不同尺度的忻州市東北部泥石流風險評價及風險管控研究

王曉婭,陳曉文,焦姍,田德志,崔麗鵬

(1.中國冶金地質總局第三地質勘查院,太原 030031;2.山西省煤炭地質資源環境調查院有限公司,太原 030006)

0 引言

泥石流是一種含有大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體[1],具有災害范圍大、影響范圍廣、破壞性強的特點。據統計,忻州市1978—2020年發生的40起泥石流共造成22人死亡,直接經濟損失24495.28萬元。近年來,開展地質災害風險評價和風險管控逐漸成為地質災害防治的重要工作內容?！笆奈濉逼陂g,自然資源部推進地質災害防控方式由“隱患點防控”逐步向“隱患點+風險區雙控”轉變,重視高風險區和高風險點,保護當地人們的生命財產安全。

泥石流風險評價包括危險性和易損性兩部分,是指對泥石流在某一地區可能發生的概率和一旦發生對人們生命財產構成的危害做出評價[2]。地質災害風險評價模型有極值風險模型、概率風險模型和可能性風險模型三種[3],因此風險評價的方法也多種多樣。不同于崩塌、滑坡等斜坡類地質災害,泥石流風險評價可以從區域風險評價和單體風險評價兩個角度來考慮,區域泥石流風險評價方法主要有遙感與GIS評價法[4]、GIS評價法[5]、機器深入學習法[6]、模糊綜合評判法[7]、遙感和數值模擬法[8]等,此外還有灰色預測評價法[9]、人工神經網絡評價法[10]、信息熵理論評價法等。大部分學者認為區域泥石流風險評價結果是易發性(危險性)與易損性疊加的結果,但對易發性或危險性的定義、建立的評價指標體系有一定的差異。

單溝泥石流風險評價與考慮一個區域內多條泥石流風險性不同,只評價一條泥石流溝的風險性,一般考慮為易發性與易損性的乘積或危險性與易損性的和。評價方法與區域泥石流評價方法類似,包括層次分析法、模糊綜合評判法、遙感與GIS評價法等[11-14]。

忻州市東北部的溝谷內發育數十條溝谷型泥石流,集中在繁峙縣中西部的山區,中高山區陡峻的地形地貌、風化的巖土體及采礦廢渣形成的大量物源使得該區域在暴雨時期發生泥石流的概率很大。為進一步加強當地“隱患點+風險區雙控”的地質災害管控體系,選取忻州市東北部發育的21條泥石流為研究對象,通過層次分析法開展單溝泥石流評價,然后采用GIS分析法開展區域泥石流風險評價,比較兩種不同方法泥石流的風險性,確定研究區內的高風險區、高風險點,為保障當地人們的生命財產安全提供基礎。

本次選取的21條泥石流分布于忻州市東北部的中高山區和山區—山前平原過渡帶,集中在繁峙縣巖頭鄉(9條)、繁城鎮(7條)和光裕堡鄉(5條)等3個鄉鎮。

1 單溝泥石流風險評價

根據聯合國對自然災害風險性的定義,單溝泥石流風險性計算公式如下[1]:

R單=H單×V單

(1)

式中,R單為泥石流風險性;H單為泥石流易發性;V單為泥石流易損性。

單溝泥石流易發性的計算公式如下:

H單=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+0.06S3+0.11S4+0.03S5

(2)

式中,M、F、S1、S2、S3、S4、S5均為評價因子,其轉換值的取值見表1。

表1 單溝泥石流易發性評價因子轉換值Table 1 Conversion values of risk assessment factors of each mudflow

根據研究區的實際情況,修正后的單溝泥石流易損性V單計算公式[1]如下:

V單=[0.5(FV1單+FV2單)]0.5

(3)

FV1單=1/{1+exp[-1.25(logV1單-2)]}

(4)

FV2單=1-exp(-0.0035V2單)

(5)

V1單=I+E+L單

(6)

V2單=(a+b+r)D/3

(7)

式中,V1單為財產指標(萬元);FV1單為財產指標的轉換函數賦值(0～1);V2單為人口指標(人/km2);FV2單為人口指標的轉換函數賦值(0～1);I為泥石流影響范圍內的受威脅財產(萬元);E為經濟易損度指標(萬元),包括人均年收入E1、人均儲蓄存款余額E2、人均擁有的固定資產E3;L單為影響范圍內各類土地的價值(萬元);a為59歲及以上老人和14歲以下少年兒童的比例;b為只接受過初等教育(小學)及以下人口的比例;r為人口自然增長率(‰);D為人口密度(人/km2)。

風險性等于易發性和易損性的乘積,按布拉德福定律的區域分析方法決定風險性的5個等級:0.00

圖1 泥石流單溝風險性評價分區Fig.1 Division of single mudflow risk

2 區域泥石流風險評價

2.1 評價單元的劃分

區域泥石流風險評價為危險性與易損性疊加得到,本次評價基于遙感解譯的區域數值高程模型(DEM)進行柵格單元劃分,以ArcGIS為平臺,選取的柵格單元大小為30 m×30 m。

2.2 危險性評價

2.2.1 AHP法確定評價體系

選取本區域內與泥石流形成密切相關的斜坡坡度、斜坡坡高、斜坡坡向、巖土體類型、水文影響、植被、人類工程活動影響等7個因素作為評價指標,然后專家打分法構建評價網格矩陣,通過一致性檢驗,得到評價指標權重表(表2)。

表2 泥石流易發性評價體系Table 2 Assessment system of susceptibility mudflow

2.2.2 危險性評價

采用信息量模型通過ArcGIS計算得到各個評價指標的信息量分布圖,然后將7張圖進行疊加,首先得到易發性評價結果。在此基礎上,疊加月降雨等值線圖進行危險評價(圖2),計算公式如下:

圖2 研究區泥石流地質災害易發性、危險性、易損性及風險性評價圖Fig.2 Diagram showing susceptibility, danger degree, vulnerability and risk degree of mudflow disasters of the study area a.泥石流災害易發性評價圖;b.泥石流災害危險性評價圖;c.泥石流災害易損性評價圖;d.泥石流災害風險性評價圖

H=0.8Iy+0.2Ij

(8)

式中,H為危險性計算結果;Iy為易發性評價總信息量;Ij為降雨信息量。

2.2.3 易損性評價

根據《地質災害風險調查評價技術要求》,本次評價側重于對影響區范圍內人口數量、建筑(房屋、建筑等)、交通設施等進行分類評價,再疊加得到綜合易損性評價結果。

2.2.4 風險性評價結果

將地質災害的危險性和易損評價結果疊加,采用矩陣分析方法將風險評價結果分為四級,極高風險、高風險、中風險、低風險。最終得到研究區21條泥石流的區域風險評價結果(圖2)。從圖2可以看出,研究區的泥石流均位于中風險區和高風險區,最后將單體風險評價和區域風險評價結果進行匯總(表3)。

表3 泥石流評價成果匯總Table 3 Summary of the assessment

將單體泥石流風險評價結果與用GIS方法進行該區區域泥石流風險評價結果進行對比可以看出,同一泥石流單體風險評價結果和區域風險評價結果可能“不一致”。對上述泥石流評價結果進行了分類,高風險區中的高風險點有5處,高風險區中的中風險點有10處,中風險區中的中風險點有6處,對不同的分類結果進行不同的風險管控。

3 泥石流災害風險管控

根據上述3類分類結果,本次對研究區泥石流提出的風險管控措施包括三個層面。

(1)高風險區中的高風險點管控

主要位于五臺縣巖頭鄉西北部和繁峙縣光裕堡鄉中部,為研究區內泥石流風險評價為最危險的區域,應該加強這些區域的泥石流防災減災及風險管控工作,必要時建議采取工程治理、避讓搬遷等措施。

(2)高風險區中的中風險點管控

主要位于五臺縣巖頭鄉北部和繁峙縣光裕堡鄉中南部,該區域內的泥石流發生概率也較高,具有形成泥石流的陡峻地形、豐富的巖土體及采礦廢石等物源條件,應該對該區域的泥石流防災減災及風險管控工作引起重視。此外,建議對這些泥石流采取定期清理溝谷中的松散物、開展專業化監測預警等治理措施。

(3)中風險區中的中風險點管控

主要位于繁峙縣繁城鎮南部,該區域內泥石流的綜合風險評價結果相比上述2個區域略低,但也應當引起足夠重視,在區域內進一步加強群測群防等工作。

4 結語

(1) 泥石流風險評價是進一步開展災害防災減災、風險管控的重要基礎,不同的評價方法、評價指標可能得到的評價結果略有差異。本文從區域和單體兩種不同的角度切入,得到的評價結果更為準確可靠,具有一定的參考價值。

(2)泥石流風險管控不僅僅從單條泥石流溝的角度考慮,更應該結合區域評價結果,實現“風險區+隱患點雙控”的基礎是將區域和單體評價結果綜合考慮分為高風險區中的高風險點、高風險區中的中風險點、中風險區中的中風險點等3類,再對不同的分類提出不同的工程治理、避險搬遷、專業監測等風險管控建議。