滑坡-泥石流災害鏈特征分析與風險評價
——以川西石棉縣馬頸子溝為例

王翔弘紳,余建華,胡桂勝,楊志全

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所,四川 成都 610041;2.昆明理工大學公共安全與應急管理學院,云南 昆明 650093;3.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,四川 成都 610041;4.高原科學與可持續發展研究院,青海 西寧 810016)

多數地震能夠削弱山體結構強度,并激發滑坡災害,為泥石流形成提供物源,并在集中強降雨條件作用下,滑坡可能進一步發展為泥石流災害,因此在強震后的地震災區具有常形成滑坡-泥石流災害鏈的特征[1-2]。以2008年5月12日汶川地震和2013年4月20日蘆山地震為例,地震作用下激活了山體間部分已存在的滑坡體,產生并激發了其他新的地質災害[3-5]。而在汶川地震后的幾年里,由于山體坍滑破壞形成了大量的松散堆積物源,在局部降雨的作用下形成了許多災難性的泥石流災害[6-7],如汶川縣映秀鎮2010年8月14日、2013年7月10日和2019年8月20日泥石流。盡管震后滑坡-泥石流災害鏈已經得到初步的研究和揭示,但是風險評價工作依然缺乏,因此對滑坡-泥石流災害鏈特征與風險評價的研究具有重要的意義。

我國對多災害災害鏈的研究尚處于起步階段,近期的研究都集中在我國西南山區,特別是以四川省汶川縣為中心,如尹云鶴等[2]建立了西南地區地震-滑坡-泥石流災害鏈風險防范措施框架,陸研等[8]和雨德聰等[9]運用信息流理論將降雨指標與滑坡-泥石流災害進行了因果分析。以往的研究更注重對災害數據的統計分析,但是需要投入大量的時間與精力,且效率和準確率都偏低。隨著GIS技術的發展,復雜山地災害的研究進程不斷推進,已有研究主要利用災害耦合預測對災害鏈進行預測分析[10-11]。但是目前國外學者在這方面的研究較少,國內學者針對不同災害鏈提出了相應的理論模型與災害鏈防治措施框架,如:胡凱衡等[12]建立了滑坡-泥石流災害鏈風險評估的理論框架和概念體系;馬金珠[13]通過遙感解譯和科學實驗,在白龍江流域建立了多尺度滑坡-泥石流綜合風險評估體系與技術示范點;喬建平等[14]以工程效益四要素(風險區劃、風險概率﹑風險受損率、風險防御)為基礎建立了小流域滑坡-泥石流災害鏈風險綜合評估模型,為更多災害鏈的研究提供了參考。然而,對于相同災害類型和不同災害類型個體之間或不同災害類型之間的相互作用過程和形成機理方面的研究仍然相對薄弱,針對地質災害鏈體系,其評價方法、研究方法和技術體系還不完善和系統化[15],在這一領域仍然有待深入研究。

針對上述滑坡-泥石流災害鏈研究和風險分析的不足,本文以四川省石棉縣回隆村馬頸子溝低頻泥石流(2013年7月4日18時30分左右,馬頸子溝發生泥石流,其沖出固體物質總量達30萬m3)為研究對象,分析了該滑坡-泥石流災害鏈特征,并基于多災害理論對馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈進行了綜合風險評價,以為類似研究提供理論依據和經驗。

1 研究區概況

馬頸子溝流域地處青藏高原橫斷山脈東部石棉縣(雅安市西南部,北緯28°51′～29°32′,東經101°55′～102°34′)回隆村(石棉縣縣城東南向6.8 km),南椏河右岸,溝口地理坐標為北緯29°10′52.55"、東經102°23′26.14",該泥石流溝位置如圖1所示。馬頸子溝流域內地形陡峭,屬深高中山地區,總體上以“V”型谷為主,流域面積為8.4 km2,相對高差1 957 m,溝床平均縱坡降為310‰。該流域趨勢呈上陡下緩,上游溝段(清水區)溝道相對較陡,地形起伏較大,溝道縱坡降為487‰;中游溝段(形成區)溝道縱坡降為250‰左右;中下游溝段為流通區,縱坡降約為128‰,下游至溝口為堆積區,縱坡降約為107‰,最終匯入南椏河[16]。馬頸子溝流域內發育支溝4條,分布于上游溝段清水區,如圖2所示。

圖1 馬頸子溝流域位置圖Fig.1 Location map of Majingzi Gully watershed

圖2 馬頸子溝流域特征Fig.2 Characteristics of Majingzi Gully watershed

石棉縣多年氣象統計數據及其線性分布,如表1和圖3所示。石棉縣多年平均年降水量為770 mm,日最大降雨量為105.6 mm,當地降水量主要集中于7至8月份內,占全年降水量的70%以上[16-17],經常以陣雨或暴雨的形式出現,降雨多集中在山地區域,河谷地帶次之。

表1 石棉縣多年氣象統計數據表

圖3 石棉縣多年氣象數據統計分布圖Fig.3 Statistical distribution of annual meteorological data in Shimian County

3) 第四系崩積層(Qcol):主要分布于溝谷兩岸坡腳地帶,由不穩定斜坡和崩塌等堆積而成,物質松散。

結合現場調查得知,區域土石比約為54.76∶45.24,綜合評定區域巖性為軟硬相間。

2 馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈特征

2.1 地震和滑坡對泥石流災害的影響分析

2.1.1 地震對泥石流災害的影響分析

文廣超等[19]對汶川地震前后四川省主要地質災害時空發育規律進行了統計分析,結果表明:“5·12”汶川地震之前,川西區域構造整體穩定,滑坡、泥石流災害數量較少,災害規模較小;震后以汶川為中心,周邊區域出現了大量滑坡體、泥石流災害等。與震前相比,震后四川省(近汶川區域為中心)地質災害強度在不斷增加,活躍性在不斷增強。

地震會進一步激發不良地質體的破壞,土石下移至溝道,改變溝道微地貌,填埋甚至阻斷河床,嚴重情況下會形成堰塞壩[20]。研究區主要地震活動包括2008年5月12日發生的汶川地震,同年7月底在該縣發生的一次4.9級地震,以及隨后在2013年4月20日發生的蘆山地震,地震影響烈度為5～7度,尤其是2013年蘆山地震,馬頸子溝內出現了輕微變形破壞跡象,地震導致山體松動,利于降雨入滲,成為汛期出現坡體變形破壞和泥石流的重要因素[16-17]。汶川地震和蘆山地震后,馬頸子溝流域內未發現堰塞湖,僅溝床和兩側地形發生輕微變化。

地震的影響還會在極短時間內以一種極端的方式加速區域內巖土體轉化為松散物質的過程。地震對馬頸子溝泥石流物源特征的影響顯著,其不光表現在物源總量上的增加,還對物源的分布特征和物質結構特征有著明顯的改變[20],馬頸子溝泥石流物源點分布位置和物源量統計,如圖4和表2所示。這也是繼“4·20”蘆山地震后發生“7·4”泥石流沖出固體物質總量達30×104m3的重要因素,其總量約占可啟動物源量的42.4%[16]。另外,研究區內人類活動(房屋修建、墾植開荒)活躍,對坡面物源和溝道物源有顯著的促進作用。

表2 馬頸子溝泥石流物源量統計表

圖4 馬頸子溝泥石流物源點分布位置圖Fig.4 Distribution of source points of debris flow in Majingzi Gully

2.1.2 滑坡對泥石流災害的影響分析

在地震作用下,馬頸子溝兩側出現了多處崩滑體(圖5),這些崩滑體上部巖土體隨滑動面逐漸滑移至溝床,由于滑體后緣基巖裸露,表面光滑,導致雨水滲流和匯流的條件發生改變,在局部暴雨情況下,水流不斷沖刷下方松散堆積土體,水體下滲,崩滑體下緣土體流動性增強,易被溝道水流攜帶,形成泥石流災害,沿途摻雜溝道旁側崩滑物源,擴大泥石流的規模,增加泥石流的危險性[20]。

圖5 2013年后馬頸子溝流域內增加的典型滑坡區域分布圖Fig.5 Distribution of typical landslide area in Majingzi Gully watershed after 2013

通過現場調查,在馬頸子溝道中下游周邊出現了許多失穩滑坡體。自“4·20”蘆山地震以來,馬頸子溝流域內斜坡上不良地質體在局部降雨形成的地表徑流(水動力)與風蝕的作用下逐年增加,流域內先后發生了7次滑坡(2.8×104～5.5×104m3),溝道內的松散固體物源也隨之增多,泥石流易發程度提高,危險性增加。根據現場調查和統計,馬頸子溝流域內2013年以后增加的典型滑坡區域分布,如圖5所示。

2.2 滑坡-泥石流災害鏈演化過程分析

自“7·4”泥石流以來,馬頸子溝流域內多為洪水沖刷、局部小型泥石流和水石流。通過調查統計該泥石流溝域內可能參與泥石流活動的物源量為70.7×104m3(表2),這些物源并非同時參與一次泥石流活動,且一次參與泥石流活動的松散固體物質也并非都會全部沖出泥石流溝進入主河,參照近期有史以來規模最大的泥石流活動(2013年7月4日泥石流)情況,“7·4”泥石流主要淤積段為G05、G07和溝口段(圖4)。研究發現這種情況主要受到以下幾個方面因素的影響:

1) 馬頸子溝降雨分布的不均一特性也決定了物源啟動參與泥石流活動的不均一性(當泥石流物源分布集中區,尤其馬頸子溝道中游-中下游區域,出現集中降雨或暴雨洪水等條件時,崩滑體或坡積物才可能啟動參與泥石流活動),馬頸子溝流域內崩滑體及其他物源等要分多次參與泥石流活動。

2) “7·4”泥石流災害中溝床堆積物參與泥石流活動的方式主要為揭底沖刷,在泥石流運動過程中,隨著溝道寬度和縱坡降的變化,泥石流在G05、G07和溝口段發生水沙分離,未沖出泥石流溝而是部分固體物質沿溝道堆積。調查點G05和G07現場泥石流淤積特征如圖6所示。

圖6 馬頸子溝道特征點G05和G07泥石流淤積特征Fig.6 Debris flow deposition characteristics of G05 and G07 in Majingzi Gully

3) 該泥石流發生當日,在特大暴雨情況下,溝道兩側崩滑體侵蝕剝落土石進入主溝道,并攜卷溝床堆積物,同時形成的泥石流又對兩側殘坡積物進行沖刷和侵蝕,從而形成滑坡-泥石流災害鏈。

按水源成因和物源成因,馬頸子溝泥石流屬典型的暴雨溝谷型泥石流,通過總結近期泥石流情況可知,該泥石流規模主要與溝域內松散固體物源的累積和動態變化情況以及與引發泥石流的暴雨情況相關,當溝域內松散固體物源累積較多,且遇到集中暴雨時,往往發生局部巖土體崩滑,進而演變為泥石流災害。馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈演化過程,如圖7所示。

圖7 馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈演化過程Fig.7 Evolution process of landslide-debris flow disaster chain in Majingzi Gully

目前,馬頸子溝泥石流的危害對象主要為回隆村(溝口)和石龍村(中下游)靠近溝道兩側的住戶及公路、G108國道等(圖8),據統計,受威脅戶數77戶,受威脅人數251人。

圖8 石龍村“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 馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈綜合風險評價

3.1 評價方法與標準

災害風險科學研究的對象是由災害、地理環境和暴露單元組成的“災害系統”,具有區域性、互聯性、耦合性和復雜性的特點。區域多災害、災害鏈和災害復合可能會導致復雜的影響,擴大或減弱災害強度,并改變受影響地區的范圍[21]。

自聯合國發起“國際減災十年(IDNDR)”和致力于減少災害風險的全球聯合努力以來,“降低災害風險(DRR)”科學和技術有了顯著的發展,科學家們針對區域多災害、災害鏈和災害復合的情況,提出了定性災害鏈的多災害風險理論公式[21]。災害鏈中災害之間存在某些鏈式關系,災害的危險度也隨著災害鏈長度的增加而增加,針對地區滑坡-泥石流災害鏈(自汶川地震后,成為川西主要地質災害鏈和研究對象)的風險評價,提出該類型災害鏈風險度計算公式[22]如下:

Rdc=Req+Rls+Rdf

=HeqVeqEeq+HlsVlsEls+HdfVdfEdf

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

(1)

式中:Rdc為震后泥石流災害鏈造成的綜合損失風險;Req、Rls、Rdf分別為地震、滑坡、泥石流災害鏈中的風險度;Veq、Vls、Vdf分別為地震、滑坡、泥石流造成損失的脆弱性;Eeq、Els、Edf分別為地震、滑坡、泥石流區域的人口密度(人/km2);Heq為地震危險度;Hls為滑坡危險度,主要通過分析滑坡發生的概率和運動得到;Hdf為泥石流危險度,由構建的評價方法計算得到。

危險/風險度分級標準如表3所示[23]。

表3 地震-滑坡-泥石流災害鏈中危險/風險度分級標準

災害鏈風險的表現為主要災害風險和次要災害風險的累積。據現場調查,地震對于石棉縣的影響僅限于促進當地崩滑體結構的穩定性破壞(間接增加了流域物源量),并沒有造成房屋倒塌和人員、財產的直接損失,不排除將來回隆鎮發生大型地震的可能性。由于該區域地震的相關數據缺失和計算存在較大誤差,區域災害鏈風險分析對于Req(地震風險)級別定為低,針對研究區特征,上述公式(1)中Req取級別低對應數(0～0.35],綜合取值Req=0,即本次針對馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈的風險分析不加入地震風險分析。

另外,公式(1)中計算滑坡和泥石流影響下人口密度取決于地震威脅范圍內人口的密度,該模式主要針對于區域性災害鏈的計算,對于單溝并不受用。通過對往年馬頸子溝流域已發生的滑坡與崩塌的位置進行分析,滑坡與崩塌并沒有對當地居住的居民住房或居民的人身安全和財產造成直接的影響和危害,只是作為泥石流形成的物源條件,因此計算中Eeq、Els、Edf的值存在誤差,在此省略該值。綜合分析下,最后嘗試采用如下公式對研究區滑坡-泥石流災害鏈的風險度進行計算:

Rdc=Rls+Rdf=HlsVls+HdfVdf

(2)

該公式(2)分別對滑坡的危險度和泥石流的危險度進行計算,最后耦合為滑坡-泥石流災害鏈的風險度。其中,采用目前工程中評價滑坡危險度的手段,通過構建層次分析法(AHP)結構模型對馬頸子溝滑坡危險度進行計算[24];針對泥石流危險度的計算則采用泥石流危險指標進行估算。對于滑坡和泥石流危險度的計算和分析采用上述兩種方式得出的結果均符合表3的分級標準,可以實行。

3.2 滑坡風險度(Rls)計算

3.2.1 構建AHP結構模型

從影響滑坡穩定性的內因和外因出發,并考慮各因子量化的可操作性,以泥石流溝兩側山體地形地貌特征(B1)、工程地質特征(B2)、其他特征(B3)為二級指標,以坡形(C1)、坡度(C2)、坡高(C3)、巖土類型(C4)、結構面發育程度(C5)、巖土體內摩擦角(C6)、巖土體黏聚力(C7)、年平均降雨量(C8)、植被覆蓋率(C9)、巖土風化程度(C10)、地震烈度(C11)11個評價因子作為三級指標,建立AHP結構模型,見圖9[24]。

圖9 AHP結構模型Fig.9 AHP structure analysis model

3.2.2 計算指標權重

采用1～9標度法[24-25]構造判斷矩陣,并根據上述建立的AHP結構模型計算出各判斷矩陣中各評價因子(指標)的權重值(表4至表7),最后由下而上將C級目標與B級目標權重值相乘,對11個評價因子權重由大到小進行排序,見表8。

表4 A-B判斷矩陣和評價因子權重計算值

表5 B1-C判斷矩陣和評價因子權重計算值

表6 B2-C判斷矩陣和評價因子權重計算值

表7 B3-C判斷矩陣和評價因子權重計算值

表8 評價因子權重總排序

3.2.3 建立滑坡危險度綜合評價數學模型

運用德爾斐法[26]以及結合實際情況,邀請專家對評價因子進行打分得到其分級指數Xi,并通過滑坡危險度綜合評價數學模型將Xi與權重Wi組合,計算得到滑坡綜合危險分級指數Hls?；挛ｋU度綜合評價數學模型如下:

(3)

式中:Hls為滑坡危險度;Wi為各評價因子的權重;Xi為各評價因子的分級指數,分別取值為0.2、0.4、0.6、0.8、1.0五個等級[21]。

將各評價因子的Wi(表8)和分級指數Xi取值分別代入公式(1),經計算可得:

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,綜合評定研究區滑坡災害(目前調查有6處)屬于中度危險,與現場調查結果一致。

根據區域滑坡特征,將滑坡災害造成損失的脆弱性(Vls)分為4個易損性等級,即:低易損性(Vls取值0～0.3)、中易損性(Vls取值0.3<～0.4)、較高易損性(Vls取值0.4<～0.6)、高易損性(Vls取值0.6<～1)[27],Vls計算采用紀虹等[28]構建的滑坡災害易損性等級計算模型進行計算,其計算公式如下:

(4)

通過計算可得xi=3,按照滑坡災害易損性等級劃分標準為等級三,即滑坡災害點易損性為較高易損性區域,取Vls=0.6。據調查(圖5)顯示,研究區典型滑坡多集中在形成區和流通區,對于溝口居民區的影響較小,因此研究區滑坡風險度定性趨于低風險度,目前滑坡處于穩定狀態。

3.3 泥石流風險度(Rdf)計算

對馬頸子溝泥石流易損度的確定,根據文獻[22-27,29]所統計的2006年、2009年和2015年岷江上游84個鄉鎮泥石流災害造成損失的易損性(代表岷江上游段不同區域泥石流災害造成損失的易損性數值),發現易損性數值大小排序為2009年>2006年>2015年。馬頸子溝大規模泥石流繼2013年“4·20”蘆山地震幾個月后發生,與映秀鎮牛圈溝2008年發生的大規模泥石流類似,均屬于典型的震后泥石流,且映秀鎮和回隆鎮地形地貌相仿,主要分布花崗巖地層。結合兩地多種條件相似的情況,且目前距2013年馬頸子溝大規模泥石流已有9 a,該區域易損性在相應的防治措施建設后已有所改善,因此依據岷江上游鄉鎮泥石流災害易損性調查統計數據,選擇2015年映秀鎮易損性數值[29]作為馬頸子溝泥石流易損性取值,即取

Vdf=0.230 6

(5)

這里應用泥石流危險區的指標來估算泥石流的危險度[22],則有:

Hdf=y1w1+y2w2+…+ynwn

(6)

其中,根據現場調查和計算數據,將泥石流峰值流量(y1)、泥石流流速(y2)、相對高差(y3)、地形起伏度(y4)、巖性(y5)、植被覆蓋率(y6)、可啟動物源量(y7)和人類活動(y8)作為泥石流災害評價的因子,根據各評價因子不同的危險閾值將其分為從一級至五級5個評價等級,分別賦值為0.2、0.4、0.6、0.8和1.0[21],相應的危險閾值取值如表9所示;wi為各評價因子權重。泥石流災害各評價因子yi的權重wi(采用AHP[30-31]法確定)取值如下表10所示[16-17,32]。

表9 各泥石流災害危險閾值等級劃分和取值

表10 各評價因子權重計算匯總

將表9和表10數據代入公式(6),計算得出泥石流的危險度Hdf=0.757,即馬頸子溝泥石流的危險度為高度危險區,與現場調查結果相符。

3.4 災害鏈風險分析

匯總上述計算結果所得Hls=0.589、Rls=0.35,Hdf=0.757,Rdf=0.17,研究區滑坡災害為中危險度、中風險度,泥石流災害為高危險度、低風險度,研究區滑坡災害風險度大于泥石流災害風險度的原因主要受區域災害脆弱性取值的影響,綜合分析區域滑坡災害屬于易發,馬頸子溝為低頻泥石流溝(20～100 a一遇)[33],泥石流災害不易發,Vdf取值參考岷江上游數據統計結果,綜合判定結果可取。

綜合上述,馬頸子溝滑坡和泥石流危險度和區域災害脆弱性相關計算數據代入公式(2),求得Rdc=0.46,馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈為中風險度。

目前,當出現極端氣候,激發馬頸子溝道旁側滑坡體或演變新的不穩定滑坡體,該區域依然具有形成滑坡-泥石流災害鏈的可能性,若再次發生大規模的泥石流災害,有堵塞馬頸子溝流域中下游和溝口處的可能,在沒有防治整改措施的情況下,對G108國道的暢通和溝口處居民的人身和財產安全存在較大的威脅。馬頸子溝口堆積扇淤埋房屋和G108國道現狀,如圖10所示。

圖10 馬頸子溝口堆積扇淤埋房屋和G108國道現狀Fig.10 Present situation of silted houses with Majingzi Gully accumulation fan and national highway G108

4 結 論

本文基于多災害風險理論,采用災害鏈風險評價方法結合多種計算模型分析了馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈危險性,并通過資料收集和計算結果分析了馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈風險度。得到主要結論如下:

1) 自2013年4月20日蘆山地震以來,馬頸子溝流域內先后發生了7次滑坡(2.8×104～5.5×104m3),溝道內的松散固體物源增多,泥石流易發程度提高,危險性增加。隨后2013年7月4日爆發的大規模泥石流災害,一次固體物質沖出量約為30萬m3,約占可啟動物源量的42.4%。

2) 構建AHP模型計算得到馬頸子溝滑坡災害的危險度Hls=0.589,評價等級為中危險度。

3) 應用泥石流危險區的指標來估算泥石流的危險度,通過泥石流災害評價因子危險閾值和權重統計,計算得出馬頸子溝泥石流災害的危險度Hdf=0.757,評價等級為高危險度。

4) 基于多災害風險理論的災害鏈風險評價計算模型得到Rdc=0.46,表明馬頸子溝滑坡-泥石流災害鏈為中風險度。

5) 基于多災害風險理論的風險評價是將不同災種的風險度疊加耦合而得出區域災害鏈的風險度,并根據實際情況,針對特定的災害鏈進行分析,找出鏈式災害中的主要災害和次要災害進行綜合分析。目前僅應用于地震-滑坡、崩塌-泥石流相關的多災害鏈中,其他路徑還有待創新。本文在滑坡-泥石流災害鏈中進行了相關嘗試,其評價結果與現場調查結果相符,相關方法后期還需進一步改進。