1、四川省小流域泥石流危险性评价 熊俊楠 韦方强 刘志奇 西南石油大学土木工程与建筑学院 中国科学院地理科学与资源研究所资源与环境信息系统国家重点实验室 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 摘 要： 泥石流危险性评价是泥石流防灾减灾的重要内容。本文以四川省为研究区, 以DEM 为数据源, 通过提取水流方向, 计算汇流累积量, 实现四川省小流域划分。基于收集的已查明泥石流流域资料, 分析了泥石流孕灾环境与成灾特点, 选择流域高差、流域面积为指标, 建立基于能量条件的潜势泥石流流域判识模型, 对划分的小流域进行判识, 识别出 7798 个小流域具备泥石流发生所需能量条件, 面积为 31.1104km2,
2、 占四川省总面积的 64.18%。进而建立了泥石流危险性评价指标体系和可拓物元模型, 开展了小流域泥石流危险性评价, 划分了危险度等级, 得到中度、高度、极高危险区的小流域个数分别为 1946、1725 和 1002个, 面积分别为 9.1104、7.7104 和 3.4104km2, 中度以上危险区面积共20.2104km, 占四川省总面积的 41.67%。最后对评价结果可靠性和各等级泥石流危险区在各地市级行政区、各大流域的分布进行了分析。其结果对促进泥石流判识与危险性评价理论, 区域泥石流防灾减灾与山区可持续发展等具有重要的理论和现实意义。关键词： 泥石流; 地貌特征; 危险性评价; 小流
3、域; 可拓物元模型; 作者简介：熊俊楠 (1981-) , 男, 四川南充人, 博士, 副教授, 主要从事地理信息系统与灾害风险分析方面的研究。E-mail:neu_收稿日期：2017-06-30基金：住房和城乡建设部科技计划项目 (2016-K3-024) Hazard Assessment of Debris Flow in Sichuan ProvinceXIONG Junnan WEI Fangqiang LIU Zhiqi School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University; Cho
4、ngqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences; Abstract： Hazard assessment is important for the prevention and mitigation of debris flow disaster. This study takes Sichuan Province as the research area. Based on the DEM data, we realize the demarcation of the smal
5、l watershed in Sichuan Province by extracting the direction of water flow and calculating the accumulation of the flow confluence. Based on the collected information of debris flow watershed, we selected the watershed elevation difference and watershed area as the indicators. The identification mode
6、l of potential debris flow watershed based on the energy condition was built by analyzing the hazard-formative environment and characteristics of debris flow hazards. A total of 7798 small watersheds with the required energy conditions for debris flow occurring were identified by utilizing the estab
7、lished model among all the demarcated small watersheds, which is 31.1 104 km2 accounting for 64.18% of the total area of Sichuan Province. The indicator system of debris flow hazard risk assessment and the extension matter-element model were established from the energy condition of the debris flow o
8、ccurring, the condition of the loose solid materials, the precipitation condition and the condition of human activity. These determine the weights of the assessment factors, of dividing the grade of the hazard risk, by which it classifies the hazard risk degree of small watershed debris flow. The nu
9、mber of the moderate, high and very high hazard degree is 1946, 1725 and 1002, with an area of 9.1104 km2, 7.7104 km2 and 3.4104 km2, respectively. The total area of moderate hazard areas is 20.2104 km, accounting for 41.67% of the total area of Sichuan Province. Finally, the analyses were made for
10、the reliability of assessment results and the distribution of the different hazard degree of debris flow areas in different municipal administrative districts and the major river valleys. All the known small watershed of very high hazard degree are identified as debris flow watersheds. The 896 water
11、sheds of moderate hazard degree do not belong to the identified debris flow and 1233 watersheds of high hazard degree do not belong to the identified debris flow, either. They are the key area for disaster prevention and reduction in Sichuan province in the next few years. The results of the analyse
12、s have the great theoretical and practical significance for enhancing the debris flow identification, the prevention and mitigation of regional debris flow disaster. The sustainable development of mountainous areas and also the theory of the risk assessment of debris flow hazard.Keyword： debris flow
13、; geomorphology characteristics; hazard assessment; small watersheds; extension matter-element model; Received： 2017-06-301 引言泥石流是山区特有的一种突发性的自然现象, 常发生在山区小流域, 是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体, 呈粘性层流或稀性紊流等运动状态1。由于中国泥石流数量多, 危害面广, 具有区域性、周期性、季节性、夜发性、群发性等特点, 目前还不能做到对每条沟都进行治理, 为了科学地预防和减轻泥石流所带来的危害, 就要分析泥石流的发育规律、孕灾环境、成
14、灾方式和致灾因子等, 进而对灾害发生的可能性、危险性、危害范围和程度等有一个科学、细致的认识和评价, 即泥石流危险性评价, 包括单沟和区域泥石流危险性评价。单沟危险性评价对待评价的泥石流沟认识明确, 指标要求精度高, 定量化程度高。区域泥石流危险性评价更注重区域内各单元之间危险性大小的对比, 表示区域内相对各单元的危险性, 评价因子也有许多为相对评价指标。国内外学者在区域泥石流危险性评价方面做了大量的研究, 1977 年日本学者足立胜治等2最早开展了泥石流发生危险度的判定, 从地貌条件、泥石流形态和降雨 3 个方面分析来判定泥石流发生的概率。1981 年美国的 Hollingsworth 和K
15、ovacs3采用打分方法, 提出了泥石流危险度评价框架, 建议将岩性、坡度和切割密度 3 个因子分别划分为 0、1、2、3、4 共 5 个等级, 再用因子叠加求和进行危险度评价, 奥地利、瑞士等4欧洲国家提出了采用类似于交通信号中红、黄、绿三色的特定含义, 来划分泥石流危险区、潜在危险区和无危险区。随着计算机以及地理信息系统技术的发展, 泥石流评价也向着精度更高、速度更快, 集成性能更高、更加便捷的方向发展5。区域泥石流危险性评价单元主要有格网、自然区域、行政区域单元等6-7, 这些评估单元有其计算、管理等方面的优越性, 但对泥石流发生的小流域地质环境信息反映不完整, 从而影响泥石流危险性评价
16、的精度和可靠性8。本文以四川省为研究区, 以数字高程模型 (Digital Elevation Model, DEM) 为数据源, 划分出研究区小流域, 通过分析已查明泥石流流域相对高度、流域面积等地貌因子分布特征, 建立基于能量条件的潜势泥石流流域判识模型, 识别出具有泥石流发生所需能量条件的小流域。在此基础上, 建立泥石流危险性评价指标体系和可拓物元理论模型, 对各小流域泥石流危险性进行评价, 并对各等级泥石流危险区的空间分布进行分析, 其结果对促进泥石流危险性评价理论, 区域泥石流防灾减灾等具有重要意义。2 研究区概况与灾害现状2.1 研究区概况四川省位于中国西南腹地, 地处长江上游,
17、介于东经 972110833, 北纬 26033419之间。南北跨度为 916 km, 东西跨度为 1062 km。东连重庆市, 南邻云南省、贵州省, 西接西藏自治区, 北接青海省、甘肃省、陕西省9。其面积 48.610km, 居全国第五位, 全省共有 21 个市 (州) 。四川省位于中国自然地势的第一级台阶变化及第二级台阶向第三级台阶变化的过渡带, 第一级台阶向第二级台阶变化的过渡带内, 山高坡陡, 地势险要, 盆周山地和盆中丘陵、平原之间形成一个地貌急剧转变的过渡带。降水分布从区域看, 暖区多雨, 冷区少雨;从季节看, 冷季雨少, 暖季雨多。全省多年平均年降水量大部分在 4001200 m
18、m 之间, 盆地区一般 8001200 mm, 川西南区8001100mm, 川西区 600800 mm 之间。研究区是青藏高原与扬子地块挤压拼接的交汇部位之一, 地质构造复杂多样, 地质构造运动强烈, 深大断裂发育, 受龙门山断裂带、鲜水河活动断裂、安宁河断裂控制, 成 Y 字形展布, 地震活动频繁而强烈。区内地层发育齐全, 第四系分布广泛, 成因类型众多, 第四纪冰川、冰川堆积物发育10。研究区地势及泥石流沟分布如图 1 所示。图 1 研究区地势特征及泥石流沟分布 Fig.1 Hillshade and gullies of debris flows in the study area 下
19、载原图2.2 泥石流灾害现状四川省已查明并编目的泥石流沟共有 3177 条11, 分布密度达 0.63 条/100 km, 泥石流沟谷总面积 4.5510km, 占四川省总面积的 9.3%。四川省泥石流分布总体趋势是西部密集, 规模大, 危害重, 盆周山地集中, 规模大致中等, 危害亦大至中等12。2008 年 5 月 12 日汶川地震、2013 年 4 月 20 日芦山地震发生后, 地震灾区赋存大量的松散固体物质, 为泥石流的发生提供了充足的物源, 使该区成为泥石流最发育的地区之一13。每年因泥石流造成的损失十分严重, 耕地、房屋、电站、厂矿、桥梁、铁路、公路、航道、自然保护区等均不同程度遭
20、受泥石流的危害, 如 2010 年四川强降雨引发的多处特大山洪泥石流造成全省 14 个市 (州) 、67 个县 (市) 、576 万人受灾, 因灾死亡 16 人, 失踪 66 人, 全省因灾直接经济损失约 68.9 亿元, 转移群众 39.4 万人。其中, 8.13 清平乡文家沟泥石流造成 7 人遇难, 7 人失踪, 379 户房屋被淹没, 危房 100 余户14-15。3 小流域划分与潜势泥石流流域判识3.1 小流域划分方法四川省小流域划分以 ASTER GDEM 为数据源, 通过中国科学院计算机网络信息中心国际科学数据服务平台获取 (http:/ , 空间分辨率为 30 m30 m, 垂直
21、精度 20 m, 水平精度 30 m。通过分析四川省已查明泥石流流域面积, 71.36%的流域面积小于 10 km, 因此, 选取汇流累积单元个数阈值为 10 000, 集水面积阈值为 9 km 进行小流域划分。以 Arc GIS 10.1 的水文分析工具箱 Hydrology 进行实验, 通过提取地表水流径流模型的水流方向、计算汇流累积量、水流长度、河流网络 (包括河流网络的分级) 以及对研究区的流域进行分割, 从而得到四川省小流域划分结果。3.2 潜势泥石流流域判识3.2.1 判识模型一般认为, 凡是发生过泥石流这一事件的沟 (坡) 或具备了形成泥石流这一事件的沟 (坡) , 都应认定为泥
22、石流沟 (坡) 或泥石流流域 (坡面) 11。判识方法主要有判别因素分析法、严重程度数量化综合评判法、识别要素临界值判别法、流域特征与泥石流要素临界值对比判别法、形成条件和活动产物分析与活动史访问判别法、遥感图像解译法等16-17。泥石流是一种动力地貌 (或地质) 现象 (或过程) , 地貌条件是形成泥石流的内因和必要条件, 在泥石流形成的 3 个基本条件中, 地貌条件相对稳定, 变化缓慢。影响泥石流流域能量条件的地貌因素主要有相对高度、沟床比降、沟坡坡度、坡向、沟谷形态、流域面积等, 其中相对高度决定势能的大小, 既与流域的沟床比降和流域面积有较密切的关系, 又独立地反映了流域的地貌特征11
23、。对四川省已查明的 3177 条泥石流沟相对高度进行分析表明, 流域相对高度一般在 300 m 以上, 且泥石流流域数随着相对高度的增加而增多, 当相对高度超过1000 m 后, 泥石流流域数逐渐减少, 流域最大相对高度未超过 4000 m。流域面积的大小, 是确定沟谷水动力条件的主要参数, 流域面积越大, 水动力条件越好, 反之水动力条件越差, 但对于泥石流活动, 则是当沟谷流域面积在某一范围内最为有利。对已查明泥石流流域面积的分析表明, 面积小于 10 km 的有2267 条, 占 71.36%, 小于 40 km的有 2900 条, 占 91.28%。为了更好地揭示研究区泥石流流域相对高
24、度、流域面积特征, 将相对高度、流域面积二者结合分析, 建立流域面积、单位面积相对高度分布如图 2 所示。随着泥石流流域面积的增大, 单位面积相对高度逐渐减小, 其趋势线的表达式为:式中:y 表示流域单位面积相对高度;x 表示流域面积。其中趋势线相关系数R=0.8883。图 2 泥石流流域面积与单位面积相对高度关系图 Fig.2 Relationship between watershed area and relative height of unit area 下载原图对于这些已发生泥石流的流域, 均具备了泥石流发生在单位面积上所需的能量条件和水动力条件, 因此, 建立包络线将泥石流流域发
25、生应具备的单位面积势能条件、水动力条件通过单位面积相对高度、流域面积的关系反映出来, 将其用到潜势泥石流流域判识中。对研究区任意流域而言, 如果单位面积相对高度、流域面积均满足条件, 位于包络线上方, 就认为其具备泥石流发生在单位面积上所需的势能、水动力条件, 判定其为潜势泥石流流域。根据上述思路, 建立包络线表达式为:式中:y 表示流域单位面积相对高度;x 表示流域面积。分析已查明泥石流沟, 其面积均小于 300 km, 因此 x 取值范围为 x (0.1, 300) , 进而得基于流域面积和单位面积相对高度的泥石流流域判识模型为:则该小流域具备泥石流发生所需的能量条件, 判定为潜势泥石流流
26、域。3.2.2 判识结果基于上述模型, 以 Arc GIS 10.1 和 SQL Server2008 为平台, 开发泥石流流域判识程序, 在判识时, 首先对划分的一级流域进行判定, 如果具备泥石流发生所需能量条件, 则结束本次判定, 对另一个一级流域进行判识;如果不具备泥石流发生所需能量条件, 则对该一级流域下各级流域逐级进行判识, 有具备泥石流发生所需能量条件的流域时, 则跳至另一个一级流域, 直到完成最后一级流域判识为止。通过输入已经提取的四川省小流域 (集水面积阈值 9 km) 、提取的水系图、DEM 数据进行四川省泥石流流域判识, 合并处理后, 共有 7798 个流域具备泥石流发生所
27、需的能量条件, 判识为潜势泥石流流域。不具备泥石流发生所需能量条件的小流域, 判定为非泥石流流域, 判识结果如图 3 所示。分析表明, 泥石流流域总面积为 31.110km, 占四川省总面积的 64.18%, 非泥石流流域总面积为 17.410km, 占四川省总面积的 35.82%。图 3 潜势泥石流流域判识结果 Fig.3 The identification results of potential debris flow 下载原图通过加入已查明的 3177 条泥石流沟, 与判识结果进行叠置分析, 已查明的泥石流沟有 2923 条位于本方法判识的泥石流流域中, 占 92.01%, 有 25
28、4 条位于本方法判识的非泥石流沟中, 占 7.99%。经分析, 用于判识的小流域, 其面积均大于 0.25 km, 因此, 对于面积小于 0.25 km 的坡面泥石流沟谷, 则难以识别出来, 但由于其汇水面积较小, 危害程度较低, 未作深入研究。4 泥石流危险性评价4.1 评价指标体系根据相对一致性、主导因素、综合分析的原则, 从泥石流发生的能量条件、松散固体物质条件、降水条件、人类活动条件入手, 初步选择高差、沟床比降、多年平均年降水量、多年年降水变差系数、断层密度、地震烈度、地层岩性、土地利用 8 个指标作为评价因子。以研究区 DEM、1:20 万地质图、地震震级及烈度数据、1980-20
29、14 年气象站点降水数据、1:10 万土地利用数据为基础, 将前文判识具备泥石流发生能量条件的 7798 个小流域分别与之叠加, 量化得小流域中各评价指标的取值, 然后进行评价指标的相关性分析, 得到相关系数如表1 所示。从评价因子的相关矩阵表可以看出, 本文所选取的 8 个评价指标之间不存在明显的相关关系, 可作为泥石流危险性评价指标。表 1 评价因子间的相关系数 Tab.1 Correlation matrix between evaluation factors 下载原表 4.2 评价模型可拓学 (Extenics) 是中国学者蔡文教授于 1983 年创立并领导发展起来的一门用于解决矛盾
30、问题的新学科, 物元是可拓学认识世界的基本逻辑细胞, 它将现实事物抽象为事物、特征及事物关于该特征的量值所组成的一个三元组, 记作R= (事物, 特征, 量值) = (N, C, C (N) ) , 这是一个将事物的质与量有机结合起来的研究模型18。物元分析方法解决综合评判问题的步骤包括确定经典域、确定节域、确定待评价物元、计算关联度函数、确定权重系数, 计算隶属程度、确定最终评价等级等环节。通过分析已查明泥石流沟中断层密度、地层岩性、高差、沟床比降、地震烈度、土地利用、多年平均年降水量、多年年降水变差系数的取值及其分布, 确定了各因素相对于泥石流发生 5 个等级的区间值, 将这些区间值应用于
31、泥石流危险性评价的物元模型中, 从而得到研究区泥石流危险性评价的标准物元模型如表 2 所示。在标准物元模型的基础上, 为进一步确定各评价因子的权重, 通过主成分分析, 计算得到各评价指标的权重如表 3 所示, 各因子权重之和为 1。4.3 危险性评价基于建立的可拓物元模型、评价因子及权重, 分别计算各流域单元的危险度值, 从而实现各小流域泥石流危险性评价。按照等间距划分方法, 根据小流域危险度值, 分别划分为极低危险区 (一级) 、低度危险区 (二级) 、中度危险区 (三级) 、高度危险区 (四级) 、极高危险区 (五级) 5 个等级19, 如表 4 所示。按上述方法对各小流域泥石流危险度分区
32、, 对于判识为不具备泥石流发生所需能量条件的非泥石流区域, 划分为极低危险区, 其结果如图 4 所示。4.4 评价结果分析从图 4 可以看出, 泥石流中等、高度、极高危险区主要分布于龙门山断裂带、鲜水河活动断裂、安宁河断裂及周边区域, 低度危险区、极低危险区主要分布于成都平原、诺尔盖草原等区域。对各等级危险区面积及流域数统计表明, 极高危险区共 1002 个小流域, 面积为 3.4210km, 占四川省总面积的 7%, 高度危险区共 1725 个小流域, 面积为 7.6510km, 占四川省总面积的 15.8%, 中度危险区共 1946 个小流域, 面积为 9.1210km, 占四川省总面积的
33、 18.8%, 低度危险区共 2009 个小流域, 面积为 7.9510km, 占四川省总面积的 16.4%, 极低危险区共 1116 个小流域, 面积为 20.3110km, 占四川省总面积的 42%。中度以上危险区的面积共 20.1910km, 占四川省总面积的 41.67%。表 2 泥石流危险性评价的标准物元模型 Tab.2 Standard matter-element model for debris flow hazard assessment 下载原表 表 3 区域泥石流危险性评价因子权重表 Tab.3 Weighting coefficients of assessment f
34、actors of regional debris flow hazard 下载原表 表 4 区域泥石流危险度等级划分5Tab.4 Hazard degree classification of regional debris flow 下载原表 图 4 四川省泥石流危险性评价结果图 Fig.4 Hazard assessment results of debris flow 下载原图4.4.1 各市级行政区内泥石流危险区分布通过将市级行政区边界与评价结果叠加, 分区统计得到四川省各地市州极低危险区、低度危险区、中等危险区、高度危险区、极高危险区的分布如表 5 所示。从表 5 可看出, 极高危
35、险区主要分布于凉山、甘孜、阿坝、雅安、攀枝花、德阳、成都等区域。高度危险区主要分布于凉山、甘孜、阿坝、雅安、乐山、广元、绵阳、攀枝花等区域。中度危险区主要位于阿坝、甘孜、凉山、雅安、达州、宜宾、乐山、广元、绵阳、泸州、攀枝花、成都等区域。表 5 各市级行政区内不同等级危险区面积统计表 (km) Tab.5 The area of each hazard degree in all prefectures and cities 下载原表 4.4.2 中等以上泥石流危险区分布(1) 极高危险区极高危险区主要分布在岷江上游的都江堰、彭州、什邡、绵竹、安县、北川、茂县、九寨沟、汶川等县境内, 大渡河中
36、下游及其支流流域的丹巴、康定、泸定、石棉、汉源、甘洛等县境内, 安宁河、雅砻江流域的冕宁、喜德、德昌、普格、米易、盐边、盐源等县境内, 以及金沙江流域的巴塘、得荣、木里、会东、会理、宁南等 69 个县境内。区内地形十分陡峭, 松散固体物质极其丰富, 生态条件十分脆弱, 降水量充沛, 具备了泥石流活动最为有利的能量、物质和能量转化和物质汇集条件, 泥石流暴发频率高, 规模巨大, 对国民经济建设和人民生命财产具有严重的破坏和威胁能力。(2) 高度危险区高度危险区主要分布在金沙江、岷江、雅砻江、大渡河等流域, 木里、康定、巴塘、平武、会理、汶川、盐源、白玉、理县、道孚、理塘、冕宁、九寨沟、丹巴、石棉
37、、德格、雅江、雷波、马边、茂县、会东、甘洛、美姑、泸定、稻城、盐边、汉源、布拖、米易、江油、松潘、甘孜、洪雅、德昌、北川等 89 个县。区内地形陡峻, 松散碎屑物质十分丰富, 生态条件脆弱, 降水充足, 具备了泥石流活动最为有利的能量、物质和能量转化和物质汇集条件, 泥石流暴发频率高, 泥石流规模很大。(3) 中度危险区在各大流域均有分布, 主要分布在金沙江、岷江、雅砻江流域, 理塘、白玉、小金、德格、乡城、金川、九龙、道孚、松潘、平武、木里、九寨沟、盐源、巴塘、马尔康、新龙、黑水、理县、甘孜、石渠、雅江、康定、炉霍、北川、青川、茂县、色达、昭觉、古蔺、丹巴、盐边、喜德、美姑、冕宁、稻城、会理
38、等 115 个县市区。区内地形陡峭, 松散碎屑物质丰富, 生态条件脆弱, 降水充足, 具备了泥石流活动有利的能量和物质及能量转化和物质汇流条件, 泥石流规模大, 暴发频率中等, 对国民经济建设和人民生命财产具有较大的破坏和威胁能力。4.4.3 已查明泥石流流域与危险性评价结果对比分析将已查明的 3177 个泥石流流域与危险性评价结果进行叠加分析, 结果表明, 已查明的泥石流流域 713 个位于中度危险区, 占已查明总数的 22.44%, 829 个位于高度危险区, 占已查明总数的 26.09, 1085 个位于极高危险区, 占已查明总数的 34.15%。已查明的泥石流沟位于中度危险区、高度危险
39、区、极高危险区的有 2627 条, 占 82.69%。研究评价为极高危险区的各小流域, 均属已查明的泥石流流域。评价为高度危险区的小流域中, 有 896 个属于未查明的泥石流流域, 评价为中度危险区的小流域, 1233 个属于未查明的泥石流流域, 这些危险等级较高, 但尚未查明的泥石流流域, 主要分布于雅安、都江堰、攀枝花、西昌、绵阳、广元、乐山、宜宾等市, 以及龙门山断裂带、鲜水河活动断裂、安宁河断裂两侧和大渡河、金沙江、岷江流域, 是四川省泥石流防灾减灾需重点关注和加强排查的区域。5 结论与讨论四川省由于位于中国地势的第二级台阶向第三级台阶变化的过渡带、第一级台阶向第二级台阶变化的过渡带内, 是中国泥石流的多发区和高发区, 泥石流危害和损失严重, 以 GIS 为平台, 可拓学物元理论为基础, 小流域为评价单元, 开展了研究区潜势泥石流流域判识和小流域泥石流危险性评价, 得到结论如下:(1) 通过分析已查明泥石流在区内的分布规律, 各泥石流流域面积、单位面积相对高度等的分布特征, 从小流域泥石流发生应具备的能量条件着手, 建立潜势泥石流流域判识模型, 分析、判别出了四川省具备泥石流发生所需能量条件的小流域共 7798 个。
