郭万铭,焦金鱼

(1.甘肃省定西市安定区水利水保局,定西 743000;2.定西师范高等专科学校,定西 743000)

基于模糊综合评判法分析的岷县洮河流域单沟泥石流危险性评价

郭万铭1,焦金鱼2

(1.甘肃省定西市安定区水利水保局,定西 743000;2.定西师范高等专科学校,定西 743000)

针对洮河谷地(岷县段)所处的地质环境和条件的多样性、变异性、复杂性,泥石流沟谷从形成、发展至消亡受到了很多因素的影响,从而形成了这样一个较为复杂的泥石流灾害“模糊”巨系统,本文将模糊数学理论引入泥石流危险度的评价研究中。运用模糊综合评判法,参考国内刘希林、宫雪、陈伟等的相关文献,最后确定了沟谷纵比降、流域相对高差、泥沙沿程长度补给比、冲淤变幅、植被覆盖率等8个因素作为泥石流危险性评判因子,对岷县洮河流域21条泥石流沟做了单沟危险性评价。

泥石流;模糊综合评判法;危险性评价

由于泥石流所处的地质环境和条件的多样性、变异性、复杂性,泥石流沟谷从形成、发展至消亡受到了很多因素的影响,它们相互作用并形成了一个复杂的“模糊”巨系统,从而使得对其进行危险性评价的因素也存在大量的不确定性,这种不确定性既具有随机性又具有模糊性,因而不少学者将模糊数学理论引入泥石流危险度的评价研究中,模糊数学为研究和处理这类具有不确定性的事物提供了新的思路。模糊综合评判法是一种以模糊推理为主的定性与定量相结合、精确与非精确相统一的分析评判方法,它对受多种因素影响的现象或事物进行总的评价,即根据所给的条件,对评判对象的全体、每个因素都赋于一个评判指标,然后择优选择,最后运用模糊变换原理的最大隶属原则确定灾害的危险度等级,从而能够得到更切合实际的结果,在各个学科领域中得到了越来越广泛的应用[1～3]。

1 研究区概况

洮河谷地(岷县段)为岷县经济最发达的地段,位于东经103°14′～103°59′,北纬34°07′～34°45′之间,面积1526.7km2,占全县总面积的42.3%,同时也是泥石流灾害威胁最严重的地段。在地质构造上,属西秦岭地槽褶皱系的北支秦岭海西褶皱带,次级构造为弧形构造,古地理环境为秦岭海槽。受亚热带和高原气候影响,气候高寒阴湿,多年平均降雨量为560.8mm,平均蒸发量为1203mm。根据岷县民政局资料,历史上发生的泥石流灾害有53.4%在该区内。经济损失累计达1458.7万元, 70余人在灾害中死亡。

2 泥石流形成的条件分析

泥石流的活动强度主要与地形地貌、地质环境和水文气象条件3个方面的因素有关。比如:滑坡、崩塌、岩堆群聚地区,岩石破碎,风化程度深,则容易成为泥石流固体物质的补给源;沟谷的长度较大,汇水面积大,纵坡坡度较陡等因素为泥石流的流通提供了条件;水文气象因素直接提供水动力条件,往往强度大、短时间出现的暴雨容易形成泥石流,其强度显然与暴雨的强度密切相关。

2.1 地形条件分析

根据岷县山区泥石流形成与发育的自然地理环境背景,选取沟谷纵比降、山坡坡度等8个因子为泥石流沟谷危险度划分的主要因子,其中沟谷纵比降为主导因子。比降越大,沟道可获得的固体物质补充越多,也反映了泥石流活动的危险性。由于该区多为构造侵蚀的中山,流域相对高差300～1000m左右,地形起伏,沟谷多呈“V”形谷,主沟纵坡度大,支沟两岸坡度都超过了灾害暴发的临界值。土层间的摩擦系数越小,坡体岩石的剪切应力也越小,导致地表径流流速增大,因此能够为泥石流的启动提供巨大的势能。

2.2 物源条件分析

本流域构造活动较强烈,断层、褶皱较发育,地震烈度为Ⅶ度。出露的地层主要为二叠系、三叠系灰岩、板岩、砂岩、粉砂质页岩和第三系砂岩、砾岩、泥岩等,上覆黄土。岩石风化强烈,坡脚堆积物多,不良地质现象十分发育,沟道侵蚀严重,山上很少生长植物,加上近年来人为的肆意破坏,山区大面积被开发为陡坡耕地,山地大面积裸露,植被覆盖率小于10%,致使大多数沟谷固体松散物质充足,一旦出现大暴雨,极易诱发泥石流。有些泥石流沟谷中因滑坡、崩塌重力侵蚀严重,导致沟谷表土疏松,冲沟十分发育,甚至有的直接是由滑坡、崩塌转化而成为泥石流灾害的,因而加大了该区暴发泥石流灾害的危险性。滑坡是岷县除泥石流灾害外第二大地质灾害,该区内滑坡及滑坡灾害隐患点10多处,绝大多数在目前条件下稳定性差。如中寨镇塔沟村的牙力泥石流沟分布有大小滑坡6处,面积0.4km2,占整个流域面积的10%,娥扎滑坡在南部支沟沟脑中,体积达875.0×104m3;北部支沟沟岸小型滑塌、滑坡有5处,体积达600×104m3,致使该流域内岩土体支离破碎,几乎每年都暴发泥石流。1995年,该沟暴发泥石流,冲毁房屋5间、农田2hm2;2002年8月31日暴发泥石流,冲毁沟堤100m,农田3.33 hm2。目前,该沟直接威胁沟口塔沟村356人和塔沟小学200名师生的生命财产安全,经济损失预测评估232.0万元(图1)。

图1 牙力沟泥石流平面图Fig.1 DrainageofofYaliGullydebrisflow

2.3 降雨条件分析

研究区年内降水量主要集中于5～9月,期间的降水量占全年降水总量的78%以上。7、8月份,多强对流天气,受中等尺度天气系统控制,在地形等因素影响下,往往形成区域性暴雨,且强度大。岷县夏季多暴雨的原因是该县处于西太平洋副热带西北侧暖湿区,夏季青藏高原基本为长波槽控制,在这种西南气流型环流形势下,主要的影响系统是位于青藏高原上西风带上的槽,是暴雨过程的冷源,引导冷空气东移,与南来的暖湿气流在该区相交汇,并且出现强烈的水汽和不稳定能量的输入以及持续的上升运动,形成暴雨。大雨(大于25mm/d)多年平均暴发次数为2.1次/a。据前人研究,岷县形成泥石流的临界雨强为大于25mm/d,最大日降水量为61.5 mm,小时最大降水量为54.0mm,10min最大降水量为30.4mm,这种降水特点极有利于泥石流灾害的形成和暴发。可见,在该县的泥石流活动中,暴雨既是其形成所必备的基本条件,又是激发条件。故有利的地形条件、丰富的固体物质源和瞬间的强降水决定了岷县泥石流十分发育。

3 泥石流危险性评价指标的选取[4]

在进行危险性指标选择时,主要遵循泥石流的发生学原则、指标综合性原则和主导性原则,强调评价方法的可操作性。泥石流产生的必备条件主要是:(1)有陡峻便于集水、集物的地形;(2)有丰富的松散物质;(3)短时间内有大量水的来源。根据岷县山区泥石流的成因及发育特征,在野外广泛调查和室内综合分析的基础上,参考国内刘希林、宫雪、陈伟等的相关文献共选择了与泥石流产生的必备条件及相关因素组成有关的泥石流沟谷纵比降u1、流域相对高差u2、松散固体物质储量u3、山坡坡度u4、流域面积u5、泥沙沿程长度补给比u6、冲淤变幅u7、植被覆盖率u8等8个因素作为泥石流危险性评判因子。其中泥石流沟谷纵比降为主导因子,是泥石流暴发的主要因素之一,决定着泥石流形成和发生过程的快慢,沟床纵比降越大,越有利于泥石流的形成,泥石流形成后越不易消亡。泥石流功能越大,其破坏性也越大。由于该区流域面积相对集中,空间跨度不大,降雨量较均匀且已达到泥石流灾害暴发的临界值,故在本文中不考虑降雨因子。

4 利用灰色关联度分析法确定权重[3]

灰色系统理论是由我国学者邓聚龙教授于20世纪80年代前期提出的用于控制和预测的新理论,目前已广泛应用于农业和社会经济等领域。灰色关联度分析是对于一个系统发展变化态势的定量描述和比较,其目的就是通过一定的方法理清系统中各因子间的主要关系。这里可把泥石流灾害看成是一个由许多不同性质因子相互制约的子系统构成的灰色系统,根据主导因子与其他因子的关联度大小来确定权重的大小,其具体原理如下:

设有m个有序数列,其中,m个数列代表m种元素,各有序数列即各评价的单元中获取的评价因子的性状数据,另外,再给定有序参考数列:

上式中,x0i(k)为x0与xi在第k点的关联系数;|x0(k)-xi(k)|=x0i(k)表示x0数列与xi数列在第k点的绝对差;称为二级最小差,其中是第一级最小差,而是第二级最小差;其含义与最小值相似;r为分辨系数,取值为0.5;将比较数列xi与参考数列x0各点的关联度数加和平均得到关联度roi。

最后将所计算出来的灰色关联度经归一化处理,使其权重值在[0,1]区间之内。本文选取该谷地10条泥石流沟作为样本在DPS平台上进行了计算,最后得出具体的各危险因子的权重值按顺序分别为0.206,0.110,0.116,0.117,0.075,0.126,0.123, 0.125。

5 基本评价方法[5]

给定两个有限论域泥石流危险性因子评判集U和泥石流危险性等级评语集V:

U={u1,u2,…,un}={泥石流沟谷纵比降,流域相对高差,…,植被覆盖率};

V={v1,v1,…,vm}={高度危险Ⅰ,中度危险Ⅱ,轻度危险Ⅲ,无危险Ⅳ}。

由于泥石流危险等级论域V和泥石流危险等级评价因子论域U之间存在一种模糊关系,设对第i个因子的单要素评判向量为V上的模糊集Ri= {ri1,ri2,…,rim},单因子评判矩阵R为R= (rij)n×m,故这种模糊关系可用n×m维模糊矩阵来表示:

这里将泥石流危险度划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ四个评价等级,设对各危险因子的权重分配为U上的模糊子集A,A={a1,…,ai…,an},其m中ai为第i个因子ui所对应的权重,且0≤ai≤1,i=å1ai=1。

以往的有关泥石流危险性评价研究,大多通过选取隶属函数来确定模糊关系转换矩阵[6,7]。但是,由于对4值逻辑的函数选取往往较为困难,且不合理的选取反而会导致错误判断,故本研究采用量化模糊判别的方法,即将各参评因子按危险等级作4级分割,将泥石流各危险因子按不同的取值范围划定1～0.75为高度危险,0.75～0.50为中度危险,0.50～0.25为轻度危险,≤0.25为无危险,然后取各区间中值作为不同危险程度的标准值,分别代入公式(2)进行计算,具体数据见表1。

表1 岷县洮河流域泥石流危险度分级及其赋值Table1 Standardofdebrisflowhazarddegreeandassignment in the Taohe river basin of Min county

在已知模糊权重向量A=(0.206,0.110, 0.116,0.117,0.075,0.126,0.123,0.125)和模糊矩阵R的条件下,通过模糊变换,则可以得到论域V上的一个模糊集B,其对应的数值就是对岷县洮河流域泥石流沟危险性进行的最后综合模糊评判结果。

B=A*R,式中“*”为某种合成运算,具体结果见表2。

表2 岷县洮河流域泥石流各因子模糊赋值及综合评判结果等级Table2 Fuzzy comprehensive evaluation result s and hazard degree of debris flows in Taohe basin of Min county

6 结论

通过以上模糊综合评判结果统计分析,该区内所选21条典型泥石流沟中有13条为高危险度泥石流,8条为中危险度泥石流,主要威胁县城、乡镇驻地、村庄、公路和农田,目前威胁27个村庄3908人,经济损失预测评估2940.7万元,现已被当地政府划定为岷县泥石流灾害高度危险区,结果与当地实际野外调查情况基本相符。例如位于洮河北岸的朱家沟是一条高易发的大型泥石流沟,具暴发频率高、危害严重特点。该沟如暴发泥石流,将堵断洮河,回水对县城构成极大的威胁(图2)。

图2 朱家沟泥石流对岷县城的威胁示意图Fig.2 ThreatofZhujiagoudebrisflowtoMincounty

岷县洮河流域利于泥石流发生的地形、地貌及地质条件已成为固定格局,该区山地面积比例大,切割较深,沟和沟源坡降大,大多呈“V”型谷,山坡陡峭,多在35°以上。地层古老,岩体破碎,裂隙发育,风化强烈,在几百年内,无法改变这一自然格局。随着该县人口的增加和经济的发展,人们为了扩展生存空间,盲目向陡坡山地的开发、以期得到更多可利用的土地和增加经济收入的做法如得不到控制,还会使这种格局向着更加恶化的方向发展,故当地政府应对洮河流域诸如朱家沟、蔡家崖沟等高危险度泥石流沟进行重点整治。

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HAZARD ASSESSMENT OF SINGLE GULLY DEBRIS FLOWS IN THE TAOHE RIVER VALLEY OF MIN COUNTY BASED ON FUZZY COMPREHENSIVE EVALUATION METHOD

GUO Wan-ming1,J IAO J in-yu2
(1. Water Resources and Conservation Bureau of Anding Dist rict Dingxi City ,Dingxi 743000 ,China; 2. Dingxi Normal College , Dingxi 743000 ,China)

According to the diversity , variability , complexity of the geological environment and conditions in the Taohe river valley , Min County , debris flow gully formed a more complicated disaster“fuzzy”system f rom the formation and development to the disappearance by a lot of factors influence. This paper int roduced fuzzy mathematics theory into the risk evaluation of the debris flows. This paper used fuzzy comprehensive evaluation method developed by Liu Xilin , Gongxue , and Chen Wei , and selected eight risk factors such as valley relative elevation ,degree of vegetation cover and completed single gully risk assessment about the 10 debris flows in the Taohe valley of Min county.

debris flows;fuzzy comprehensive evaluation method;hazard assessment

P641.6;P642.23

:A

1006-4362(2010)02-0015-04

郭万铭(1970- ),男,工程师,甘肃省定西市安定区人,从事水土保持工作20余年。

2008-03-25改回日期:2010-01-19

项目名称:甘肃省长江流域嘉陵江支流燕子河小流域综合治理工程