样品若干份。角度大小对泥石滑动的影响详见(表1)和高度(表2)滑下，由其对轻质物块的冲击距离(多次测量取平均)来判断其角度和高度对泥石流破坏力的影响。

表1 (样品中端与水平高度30cm)角度对泥石滑动的影响

表2 (板的角度为60度时)落差对泥石滑动的影响

根据实验可得，地势因素，即其所处的角度和落差。相同的落差，角度越大越容易滑下，其获得的末动能越大，其破坏力越大，但是角度超过七十五度之后其破坏的区域在减小；角度相同，落差越大所具有的重力势能越大，能量越大，其表现破坏力越大。若二者结合其破坏力更为巨大。

其理论分析：对样品整体受力分析，其与水平面角度越大，摩擦力的反方向受力(重力的分力)越大，运动方向的合外力越大，其加速度越大，其末速度越大，破坏力越强。但是大于80度小于等于90度，其冲击力几乎消耗在垂直对地方向，且由于堆积缓冲的作用大大削弱其破坏力；根据能量守恒定律，相同质量样品其位置越高则重力势能越大，在末端的动能越大。所以泥石流多发生在山区，且植被覆盖率底的区域。

1.2 土质因素和水的因素

土质对泥石流影响的大小，一般包括土质的松软程度、吸水率、数量的多少。土质工程分类，按开挖难易程度，一般包括八类土质，分别是：一类土(松软土)、二类土(普通土)、三类土(坚土)、四类土(砂砾坚土)、五类土(软石)、六类土(次坚石)七类土(坚石)、八类土(特坚石)[6]，根据近十年的案例分析，泥石流形成主要在前六类。通过案例分析和实验证明，土质的其吸水率越大，相同质量的泥土其重力势能增加的越多，其危害越大。实验中，对相同角度和高度的两个样本，一个逐渐进行喷雾式喷水样本和另一个不喷样本进行比较，在前期的喷雾过程中，相同的角度和高度含水量低的更容易发生滑动，继续对另一样品进行均匀的喷雾水，直至其发生滑动，其对轻质物块作用的推得更远，说明其危害更大。

土质的粘性越小越容易发生滑动，吸水率越高其增加势能的可能性越大。实验得出此类土质危害是最大的，随着加水量的增加，其粘性先增大和减小，当其自身的重量大到一定值发生迅速的滑移,发生滑坡；逐渐加水使其饱和，再不断的加水就会形成泥石流，其流动性比滑坡时更强，获得更大的能量和更小的阻力，此时破坏力最强。此土质危害最大应该重点监控。

水的因素主要分为水库、冰川冲击和雨水冲击[7]。冰川融化和水库溃坝形成泥石流的主要动能来自水自身的动能；山体泥石流主要是雨水增大了泥土的重力势能，当含水率超过一定值就会减小其摩擦力，增加其流动性。我国泥石流灾害水的因素以降水为主，这就是为什么我国泥石流灾害多发生在5～9月份。

1.3 人的因素

人的因素主要包括：第一、对泥石流的认识不足。民众普遍对泥石流的相关的知识匮乏，安全意识淡薄，预防能力差，应对能力差，错失逃避的路线等造成巨大损失；第二、生活和生产活动促就了泥石流的形成。生产和生活对植被的破坏，随意堆放矿渣或者开挖土，给泥石流的爆发提供了条件；第三、可以避开泥石流破坏区的生产和生活没有避开，在不可避免的可造成泥石流灾害的区域从事生产和生活，且防护不够。

2 风险分析与量化

2.1 泥石流灾害各因素的定性分析

根据泥石流灾害发生因素的机理采用事件树(ETA)分析[8]，可定性的分析泥石流发生的可能性和严重性。泥石流灾害形成的必要条件有：地势条件(坡度和高度)、土的因素(土的松软程度、吸水率和泥土的数量)、水的因素(主要考虑降水)、人的因素(人员伤亡和财产损失)，机理关系详见图1。

图1 泥石流灾害发生因素的机理关系

由图中可得随着事件数量的增多，最后可能造成的危害越大，所以控制的因素事件越早越多则可受到泥石流灾害的危害越小。

2.2 泥石流灾害各因素的定量分析

(1) 雨水。暴雨预警信号分四级，分别为蓝色、黄色、橙色、红色预警[9]。蓝色：12小时内降雨量将达50 mm以上，或者已达50 mm以上且降雨可能持续。政府及相关部门应当注意道路积水和交通阻塞，确保安全；检查城市、农田、鱼塘排水系统，做好排涝准备。黄色：6小时内降雨量将达50 mm以上，或者已达50 mm以上且降雨可能持续。政府及相关部门按照职责做好防暴雨应急工作；切断低洼地带有危险的室外电源，暂停在空旷地方的户外作业，转移危险地带人员和危房居民到安全场所避雨；检查城市、农田、鱼塘排水系统，采取必要的排涝措施。 橙色：3小时内降雨量将达50 mm以上，或者已达50 mm以上且降雨可能持续。政府及相关部门按照职责做好防暴雨应急工作；做好城市、农田的排涝，注意防范可能引发的山洪、滑坡、泥石流等灾害。红色：3小时内降雨量将达100 mm以上，或者已达100 mm以上且降雨可能持续。政府及相关部门按照职责做好防暴雨应急和抢险工作；停止集会、停课、停业(除特殊行业外)；做好山洪、滑坡、泥石流等灾害的防御和抢险工作。一般预防降水可能造成的灾害的大小以暴雨预警最为适用。所以结合暴雨预警把其影响程度进行量化排序，降雨因素赋值表详见表3。

表3 降雨因素赋值表

(2) 泥土的因素包括土质、吸水率和土量。其中八类土质的吸水率和其土质类排序成反比，即土质越松软吸水率越高，八类土质，根据实验其排序越小则越危险。假定形成前后泥土总的数量保持不变，以破坏面积范围为1000 m2,其厚度H越大则破坏力越大，说明其发生泥石流前的泥土量越多，土质和土量因素赋值表详见表4。

表4 土质和土量赋值表

泥土的两个因素赋值用乘法组合得到1、2、3、4、6、8、9、12、16九个值。按从小到大的顺序把相近的两个为一组进行赋值，大小分别为1、2、3、4、5，泥石因素赋值表详见表5。

表5 泥石因素赋值表

(3) 地势因素包括落差和坡度。根据其对破坏产生的后果大小进行赋值。落差和坡度赋值表详见表6。

表6 落差和坡度赋值表

根据地势的两个因素用乘法组合赋值为1、2、3、4、5、6、8、9、10、12、15、16、20、25。最后组合赋值分为五个级别进行赋值，地势因素赋值表详见表7。

表7 地势因素赋值表

(4) 人的因素包括人员财产及生命和采取措施。根据灾后可能造成的人员和财产损失进行赋值。根据生产安全事故造成的人员伤亡或者直接经济损失，事故一般分为以下等级：特别重大事故、重大事故、较大事故和一般事故[10]。人的因素赋值表详见表8。

表8 人的因素赋值表

(5) 根据各因素对灾害影响的大小进行整合，为乘积关系。进行登记若四个因素的赋值乘积进行分级如下。各级别的危险等级及建议措施，详见泥石流灾害评价表，表9。

表9 泥石流灾害评价表

3 应对措施

(1) 对各地区的四个因素进行普查，尤其泥石流多发地。对泥石流各因素进行电子数字化备案，电脑进行数据分析和预测，形成的重点监控区，责任到人到部门。汛期在5～9月，主汛期在6～8月，这段时间加强预防，密切关注天气预报的，加强各项因素的检查和排除或加强措施保证可控。做到区域重点监测，时间段重点监测，危险因素重点监测和检查，有针对地重点防护。

(2) 加强泥石流灾害的基本知识的宣传和教育，尤其泥石流多发地带，使得人员可以定性的判断泥石流灾害发生的可能性和严重性，学会必要的逃生和自救方法。

(3) 加强泥石流运动的下行阻力。一方面加强植被保护，植被枝叶可以减少岩土的吸水率，植被的根系加大泥土的下行阻力；另一方面在无法生长植被的特殊地带，加设防护网，加大岩石和泥土的下行阻力，尤其在临近公路和铁路的内侧陡壁。建设人工的防泥石流设施，例如在山区沟壑建设混凝土格挡。

(4) 不制造危险，不把自己置身于危险之中。不得随意开挖和放置开挖土，不在泥石流频发区从事生产和生活，没有办法避免的，必须设置安全可靠的防护，保证危险可接受。

(5) 从风险分析中可知，各因素的关系为与的关系，只要有一个或者若干个因素被控制好，那么泥石流发生的可能性便会大大的减少。

4 结语

应用安全系统工程的方法，一方面可以定性定量的分析和预测出泥石流灾害的重点发生区和发生时间；另一方面可以得到泥石流灾害发生的因素和各因素之间的关系，为控制泥石流灾害提供了方向，使得预防措施更有针对性和有效性，从而避免了泥石流灾害预防的资源过度浪费。

[1] 崔鹏.我国泥石流防治进展[J].中国水土保持科学,2009,7(5):7-13.

[2] 李丽.舟曲县泥石流危险性评价[D].北京:中国地质大学(北京),2012.

[3] 夏添.震区泥石流危险性评价及预警减灾系统研究[D].成都:成都理工大学,2013.

[4] 潘懋，李铁峰.灾害地质学[M].北京：北京大学出版社,2002.

[5] 袁仲侯.泥石流预警监测传感装置的研究与设计[D].成都:成都理工大学,2015.

[6] 李萍.土方工程机械化施工组织的优化研究[D].西安:长安大学,2001.

[7] 任娟.基于无人机遥感与GIS技术的泥石流灾害监测[D].成都:成都理工大学,2015.

[8] 张银河,崔少萍.本地暴雨预警信号效果评定初探[J].广东气象,2008,30(2):49-51

[9] 林柏泉，张景林.安全系统工程[M].北京:中国劳动社会保障出版社,2007.

[10] 中国安全生产协会注册安全工程师工作委员会,中国安全生产科学研究院.安全生产管理知识[M].北京:中国大百科全书出版社,2011.

Analysis of debris flow disasters in China by using safety systems engineering

ZHANG Wen-shan,LIU Guo-xing,DENG Yong-hong

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

In order to prevent the occurrence of debris flow disaster,safety systems engineering is used to analyze the reason for the common debris flow (Hazard source Identification).According to the risk level,the risk classification is conducted(risk analysis) and relative measures are proposed(risk control).And by focusing on prevention,combining prevention with control,laying stress on monitoring,the effectiveness and energy conservation of debris disaster control is to be realized.

Safety systems engineering; Debris flow disaster; Cause analysis

2016-07-24

中央高校基本科研业务费资助(3142013101，3142015023，DX2013B05)

张文山(1991-)，男，河北邢台人，华北科技学院在读硕士研究生，研究方向：安全检测和监控。E-mail：570488964@qq.com

P694

A

1672-7169(2016)05-0089-05