承德围场县西山泥石流沟危险性评价

陈素敏，菅立江，王 哲，韩 蕾（. 天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384；. 河北地矿局 第四地质大队，河北承德 067000）



地质与测绘

承德围场县西山泥石流沟危险性评价

陈素敏1，菅立江2，王 哲1，韩 蕾1
（1. 天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384；2. 河北地矿局 第四地质大队，河北承德 067000）

结合遥感解译及工程地质勘测，对承德围场县西山的两条泥石流沟流域的地形地貌、地层岩性、气象水文等条件进行了分析，并对泥石流沟进行了分区.结合实际情况，采用单沟泥石流危险性评价中的函数赋值模型对勘察区庙台沟和庆沟危险度进行评价，并利用灰色系统关联度理论进行相似性验证，结果显示两条泥石流沟的危险性都是中低度.

泥石流；危险性评价；函数赋值模型；灰色系统关联度

泥石流是山区常见的地质灾害之一，其暴发突然、来势凶猛的特点给当地生命财产带来严重损害［1］.泥石流危险性评估是泥石流灾害评估的重要组成部分，也是泥石流灾害的防治前提［2］.地学中对泥石流的危险性评价常采用在定性基础上的定量评价方法［3］.目前在单沟和区域泥石流危险性评价方面，研究的技术方法及模型建立已经初步成型［4］，方法主要有层次分析法、模糊数学、灰色系统、多元回归、GIS与遥感应用等［5-11］，众多评价方法在评价结果方面取得了良好效果，为山区泥石流的防治起到指导作用.基于前人对理论方法的研究，结合研究区中的庙台沟和庆沟详细的勘测数据，分别采用单沟泥石流危险性评价的函数赋值模型及灰色系统关联度方法对庙台沟和庆沟的泥石流危险性进行评价研究.最后根据评价结果对两种方法的适用性进行对比分析.

1 研究区概况

围场县西山位于县城西面，地势西高东低，包含有庙台沟、庆沟等六条泥石流沟，其出口直对县城区（见图1）.西山各沟曾多次发生泥石流灾害，距今较近的两次泥石流灾害分别是发生在1974年的庙台沟泥石流和1990年车轱辘沟泥石流，给当地生命财产带来极大危害.随着近些年当地的发展，大量的建筑群建在沟口及泥石流的堆积区，因此对西山泥石流沟的危险性评价具有重要的意义.

图1 围场县县城西山六条沟谷概略图

2 泥石流的形成条件

2.1 地形地貌条件

研究区属侵蚀构造山地地貌（见图2），多悬崖峭壁和狭窄深谷，沟谷多呈“V”字型，谷内岩石风化严重，较破碎，多有崩塌、滑坡堆积体.通过对研究区庙台沟和庆沟详细的野外调查，遥感影像（分辨率0.89，m）、DEM（分辨率7.11，m）分析，分别获取了两条泥石流沟的坡度、相对高差及沟谷数据（见图3和表1）.两条沟谷的山体坡度均较大，一般大于25°，这不仅为松散固体物质向沟内聚集提供了条件，同时也为沟源形成坍滑体导致沟床物质活动预备了必要条件.

图2 西山地形地貌图

图3 庙台沟、庆沟坡度分布图

2.2 物源条件

研究区位于内蒙台轴北部边缘与内蒙华力西晚期褶皱带之间的过渡带.区内地层主要有太古界片麻岩、白垩系砾岩、凝灰质砂砾岩及第四系坡洪积、冲洪积物.岩浆岩主要为燕山期花岗岩体，岩石多被走向NE80°、NNE3°、NW335°三组裂隙切割成不同的块体，多悬崖峭壁，临空面因风化作用而破碎，多见有危岩体，为泥石流提供了丰富的物源.经调查估算，勘查区内易发生移动的松散岩土体的总体积约23.42万m3.

表1 庙台沟、庆沟地貌特征一览表

2.3 气象水文条件

区内1，000多米的山峰构成一道巨大的天然屏障，使得两侧有冷气流在此相遇，常常形成中心式暴雨.强暴雨的局地性和短历时雨强对泥石流激发起着十分重要的作用［12］.根据围场气象站49，a （1951—1999年）降水资料统计，年平均降水量为443.3，mm，最大年降水量为648.1，mm（1974年），最小年降水量为237.2，mm（1951年），二者相差2.7倍，降水年际变化较大.汛期降水量占全年降水量的76%，7、8两个月的降水量可达到全年降水量的70%左右，显示出降水年内变化极大，且降水十分集中的特点.

3 泥石流沟分区

研究区庙台沟和庆沟具有典型的分区特征，可以分为清水区、物源区、流通区及堆积区（见图4），具有沟谷泥石流的特征.

图4 庙台沟、庆沟泥石流分区

3.1 清水区

清水区受地形的影响成条带状，由分水岭至山梁底部.其中庙台沟的汇水面积为0.52，km2，高程1，305～950，m，沟谷纵坡降320‰；庆沟汇水面积1.05，km2，高程1，350～900，m，沟谷纵坡降350‰.沟谷都呈“V”型，沟底平均宽度约15～25，m，两侧山坡坡度一般大于30°，山坡坡面植被覆盖率约80%～90%，.

3.2 物源区

物源区由梁底至各支沟分叉处，内沟道堆积有大量冲洪积物，两侧岸坡堆积有大量残积碎石土和坡积碎石土，并分布有多处崩塌地质灾害体，为泥石流的发生提供了丰富物源.该区段内以冲刷侵蚀为主.其中庙台沟汇水面积0.95，km2，高程1，190～880，m，沟谷平均纵坡降300‰；庆沟汇水面积1.07，km2，高程1，150～890，m，高差260，m，沟谷平均纵坡降250‰.沟谷都呈“V”型，支沟发育，宽度20～30，m，两侧山坡坡度23°～32°，山坡阴坡坡面植被覆盖率约65%～90%，山坡阳坡坡面植被覆盖率约30%，沟底植被覆盖率50%，左右.

3.3 流通区和堆积区

流通区和堆积区位于沟道下游，两侧山坡植被覆盖率较低，多分布有耕地或果树林地，为洪积碎石土、泥石流积碎石土，区内人类工程活动频繁；其下段居民建筑物密集，建有排导槽.其中庙台沟长约1.00，km，面积0.23，km2，高程920～855，m，坡降45‰左右，其上段河道一般宽约30～40，m.庆沟长约1.84，km，面积0.38，km2，高程990～850，m，坡降45‰左右，其上段河道一般宽约20，m.

4 泥石流危险性评价

4.1 评价模型的选择

我国不同时期的单沟泥石流评价研究模型可分为分级评分模型、分级赋值模型和函数赋值模型［13］.综合考虑区域地质背景因素，根据诱发泥石流的重要因子为依据，在此选择在国内外具有广泛影响力的函数赋值模型进行危险性评价［14-15］.

4.2 评价因子的选择

在评价因子的选择上应遵循以下原则：科学性、正确性、全面性、独立性、代表性、简便性和实用性.另外，也应当考虑是否可以量化［16］.在单沟泥石流危险度评价中，两个主要的危险因子必不可少，泥石流规模和频率［17］.目前对评价因子的选择方法主要有关联度分析法、相关系数法、追踪投影法和Spearman等级相关系数等［18］，函数赋值模型采用刘希林的双系列关联度法［3］对评价因子进行了优化.

最后选取7项评判因子，使评价指标更易获取，准确性较高.除了选取2个主要内在因子泥石流规模m和发生频率f外，另外5个次要环境因子分别是流域面积s1、主沟长度s2、流域相对高差s3、流域切割密度s6和泥砂补给长度比s9.

4.3 泥石流危险度计算

为了避免评价因子分级结合点出现转换值的跳跃式变化，函数赋值模型采用转换函数计算评价因子的转换值，使评价因子的转换值连续变化于0～1之间.危险度计算公式如下

式中：各系数是采用双系列关联度分析方法得到的各因子的权重；M、F、S1、S2、S3、S6、S9分别是m、f、s1、s2、s3、s6、s9的转换函数值（转换函数详见文献［4］－［5］）.

其中泥石流规模m，即一次泥石流最大冲出量，可根据泥石流堆积特征、崩塌体面积及松散固体物质储量等估算推出；泥石流发生频率f可根据历史记载推算出每百年的发生次数；流域面积s1、主沟长度s2、流域的切割密度s6可以在遥感影像上直接描绘并计算出来.切割密度是指流域面积内冲沟发育长度之和与流域面积之比，综合反映了流域内的岩石风化程度、汇流情况、岩性、产沙能力和地质构造等工程地质条件；流域的最大相对高差s3可以通过两条泥石流沟的DEM数据得到，反映了泥石流的动力特性；泥砂补给长度比s9是泥沙补给源的沟谷长度与主沟总长度的比值，可以通过遥感影像结合现场调查获得.

将取得的庙台沟和庆沟的基础数据进行转化值计算，再将转换值代入单沟泥石流危险度计算公式（1），分别得出庙台沟和庆沟的危险度（见表2）.由评价结果可知研究区庙台沟和庆沟的危险度都是低度.经现场和实际资料来看，庙台沟和庆沟在泥石流发生频率上很低，分别为一百年3.6次和一百年2.0次，而且为影响泥石流危险度的主要因子之一，这是导致危险度为低度的主要原因.

表2 庙台沟和庆沟泥石流危险度评价结果

4.4 灰色系统理论的应用

泥石流是多种因素共同作用下产生的，泥石流危险性评价具有明显的灰色性［19］.为了进一步对庙台沟和庆沟泥石流危险性验证，选择云南省七条典型泥石流沟基础数据进行关联度分析，其中大白泥沟危险度极高，具有规模大、发育典型的特点，因此选其为参考序列.另外分别选取两条高度危险性泥石流沟：小白泥沟和小海河；两条中度危险性泥石流沟：芭蕉河沟和巧家白泥沟；两条低度危险性泥石流沟：观音河和小菁河沟作为比较序列，基础数据见朱静（1995）的泥石流沟判别与危险度评价研究［20］.通过关联度计算发现各条泥石流沟的关联度与危险度存在很好的相关性，即与参考序列的关联度越高，危险度也越高，与参考序列的关联度低，危险度也越低（见表3）.基于此，将庙台沟和庆沟的基础数据与其他沟一起进行关联度分析，来验证上述危险度的计算结果是否具有一致性.

表3 关联度值和危险度值

关联度计算的方法首先是确定参考数列和比较数列，然后用均值化的方法将原始数据无量纲化，得到均值化矩阵（见表4），这样才可以进行比较.之后计算参考数列与比较数列的绝对差值（见表5），并找出最大绝对差值和最小绝对差值，最后按关联度公式计算比较因子与参考因子的关联度（见表6）.

4.4.1 数据的无量纲化

对原始数据需要消除量纲，转化为可以比较的数据序列.消除量纲的方法有很多，在此采用均值化的方法，即

表4 原始数据无量纲化值

4.4.2 差值矩阵

将无量纲化的数据进行差值计算式中：Δ（i， j）为参考序列和比较序列的绝对差值矩阵；x′（a， j）为参考序列；x′（i， j）为比较序列.

表5 差值矩阵

4.4.3 关联度计算

关联度计算公式如下式中：R（i）为参考数列与比较数列之间的关联度；N为样本数；i为第i个样本；j为第j个关联因子；Δmax为所有差值序列中最大的值；Δmin为所有差值序列中最小的值；ρ为经验系数，一般取0.5.

表6 包括庙台沟、庆沟的关联度及危险度值

由表3和表6可知，在加入庙台沟和庆沟进行的关联度计算之后，虽然关联度数值有所改变，但仍具有很好的一致性及变化趋势（见图5）.庙台沟和庆沟的关联度分别为0.551，6和0.560，7，稍微比小菁河沟大，比芭蕉河沟小，由此判断庙台沟和庆沟的危险等级为中低度，这与之前计算出的危险度基本一致.

注：关联度1、2分别为加入庙台沟、庆沟之前和之后的关联度值.图5 关联度与危险度的变化趋势

5 讨 论

函数赋值模型是在以往评价模型基础上改进优化建立起来的，评价因子中将环境因子进一步减少到5个，使评价因子更简洁、更容易获取，在实际使用过程中具有很好的评价效果.另外采用函数公式的转换值计算，使转换值连续变化从而避免了结合点的跳跃变化.理论上如果准确知道规模和频率这两个内在因子，危险度就确定了，但实际情况中，准确获取这两个因子有一定难度，因此采用间接的方法估算，并引进环境因子弥补这种估算带来的误差，关于泥石流规模和频率的关系还有待进一步研究.

灰色系统理论关联度对泥石流危险性相似性的评价的验证，是对函数赋值模型的一个补充.优点是可以使某一地区的泥石流危险性评价与其他地区的泥石流沟进行对比研究，从而得到更加客观的认识，避免了评价的片面性.

综合以上评价分析，危险性评价方法是有效和实用的，但也存在一些不足之处.首先是因子的选择问题，虽然利用双系列关联度对因子进行了选择，但实际由于影响泥石流活动的因子较多，相互之间关系复杂，因此在泥石流危险性评价中，因子的选取仍然是非常难，而且精确度有待进一步提高，关于因子之间的这种复杂的关系还有待进一步研究.另外是评价结果的适用性问题，评价结果最终要为防治工程提供参考，同样的参数泥石流沟可能会千差万别，而且与人类关系也会有微妙的变化，因此评价是否适用还需结合地区情况由专家现场综合评价进行修正，进一步推动评价与工程防治相结合.

6 结 语

通过研究区现场工程地质测绘得到了西山庙台沟、庆沟的地形地貌、地层岩性、气象水文等基础资料，结合遥感图像及DEM数据对地形地貌的分析，对泥石流沟进行了分区研究，分析了不同区的特征.根据当地实际情况，采用单沟泥石流危险性函数赋值模型和灰色关联度相似性分析分别进行危险度评价，评价结果为中低度，为工程防治工作提供了参考.采用函数赋值模型及灰色关联度相结合的方法具有很大的优点且容易操作，对所存在的问题也提出了合理的建议.参考文献：

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Hazard Assessment of the Debris Flow Gullies in Western Mountain Area of Weichang County Chengde City

CHEN Sumin1，JIAN Lijiang2，WANG Zhe1，HAN Lei1
（1. School of Geology and Geomatics，TCU，Tianjin 300384；2.The Fourth Geological Brigade，Hebei Mine Bureau，Chengde 067000，China）

The urban area located downstream of western mountain area of Weichang county Chengde city has been threatened by several debris flow gullies. Combined with remote sensing interpretation and engineering geological survey， the topography， lithology， hydrometeorology， etc of two debris flow gullies are analyzed， and the debris flow gullies are zoned. Connected with the practical situation， the hazard degree of Miaotai and Qing gullies is calculated by using function assignment model of single debris flow hazard assessment models，and the method of relational grade of grey system is used to have similarity verification. Results show that the hazard degree of the two debris flow gullies is low to moderate.

debris flow；hazard assessment；function assignment model；relational grade of grey system

P642.23

A

2095-719X（2016）02-0119-07

2015-04-13；

2015-06-18

河北省国土资源厅特大地质灾害治理项目（ZCZC-2013-158）

陈素敏（1988—），男，河北张家口人，天津城建大学硕士生.