泥石流防治體系與防治方案研究現狀

(蘭州大學土木工程與力學學院 甘肅 蘭州 730000)

泥石流防治體系與防治方案研究現狀

王勇賈麗娜譚之東

(蘭州大學土木工程與力學學院 甘肅 蘭州 730000)

本文討論了幾種泥石流防治體系的分類方案，并從泥石流監測預警、泥石流風險評價與風險管理、泥石流防護與工程防治三個方面綜述了泥石流防治體系研究現狀，充分認識了泥石流監測預警與泥石流風險評價所面對的問題，并重點對幾種泥石流巖土工程措施發展現狀進行了闡述。在此基礎上，分析了各種泥石流防治方案的適用條件，并給出工程實例;對泥石流防治方案優化優選研究歷程進行梳理和總結。最后，針對泥石流防治需要及防治目標，提出加強對泥石流機理研究、加強泥石流防治與泥石流資源利用相結合等多個解決方案。

泥石流;防治體系;防治方案

一、引言

泥石流是一種介于普通洪流和滑坡之間的，發生于破碎山體間的固液氣三相混合流[1]。由于我國地域廣大，地貌多樣，地質構造復雜，泥石流災害時有發生。泥石流作為地質災害的一種，具有流速快、流量大、破壞力強、爆發突然及預見性小的特點。僅在2001-2010年間，中國由于滑坡、泥石流等突發性災害共造成9941人死亡和失蹤[2]。泥石流災害每年給中國帶來大量的人員及經濟損失，并導致當地生態環境退化，在經濟建設活動極為活躍的今天，對泥石流的防治是保障群眾生命財產安全的重要組成部分。

唐邦興[3]等人從泥石流防治的現實條件、措施、目的角度提出：可以分為三種體系，分別是：1)防止泥石流發生的體系2)控制泥石流運動的體系3)預防泥石流危害體系。而康志成[4]等人提出的泥石流防治體系包括：治理體系、防護體系、預防體系(香港模式)、預報體系、警報體系。值得注意的是預防體系(香港模式)中提出了泥石流風險管理的概念，指出了預防泥石流的要點在于通過量化風險評估來估算風險、制定可接受風險標準(根據社會的可承受能力)，由此組成了一個較為完備的泥石流防治體系。崔鵬[5]通過梳理泥石流防治的發展過程及發展現狀，指出泥石流方防治體系大致可以分為：監測與預報、泥石流風險性評估與危險管理、泥石流災害治理技術三個方面。劉傳正[6]等人從中國地質災害防治現狀出發提出地質災害的防治體系應該包括地質災害調查評價、監測預警、避讓搬遷與治理、應急體系建設和科學技術研究支撐等，認為要把地質災害治理與地質環境利用結合起來這為中國泥石流防治體系的研究開辟了新的思路。綜上所述，泥石流防治體系主要由監測預警體系、風險性評價與風險管理體系、治理與防護體系三個方面組成，本文也將從這三個方面入手，具體研究泥石流防治體系研究現狀。

二、泥石流監測預警

泥石流監測預警在泥石流防治中具有經濟、有效的特點，特別是汶川地震后，受到了越來越多的關注和研究。泥石流監測是基于多種泥石流監測的手段和方法(雨量監測、地震波監測、圖像監測等)收集有關泥石流形成過程及運動過程的信息，監測所得的資料是泥石流理論研究和泥石流預警的基礎。泥石流預警是泥石流預報和警報的統稱。泥石流預警是基于泥石流的監測數據及研究成果，判斷泥石流發生的時間、地點、影響范圍，并對外發布這些信息，從而達到防災減災的目的。經過多年的發展，通過將國內外研究成果積極運用于國內地質防治，專業監測與群測群防相結合，目前監測預警系統已初步形成[7]。近年來，隨著信息技術的快速發展，新一代信息技術具有數據快速采集、傳輸上的優勢[8]，同時傳統的監測預警方式存在一些比如人力成本高、數據可靠度有限、實時性較差等缺點，研究人員開始把物聯網技術、云計算、GIS技術、RIA技術等為代表的新一代信息技術應用于地質災害監測預警，這將有效地促進泥石流監測預警研究的發展。

三、泥石流風險評價與風險管理

聯合國于1991年明確提出自然災害風險的定義：”風險是在一定區域和給定的時間段內，由于某一地質災害而引起的人們生命財產和經濟活動的期望損失值“。風險度是風險的定量表達，聯合國對自然災害風險的數學表達式為” 風險度( R) = 危險度( H) × 易損度( V)“，這種風險度的評價方法得到了廣泛的認可和應用。近年來，國內外的學者將其它學科的研究成果應用于危險性評價領域，創立了許多新的危險度評價體系：包括人工神經網絡法、灰色關聯度法、GIS法等。除此外，部分研究人員將易損度作為因子直接加入危險度評價模型中，從而得到風險度評價模型，比如沈簡[9]等人在既有的模糊綜合泥石流危險度評價模型中加入易損度因子(承災體脆弱性)，建立了泥石流風險性模糊綜合評價模型及創立了模糊坐標危險性評價法。崔鵬等[10]則認為目前地質災害風險評估是基于統計方法的因素分析，對具體的災點的信息反映不足，因此提出了基于動力過程的風險評估方法，其實用性還有待更多實踐的檢驗。

泥石流風險管理作為風險評價的后續是一項系統性的工程。目前國內外對風險管理的研究越來越多。唐川等人[11]在2009年結合地質災害風險管理的相關成果與我國強震區城市的現實情況，在風險機制與風險量化分析、風險判據研究和風險準則建立、管理途徑和方法、管理消能監控機制、風險管理模式與規范五方面展開研究，這是風險管理應用于泥石流防治的一次嘗試，初步地建立了較為全面的強震區城市地質災害風險管理的理論、方法和推進機制。2016年崔鵬[12]等人在基于國內外泥石流風險管理研究成果，較好地給出了風險管理的定義：災害風險管理是在災害風險形成過程和機理的基礎上，通過評估災害風險并采取合適的風險調控措施(預防、預案、預警與治理措施)最大限度的減少災害風險和損失的手段。

四、泥石工程治理與防護體系

泥石流防護是為了保護城鎮、道路等受災體而采取的一系列的包括修建防護堤、攔擋壩、導流渠，選擇合理的道路線路防等護措施；泥石流治理則是通過對泥石流流域進行部分或全面治理以達到阻止或控制泥石流發生的目的。雖然泥石流防護體系和泥石流治理體系的最終目標都是避免或減小泥石流帶來的災害，并且兩者在實踐中采取的部分工程措施相同，但前者是從減小承災體易損性的角度出發，減小的物理暴露程度，提高承災體的防護能力，從而達到減小泥石流災害風險性的目的，泥石流治理則主要是通過控制泥石流的發生規模、頻率等，減小泥石流的危險度，以達到減小泥石流災害風險的目的，這是兩者的根本區別。

(一)泥石流工程治理體系

泥石流工程治理按照治理措施，可以分為兩類即巖土工程治理與生態工程治理，按照治理工程施工的部位，可以分為三類即：山坡整治、溝谷整治和堆積區整治。目前針對工程治理的研究主要泥石流同工程措施之間的相互影響及新型治理措施的開發兩方面。

一般而言植被能阻止部分泥石流的發生，但高延超[13]等人通過對比四川省巴塘縣的118處溝谷泥石流及33處坡面泥石流的植被覆蓋率，發現植被對于坡面泥石流具有較好的抑制作用，但對溝谷泥石流作用則不明顯。這對泥石流治理工程有一定的參考價值。陳洪凱等人針對泥石流對工程治理構筑物的作用，通過大量室內模型試驗分析了溝谷泥石流運動過程，建立了泥石流沖擊譜小波消噪方法，分析了泥石流沖擊頻率特性及泥石流沖擊信號能量分布規律，為建立涵蓋不同類型泥石流的沖擊了計算方法提供了科學的依據[14]。

周健[15]等人基于室內坡面型泥石流治理試驗，采用可視化細觀測試系統從細觀尺度研究坡面型泥石流“錨桿-護坡”治理下土體的變形機制。試驗結果表明：“錨桿-護坡”不僅有濾水固土作用，而且通過改變坡面的變形機制和結構，減少坡面型泥石流的發生幾率。于獻彬[16]等人提出了一種在壩體迎水面采用堆積粗砂土體和鋪塑料泡沫板的復合型新型攔砂壩，借助有限元軟件模擬泥石流沖擊，結果顯示壩前的材料可以延長沖擊時間，減小沖擊力。李云、陳曉清[17]等人提出了一種新型的由兩束流側墻及置于其間的若干按一定間距設置的全襯砌的階梯段和填充于上下游階梯段直間的深潭段所構成的泥石流流排導槽。

(二)泥石流防護體系

相對泥石流治理，目前對泥石流防護的研究較少，研究領域包括城鎮泥石流防護、工礦泥石流防護、道路泥石流防護等方面，并且主要集中于對道路泥石流的研究?？抵境蒣4]等人提出城鎮泥石流防護與泥石流治理的區別主要在于前者是暫時的短期行為，而后者是根本性的長期行為，但是大部分研究者均將城鎮泥石流防護歸于泥石流排泄區治理。相對于城鎮泥石流防護而言，道路泥石流可以采取更加主動的防護措施，包括繞避泥石流影響區，橋渡通過、渡槽通過，明洞通過等方式。由于鐵路或公路無論是在泥石流流域的任何部位通過，大部分情況下都是以橋渡的方案通過，因此近年來對泥石流作用與橋梁方面的研究較多，成果也較為豐富。王林峰[18]等人基于泥石流固液兩項模型，運用動力學中的彈性碰撞理論和牛頓第二定律，在對泥石流區的橋墩損毀機制進行了研究，并提出了以橡膠和彈簧組合而成的消能層，其消能效這些結構設計較為新穎合理，但還需要大量的工程實踐以證明其實用性。

五、防治方案

在《中國泥石流》一書中，明確將防治方案定義為：對于需要防治的一條泥石流溝或連續分布有多條泥石流溝的區域，可根據當地的自然環境條件及泥石流發生、發展特點，保護對象設防要求，制定出若干個防治工程設計方案。然后通過技術、經濟指標比較及實際投入資金的可能性，最后選擇一個投資最省，社會、經濟、生態環境效益最大，被保護對象的安全得到保證的防治工程方案加以實施。目前對防治方案的分類有多種方法。唐邦興[4]等人認為可以分為繞避泥石流的防治方案、綜合治理方案、單項工程防治方案、行政管理及預測預報防治方案方案四大類。王彥海[19]等人基于泥石流發生條件、治理需要等，認為防治方案主要分為三種即：預防、預警報、治理三種。這種劃分方法較為合理和全面，雖然王彥海等對每種方案的定義及論述不夠詳細，但目前仍得到了一些研究人員的認可和使用。近年來，隨著防護技術的發展，陳曉清、崔鵬等[20]從防治方案的具體落實出發，認為目前防治方案主要可以分為這五類：(1)綜合防治方案；(2)以巖土工程措施為主的防治方案；(3)以生態工程措施為主的防治方案；(4)以監測預警報為主的方案；(5)以行政管理為主的方案。

根據孟興民[21]等人的研究，監測預警是目前泥石流最為經濟有效減災手段。這主要是由于經濟發展水平、風險管理水平的限制，大部分潛在發生泥石流地區風險得不到有效管控。綜合防治方案是指采取包括巖土工程措施、監測預警措施、行政管理措施、生態工程措施在內的一系列措施，融軟硬措施為一體，在全流域內對泥石流進行防治，全面有效的控制泥石流危害的防治方法。由于綜合防治的防治效果較好，因此目前使用較為廣泛。

在泥石流防治方案設計中，由于泥石流防治的復雜性，設計方案的優劣與設計人員的經驗水平有很大關系，為了使泥石流防治設計達到科學、高效、可靠、可行、經濟節約的目的，對泥石流防治工程設計方案進行優化優選必不可少，目前在這方面的研究相對較少并主要集中于兩個方向：在方案的設計時，利用信息系統進行方案優化；利用優選模型對多種防治工程方案進行優選。方案優化是通過建立泥石流防治工程信息庫，標準化信息類，為防治工程設計提供經驗參考與教訓，并在此基礎上建立泥石流防治模式，直接為設計人員提供輔助設計工具和評價參考工具[22]。1999年陳瑞等人[23]建立了“泥石流防治工程方案優化設計專家系統 ”。在方案優選方面，一般是通過建立優化模型，綜合考慮各方面的因素，減小人為干擾來進行優選方案。

王念秦等人以陜北三道溝礦區泥石流防治工程為例，選取了安全可靠，經濟合理性、設計規范等多個評價指標，并利用熵權決策法定量確定指標權重，建立了防治方案比選模型。根據得到的最優方案進行治理，治理效果良好，經濟效益明顯。

六、展望

1)加強監測技術及基于泥石流形成機理的預警研究，注重信息技術在監測預警系統中的應用研究，以提高預警精度，健全監測預警體系。

2)需要進一步深化承災體易損度的研究，以提高泥石流風險評價的準確性，隨著人口密度、經濟密度逐漸增加，提高泥石流風險管理水平，建立風險管理體制機制都具有較大的現實意義。

3)在泥石流工程防治方面需要不斷吸收泥石流研究的最新成果，不斷完善泥石流防治工程的技術規范，結合理論與實際，不斷改進重要防治巖土設施如排導槽、攔砂壩等的關鍵參數的確定方法。

4)通過總結防治經驗及防治模式，并結合信息收集處理技術，不斷加強泥石流防治方案優化優選研究。

5)針對地質環境無序利用與泥石流防治之間的矛盾，應該要樹立可持續利用地質環境的觀念，科學、合理的利用地質環境，把泥石流防治與合理利用災害資源結合起來，使人類活動與地質環境和諧相處。

[1]吳積善，田連權，康志成，等. 泥石流及其綜合治理[M]. 北京科學出版社，1993.

[2]崔鵬. 中國山地災害研究進展與未來應關注的科學問題[J]. 地理科學進展,2014,02:145-152.

[3]唐邦興，周必凡，吳積善，等.中國泥石流商務[M].商務印書館出版社，2000.

[4]康志成，李焯芬，馬藹乃，等.中國泥石流研究[M].科學出版社，2004.

[5]崔鵬. 我國泥石流防治進展[J]. 中國水土保持科學,2009,05:7-13+31.

[6]劉傳正,劉艷輝. 論地質災害防治與地質環境利用[J]. 吉林大學學報(地球科學版),2012,05:1469-1476.

[7]劉傳正,劉艷輝,溫銘生,唐燦,趙魯強,田華. 中國地質災害氣象預警實踐:2003-2012[J]. 中國地質災害與防治學報,2015,01:1-8.

[8]黃健,巨能攀,何朝陽,肖洋. 基于新一代信息技術的地質災害監測預警系統建設[J]. 工程地質學報,2015,01:140-147.

[9]沈簡,饒軍,傅旭東. 基于模糊綜合評價法的泥石流風險評價[J]. 災害學,2016,02:171-175.

[10]崔鵬,鄒強. 山洪泥石流風險評估與風險管理理論與方法[J]. 地理科學進展,2016,02:137-147.

[11]唐川,許強. 強震區城市地質災害風險管理的研究內容與方法探討[J]. 工程地質學報,2009,01:56-61.

[12]崔鵬,鄒強. 山洪泥石流風險評估與風險管理理論與方法[J]. 地理科學進展,2016,02:137-147.

[13]高延超,李明輝,王東輝,白永建. 植被對不同類型泥石流的抑制作用初探[J]. 水土保持研究,2013,05:291-295+299.

[14]陳洪凱,鮮學福,唐紅梅,張玉萍,何曉英. 泥石流沖擊荷載的時頻分析方法及應用[J]. 防災減災工程學報,2011,03:255-260.

[15]周健,李業勛,張姣,賈敏才. 坡面型泥石流治理過程中土體變形機制宏細觀研究[J]. 巖石力學與工程學報,2013,05:1001-1008.

[16]于獻彬,陳曉清,李昆,王飛,李云. 復合型攔砂壩受泥石流大塊石沖擊作用的動力響應[J]. 施工技術,2015,24:114-119.

[17]李云,陳曉清,游勇,王飛. “梯-潭”型泥石流排導槽研究初析[J]. 災害學,2014,04:173-175.

[18]王林峰,唐紅梅,陳洪凱. 泥石流區橋墩損毀機制與控制研究[J]. 防災減災工程學報,2012,03:353-358.

[19]王彥海,江巍. 泥石流的危害與綜合防治[J]. 災害與防治工程,2006,01:60-64.

[20]陳曉清,游勇,崔鵬,李德基,楊東旭. 汶川地震區特大泥石流工程防治新技術探索[J]. 四川大學學報(工程科學版),2013,01:14-22.

[21]]孟興民,陳冠,郭鵬,熊木齊,Janusz Wasowski. 白龍江流域滑坡泥石流災害研究進展與展望[J]. 海洋地質與第四紀地質,2013,04:1-15.

[22]陳曉清,崔鵬. 泥石流防治工程信息系統初探[J]. 自然災害學報,2005,05:72-77.

[23]陳瑞,王士革,盛才余,陳曉清. 泥石流防治工程方案優化設計專家系統初步研究[J]. 自然災害學報,1999,03:111-116.