奥布公路泥石流危险性评价

尚彦军 李坤 陈全君

摘   要：作为喀喇昆仑公路的重要组成部分，奥依塔克-布伦口（简称奥布）公路受到沿线数量众多且规模较大的泥石流影响，常导致行车中断，人员和车辆安全受到威胁。在现场地质考察和走访基础上，依据ArcGIS工具对奥布公路段的15条典型泥石流沟开展了重点调查和危险性评价。首先对汇流面积、纵坡度、面积宽度比、堆积区面积和距公路距离等5个评价因子属性进行归一化处理;然后采用两层结构的层次分析法计算得到影响因子的权重，随后将属性函数与权重乘积加和，得到灾害易发性指数（DFRD）;最后对泥石流危险度（DRFR）进行计算分析和危险程度分级。结果发现，高-中度危险的11条泥石流主要分布在布伦口峡谷上游、盖孜检查站和加水沟之间，构成了泥石流灾害发育较为集中且危害性较大的路段。工程上相应采用隧道、高架桥等绕避措施，取得较好成效。

关键词：奥布公路;泥石流;归一化;层次分析法;危险性

位于塔里木盆地西南缘的帕米尔地区受印度板块和塔里木板块向该区双向俯冲影响，形成了喜马拉雅西构造结。该西构造结是古亚洲构造体系和特提斯构造体系唯一直接对接的地方，是喜马拉雅造山带中地壳缩短最强烈、震源深度最大和隆升最快的地区。地震层析资料揭示，在喜马拉雅西构造结部位，印度岩石圈板片向北深入俯冲到兴都库什之下500 km深度，亚洲大陆岩石圈板片向东南俯冲于帕米尔之下300 km 深处[1-5]。双向深俯冲导致亚洲大陆在该地发生了300～700 km 地壳缩短，缩短速率达10～20 mm/yr [6，7]。研究表明，在深入俯冲过程中，兴都库什岩石圈板片受印度大陆西北缘两条剪切运动方向相反的走滑断裂带（恰曼左行走滑断裂和喀喇昆仑右行走滑断裂） 制约，发生岩石圈板片撕裂[8]。从本区第四纪地质作用角度看，该地区大规模构造隆升和侧向挤压仍在继续，且外动力作用所呈现的物理风化和剥蚀夷平作用也十分显著。

受上述复杂地质条件影响，中巴公路周边地质灾害频发。我国部分研究学者开展了对中巴公路沿线地质灾害的研究并取得一定成果。王景荣对中巴公路喀什至塔什库尔干路段泥石流灾害开展了研究[9]，认为此段泥石流暴发的主要原因是固体物质堵塞而形成突发性冰雪消融洪水。张学进对中巴喀喇昆仑公路沿线7 种类型地质灾害做了粗略统计及分布特征研究[10]。胡进、廖丽萍、朱颖彦等对中巴公路穿西喀喇昆仑-喜马拉雅山系冰缘地带沿线地形、地貌、冰川特征以及冰川灾害给公路施工及交通运行带来的危害进行了分析[11-14]，将与冰川有关的灾害分为冰川灾害（冰雪崩、冰水溃决、冰川跃进、冰舌波动、冰川涌水）与冰川地质灾害（冰湖溃决、冰川泥石流、冰川滑坡、冰川岩崩、堵江），并对冰川及冰川地质灾害分布特征进行总结。方成杰针对奥布公路某泥石流做了室内模拟试验，研究泥石流的起动成因[15]。邓恩松以奥布公路段26条泥石流为例，采用灰色系统方法对其进行危险性评价[16]。

虽然前人对中巴公路地质灾害做了研究并取得一定成果，但大多数文献未对中巴公路全线地质灾害分布进行详细分段。无论是在中巴公路，还是在各地地质灾害评价研究中[16]，在评价因子选取及分级时，很少考虑灾害点与各因子的对应关系，尤其在因子权重的确定方法上，综合考虑评价指标空间分布特征的较为少见。

本文在奥依塔克-布伦口（奥布）公路段82个地质灾害点（这里的灾害点包括崩塌、滑坡、泥石流，多个灾害点可能在同一条大型泥石流堆积范围内）调查工作的基础上1，选取15条典型泥石流沟，考虑多种因素对泥石流沟发育的影响，采用层次分析法对奥布公路段泥石流灾害的危险性进行了评价。

1  研究区地理地质条件

研究区地势西南高东北低，以盖孜检查站为界，西南以高山地貌为主，海拔3 000 m以上，公格尔山和慕士塔格峰海拔分别为7 649 m和7 546 m，东北部则以中山地貌为主，地形相对平坦（图1）。奥依塔克以南区域以高海拔山地为主，沟谷纵坡降大，动力条件充足，对泥石流发育极有利，大型坡面泥石流及沟谷泥石流分布广泛，危害较大。全长 70 km的奥依塔克至布伦口的奥布公路段沿盖孜河谷修建，沟谷狭窄，水流湍急，两侧山体陡峭，是中巴公路国内段地质灾害发生頻率最高、规模及破坏性最大的地段。

研究区位于青藏高原西北部，喜马拉雅西构造结（帕米尔构造结）东北缘，是西南天山-西昆仑山-塔里木盆地三大系统的结合部位，同时也是青藏高原块体边缘地带，是新构造运动与变形最强烈地带之一[17]。

奥布公路段是中巴公路国内段地质灾害易发性最强、灾害规模最大、影响最为严重的区段，此段地质灾害中主要为泥石流灾害且影响最严重。认识泥石流灾害的危险性程度，是泥石流灾害防治、避灾甚至抢险救灾的重要基础。本文选取奥布公路段15条典型泥石流（图2），对其危险性进行评价。本文所说的泥石流危险性是指泥石流发生时对奥布公路正常安全运行构成的潜在危害程度，对奥布公路段泥石流灾害危险性评价的目的就是阐明泥石流对该公路段安全运行的潜在危害程度。图2中3种不同颜色表示3个等级的危险性程度，不同区块泥石流的流域范围等属性参数见表1。不同颜色的区块表示各泥石流汇流范围，未专门表示堆积区，但在后续危险性评价指标中实际考虑了堆积区面积。

2  评价因子指标选取及定性分析

影响泥石流危险性的因素复杂多样，可用于泥石流危险性评价的因子指标众多，且不同地区相同指标的影响程度不同，需选取研究区规律性明显、能代表泥石流历史活动情况和潜在形成条件的指标。牛岑岑对13篇文献中研究泥石流危险性所选用的评价指标对比发现，采用的指标数量4～9个不等，其中使用较多的前5个依次是纵坡降、流域面积、岩性、植被覆盖和坡向[17]。本文泥石流危险性评价目的主要服务于交通工程，考虑现场地质灾害调查及遥感影响分析结果，选取泥石流流域面积、沟纵坡度、冲出沟口宽度、堆积区面积、冲出口到公路线距离这5个主要评价因子，形成泥石流危险性评价指标。据奥布公路段冰雪融水型和暴雨型泥石流特点和泥石流物源供给的充足程度，暂不考虑研究区泥石流物源区覆盖层厚度、降水量、地质构造、泥石流发生频率、泥石流补给长度、植被覆盖率、沟谷弯曲程度等影响因素，仅就上述5个泥石流灾害形成的基本条件对研究区段泥石流危险性进行评价。这5个评价因子与评价目标（泥石流危险性）构成了如图3所示的3个层次关系（层次模型），分别是：最上面目标层，最下面方案层，中间指标层。

2.1  泥石流流域面积

对于同一区域地质条件的研究区来说，覆盖层厚度相同条件下，泥石流汇流区面积越大，则泥石流物源体积和汇入水量越大，泥石流发生规模和影响力就越大。本区山高坡陡，流通区不很发育。因此，认为泥石流灾害危险性与汇流面积呈正相关。

2.2  泥石流沟纵坡度

据经典动能定理：物体因运动而具有的能量，其数值上等于物体质量与其运动速度平方乘积的二分之一，即：

Ek=[12]mv2[…………………]（1）

式中：EK——运动物质携带的动能，m——运动物质质量，v——物质运动速度。

泥石流运动携带的动能与泥石流运动速度的平方成正比。据能量守恒定律可认为，在运动物质质量、地形粗糙度及水平距离相同的条件下，泥石流的运动速度与其运移的垂直落差呈一定正相关关系。水平距离相同，垂直落差越大，坡度越大。因此，认为泥石流的危险性与泥石流沟纵坡度呈正相关关系。

2.3  流域面积和出口宽度比

在泥石流体积总量及纵坡降不变情况下，泥石流流出口断面面积越大，则流出速度越慢，其动能就越小。因此可认为，泥石流的危险性与泥石流流域面积和泥石流出口宽度二者的比值（简称面积宽度比）呈一定正相关关系。

2.4  泥石流堆积区面积

一般来说，泥石流流出后会呈扇形散开，在流出口附近堆积。在泥石流物质总量一定的条件下，堆积扇面积越大，则扇缘部位能量分量越小，造成的冲击力越弱。奥布公路穿越泥石流发育区路段大多在泥石流堆积扇扇缘附近，且一些当地村庄也建在较大冲洪积扇缘部位，沟谷分化已基本定型。因此，可认为泥石流危险性与泥石流堆积区面积大小呈一定负相关关系。

2.5  泥石流流出口到公路線距离

泥石流通过流出口进入堆积区，即进入了减速堆积过程。在相同地表粗糙度和垂直落差条件下，泥石流在堆积区的运动距离越长，其能量损失越大。因此可认为，泥石流对奥布公路的危险程度与泥石流流出口到公路线的距离呈一定负相关关系。

3  评价因子指标量化

通过现场勘测和遥感影像解译，得到奥布公路段15条典型泥石流危险性评价的5个因子属性值   （表1）。

为消除不同因子属性量纲不统一对评价结果造成的不均衡影响，使不同因子的数据具可比性，便于统计和系统分析，需对各因子的数据进行量化处理。量化方法需据系统评价目标、区域特征、因子属性特征、因子与目标对应关系来确定。常见的因子量化方法为归一化处理和等级划分。

常见归一化公式如下：

Ai=a+[（b-a）（xi-min（xi））max（xi）-min（xi） ………]（2）

式中：Ai——归一化处理后的数据，a、b——归一化范围下限（本文取0）和上限（本文取1）;min（xi）、max（xi）——因子量化的最小值和最大值。在影响因素与系统评价目标正相关时，式（2）适用，若影响因素与系统评价目标负相关，则计算时需用归一化上限减去归一化值。

因子影响值归一化方法适用于因子属性值与系统评价目标呈正相关或负相关的情况，归一化处理较便捷。对于因子属性值与系统评价目标不呈线性关系或不呈一定递增（递减）规律的，则归一化方法不适用。如：坡度大于或小于一定角度，则发生泥石流可能性较小。鉴于此，有些因子的量化需要采用因子标准量化处理。

对评价因子标准量化的方法为：①据因子属性特征，对其进行定性描述，或划分其属性值区间，如地形坡度区间划分;②据因子与评价目标的相关关系，将评价因子对评价目标的影响程度做定性分级 （如影响强、中、弱等）;③按评价因子的定性分级，将因子影响值定量化分为（0，1）区间内的递增数值（如分为4级，则最小级别和递增区间都为1/4=0.25的影响值，即：0.25，0.5，0.75，1）。研究区各泥石流评价因子量化结果见表2。

4  因子权重确定

据本区泥石流特点，采用层次分析法对本研究区泥石流评价所选取的5个影响因子对评价目标    （泥石流危险性）的贡献大小（影响程度）进行两两比较[18]，比较时取1～9排定各评价指标的相对优劣顺序。各影响因子对评价目标影响相对重要程度的两两比较值（1，1/2，2）的确定在于：1表示两个因子同等重要，1/2表示A不如B重要，2表示A比B重要。建立泥石流危险性影响因子的权重判断矩阵见表3。计算判断矩阵A各行各因子mi的和;将A的各行元素的和进行归一化;该向量即为所求权重向量，从而得到各因子权重值W（A/B）。

5  泥石流危险性评价

各泥石流的归一化（或标准化）的各影响因子量化值fij（表2），与各因子对评价目标的贡献程度（权重Wi，等于表3中 W（A/B））按式（3）进行乘积叠加，得出中巴公路沿线泥石流危险度（Debris flow risk degree，DFRD）指标值。

DFRDj = [i=15Wi⋅fij][……………]（3）

式中，下标j=1，2，…，15，代表研究区15个泥石流的编号（图2）;下标i=1，2，…，5，代表所选取的5个泥石流影响因子的序号（表3）。据式（3）计算得到15条泥石流的危险度（图4）。

由图4可见，尽管1、2和3号泥石流流域面积较大，但由于泥石流沟坡度较缓、距离公路相对较远等原因，其对公路的危险性相对较小。而10-14号泥石流虽然流域面积相对不大，但距离公路较近，坡度较陡，泥石流发生后积蓄能量较大，对公路影响的危险性较大。

按15条泥石流危险度DFRD，初步对研究区泥石流的危险性进行分级。这里采用3个等级划分：相对弱危险（小于0.41）、中等危险（0.41～0.53）、高危险（大于0.53）（图2中用不同颜色区分）。高危险泥石流编号为4、6和14的3条泥石流，中等危险的泥石流编号为5、7～13的8条泥石流。这11条泥石流主要分布在布伦口峡谷上游（公格尔山峰下）、盖孜检查站和克鲁格阿特村（托卡依托一桥）之间的路段，构成了奥布公路泥石流灾害发育集中且危险性较大的路段。

位于盖孜检查站下游的6号泥石流出口走向约160，堆积扇坡度小，南北长400 m、东西宽340 m，可见堆积厚4 m（图5）。老路在新路以南19 m，低于新路路面2 m。在这些沟谷较开阔的路段，工程上采用提高路基、提高桥梁净空等工程措施来避开泥石流的不利影响，但1年后仍出现了桥涵淤积的问题。

此处向上游沟谷开始变为峡谷区，在冰雪融水型泥石流分布较集中、沟谷狭窄而冰碛物堆积发育的路段采用了较长距离的高架桥（克勒克大桥等）、隧道（公格尔隧道）方式通过，避开泥石流堆积区。

以2015年11月6日建成、2017年通车、全长    2 635 m的公格尔隧道为例。该隧道位于盖孜村上游4 km，设计为双线单洞，净宽10 m，净高5 m，设计时速60 km。该隧道规划设计，即采用了避让冰雪融水型泥石流及该隧道南侧沟谷左岸段厚层状变质细粒岩屑砂岩夹薄层千枚岩组成的高陡的“老虎嘴”崩塌灾害段（图6）。该段公路位于高出沟底8～12 m的I级堆积阶地上，隧道位于高出沟底20 m的II级阶地上，盖孜村位于高出沟底130 m的高冰碛台地上。从空间避让角度，该路段工程较有效地预防了公格尔冰川泥石流的危害。从现有公路安全角度，这里未将该泥石流列入上述15条泥石流中。

6  结论

受暴雨和冰雪融水影响，奥布公路段以泥石流为主的地质灾害极发育。在现场地质调查基础上，借助ArcGIS工具选取奥布公路段15条较大汇流面积的典型泥石流，据其汇流面积、沟纵坡度、流域面积与出口宽度比、堆积区面积、离开公路距离等5个影响因子属性，采用层次分析法对指标权重进行计算。然后对泥石流对公路的危险程度进行评价，并将危险程度分为3个等级。

在选出的15条泥石流中，危险性程度中—高的11条泥石流主要分布在布伦口峡谷上游、盖孜检查站和克鲁格阿特村（托卡依托一桥）之间的路段，构成了泥石流灾害发育集中且危险性较大的路段。除此之外，在盖孜河沟谷上游长近30 km的峡谷段，运移距离短、纵坡降大的冰雪融水型泥石流集中，工程采用了高架桥、隧道等方式避让，取得了一定成效。

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