隆務峽段公路泥石流危險性評價

王國建， 井 浩*， 陶 虎

(1.青海交通職業技術學院，青海 西寧 810003；2.蘭州交通大學，甘肅 蘭州 730070)

青海省位于青藏高原東北緣，由于新構造運動強烈，斷層廣泛發育，地形破碎，溝谷眾多，加之青藏高原脆弱的生態環境，使得青海成為泥石流災害影響較為嚴重的省份之一[1]。特別是青海東部地區，因為降水多以地形性的短時暴雨為主，且山區地表巖層滲透性能差,致使地表徑流及面狀侵蝕十分強烈，極易形成暴雨型泥石流。受極端氣象頻發因素的影響，G213線策克至磨憨公路的隆務峽段頻繁發生泥石流災害，造成路基沖毀及涵洞損毀，危及交通安全[1]。泥石流危險性的等級不同，對公路造成的危害程度就不同，進而采取的防治措施也就不同。因此，對公路沿線泥石流溝谷的危險性進行評價，為公路建設及養護部門的防災減災提供參考和指導，保證交通運輸的安全暢通具有重要意義。關于泥石流危險性評價研究，最早是足立勝治提出的“泥石流發生危險度的判定”，從地貌、泥石流形態和降雨三方面的分析來判定泥石流發生率[2]；劉希林[3]提出了泥石流危險度的判別方法，給出了影響泥石流危險度的八大因子，采用關聯度分析確定單溝泥石流的危險程度。20世紀90年代，主要是以單溝泥石流的危險性評價為核心開展研究，隨著GIS研究平臺的興起，研究尺度從單溝泥石流擴大到區域泥石流危險性評價。目前，泥石流危險性評價方法主要有模糊數學評價法[4]、層次分析法[2]、灰色關聯法[5]、人工神經網絡法[6]、地貌信息熵法[5]、物元可拓法[7]等。

物元可拓法是一種綜合評價方法，對于多因素疊加影響的研究對象，其評價結果準確可靠，廣泛應用于水質評價、土壤污染評價及地質災害評價等諸多領域。運用物元可拓法評價泥石流的危險性，能夠較好地反映出地質地貌、溝谷流域特征及降水等多因素對其危險性的影響，通過構造評價等級的相應物元，進而對泥石流危險等級進行評價。物元可拓法評價泥石流危險性的最大優勢在于其評價等級科學合理、原理簡單明晰，評價結果的準確性和可靠性在國內工程實踐中已經得到驗證。本文通過對G213線策克至磨憨公路隆務峽段的11條典型泥石流溝進行調查，取得泥石流溝的基本特征參數，根據各溝谷的孕災條件，充分考慮影響泥石流危險性的10個主要因素，構建泥石流危險性評價的物元模型[1]，評價了該區段內11條泥石流溝的危險等級，為該區段公路泥石流的防治工作提供參考依據。

1 研究區概況

1.1 位置及地質地貌條件

研究區位于青海省東部黃南藏族自治州尖扎縣東南角(圖1)。隆務河由南向北穿越研究區，處于隆務河下游段，屬于侵蝕構造中高山區。G213線策克至磨憨公路穿過隆務峽谷，該段長約26 km，兩側山體坡度大于30°，溝深坡陡。溝谷多為三面環山一面出口的漏斗狀或樹葉狀，橫斷面“V”型谷，谷底寬數米至數十米。山體表層植被覆蓋率低，基巖裸露，風化強烈，水土流失嚴重，有利于水和碎屑固體物質聚集，因此峽谷兩岸泥石流極為發育[1]。

圖1 研究區域地理位置Fig.1 Geographical location of the study area

隆務河峽谷區地層巖體主要為二迭系灰巖、礫狀灰巖夾鈣質砂巖、含粉砂質粘板巖和三疊系上、中、下統砂巖及板巖、白堊系火山巖，單層厚2～15 m。在沖溝及坡腳有較厚的第四系碎石類沖洪積物， 由塊石、礫石及砂質黏土等組成[8]。

1.2 氣象條件

研究區地處黃土高原西端向青藏高原的過渡地帶，屬高原半干旱大陸性氣候。氣候特點為寒冷干燥，日照充足，日、年溫差大，降水集中[1]。氣象水文條件則是泥石流發生的主要水動力來源，研究區內降雨具有雨熱同期、降雨時間和降雨量集中、短時強降雨突發頻發的特點。據尖扎縣氣象站資料，2010至2019年尖扎縣年平均降水量為378.44 mm；年際降水量最大在2018年，降水量為535.4 mm；其次為2016年，降水量為453.2 mm。年內降水最多的月份為5—9月，月平均降水量分別為51.07、49.05、77.01、83.54、66.77 mm；6—8月降水量最多，約占全年降水量的60%[1]。

2 物元可拓模型

2.1 物元

將研究對象記作N,N的特征為C,關于C的量值為V,把這樣的三元有序數組R=(N,C,V)稱為物元[9]。對于有若干個特征的研究對象N,用c1,c2,…,cn表示,其量值用v1,v2,…,vn表示,則該研究對象可表示為：

(1)

式中:R為n維物元。

2.2 確定經典域與節域

設有m個評價等級N1,N2,…,Nn，并建立相應的物元：

(2)

式中:Ni為劃分的第i個評價標準等級；ci為標準等級Ni的評價指標；xij(j=1,2,…,n)是評價等級Ni(i=1,2,…,m)關于評價參數ci(i=1,2,…,n)的量值域，稱為經典域[10]。

建立物元Rp,取Rp?Ri，且：

(3)

式中:N為評價標準；xpi=(i=1,2,…,n)為Ni關于評價指標ci(i=1,2,…,n)的量值范圍，稱為節域。

2.3 確定待評物元

確定待評泥石流溝P的幾維物為R：

(4)

式中:P為擬評泥石流溝;xpi為P關于評價指標ci的實際值。

2.4 距的計算及關聯函數

距的計算：

(5)

關聯函數：

(6)

2.5 確定評價指標權重

在多因素的綜合評價中，各個因子的權重賦值至關重要，需要根據各因素對待評對象的影響程度不同而賦予不同的權值[11]。權值計算方法有多種，如專家打分法、層次分析法、熵權法、組合賦值法等[1]。這些方法各有優劣，本文選用層次分析法來確定權值。

首先，對影響泥石流危險性的因子按照相互間重要性進行打分。

其次，構造判斷矩陣：

A=(aij)n×n

(7)

式中：A為判斷矩陣；aij為第i個元素ui與第j個元素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)

對判斷矩陣做一致性檢驗，當C.R.<0.1時，說明矩陣具有較好的判斷一致性，各個因子的權重賦值是合理的。

2.6 物元的關聯度與評價等級

待評泥石流溝P對于不同危險性等級j的綜合關聯度為Kj(p)，公式為：

Kj(p)=∑aijKi(xj)

(11)

式中：Kj(p)為綜合關聯度,aij為各因子權重。

關聯度代表樣本點符合某段標準要求的程度，比較經過加權后計算的關聯度Kj(p),其值越大表示越接近該等級，從而可判定研究對象的評定等級。

3 研究區泥石流危險性評價

3.1 評價指標選取及等級劃分

不同的因素對泥石流危險性影響的程度不同[12]，泥石流危險性評價因子的選擇必須具有代表性、相對獨立、容易獲取、易于量化，且因子數量適當。研究區泥石流屬于暴雨型泥石流，通過現場調查及遙感影像解譯，獲得了11條典型泥石流溝的基本特征參數，通過計算得到泥石流的動力學參數，查閱氣象資料獲得相關氣象數據。通過分析篩選了10個評價因子：泥石流一次性最大沖出量S1(104m3)，流域面積S2(km2)，主溝長度S3(km)，相對高差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)，主溝床彎曲系數S8，泥石流暴發頻率S9(次/100 a)，植被覆蓋率S10(%)[1]。根據野外調查，整理得到本區段11條泥石流溝的各評價指標取值，見表1。

表1 泥石流危險度評價指標取值Tab.1 Index values of debris flow risk assessment

物元可拓法相對于其他評價方法，一個顯著的特點是它的每一個評價因子都可以按照數值區段進行標準分級。根據DZ/T 0220-2006《泥石流災害防治工程勘查規范》[13]的分級標準，以及劉希林等[13]的研究成果，將泥石流危險等級劃分為4個等級，各評價指標對應的等級見表2。

表2 泥石流危險性評價指標等級Tab.2 Index grades of debris flow risk assessment

3.2 數據處理

3.2.1 物元的構造 由表2可得出泥石流危險性分級標準的經典物元矩陣與節域矩陣，將泥石流危險性評價等級即輕度危險、中度危險、高度危險、極度危險分別記為N01、N02、N03、N04,其物元矩陣如下：

(12)

節域矩陣如下：

(13)

3.2.2 評價指標權重的確定 用層次分析法來確定權值，根據公式(7)構造判斷矩陣，見表3。

表3 層次分析法判斷矩陣Tab.3 Judgement matrix of analytic hierarchy process

采用方根法求出上述判斷矩陣的最大特征根λmax=11.04，將與其對應的特征向量歸一化[14]，得到評價指標的權重：

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)

通過一致性檢驗，C.R.=0.077<0.1，判斷矩陣的一致性滿足。

3.2.3 關聯度計算及等級評價

通過式 (5) 、式(6)計算待評泥石流溝中各評價因子的關聯度。以K65+350泥石流溝的S1因子在N01(低度危險)上的計算為例，關聯度計算如下：

距的計算：

(15)

因為x1=0.16∈x11=(0,10)，所以關聯度：

(16)

通過計算，S1因子在N02(中度危險)、N03(高度危險)、N04(極高危險)上的關聯度計算結果分別為：-0.984 0、-0.998 4、-0.999 8。

其余10個因子在各等級上的關聯度計算結果見表4。

表4 K65+350泥石流溝危險性指標關聯度Tab.4 Correlation degrees of risk index of debris flow gullies K65+350

表4(續)

根據式(11)計算10個因子相對于各等級的綜合關聯度，以K65+350泥石流溝各因子相對于低度危險等級的綜合關聯度計算為例：

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個因子在中度危險、高度危險和極高危險等級的綜合關聯度分別為：-0.522 6、-0.797 2、-0.688 8。

對于K65+350泥石流溝各等級的綜合關聯度中最大值為-0.197 8，對應低度危險等級，故K65+350泥石流溝危險性等級為低度危險。

G213公路隆務峽段11條泥石流溝的危險性等級計算結果見表5。

表5 研究區內泥石流溝危險性指標綜合關聯度及等級Tab.5 Comprehensive correlation degrees and grades of risk index of debris flow gully in the study area

4 討論與結論

經調查發現，G213線策克至磨憨公路隆務峽段的泥石流成群發育，研究區多數泥石流溝的形成區和流通區都混合在一起，沒有明顯的區別，為坡面型泥石流溝，在調查的11處泥石流中，有7處為坡面型，占比為63.6%。這是該研究區泥石流類型分布的顯著特征，也是青藏高原東北緣中高山地區公路沿線泥石流分布的普遍特征。

本研究運用物元可拓法對G213公路隆務峽段頻發的11條泥石流溝的危險性進行分析，危險性評價結果為中度危險的泥石流溝4條，占36.4%，均為溝谷型泥石流溝；被評價為低度危險的泥石流溝7條，占63.6%，均為坡面型泥石流溝。評價結果與G213線策克至磨憨公路隆務峽段實際遭受的泥石流危害程度高度一致。據該地區公路養護段統計，該路段K65+600及K69+430處的溝谷型泥石流災害破壞最為嚴重，經常造成路基部分被毀，涵洞翼墻破壞，泥石流沖出方量大，與中度危險的評價結果相符；其余7處坡面型泥石流均在路面上造成規模大小不等的堆積，沒有造成道路損毀，危害較小，與低度危險的評價結果相符。在評價精度方面，對溝谷型泥石流溝的評價結果準確度高，與實際情況吻合度達到100%；對坡面型泥石流溝的評價結果與實際情況吻合度為85.7%，總體吻合度達到90.9%。說明物元可拓法能夠較好地解決泥石流危險性評估中各因子的分級問題，評價結果精度高，對G213公路隆務峽段泥石流溝道防治工作具有重要指導意義。

本研究運用物元可拓評價模型進行泥石流危險性評級，相比較李宗有等[9]和宋兵[15]的研究，本研究發現泥石流溝谷的類型對評價精度影響顯著，本方法對溝谷型泥石流的危險性評價比坡面型泥石流更適合。分析認為坡面型泥石流溝流域面積小、溝道短淺及縱比降大的特點，導致各因素的變化誤差更容易積累和傳導，最終使得坡面型泥石流評價結果誤差較大，在以后的應用中應注意對泥石流溝類型的區別。