滑坡-泥石流灾害链特征分析与风险评价——以川西石棉县马颈子沟为例

王翔弘绅,余建华,胡桂胜,杨志全

(1.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,四川 成都 610041;2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院,云南 昆明 650093;3.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,四川 成都 610041;4.高原科学与可持续发展研究院,青海 西宁 810016)

多数地震能够削弱山体结构强度,并激发滑坡灾害,为泥石流形成提供物源,并在集中强降雨条件作用下,滑坡可能进一步发展为泥石流灾害,因此在强震后的地震灾区具有常形成滑坡-泥石流灾害链的特征[1-2]。以2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日芦山地震为例,地震作用下激活了山体间部分已存在的滑坡体,产生并激发了其他新的地质灾害[3-5]。而在汶川地震后的几年里,由于山体坍滑破坏形成了大量的松散堆积物源,在局部降雨的作用下形成了许多灾难性的泥石流灾害[6-7],如汶川县映秀镇2010年8月14日、2013年7月10日和2019年8月20日泥石流。尽管震后滑坡-泥石流灾害链已经得到初步的研究和揭示,但是风险评价工作依然缺乏,因此对滑坡-泥石流灾害链特征与风险评价的研究具有重要的意义。

我国对多灾害灾害链的研究尚处于起步阶段,近期的研究都集中在我国西南山区,特别是以四川省汶川县为中心,如尹云鹤等[2]建立了西南地区地震-滑坡-泥石流灾害链风险防范措施框架,陆研等[8]和雨德聪等[9]运用信息流理论将降雨指标与滑坡-泥石流灾害进行了因果分析。以往的研究更注重对灾害数据的统计分析,但是需要投入大量的时间与精力,且效率和准确率都偏低。随着GIS技术的发展,复杂山地灾害的研究进程不断推进,已有研究主要利用灾害耦合预测对灾害链进行预测分析[10-11]。但是目前国外学者在这方面的研究较少,国内学者针对不同灾害链提出了相应的理论模型与灾害链防治措施框架,如:胡凯衡等[12]建立了滑坡-泥石流灾害链风险评估的理论框架和概念体系;马金珠[13]通过遥感解译和科学实验,在白龙江流域建立了多尺度滑坡-泥石流综合风险评估体系与技术示范点;乔建平等[14]以工程效益四要素(风险区划、风险概率﹑风险受损率、风险防御)为基础建立了小流域滑坡-泥石流灾害链风险综合评估模型,为更多灾害链的研究提供了参考。然而,对于相同灾害类型和不同灾害类型个体之间或不同灾害类型之间的相互作用过程和形成机理方面的研究仍然相对薄弱,针对地质灾害链体系,其评价方法、研究方法和技术体系还不完善和系统化[15],在这一领域仍然有待深入研究。

针对上述滑坡-泥石流灾害链研究和风险分析的不足,本文以四川省石棉县回隆村马颈子沟低频泥石流(2013年7月4日18时30分左右,马颈子沟发生泥石流,其冲出固体物质总量达30万m3)为研究对象,分析了该滑坡-泥石流灾害链特征,并基于多灾害理论对马颈子沟滑坡-泥石流灾害链进行了综合风险评价,以为类似研究提供理论依据和经验。

1 研究区概况

马颈子沟流域地处青藏高原横断山脉东部石棉县(雅安市西南部,北纬28°51′～29°32′,东经101°55′～102°34′)回隆村(石棉县县城东南向6.8 km),南桠河右岸,沟口地理坐标为北纬29°10′52.55"、东经102°23′26.14",该泥石流沟位置如图1所示。马颈子沟流域内地形陡峭,属深高中山地区,总体上以“V”型谷为主,流域面积为8.4 km2,相对高差1 957 m,沟床平均纵坡降为310‰。该流域趋势呈上陡下缓,上游沟段(清水区)沟道相对较陡,地形起伏较大,沟道纵坡降为487‰;中游沟段(形成区)沟道纵坡降为250‰左右;中下游沟段为流通区,纵坡降约为128‰,下游至沟口为堆积区,纵坡降约为107‰,最终汇入南桠河[16]。马颈子沟流域内发育支沟4条,分布于上游沟段清水区,如图2所示。

图1 马颈子沟流域位置图Fig.1 Location map of Majingzi Gully watershed

图2 马颈子沟流域特征Fig.2 Characteristics of Majingzi Gully watershed

石棉县多年气象统计数据及其线性分布,如表1和图3所示。石棉县多年平均年降水量为770 mm,日最大降雨量为105.6 mm,当地降水量主要集中于7至8月份内,占全年降水量的70%以上[16-17],经常以阵雨或暴雨的形式出现,降雨多集中在山地区域,河谷地带次之。

表1 石棉县多年气象统计数据表

图3 石棉县多年气象数据统计分布图Fig.3 Statistical distribution of annual meteorological data in Shimian County

3) 第四系崩积层(Qcol):主要分布于沟谷两岸坡脚地带,由不稳定斜坡和崩塌等堆积而成,物质松散。

结合现场调查得知,区域土石比约为54.76∶45.24,综合评定区域岩性为软硬相间。

2 马颈子沟滑坡-泥石流灾害链特征

2.1 地震和滑坡对泥石流灾害的影响分析

2.1.1 地震对泥石流灾害的影响分析

文广超等[19]对汶川地震前后四川省主要地质灾害时空发育规律进行了统计分析,结果表明:“5·12”汶川地震之前,川西区域构造整体稳定,滑坡、泥石流灾害数量较少,灾害规模较小;震后以汶川为中心,周边区域出现了大量滑坡体、泥石流灾害等。与震前相比,震后四川省(近汶川区域为中心)地质灾害强度在不断增加,活跃性在不断增强。

地震会进一步激发不良地质体的破坏,土石下移至沟道,改变沟道微地貌,填埋甚至阻断河床,严重情况下会形成堰塞坝[20]。研究区主要地震活动包括2008年5月12日发生的汶川地震,同年7月底在该县发生的一次4.9级地震,以及随后在2013年4月20日发生的芦山地震,地震影响烈度为5～7度,尤其是2013年芦山地震,马颈子沟内出现了轻微变形破坏迹象,地震导致山体松动,利于降雨入渗,成为汛期出现坡体变形破坏和泥石流的重要因素[16-17]。汶川地震和芦山地震后,马颈子沟流域内未发现堰塞湖,仅沟床和两侧地形发生轻微变化。

地震的影响还会在极短时间内以一种极端的方式加速区域内岩土体转化为松散物质的过程。地震对马颈子沟泥石流物源特征的影响显著,其不光表现在物源总量上的增加,还对物源的分布特征和物质结构特征有着明显的改变[20],马颈子沟泥石流物源点分布位置和物源量统计,如图4和表2所示。这也是继“4·20”芦山地震后发生“7·4”泥石流冲出固体物质总量达30×104m3的重要因素,其总量约占可启动物源量的42.4%[16]。另外,研究区内人类活动(房屋修建、垦植开荒)活跃,对坡面物源和沟道物源有显著的促进作用。

表2 马颈子沟泥石流物源量统计表

图4 马颈子沟泥石流物源点分布位置图Fig.4 Distribution of source points of debris flow in Majingzi Gully

2.1.2 滑坡对泥石流灾害的影响分析

在地震作用下,马颈子沟两侧出现了多处崩滑体(图5),这些崩滑体上部岩土体随滑动面逐渐滑移至沟床,由于滑体后缘基岩裸露,表面光滑,导致雨水渗流和汇流的条件发生改变,在局部暴雨情况下,水流不断冲刷下方松散堆积土体,水体下渗,崩滑体下缘土体流动性增强,易被沟道水流携带,形成泥石流灾害,沿途掺杂沟道旁侧崩滑物源,扩大泥石流的规模,增加泥石流的危险性[20]。

图5 2013年后马颈子沟流域内增加的典型滑坡区域分布图Fig.5 Distribution of typical landslide area in Majingzi Gully watershed after 2013

通过现场调查,在马颈子沟道中下游周边出现了许多失稳滑坡体。自“4·20”芦山地震以来,马颈子沟流域内斜坡上不良地质体在局部降雨形成的地表径流(水动力)与风蚀的作用下逐年增加,流域内先后发生了7次滑坡(2.8×104～5.5×104m3),沟道内的松散固体物源也随之增多,泥石流易发程度提高,危险性增加。根据现场调查和统计,马颈子沟流域内2013年以后增加的典型滑坡区域分布,如图5所示。

2.2 滑坡-泥石流灾害链演化过程分析

自“7·4”泥石流以来,马颈子沟流域内多为洪水冲刷、局部小型泥石流和水石流。通过调查统计该泥石流沟域内可能参与泥石流活动的物源量为70.7×104m3(表2),这些物源并非同时参与一次泥石流活动,且一次参与泥石流活动的松散固体物质也并非都会全部冲出泥石流沟进入主河,参照近期有史以来规模最大的泥石流活动(2013年7月4日泥石流)情况,“7·4”泥石流主要淤积段为G05、G07和沟口段(图4)。研究发现这种情况主要受到以下几个方面因素的影响:

1) 马颈子沟降雨分布的不均一特性也决定了物源启动参与泥石流活动的不均一性(当泥石流物源分布集中区,尤其马颈子沟道中游-中下游区域,出现集中降雨或暴雨洪水等条件时,崩滑体或坡积物才可能启动参与泥石流活动),马颈子沟流域内崩滑体及其他物源等要分多次参与泥石流活动。

2) “7·4”泥石流灾害中沟床堆积物参与泥石流活动的方式主要为揭底冲刷,在泥石流运动过程中,随着沟道宽度和纵坡降的变化,泥石流在G05、G07和沟口段发生水沙分离,未冲出泥石流沟而是部分固体物质沿沟道堆积。调查点G05和G07现场泥石流淤积特征如图6所示。

图6 马颈子沟道特征点G05和G07泥石流淤积特征Fig.6 Debris flow deposition characteristics of G05 and G07 in Majingzi Gully

3) 该泥石流发生当日,在特大暴雨情况下,沟道两侧崩滑体侵蚀剥落土石进入主沟道,并携卷沟床堆积物,同时形成的泥石流又对两侧残坡积物进行冲刷和侵蚀,从而形成滑坡-泥石流灾害链。

按水源成因和物源成因,马颈子沟泥石流属典型的暴雨沟谷型泥石流,通过总结近期泥石流情况可知,该泥石流规模主要与沟域内松散固体物源的累积和动态变化情况以及与引发泥石流的暴雨情况相关,当沟域内松散固体物源累积较多,且遇到集中暴雨时,往往发生局部岩土体崩滑,进而演变为泥石流灾害。马颈子沟滑坡-泥石流灾害链演化过程,如图7所示。

图7 马颈子沟滑坡-泥石流灾害链演化过程Fig.7 Evolution process of landslide-debris flow disaster chain in Majingzi Gully

目前,马颈子沟泥石流的危害对象主要为回隆村(沟口)和石龙村(中下游)靠近沟道两侧的住户及公路、G108国道等(图8),据统计,受威胁户数77户,受威胁人数251人。

图8 石龙村“7·4”泥石流淤埋房屋和道路Fig.8 Roads and houses buried by “7·4” debris flow in Shilong Village

3 马颈子沟滑坡-泥石流灾害链综合风险评价

3.1 评价方法与标准

灾害风险科学研究的对象是由灾害、地理环境和暴露单元组成的“灾害系统”,具有区域性、互联性、耦合性和复杂性的特点。区域多灾害、灾害链和灾害复合可能会导致复杂的影响,扩大或减弱灾害强度,并改变受影响地区的范围[21]。

自联合国发起“国际减灾十年(IDNDR)”和致力于减少灾害风险的全球联合努力以来,“降低灾害风险(DRR)”科学和技术有了显著的发展,科学家们针对区域多灾害、灾害链和灾害复合的情况,提出了定性灾害链的多灾害风险理论公式[21]。灾害链中灾害之间存在某些链式关系,灾害的危险度也随着灾害链长度的增加而增加,针对地区滑坡-泥石流灾害链(自汶川地震后,成为川西主要地质灾害链和研究对象)的风险评价,提出该类型灾害链风险度计算公式[22]如下:

Rdc=Req+Rls+Rdf

=HeqVeqEeq+HlsVlsEls+HdfVdfEdf

=HeqVeqEeq+HlsVls(Eeq-Req)+
HdfVdf(Els-Rls)

(1)

式中:Rdc为震后泥石流灾害链造成的综合损失风险;Req、Rls、Rdf分别为地震、滑坡、泥石流灾害链中的风险度;Veq、Vls、Vdf分别为地震、滑坡、泥石流造成损失的脆弱性;Eeq、Els、Edf分别为地震、滑坡、泥石流区域的人口密度(人/km2);Heq为地震危险度;Hls为滑坡危险度,主要通过分析滑坡发生的概率和运动得到;Hdf为泥石流危险度,由构建的评价方法计算得到。

危险/风险度分级标准如表3所示[23]。

表3 地震-滑坡-泥石流灾害链中危险/风险度分级标准

灾害链风险的表现为主要灾害风险和次要灾害风险的累积。据现场调查,地震对于石棉县的影响仅限于促进当地崩滑体结构的稳定性破坏(间接增加了流域物源量),并没有造成房屋倒塌和人员、财产的直接损失,不排除将来回隆镇发生大型地震的可能性。由于该区域地震的相关数据缺失和计算存在较大误差,区域灾害链风险分析对于Req(地震风险)级别定为低,针对研究区特征,上述公式(1)中Req取级别低对应数(0～0.35],综合取值Req=0,即本次针对马颈子沟滑坡-泥石流灾害链的风险分析不加入地震风险分析。

另外,公式(1)中计算滑坡和泥石流影响下人口密度取决于地震威胁范围内人口的密度,该模式主要针对于区域性灾害链的计算,对于单沟并不受用。通过对往年马颈子沟流域已发生的滑坡与崩塌的位置进行分析,滑坡与崩塌并没有对当地居住的居民住房或居民的人身安全和财产造成直接的影响和危害,只是作为泥石流形成的物源条件,因此计算中Eeq、Els、Edf的值存在误差,在此省略该值。综合分析下,最后尝试采用如下公式对研究区滑坡-泥石流灾害链的风险度进行计算:

Rdc=Rls+Rdf=HlsVls+HdfVdf

(2)

该公式(2)分别对滑坡的危险度和泥石流的危险度进行计算,最后耦合为滑坡-泥石流灾害链的风险度。其中,采用目前工程中评价滑坡危险度的手段,通过构建层次分析法(AHP)结构模型对马颈子沟滑坡危险度进行计算[24];针对泥石流危险度的计算则采用泥石流危险指标进行估算。对于滑坡和泥石流危险度的计算和分析采用上述两种方式得出的结果均符合表3的分级标准,可以实行。

3.2 滑坡风险度(Rls)计算

3.2.1 构建AHP结构模型

从影响滑坡稳定性的内因和外因出发,并考虑各因子量化的可操作性,以泥石流沟两侧山体地形地貌特征(B1)、工程地质特征(B2)、其他特征(B3)为二级指标,以坡形(C1)、坡度(C2)、坡高(C3)、岩土类型(C4)、结构面发育程度(C5)、岩土体内摩擦角(C6)、岩土体黏聚力(C7)、年平均降雨量(C8)、植被覆盖率(C9)、岩土风化程度(C10)、地震烈度(C11)11个评价因子作为三级指标,建立AHP结构模型,见图9[24]。

图9 AHP结构模型Fig.9 AHP structure analysis model

3.2.2 计算指标权重

采用1～9标度法[24-25]构造判断矩阵,并根据上述建立的AHP结构模型计算出各判断矩阵中各评价因子(指标)的权重值(表4至表7),最后由下而上将C级目标与B级目标权重值相乘,对11个评价因子权重由大到小进行排序,见表8。

表4 A-B判断矩阵和评价因子权重计算值

表5 B1-C判断矩阵和评价因子权重计算值

表6 B2-C判断矩阵和评价因子权重计算值

表7 B3-C判断矩阵和评价因子权重计算值

表8 评价因子权重总排序

3.2.3 建立滑坡危险度综合评价数学模型

运用德尔斐法[26]以及结合实际情况,邀请专家对评价因子进行打分得到其分级指数Xi,并通过滑坡危险度综合评价数学模型将Xi与权重Wi组合,计算得到滑坡综合危险分级指数Hls。滑坡危险度综合评价数学模型如下:

(3)

式中:Hls为滑坡危险度;Wi为各评价因子的权重;Xi为各评价因子的分级指数,分别取值为0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五个等级[21]。

将各评价因子的Wi(表8)和分级指数Xi取值分别代入公式(1),经计算可得:

Hls=0.232×0.8+0.203×0.6+0.201×0.6+0.129×0.6+0.058×0.4+0.053×0.4+0.040×0.4+0.033×0.4+0.027×0.2+0.012×0.2+0.012×0.2=0.589

由表3可知,综合评定研究区滑坡灾害(目前调查有6处)属于中度危险,与现场调查结果一致。

根据区域滑坡特征,将滑坡灾害造成损失的脆弱性(Vls)分为4个易损性等级,即:低易损性(Vls取值0～0.3)、中易损性(Vls取值0.3<～0.4)、较高易损性(Vls取值0.4<～0.6)、高易损性(Vls取值0.6<～1)[27],Vls计算采用纪虹等[28]构建的滑坡灾害易损性等级计算模型进行计算,其计算公式如下:

(4)

通过计算可得xi=3,按照滑坡灾害易损性等级划分标准为等级三,即滑坡灾害点易损性为较高易损性区域,取Vls=0.6。据调查(图5)显示,研究区典型滑坡多集中在形成区和流通区,对于沟口居民区的影响较小,因此研究区滑坡风险度定性趋于低风险度,目前滑坡处于稳定状态。

3.3 泥石流风险度(Rdf)计算

对马颈子沟泥石流易损度的确定,根据文献[22-27,29]所统计的2006年、2009年和2015年岷江上游84个乡镇泥石流灾害造成损失的易损性(代表岷江上游段不同区域泥石流灾害造成损失的易损性数值),发现易损性数值大小排序为2009年>2006年>2015年。马颈子沟大规模泥石流继2013年“4·20”芦山地震几个月后发生,与映秀镇牛圈沟2008年发生的大规模泥石流类似,均属于典型的震后泥石流,且映秀镇和回隆镇地形地貌相仿,主要分布花岗岩地层。结合两地多种条件相似的情况,且目前距2013年马颈子沟大规模泥石流已有9 a,该区域易损性在相应的防治措施建设后已有所改善,因此依据岷江上游乡镇泥石流灾害易损性调查统计数据,选择2015年映秀镇易损性数值[29]作为马颈子沟泥石流易损性取值,即取

Vdf=0.230 6

(5)

这里应用泥石流危险区的指标来估算泥石流的危险度[22],则有:

Hdf=y1w1+y2w2+…+ynwn

(6)

其中,根据现场调查和计算数据,将泥石流峰值流量(y1)、泥石流流速(y2)、相对高差(y3)、地形起伏度(y4)、岩性(y5)、植被覆盖率(y6)、可启动物源量(y7)和人类活动(y8)作为泥石流灾害评价的因子,根据各评价因子不同的危险阈值将其分为从一级至五级5个评价等级,分别赋值为0.2、0.4、0.6、0.8和1.0[21],相应的危险阈值取值如表9所示;wi为各评价因子权重。泥石流灾害各评价因子yi的权重wi(采用AHP[30-31]法确定)取值如下表10所示[16-17,32]。

表9 各泥石流灾害危险阈值等级划分和取值

表10 各评价因子权重计算汇总

将表9和表10数据代入公式(6),计算得出泥石流的危险度Hdf=0.757,即马颈子沟泥石流的危险度为高度危险区,与现场调查结果相符。

3.4 灾害链风险分析

汇总上述计算结果所得Hls=0.589、Rls=0.35,Hdf=0.757,Rdf=0.17,研究区滑坡灾害为中危险度、中风险度,泥石流灾害为高危险度、低风险度,研究区滑坡灾害风险度大于泥石流灾害风险度的原因主要受区域灾害脆弱性取值的影响,综合分析区域滑坡灾害属于易发,马颈子沟为低频泥石流沟(20～100 a一遇)[33],泥石流灾害不易发,Vdf取值参考岷江上游数据统计结果,综合判定结果可取。

综合上述,马颈子沟滑坡和泥石流危险度和区域灾害脆弱性相关计算数据代入公式(2),求得Rdc=0.46,马颈子沟滑坡-泥石流灾害链为中风险度。

目前,当出现极端气候,激发马颈子沟道旁侧滑坡体或演变新的不稳定滑坡体,该区域依然具有形成滑坡-泥石流灾害链的可能性,若再次发生大规模的泥石流灾害,有堵塞马颈子沟流域中下游和沟口处的可能,在没有防治整改措施的情况下,对G108国道的畅通和沟口处居民的人身和财产安全存在较大的威胁。马颈子沟口堆积扇淤埋房屋和G108国道现状,如图10所示。

图10 马颈子沟口堆积扇淤埋房屋和G108国道现状Fig.10 Present situation of silted houses with Majingzi Gully accumulation fan and national highway G108

4 结 论

本文基于多灾害风险理论,采用灾害链风险评价方法结合多种计算模型分析了马颈子沟滑坡-泥石流灾害链危险性,并通过资料收集和计算结果分析了马颈子沟滑坡-泥石流灾害链风险度。得到主要结论如下:

1) 自2013年4月20日芦山地震以来,马颈子沟流域内先后发生了7次滑坡(2.8×104～5.5×104m3),沟道内的松散固体物源增多,泥石流易发程度提高,危险性增加。随后2013年7月4日爆发的大规模泥石流灾害,一次固体物质冲出量约为30万m3,约占可启动物源量的42.4%。

2) 构建AHP模型计算得到马颈子沟滑坡灾害的危险度Hls=0.589,评价等级为中危险度。

3) 应用泥石流危险区的指标来估算泥石流的危险度,通过泥石流灾害评价因子危险阈值和权重统计,计算得出马颈子沟泥石流灾害的危险度Hdf=0.757,评价等级为高危险度。

4) 基于多灾害风险理论的灾害链风险评价计算模型得到Rdc=0.46,表明马颈子沟滑坡-泥石流灾害链为中风险度。

5) 基于多灾害风险理论的风险评价是将不同灾种的风险度叠加耦合而得出区域灾害链的风险度,并根据实际情况,针对特定的灾害链进行分析,找出链式灾害中的主要灾害和次要灾害进行综合分析。目前仅应用于地震-滑坡、崩塌-泥石流相关的多灾害链中,其他路径还有待创新。本文在滑坡-泥石流灾害链中进行了相关尝试,其评价结果与现场调查结果相符,相关方法后期还需进一步改进。