基于可拓灰色模型的臺風暴雨型泥石流易發性評價

胡富杭　熊朝正　石豫川　吉鋒

摘要：2019年8月10日，受臺風“利奇馬”登陸影響，安徽寧國抽水蓄能電站匯水區域內6條臺風暴雨型泥石流暴發，對工程建筑設施及居民生命財產造成了巨大損害。臺風暴雨型泥石流的易發性研究目前尚處于起步階段，在對研究區內地質環境調查的基礎上，總結了臺風暴雨型泥石流特征，將可拓理論與灰色關聯度法相結合，采用定量的方式對區內泥石流進行易發性評價，并將評價結果與規范推薦的評分法和三要素法進行對比分析。研究結果表明：臺風暴雨型泥石流具有超強短歷時降雨啟動、低頻性、群發性的特征;在可拓灰色關聯法的易發性評價結果中僅虹龍河為中等易發，其余溝谷均為輕度易發;對比發現，在小流域面積泥石流溝的評價結果中，3種方法一致性較高，當流域面積增大時，規范推薦的方法出現偏高和偏低，而可拓灰色關聯法的易發性評價結果更加穩定可靠，與實際調查情況更吻合，進而為臺風暴雨型泥石流的易發性研究提供了一種新的思路。

關鍵詞：臺風暴雨型泥石流; 泥石流易發性評價; 可拓理論; 灰色關聯度法; 安徽寧國抽水蓄能電站

中圖法分類號： P642.23

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.005

0引 言

泥石流是一種暴發突然，運動迅速，影響范圍廣，破壞性強，具有多次致災能力的山地地質災害。其常發育于地形變化大，物源儲量豐富的狹窄溝谷，在持續性降雨或突發型暴雨的作用下啟動，沿途不斷侵蝕并裹挾溝道物質，對溝道及溝口所在區域內的工程建筑及居民生命財產安全造成巨大威脅。泥石流的易發性研究是泥石流危險性評價的前提，也是區域泥石流預警預報和防治的基礎。20世紀70年代后，泥石流易發性研究逐步發展完善，從定性評價開始向半定量評價、定量評價發展[1]。目前采用的方法有層次分析法、多因子綜合評判模型[2]、信息量權數法、機器學習算法、人工神經網絡模型[3]、貝葉斯模型、灰色關聯分析法、可拓學理論等。田運濤[1]等在對白龍江泥灣溝泥石流地質調查及動力學特征計算的基礎上選取了18個評價因子，應用層次分析法評價了該泥石流為高易發性。王金亮等[4]應用雅魯藏布江冰川泥石流實例介紹了主成分分析理論的概念和方法，并評價了該方法的實用性。Xu等[5]結合GIS技術和信息量方法，選取了7個環境因子作為信息量模型對四川省泥石流易發性的帶狀分布特征進行了深入研究。王念秦等[6]以模糊數學為基礎，結合泥石流易發性特點，建立了多級模糊綜合評價模型，并應用于西安市大水溝泥石流易發性評價中。Gómez等[7]以委內瑞拉安地斯山脈雅蓬諾薩河流域為例，介紹了人工神經網絡技術在地質災害易發性評價中的應用，結果表明其評價精度高達90%。此外，許多學者在研究過程中還將多種方法結合，取得了不少研究成果[8-9]。葛濤濤[10]結合遙感數據，GIS和機器學習算法，對西藏日喀則地區泥石流易發性進行了深入研究，并總結出其中起主要影響作用的環境因子。蔡健玲[10]采用貝葉斯模型對滇西北區域泥石流易發性空間分布進行了評價，同時結合全因子及區域特色logistic回歸模型進行對比，表明了貝葉斯模型在大尺度范圍泥石流評價中的重要作用。崔傳峰、金星等[12-13]在可拓學理論基礎上利用灰色關聯分析法獲取評價因子權重，建立了一種新的泥石流災害評價模型，并應用于多條泥石流溝災害評價，結果表明該方法具有很高的適用性。

中國地勢總體上西高東低，據統計，傳統的泥石流災害多分布在中國地形陡峭、植被貧瘠的西北、西南地區，經過多年的科學研究和工程經驗積累，已形成了相當成熟的易發性評價體系。近年來，隨著東部地區臺風登陸愈加頻繁，由臺風暴雨引發的臺風暴雨型泥石流越來越成為東部地質災害防治的重點。王一鳴[14]等結合臺風暴雨特點，以浙江省溫州市為主要研究區域，深入研究了臺風暴雨型泥石流啟動機制及單溝危險度，并提出了此類特殊泥石流的風險評價方法。Chen [15]、甘建軍[16]等通過野外調查和室內實驗，對臺風暴雨型泥石流的形成條件和致災模式進行了深入研究，總結了該類泥石流的災害連鎖效應、低頻性、群發性等特點。

但是，在東部地區，地形較為平緩，因其靠近大海，空氣常年濕潤，利于植被的生長發育，泥石流溝谷普遍具有較小的縱比降和較大的植被覆蓋率，按傳統泥石流的易發性評價方法及工程經驗常認為其難以爆發泥石流，考察因素不夠全面，忽略了在臺風暴雨這種極端天氣條件下爆發的可能性，難以做到有效的預防。因此，針對東部地區，為了準確科學地進行臺風暴雨型泥石流易發性評價，需要建立一種考慮多方面因素，且要將各因素進行量化的泥石流易發性評價方法。本文在總結臺風暴雨型泥石流特點的基礎上，結合工程實例，建立了可拓灰色關聯模型進行臺風暴雨型泥石流易發性評價。

1研究區概況

研究區為影響擬建安徽寧國抽水蓄能電站的整個匯水區域（見圖1（a）），位于安徽省宣城市寧國市境內。2019年9號超強臺風“利奇馬”于8月10日在浙江溫嶺市登陸，受其影響，研究區當日降雨量高達285～306 mm，共導致區內多條溝谷暴發泥石流，不僅對擬建電站工程場地造成嚴重破壞，還對當地居民的生命財產造成了巨大損害。根據現場調查及遙感解譯，暴發的泥石流溝主要為虹龍河、青龍溝、羅漢塘溝、大石里溝、記陽坑溝、大河壩溝，分布如圖1（a）所示。

研究區處于天目山山脈的中段西北坡，上水庫區正常蓄水位高程633 m，位于青龍山凹地，青龍溝是庫內主溝，庫區平坦寬闊，庫周分水嶺封閉較好，山脊走向呈NE～NNE向展布，地形較為陡峭。下水庫區位于虹龍河圣龍寺村河段，正常蓄水位208 m，庫區河道蜿蜒狹窄，斷面呈“V”字型，植被茂密，庫周山坡坡度一般30°～45°，局部見陡崖、陡坎。下水庫主要受虹龍河、大石里溝、羅漢塘溝和記陽坑溝影響。

區內地層巖性主要為雷公塢組（Z1l）含礫凝灰巖，藍田組（Z2l）薄層硅質泥巖、白云質灰巖，皮園村組（Z2p）硅質泥巖、炭質硅質巖。第四系堆積體在溝道兩側廣泛分布，結構較為松散，是泥石流暴發的物質基礎。研究區屬亞熱帶季風濕潤氣候區，年平均降水量為1 455.9 mm。區內水流主要以降雨的形式補給，以地表水的形式向虹龍河排泄。

在這次9號臺風“利奇馬”影響下，研究區所處霞西鎮日降雨量高達285 mm，如圖2所示。據目擊者描述，16：00左右（約臺風登陸14 h）虹龍河水位暴漲，在半小時內泥石流暴發，沖毀多處居民住房，掩埋工程施工設備。虹龍河和青龍溝是此次暴發最為嚴重的泥石流溝，虹龍河因其溝道長，整體縱比降小，泥流堆積物呈現出多段堆積特征，主要集中在汪家園及塔里附近停留堆積（見圖1（b）和圖1（c））。青龍溝泥石流堆積體主要集中在較為寬闊的上水庫庫區，整體粒徑較小，僅少量塊石粒徑大于30 cm，據計算堆積物方量約2.49萬m3（見圖1（d））。

對研究區內6條臺風暴雨型泥石流進行分析后，總結出以下特征：

（1） 在超強短歷時降雨下啟動。根據降雨數據（見圖2），研究區的小時降雨量在臺風登陸后14.25 h達到極值46 mm，是前一記錄點的4.6倍，超強短歷時降雨特征十分突出。根據目擊者描述的泥石流啟動暴發時段在16：00左右，與超強短歷時降雨出現的時段高度吻合。

（2） 暴發頻率低。一般受臺風影響嚴重的東部沿海地區地形變化相對較小，而且常年濕潤的氣候使得山區植被覆蓋率極高，在一般條件下難以暴發大規模泥石流。據訪問，研究區內溝谷雖然常年流水，但百年以來從未暴發具有破壞性的泥石流。

（3） 集群式暴發。據記載，2004年14號臺風“云娜”造成浙江省樂清市北部山區41處泥石流集中暴發，“莫蘭蒂”造成泰順縣泗溪鎮22處泥石流集中暴發[14]。在本次臺風“利奇馬”作用下，面積僅16.86 km2的研究區內共暴發6條主要泥石流溝，同樣具有顯著的集群式暴發特點。

2可拓灰色關聯模型的構建

1983年蔡文教授創立了可拓學，將事件、事件特征、特征量值通過建立物元的方式進行有機結合，把事物的質和量進行綜合考慮，用關聯度的大小將特征性質與研究對象的從屬關系進行定量描述，針對問題本身來解決矛盾，是一種新的人工智能工具。根據前人研究成果，可拓理論能很好地應用于泥石流易發性評價。

3結果分析

3.1評價因子選擇及等級劃分

泥石流的暴發是多種影響因子共同耦合作用的結果，在不同地質條件下影響因子的作用機理差異巨大。然而在各種客觀因素的限制下，難以將所有影響因子都納入泥石流易發性及危險性評價中加以考慮。因此，需要根據研究區泥石流溝實際情況選擇具有代表性和明確物理意義的參評因子，這些因子不僅要易于獲得，能做數值化處理，而且要相互獨立。

在泥石流的發育中，山體坡度越大，邊坡物源越不穩定，更易為泥石流提供固體物質，同時也更利于匯流的快速產生。主溝長度與補給段長度占比表明了泥石流溝的物源儲量情況，即主溝越長，補給段占比越大，則泥石流物源儲量越豐富。主溝長度與主溝高差決定了溝床縱比降，縱比降的增加會促使固體物質的動勢能轉換，利于泥石流的啟動發生。降雨量及溝谷流域面積控制著影響泥石流發生的水源條件，降雨量和流域面積的增加均會加大溝床徑流強度，使泥石流在強大的水動力條件下更易啟動，此外邊坡松散物源的穩定性還會隨著降雨量的增加顯著降低，利于產生滑坡為泥石流提供固體物質。溝谷兩岸生長的植被能消減降雨沖擊和坡表徑流對表層土體的破壞作用，同時通過根系的生長不斷加固邊坡表層土體，因此較高的植被覆蓋率能有效減小泥石流的易發性。

對研究區內在臺風期間暴發的6條泥石流溝的實測數據及遙感解譯數據進行統計，如表1所列。其中，在這次“利奇馬”臺風影響下，根據研究區降雨統計數據，24 h降雨量為285 mm，為評價區內泥石流溝在臺風暴雨影響下的易發性，對24 h最大降雨量c6均取值為285 mm。參照前人根據多年工程經驗建立的易發性分級標準[12，17，22]，同時結合研究區實際調查情況及研究特性，將7個評價因子及易發性按照《泥石流災害防治工程勘查規范》中的定名分為不易發生（N1），輕度易發（N2），中度易發（N3），極度易發（N4）4個等級，如表2所列。

3.2灰色關聯度法確定評價因子的權重

在泥石流災害的易發性評價中，選取的各評價因子對泥石流易發性的貢獻程度是不一樣的[13]，即各因子所占權重不等，單以關聯函數來衡量易發性不夠準確，因此對參評因子權重的確定是關乎評價結果準確與否的另一核心問題。

目前對權重的計算多采用經驗法[12]、簡單關聯函數法、專家評價法[19]、模糊綜合評價法[20-22]、灰色關聯度法等。為避免評價過程中主觀性的影響，通過比較，本文選用適用性強的灰色關聯度法計算各參評因子的權重。

3.3物元的構造與計算

根據表1數據及表2易發性分級標準，構建研究區臺風暴雨型泥石流溝易發性評價經典物元（Ri）與節域物元（R）如表3所示。

根據式（4）對指定泥石流溝S進行關聯函數的計算，以虹龍河為例，計算結果如表4所示。根據該計算方法，分別對研究區其余5條泥石流溝進行關聯函數計算。

3.4泥石流易發性計算與分析

前文已求得研究區6條泥石流溝的易發性關聯函數值及7個參評因子的權重值，通過建立的可拓灰色關聯模型式（5）計算泥石流溝關聯度ki（S），運用式（6）對泥石流溝易發程度等級進行劃分，結果見表5。

為了驗證本文評價結果，筆者應用規范中泥石流易發程度評價方法推薦的評分法和三要素評價法對研究區內6條泥石流溝進行了易發性判定，結果如表5所列。為了明顯對比3種方法的評價結果，將其以柱狀圖表示（見圖3）。整體上可明顯觀察到流域范圍較小的大河壩溝、記陽坑溝、大石里溝、羅漢塘溝在3種評價方法中的判定等級均為輕度易發，與實際情況符合，但青龍溝和虹龍河的判定結果開始出現差異。

對于青龍溝可拓法和三要素法都評價為輕度易發，評分法評價其為中等易發。根據青龍溝野外調查情況，物源主要發育于溝道中上部，青龍溝中部（擬建水庫區）地形平坦開闊，當溝床出現匯流時，大部分物質將會停留堆積于此，使得青龍溝爆發泥石流的可能性大大降低，因此青龍溝整體上更加符合輕度易發等級，可拓法和三要素法的評價結果較為合適。

對于虹龍河，可拓法和評分法都評價為中等易發，而三要素法評價其為不易發?！袄骜R”登陸期間，虹龍河研究區內是泥石流暴發最強烈、破壞最嚴重的泥石流溝。根據后期現場調查，虹龍河流域面積巨大達16.86 km2，且支溝發育，匯水條件良好，流域內不穩定物源總量達163.35萬m3，其易發性更加符合中等易發等級。三要素法的評價結果和實際情況明顯不符，這是因為其僅從小時雨強，不穩定物源量及縱坡降3個方面進行評價，評價因子較少，忽略了虹龍河巨大的流域面積，且由于虹龍河主溝長度大，縱坡降極小，使得結果嚴重偏小。因此可拓法和評分法的評價結果較為合適。

經過上述分析可知，可拓灰色關聯法對研究區內泥石流的易發性評價都是合理的。而評分法和三要素評價法在應用于流域面積較大的泥石流溝時會出現評價結果不準確的情況，這是由于2種方法幾乎都是通過地質調查人員的主觀判斷來對泥石流溝的各種影響因子進行量化，在這過程中存在較大不確定性，而且地質人員對泥石流溝的調查及認識是有限的，當泥石流流域面積足夠大時，地質人員難以查清確切的地質條件情況，在主觀評價時就會加大誤差，從而使得評價結果不夠準確?？赏鼗疑P聯分析法在獲取評價因子時秉持代表性，明確物理意義，容易獲取，相互獨立和能數值化處理的原則，很大程度上避免了人的主觀影響，因此在評價結果上與實際調查情況更加符合。

4結 論

（1） 在9號臺風“利奇馬”影響下，研究區日降雨量高達285 mm，通過對區內爆發的泥石流溝進行分析，總結出臺風暴雨型泥石流具有以下特征：超強短歷時降雨啟動、暴發頻率低、集群式暴發的特點。

（2） 計算表明選取的7個泥石流易發性評價因子cj在全部評價因子中所占權重λj分別為0.158 0，0.149 1，0.156 2，0.160 3，0.070 3，0.162 4，0.143 7。

（3） 運用可拓灰色關聯法對研究區內6條臺風暴雨型泥石流進行易發性評價，計算結果表明虹龍河關聯度為0.064 8，屬中等易發;青龍溝、羅漢塘溝、大石里溝、記陽坑溝、大河壩溝關聯度分別為0.057 3，-0.166 9，-0.084 7，-0.079 7，-0.048 3，均屬輕度易發。

（4） 將可拓灰色關聯法與規范推薦的評分法和三要素評價法進行對比時發現，在評價流域面積較小的泥石流溝時3種方法評價結果一致，而當流域面積過大時，評分法偏高1個等級，三要素法偏低2個等級，分析表明本文采用的可拓灰色關聯法更加客觀科學。

（5） 影響泥石流暴發的因素很多，可拓灰色關聯法在泥石流易發性評價中可避免定性指標的選取，減少人為主觀影響，可拓理論中關聯函數計算與灰色關聯分析法中權重計算相結合，將定性問題定量化，使評價結果更加真實可靠，該方法具有很好的適用性，為臺風暴雨型泥石流的易發性研究提供了一種新思路。

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（編輯：劉 媛）

Abstract：On August 10，2019，affected by the landing of typhoon “Lekima”，six typhoon-triggered debris flows broke out in the catchment area of Ningguo Pumped Storage Power Station in Anhui Province，causing great damage to the engineering construction facilities and residents′ lives and properties.At present，the research on the susceptibility of typhoon-triggered debris flow is still in its infancy.Based on the investigation of the geological environment in the research area，this paper summarized the characteristics of typhoon-triggered debris flow.Combining the extension theory with the grey correlation method，we evaluated the susceptibility of debris flow in this area，and the evaluated results were compared with the standard recommended scoring method and the three factors method.The results showed that the typhoon-triggered debris flow had the characteristics of super short duration rainfall initiation，low frequency and massive occurrence;in the evaluation results of the extension grey correlation method，only the Honglong river was moderately prone，and the other gullies were mildly prone.The comparison shows that the three methods give highly consistent evaluation results for debris flow gullies with small valley area，however when the valley area increases，the results of standard recommended method is high or low，the extension grey correlation method give more stable and reliable results，which is more consistent with the actual investigation situation，thus providing a new idea for the research on susceptibility of typhoon-triggered debris flows.

Key words：typhoon-triggered debris flow;susceptibility evaluation on debris flow;extension theory;grey correlation degree method;Ningguo Pumped Storage Power Station in Anhui Province