隆务峡段公路泥石流危险性评价
2022-08-01王国建
王国建， 井 浩*， 陶 虎
(1.青海交通职业技术学院，青海 西宁 810003；2.兰州交通大学，甘肃 兰州 730070)
青海省位于青藏高原东北缘，由于新构造运动强烈，断层广泛发育，地形破碎，沟谷众多，加之青藏高原脆弱的生态环境，使得青海成为泥石流灾害影响较为严重的省份之一[1]。特别是青海东部地区，因为降水多以地形性的短时暴雨为主，且山区地表岩层渗透性能差,致使地表径流及面状侵蚀十分强烈，极易形成暴雨型泥石流。受极端气象频发因素的影响，G213线策克至磨憨公路的隆务峡段频繁发生泥石流灾害，造成路基冲毁及涵洞损毁，危及交通安全[1]。泥石流危险性的等级不同，对公路造成的危害程度就不同，进而采取的防治措施也就不同。因此，对公路沿线泥石流沟谷的危险性进行评价，为公路建设及养护部门的防灾减灾提供参考和指导，保证交通运输的安全畅通具有重要意义。关于泥石流危险性评价研究，最早是足立胜治提出的“泥石流发生危险度的判定”，从地貌、泥石流形态和降雨三方面的分析来判定泥石流发生率[2]；刘希林[3]提出了泥石流危险度的判别方法，给出了影响泥石流危险度的八大因子，采用关联度分析确定单沟泥石流的危险程度。20世纪90年代，主要是以单沟泥石流的危险性评价为核心开展研究，随着GIS研究平台的兴起，研究尺度从单沟泥石流扩大到区域泥石流危险性评价。目前，泥石流危险性评价方法主要有模糊数学评价法[4]、层次分析法[2]、灰色关联法[5]、人工神经网络法[6]、地貌信息熵法[5]、物元可拓法[7]等。
物元可拓法是一种综合评价方法，对于多因素叠加影响的研究对象，其评价结果准确可靠，广泛应用于水质评价、土壤污染评价及地质灾害评价等诸多领域。运用物元可拓法评价泥石流的危险性，能够较好地反映出地质地貌、沟谷流域特征及降水等多因素对其危险性的影响，通过构造评价等级的相应物元，进而对泥石流危险等级进行评价。物元可拓法评价泥石流危险性的最大优势在于其评价等级科学合理、原理简单明晰，评价结果的准确性和可靠性在国内工程实践中已经得到验证。本文通过对G213线策克至磨憨公路隆务峡段的11条典型泥石流沟进行调查，取得泥石流沟的基本特征参数，根据各沟谷的孕灾条件，充分考虑影响泥石流危险性的10个主要因素，构建泥石流危险性评价的物元模型[1]，评价了该区段内11条泥石流沟的危险等级，为该区段公路泥石流的防治工作提供参考依据。
1 研究区概况
1.1 位置及地质地貌条件
研究区位于青海省东部黄南藏族自治州尖扎县东南角(图1)。隆务河由南向北穿越研究区，处于隆务河下游段，属于侵蚀构造中高山区。G213线策克至磨憨公路穿过隆务峡谷，该段长约26 km，两侧山体坡度大于30°，沟深坡陡。沟谷多为三面环山一面出口的漏斗状或树叶状，横断面“V”型谷，谷底宽数米至数十米。山体表层植被覆盖率低，基岩裸露，风化强烈，水土流失严重，有利于水和碎屑固体物质聚集，因此峡谷两岸泥石流极为发育[1]。
图1 研究区域地理位置Fig.1 Geographical location of the study area
隆务河峡谷区地层岩体主要为二迭系灰岩、砾状灰岩夹钙质砂岩、含粉砂质粘板岩和三叠系上、中、下统砂岩及板岩、白垩系火山岩，单层厚2～15 m。在冲沟及坡脚有较厚的第四系碎石类冲洪积物， 由块石、砾石及砂质黏土等组成[8]。
1.2 气象条件
研究区地处黄土高原西端向青藏高原的过渡地带，属高原半干旱大陆性气候。气候特点为寒冷干燥，日照充足，日、年温差大，降水集中[1]。气象水文条件则是泥石流发生的主要水动力来源，研究区内降雨具有雨热同期、降雨时间和降雨量集中、短时强降雨突发频发的特点。据尖扎县气象站资料，2010至2019年尖扎县年平均降水量为378.44 mm；年际降水量最大在2018年，降水量为535.4 mm；其次为2016年，降水量为453.2 mm。年内降水最多的月份为5—9月，月平均降水量分别为51.07、49.05、77.01、83.54、66.77 mm；6—8月降水量最多，约占全年降水量的60%[1]。
2 物元可拓模型
2.1 物元
将研究对象记作N,N的特征为C,关于C的量值为V,把这样的三元有序数组R=(N,C,V)称为物元[9]。对于有若干个特征的研究对象N,用c1,c2,…,cn表示,其量值用v1,v2,…,vn表示,则该研究对象可表示为：
(1)
式中:R为n维物元。
2.2 确定经典域与节域
设有m个评价等级N1,N2,…,Nn，并建立相应的物元：
(2)
式中:Ni为划分的第i个评价标准等级；ci为标准等级Ni的评价指标；xij(j=1,2,…,n)是评价等级Ni(i=1,2,…,m)关于评价参数ci(i=1,2,…,n)的量值域，称为经典域[10]。
建立物元Rp,取Rp⊃Ri，且：
(3)
式中:N为评价标准；xpi=
2.3 确定待评物元
确定待评泥石流沟P的几维物为R：
(4)
式中:P为拟评泥石流沟;xpi为P关于评价指标ci的实际值。
2.4 距的计算及关联函数
距的计算：
(5)
关联函数：
(6)
2.5 确定评价指标权重
在多因素的综合评价中，各个因子的权重赋值至关重要，需要根据各因素对待评对象的影响程度不同而赋予不同的权值[11]。权值计算方法有多种，如专家打分法、层次分析法、熵权法、组合赋值法等[1]。这些方法各有优劣，本文选用层次分析法来确定权值。
首先，对影响泥石流危险性的因子按照相互间重要性进行打分。
其次，构造判断矩阵：
A=(aij)n×n
(7)
式中：A为判断矩阵；aij为第i个元素ui与第j个元素uj重要性之比。
再由下式求最大特征根λmax和特征向量W：
AW=λmax
(8)
W=(ω1，ω2，…ω1)T
(9)
(10)
对判断矩阵做一致性检验，当C.R.<0.1时，说明矩阵具有较好的判断一致性，各个因子的权重赋值是合理的。
2.6 物元的关联度与评价等级
待评泥石流沟P对于不同危险性等级j的综合关联度为Kj(p)，公式为：
Kj(p)=∑aijKi(xj)
(11)
式中：Kj(p)为综合关联度,aij为各因子权重。
关联度代表样本点符合某段标准要求的程度，比较经过加权后计算的关联度Kj(p),其值越大表示越接近该等级，从而可判定研究对象的评定等级。
3 研究区泥石流危险性评价
3.1 评价指标选取及等级划分
不同的因素对泥石流危险性影响的程度不同[12]，泥石流危险性评价因子的选择必须具有代表性、相对独立、容易获取、易于量化，且因子数量适当。研究区泥石流属于暴雨型泥石流，通过现场调查及遥感影像解译，获得了11条典型泥石流沟的基本特征参数，通过计算得到泥石流的动力学参数，查阅气象资料获得相关气象数据。通过分析筛选了10个评价因子：泥石流一次性最大冲出量S1(104m3)，流域面积S2(km2)，主沟长度S3(km)，相对高差S4(km)，松散物源量S5(104m3)，最大日降雨量S6(mm)、流域切割密度S7(km/km2)，主沟床弯曲系数S8，泥石流暴发频率S9(次/100 a)，植被覆盖率S10(%)[1]。根据野外调查，整理得到本区段11条泥石流沟的各评价指标取值，见表1。
表1 泥石流危险度评价指标取值Tab.1 Index values of debris flow risk assessment
物元可拓法相对于其他评价方法，一个显著的特点是它的每一个评价因子都可以按照数值区段进行标准分级。根据DZ/T 0220-2006《泥石流灾害防治工程勘查规范》[13]的分级标准，以及刘希林等[13]的研究成果，将泥石流危险等级划分为4个等级，各评价指标对应的等级见表2。
表2 泥石流危险性评价指标等级Tab.2 Index grades of debris flow risk assessment
3.2 数据处理
3.2.1 物元的构造 由表2可得出泥石流危险性分级标准的经典物元矩阵与节域矩阵，将泥石流危险性评价等级即轻度危险、中度危险、高度危险、极度危险分别记为N01、N02、N03、N04,其物元矩阵如下：
(12)
节域矩阵如下：
(13)
3.2.2 评价指标权重的确定 用层次分析法来确定权值，根据公式(7)构造判断矩阵，见表3。
表3 层次分析法判断矩阵Tab.3 Judgement matrix of analytic hierarchy process
采用方根法求出上述判断矩阵的最大特征根λmax=11.04，将与其对应的特征向量归一化[14]，得到评价指标的权重：
W=(0.198 9，0.081 4，0.036 3，0.052 5，0.194 5，0.096 4，0.081 4，0.045 8，0.194 5，0.018 3)T
(14)
通过一致性检验，C.R.=0.077<0.1，判断矩阵的一致性满足。
3.2.3 关联度计算及等级评价
通过式 (5) 、式(6)计算待评泥石流沟中各评价因子的关联度。以K65+350泥石流沟的S1因子在N01(低度危险)上的计算为例，关联度计算如下：
距的计算：
(15)
因为x1=0.16∈x11=(0,10)，所以关联度：
(16)
通过计算，S1因子在N02(中度危险)、N03(高度危险)、N04(极高危险)上的关联度计算结果分别为：-0.984 0、-0.998 4、-0.999 8。
其余10个因子在各等级上的关联度计算结果见表4。
表4 K65+350泥石流沟危险性指标关联度Tab.4 Correlation degrees of risk index of debris flow gullies K65+350
表4(续)
根据式(11)计算10个因子相对于各等级的综合关联度，以K65+350泥石流沟各因子相对于低度危险等级的综合关联度计算为例：
K1(N01)=(0.016×0.198 9)+(-0.179 5×0.081 4)+(-0.279 7×0.036 3)+
(-0.382 6×0.052 5)+(0.369 0×0.194 5)+(-0.978 9×0.094 6)+
(-0.378 0×0.081 4)+(0.009 1×0.045 8)+(-0.444 4×0.194 5)+
(-0.916 7×0.018 3)=-0.197 8
(17)
10个因子在中度危险、高度危险和极高危险等级的综合关联度分别为：-0.522 6、-0.797 2、-0.688 8。
对于K65+350泥石流沟各等级的综合关联度中最大值为-0.197 8，对应低度危险等级，故K65+350泥石流沟危险性等级为低度危险。
G213公路隆务峡段11条泥石流沟的危险性等级计算结果见表5。
表5 研究区内泥石流沟危险性指标综合关联度及等级Tab.5 Comprehensive correlation degrees and grades of risk index of debris flow gully in the study area
4 讨论与结论
经调查发现，G213线策克至磨憨公路隆务峡段的泥石流成群发育，研究区多数泥石流沟的形成区和流通区都混合在一起，没有明显的区别，为坡面型泥石流沟，在调查的11处泥石流中，有7处为坡面型，占比为63.6%。这是该研究区泥石流类型分布的显著特征，也是青藏高原东北缘中高山地区公路沿线泥石流分布的普遍特征。
本研究运用物元可拓法对G213公路隆务峡段频发的11条泥石流沟的危险性进行分析，危险性评价结果为中度危险的泥石流沟4条，占36.4%，均为沟谷型泥石流沟；被评价为低度危险的泥石流沟7条，占63.6%，均为坡面型泥石流沟。评价结果与G213线策克至磨憨公路隆务峡段实际遭受的泥石流危害程度高度一致。据该地区公路养护段统计，该路段K65+600及K69+430处的沟谷型泥石流灾害破坏最为严重，经常造成路基部分被毁，涵洞翼墙破坏，泥石流冲出方量大，与中度危险的评价结果相符；其余7处坡面型泥石流均在路面上造成规模大小不等的堆积，没有造成道路损毁，危害较小，与低度危险的评价结果相符。在评价精度方面，对沟谷型泥石流沟的评价结果准确度高，与实际情况吻合度达到100%；对坡面型泥石流沟的评价结果与实际情况吻合度为85.7%，总体吻合度达到90.9%。说明物元可拓法能够较好地解决泥石流危险性评估中各因子的分级问题，评价结果精度高，对G213公路隆务峡段泥石流沟道防治工作具有重要指导意义。
本研究运用物元可拓评价模型进行泥石流危险性评级，相比较李宗有等[9]和宋兵[15]的研究，本研究发现泥石流沟谷的类型对评价精度影响显著，本方法对沟谷型泥石流的危险性评价比坡面型泥石流更适合。分析认为坡面型泥石流沟流域面积小、沟道短浅及纵比降大的特点，导致各因素的变化误差更容易积累和传导，最终使得坡面型泥石流评价结果误差较大，在以后的应用中应注意对泥石流沟类型的区别。
