坡面泥石流灾变易损性分析评价及防灾模式

2018-04-17罗冠枝陈全明王国卫

防灾减灾学报 2018年4期

罗冠枝，陈全明，王国卫

（湖南省地质环境监测总站，湖南长沙410007）

0 引言

2016年7月17日中午12 点05分，受持续性强降雨影响，湖南省湘西自治州古丈县默戎镇龙鼻村九组附近山体发生坡面泥石流，由于预警及时、处置果断，在灾害发生前15分钟成功转移群众500余人，无造成人员伤亡。这次成功避让得到了湖南省委、省政府及国土资源部的高度肯定，引起社会广泛关注。据调查，该灾害体掩埋铁路60 余米，造成焦柳铁路中断（达100个小时），摧毁房屋14间，初步估算直接经济损失2000万元。

以此为背景，提出坡面泥石流灾变易损性的概念，初步定义为“由于坡面泥石流灾害突变导致承灾体遭受不同程度的损毁”。在湖南地区对坡面泥石流研究比较少，坡面泥石流的识别目前仍是技术难题，特别对于一些灾变不明显的坡面。本文以默戎坡面泥石流为研究对象，分析评价坡面泥石流灾变易损性，更好地实现“防灾于前，减损于后”的防灾模式［1］。

1 构建评价指标体系

1.1 评价指标选取

坡面泥石流灾变易损性反映了坡面泥石流对承灾体自身造成危害程度所表现出的差异性，选取致灾因子和承灾因子作为主要评价因子，其中致灾因子包括坡面泥石流暴发频率、规模、物质成分、24 小时降雨量、势能储量环境，承灾因子包括承灾体与坡面泥石流的空间关系、承灾体结构类型和质量、承灾体所处的地质环境复杂程度、承灾体使用年限与设计年限比等［2-7］（表1）。

表1 坡面泥石流灾变易损性评价指标等级

1.2 建立评价指标体系

根据以上确定的评价指标及其相互影响关系，建立分级层次结构（图1）。可分为3个层次：目标层（A）、主要因子层（B）和基础评价指标层（C）。其中目标层是指坡面泥石流灾变作用对承灾体的易损作用，是整个层次分析的最终目标；主要因子层表示坡面泥石流和承灾体的特点，它是坡面泥石流灾变易损性评价的主要评价指标；针对主要评价指标的因素影响分析，细化为11个基础评价指标，以表示坡面泥石流和承灾体的基本特性。

2 基于AHP的改进灰色聚类法在坡面泥石流灾变易损性评价中的应用

改进灰色聚类法主要将评价对象中不同聚类指标所在的白化函数进行改进，按不同的灰类进行分类处理，进而判定评价对象的归属性。本文把坡面泥石流看作是一个灰色系统研究对象，将该方法引入到坡面泥石流灾变易损性评价中。

2.1 给定聚类白化数

2.2 改进的白化函数

把聚类指标以聚类等级i确定白化函数Ubi（xab）（b=1+，2+，3+…；i=1，2，3…）。因为每个聚类指标的白化数值相差较大，难以对比分析，因此先做无量纲化处理，其取值范围一般在0～1之间。第一类：

对于传统白化函数是线性稳定变化的，不能获取最佳的评价效果。由于坡面泥石流是一个复杂的灰色系统，并非简单的线性关系，因此采用非线性的白化函数来评价坡面泥石流灾变易损性更为合理，应用改进后的白化函数［8］形式如下：

对于逆指标：

式中， xab为第a 个评价单元的第b个指标实际值， sup（m）、inf（m）为指标易损性等级

该指数型白化函数具有区间单调性和极限存在特性［8］，其函数为分段的指数函数形式，作为坡面泥石流灾变易损性评价的白化函数较为合适。

2.3 规范化处理

评价指标体系中的各个指标所表征对象的性质属性各不相同，它们的量纲值也不相同。根据统计学原理，要对各个不同量纲的数据进行分析比较，先将其进行规范化处理，对这些数据全部转换成无量纲数据，再进行比较。按下面的线性关系对评价指标值进行无量纲处理。对于正指标：阈值的上、下确界， Rab为指标规范化值。经过这种规范化处理所得到的新数据均在0～1之间。

2.4 改进的聚类权

本文改用层次分析法来确定聚类权，可根据实际情况，确定各评价指标权重系数之间的合理排序，不至于出现指标系数与指标实际重要程度相违背的情况。

利用层次分析法确定聚类权的方法为：

（1）构造判断矩阵

根据实际需要，通过多个专家经验对评价指标进行打分来构造判断矩阵。判断矩阵元素的值主观反映了各评价因素相对重要性的认识，一般采用1～9及其倒数的标度方法（表2）。

表2 层次分析法的判断矩阵标度及其含义

一般采用根法或和积法，求得判断矩阵的特征向量wi=（w1，w2，…wn），即为评价指标的权重。

（2）一致性检验

衡量判断矩阵的不一致程度的数量指标为一致性指标为CI，满足

则判断矩阵的一致性准则为：

其中，λmax为判断矩阵的最大特征值， RI 可通过查一致性指标RI 值表得到。当CR<0.1时，则判断矩阵有可接受的不一致性；否则需要重新调整修正，直到一致性检验通过为止。

2.5 确定聚类系数

σai为第a 个聚类对象对于第i灰类的聚类系数。从而构造向量：

2.6 聚类分析评判

3 应用实例

本文以默戎坡面泥石流为例，说明基于AHP 的改进灰色聚类法在坡面泥石流灾变易损性评价中的应用。

3.1 默戎坡面泥石流概况

3.1.1 气象水文

3.1.2 地形地貌

3.1.3 地层岩性

3.1.4 水文地质条件

区内地下水类型主要有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。（1）松散岩类孔隙水：赋存于第四系残积相粉质粘土中，地下水水量贫乏，主要接受大气降水的补给，由高向低径流，在低洼处呈下降泉排泄或以线状向山脚下溪流中排泄。（2）基岩裂隙水：赋存于下伏页岩基岩裂隙中，主要受大气降水、地表水及松散层孔隙水补给，地下水主要沿裂隙运移，水量贫乏。

3.1.5 工程地质条件

（1）土体：分布于坡麓地带及溪沟两侧的冲沟谷底。其特征为含碎石粉质粘土、粉质粘土综合土体（残坡积物），松散单层结构，地基承载力特征值为150～260KPa。（2）岩体：强风化页岩，岩体节理裂隙发育，岩层极破碎，抗变形能力稍强。中风化页岩，属较硬岩组，抗变形能力较强，岩体较为完整。

3.1.6 灾害体特征

（1）基本特征

该坡面泥石流宽40m，坡体斜长130 m，坡向50°，坡面坡度50°。泥石流物质主要是由粉质粘土及碎石土组成，基岩主要为页岩，岩层产状320°＜12°，节理裂隙较发育，土层厚约2m。

据航测数据计算，受灾害影响面积为12120m2。其中，上部地质灾害形成区域面积为4960m2，灾体下部受损面积为7160 m2，体积9900 m3，属小型坡面泥石流地质灾害（图2、图3）。

图2 默戎坡面泥石流正面图Fig.2 Morong slopedebris flow front view

图3 默戎坡面泥石流俯视图Fig.3Morong slope debris flow view

（2）形成及危害特征

该坡面泥石流是在特大暴雨的激发下，凹型坡面内的松散土体饱水后突然起动，沿着基岩表面向下快速运动，猛烈地冲击下面的山体。滑塌体启动后立即转化为泥石流并继续向下流动，强烈地冲刷坡面，在山坡上留下了长条状的侵蚀凹槽，最后泥沙停积在斜坡脚，形成倒石堆状的堆积体。

默戎坡面泥石流冲毁5栋房屋，造成焦柳铁路龙鼻嘴2号隧道北硐口被掩埋，中断交通100 小时（图4、图5）。

综上所述可知，默戎泥石流是坡面泥石流，强降雨是其诱发因素，其危害方式以淤积和冲毁为主，调查参数如表3所示。

3.2 默戎坡面泥石流灾变易损性计算结果

根据层次分析法确定指标聚类权，判断矩阵如表4 所示。

表3默戎坡面泥石流调查参数评价指标调查参数S1调查参数S2调查参数S3 C10.010.010.01 C20.990.990.99 C3面蚀、沟蚀中等，由土、砂组成，颗粒差异较少面蚀、沟蚀中等，由土、砂组成，颗粒差异较少面蚀、沟蚀中等，由土、砂组成，颗粒差异较少C4>200>200>200 C5相对高差290m，坡度一般25°～50° 相对高差290 m，坡度一般25°～50°相对高差290 m，坡度一般25°～50°C60°～20°0°～20°20°～60°C7＜1010～5030～100 C8合理性较好，能较为便利泥石流的排通合理性差，不利于泥石流排泄，并会导致强烈的冲击与冲刷破坏合理性一般，较利于泥石流的排泄，但会引起一定程度的泥石流破坏作用C9钢筋混凝土结构，质量较好木制结构，质量差木制结构，质量差C10地质环境条件较复杂，不良地质现象与地质灾害较发育地质环境条件较复杂，不良地质现象与地质灾害较发育地质环境条件较复杂，不良地质现象与地质灾害较发育C110.2 ～0.40.2 ～0.60.2 ～0.6

表4AHP法判断矩阵指标C1C2C3C4C5C6C7C8C9C10C11 C11.00.30.50.10.30.20.20.20.20.20.2 C24.01.03.30.32.00.30.50.30.52.02.5 C32.00.31.00.10.30.10.10.10.20.30.3 C48.04.09.01.03.31.31.71.41.72.53.3 C53.00.54.00.31.00.20.30.30.30.50.3 C66.03.08.00.85.01.02.01.31.73.32.5 C75.02.07.00.64.00.51.00.30.33.32.0 C86.03.08.00.74.00.84.01.03.35.03.3 C96.02.06.00.63.00.63.00.31.02.53.3 C105.00.53.00.42.00.30.30.20.41.00.3 C115.00.44.00.33.00.40.50.30.33.01.0

求得w=（0.0172，0.0673，0.0186，0.1745，0.0388，0.1603，0.0991，0.1872，0.1211，0.04 94，0.0665）。

再由改进灰色聚类法公式计算出聚类向量σS1=（0.0000，0.4593，0.0341，0.0727，0.4339），σS2=（0.0000，0.1178，0.0674，0.4801，0.3348），σS3=（0.0000，0.1178，0.4300，0.2777，0.1745），根据择近原则，位于坡面泥石流正下方的隧道承灾体S1属于低度易损性，位于坡面泥石流正下方的房屋承灾体S2 属于高度易损性，位于坡面泥石流两侧的房屋承灾体S3属于中度易损性。调查表明，位于坡面泥石流正下方的隧道未受损毁，位于坡面泥石流正下方的房屋损毁严重，位于坡面泥石流两侧的房屋受损较轻，与评价结果基本吻合，表明该评估方法不仅可以应用在坡面泥石流灾变性易损性评价上，而且所得的结果具有较好的适用性。

4 防灾模式

默戎泥石流发生后，相关部门采取了积极有效的防灾减灾措施，包括撤离措施、抢险措施和治理措施，取得了明显的防灾效果。通过本次默戎泥石流成功的避险案例，本文提出“防灾于前，减损于后”的防灾模式，包括监测、预警、决策、处置等，为今后类似的灾害作出借鉴。

（1）监测

地质灾害监测是地质灾害防治工作的一个重要环节。通过采用不同的监测手段，了解灾害体的动态变化特征。在此基础上，对地质灾害进行科学预报，确定有针对性的具体防范措施。监测的主要内容包括水文气象监测、地下水监测、位移监测等。同时，要有效落实监测预警值班和动态巡查制度，建立汛期24小时监测值班值守制度，坚持汛前排查、汛中巡查、汛后复查。

（2）预警

国土部门与气象部门联合开展地质灾害气象风险预警预报工作，不断完善地质灾害监测预警服务平台，超限报警自动向各级防灾责任人和群测群防员发送警预信息，为地质灾害防治提供更加快捷准确的预报预警信息，与气象、水利等部门建立会商机制，采用“群测+群防”的工作方式构筑地质灾害防治预警的“安全网”，更加准确科学防灾。

（3）决策

建立会商指挥决策管理系统，该系统是地质灾害防治决策过程中最重要的工作环节之一，当突发性地质灾害发生时，通过网络的可视化形式，实现分布在不同地方的各种地质灾害防治专家和地质灾害防治决策人员实时查看该地质灾害发生的现状，以会商的形式，收集整理各位专家提出的各类地质灾害应急预案，并由地质灾害防治决策人员根据国家有关规定，在确保人们生命财产以及重大工程安全、尽量较少灾害损失及尽量保护环境的前提下，选择出满意的应急预案，并对各种地质灾害应急预案做出科学的评估和决策。

（4）处置

建立应急反应机制，组建突发性地质灾害应急指挥部和由国土、财政、公安、武警、医疗、交通、水利、建设、环保、气象等部门工作人员联合组成的应急处理队伍。对突发性地质灾害事件，采取积极有效的应急反应措施，保障灾区社会稳定，减轻灾害造成的损害。