劉 興 榮

(甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州　730000)

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蘭州市城區(qū)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

劉 興 榮

(甘肅省科學(xué)院 地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，甘肅 蘭州730000)

泥石流危險(xiǎn)性的研究對(duì)于蘭州市城區(qū)泥石流治理、防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策的確定具有重要意義。筆者通過(guò)調(diào)查的12條典型溝道資料，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法，取得了評(píng)價(jià)蘭州市城區(qū)泥石流災(zāi)害的定量指標(biāo)，并計(jì)算了各指標(biāo)的權(quán)重，在此基礎(chǔ)上得出了蘭州市泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型，以此來(lái)對(duì)蘭州市城區(qū)泥石流進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，并計(jì)算出了12條溝道的危險(xiǎn)度作為檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較吻合，結(jié)果表明本方法可靠、簡(jiǎn)便和實(shí)用。

危險(xiǎn)度；灰色關(guān)聯(lián)分析；權(quán)重；評(píng)價(jià)模型；檢驗(yàn)

蘭州市地處黃河上游黃土高原的西部，其主城區(qū)城關(guān)區(qū)、七里河區(qū)、西固區(qū)和安寧區(qū)(簡(jiǎn)稱(chēng)蘭州市城區(qū))主要分布在黃河兩岸的河谷階地上，南北兩側(cè)為綿延起伏的山地和溝壑縱橫的黃土梁峁，區(qū)內(nèi)發(fā)育大量崩塌、滑坡，為蘭州市城區(qū)泥石流的形成提供了豐富的固體物質(zhì)(劉希林，2002)，隨著人口的增加和城市規(guī)模的擴(kuò)大，大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)活動(dòng)對(duì)周?chē)h(huán)境的壓力明顯上升，不合理的人類(lèi)活動(dòng)及水土流失日趨嚴(yán)重，降低了泥石流暴發(fā)需要的激發(fā)因素，誘發(fā)并加劇了泥石流的發(fā)生和發(fā)展，致使該區(qū)泥石流活動(dòng)將繼續(xù)惡化，其活動(dòng)頻率和規(guī)模都大大增加。每年都要造成大量人員傷亡和巨額的經(jīng)濟(jì)損失，成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然環(huán)境保護(hù)的重要限制性因素之一。但蘭州市城區(qū)泥石流溝道多且規(guī)模大，要全部治理不太現(xiàn)實(shí)，因此，對(duì)該區(qū)域泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)進(jìn)行深入研究，并按照危險(xiǎn)程度的大小劃分輕重緩急，分步進(jìn)行治理、規(guī)劃或預(yù)防則顯得較為重要。

一般認(rèn)為泥石流活動(dòng)是流域演化的一種非線性動(dòng)力過(guò)程，而灰色系統(tǒng)理論是處理非線性問(wèn)題的有力手段(呂學(xué)軍等,2005; 劉希林等,1995)。因此，筆者以蘭州市城區(qū)泥石流溝為例，綜合考慮影響泥石流活動(dòng)性的各因子，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法，建立蘭州市泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算模型，通過(guò)模型的應(yīng)用，為泥石流預(yù)測(cè)、治理和城市規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)。

1　蘭州市主城區(qū)溝道的分布特征

蘭州市主城區(qū)共發(fā)育面積大于0.1km2的溝道105條。其中，黃河右岸共發(fā)育溝道39條，平均發(fā)育密度為0.93條/km；左岸共發(fā)育溝道66條，平均發(fā)育密度為1.58條/km。

2　泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

泥石流是地表一種復(fù)雜的自然地理過(guò)程，影響泥石流發(fā)生、發(fā)展和預(yù)測(cè)的環(huán)境背景因子達(dá)70多種(劉希林,2002)。筆者根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)、歷史狀況、形成條件和前人研究的成果，選取了10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為泥石流活動(dòng)評(píng)價(jià)的關(guān)聯(lián)因子(呂學(xué)軍等,2005; 劉希林等,1995; 朱靜,1995)。蘭州市局地暴雨較多、溝道地形起伏較大，調(diào)查區(qū)內(nèi)105條溝道基本都能滿(mǎn)足誘發(fā)泥石流的條件，但其規(guī)模和發(fā)生頻率均要受溝道內(nèi)固體松散物質(zhì)量的限制。因此，以固體松散物質(zhì)的量(y)為主要危險(xiǎn)因子，其他9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為次要危險(xiǎn)因子：依次為流域面積(x1)、主溝道長(zhǎng)度(x2)、主溝道平均比降(x3)、溝道相對(duì)高差(x4)、山坡平均坡度(x5)、流域切割密度(x6)、多年平均降雨量(x7)、植被覆蓋率(x8)、流域內(nèi)人口密度(x9)。

3　關(guān)聯(lián)度和權(quán)重的計(jì)算

蘭州市是中國(guó)泥石流最為發(fā)育的省會(huì)城市之一，選取其中有代表性的泥石流溝道12條進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)10個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法來(lái)確定各因子間的關(guān)聯(lián)度(劉興榮等,2014; 張麗萍等,1999;LIU X,1996;楊雪梅等,2014;劉興榮等,2012)。

3.1無(wú)量綱化

要對(duì)實(shí)際問(wèn)題中的不同因子進(jìn)行比較，就得要求比較對(duì)象量綱相同。因此，需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，即對(duì)數(shù)列的原始數(shù)據(jù)作均值變換，得出均值化矩陣Xk(i,j)，無(wú)量綱化結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　蘭州市12條泥石流溝無(wú)量綱化值表

(1)

3.2關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算

設(shè)參考序列和比較序列依次為Xk(i,l)和Xk(i,j)，進(jìn)行求差序列計(jì)算。

(2)

2個(gè)因子最小和最大絕對(duì)差分別為：

關(guān)聯(lián)系數(shù)

(3)

式中K為經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較大，其取值范圍為[0，1]，若取值較小，則計(jì)算值區(qū)分度不大，若取值太大，則偏離實(shí)際情況，故一般取0.5。

3.3關(guān)聯(lián)度計(jì)算

由于關(guān)聯(lián)系數(shù)比較分散，只反映不同數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度。因此，用關(guān)聯(lián)數(shù)的平均值表示其關(guān)聯(lián)度。

(4)

利用表1數(shù)據(jù)，按上述計(jì)算公式求得關(guān)聯(lián)度(表2)。關(guān)聯(lián)度越大，對(duì)泥石流的影響越大。

表2　定量指標(biāo)與主導(dǎo)因子的關(guān)聯(lián)度表

在選定的10個(gè)因子中，根據(jù)前面對(duì)各次要危險(xiǎn)因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析的結(jié)果，按照關(guān)聯(lián)度大小對(duì)各次要因子進(jìn)行排序，從平均關(guān)聯(lián)度最小的次要因子開(kāi)始，給定一個(gè)起始權(quán)數(shù)為基本單位10n(n可為任何正整數(shù)，在此取n=0)，以此基本單位為公差，依次呈等差數(shù)列向關(guān)聯(lián)度增大的方向遞增次要危險(xiǎn)因子的權(quán)數(shù)；主要危險(xiǎn)因子的權(quán)數(shù)以最大的次要危險(xiǎn)因子權(quán)數(shù)為基數(shù)，以2為公比，呈等比數(shù)列繼續(xù)遞增(宋雪妲等,2004)，則得出各定量指標(biāo)的權(quán)數(shù)和權(quán)重(表3)。

表3　定量指標(biāo)的權(quán)數(shù)與權(quán)重表

4　泥石流危險(xiǎn)度模型的建立

各泥石流危險(xiǎn)因子的賦值與其權(quán)重的乘積之和即為泥石流危險(xiǎn)度，記為Rd。則蘭州市城區(qū)泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算模型為：

Rd=0.359 3y＇i+0.154 3x＇2+0.126 3x＇1+

0.093 8x＇6+0.080 0x＇4+0.066 6x＇8+0.050 6x＇7+

0.035 4x＇5+0.023 0x＇9+0.010 7x＇3

(5)

5　泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

5.1樣本數(shù)據(jù)的歸一化處理

對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，其處理公式如下(ZPawlak,1991;鄒翔等,2003)：

主導(dǎo)因子的極差變換公式為：

y＇i=(yi-minyi)/(maxyi-minyi)

(6)

其他定量指標(biāo)的極差變換公式為：

x＇i=(xi-minxi)/(maxxi-minxi)

(7)

利用公式(6)、(7)，得到極差變換數(shù)據(jù)(表4)。

表4　蘭州市12條泥石流溝危險(xiǎn)度計(jì)算結(jié)果

5.2泥石流溝道危險(xiǎn)度的計(jì)算

利用公式(5)，計(jì)算12條泥石流溝道危險(xiǎn)度，結(jié)果見(jiàn)表4。

5.3泥石流危險(xiǎn)性分級(jí)

對(duì)于任何1條泥石流溝道無(wú)論目前有無(wú)發(fā)生過(guò)泥石流，其都具有一定的泥石流危險(xiǎn)度，但其危險(xiǎn)度有大有小，這樣，在計(jì)算完泥石流危險(xiǎn)度后，要對(duì)其進(jìn)行危險(xiǎn)性大小分級(jí)( 李建林等,2006;郭萬(wàn)銘等,2010;張茂省等,2011;李大鳴等,2012;徐海量等,2000)(表5)，其結(jié)果與調(diào)查和歷史發(fā)生泥石流災(zāi)害情況基本吻合，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。例如，寺兒溝、大砂溝、深溝和羅鍋溝，人口密度分布密集(多為蘭州市開(kāi)發(fā)區(qū))，人為不合理的活動(dòng)較大，加上蘭州市本來(lái)就脆弱的地質(zhì)環(huán)境，造成泥石流的頻繁發(fā)生，歷史上發(fā)生較大規(guī)模泥石流超過(guò)10次；大金溝和黃峪溝地層出露較為復(fù)雜，植被稀疏，坡面裸露，加速地表風(fēng)化侵蝕作用，導(dǎo)致泥石流發(fā)生頻率較高，歷史發(fā)生較大規(guī)模泥石流超過(guò)7次；元托峁溝和腦地溝為潛在泥石流溝道，植被覆蓋狀況不理想，山坡坡度陡，在地震或強(qiáng)降雨誘發(fā)下，將導(dǎo)致泥石流的發(fā)生，歷史發(fā)生較大規(guī)模泥石流超過(guò)3次；咸水溝和拱北溝屬于比較穩(wěn)定的溝系，這些溝系人口居住較少，維持了較好的生態(tài)環(huán)境，歷史發(fā)生較大規(guī)模泥石流超過(guò)1次。

表5　泥石流危險(xiǎn)性分區(qū)結(jié)果表

6　結(jié)語(yǔ)

泥石流災(zāi)害是蘭州市最重要的地質(zhì)災(zāi)害之一，給人民生命財(cái)產(chǎn)已造成較大損失，同時(shí)對(duì)城市發(fā)展也構(gòu)成較大阻礙。筆者本文以實(shí)際調(diào)查資料為基礎(chǔ)，對(duì)蘭州市12條泥石流溝道進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，主要獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)。

(1)運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)度法建立的泥石流危險(xiǎn)度計(jì)算模型得出的結(jié)論與客觀實(shí)際狀況相符，說(shuō)明此模型應(yīng)用于蘭州市泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是可行的。

(2)從導(dǎo)致泥石流爆發(fā)的諸多流域地形因子中，選取10個(gè)重要形態(tài)因子作為評(píng)判因子，計(jì)算其關(guān)聯(lián)度的大小，能區(qū)分出各形態(tài)要素作用的大小及次序排列。經(jīng)計(jì)算其排列次序?yàn)閥>x2>x1>x6>x4>x8>x7>x5>x9>x3，即在蘭州市城區(qū)影響泥石流發(fā)生的主要因素為固體松散物質(zhì)的量、主溝道長(zhǎng)度和流域面積；其次為流域切割密度、溝道相對(duì)高差、植被覆蓋率和多年平均降雨量；最后為山坡平均坡度、流域內(nèi)人口密度和主溝道平均比降。

(3)筆者利用泥石流危險(xiǎn)度大小對(duì)泥石流危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)極高危險(xiǎn)性和高危險(xiǎn)性溝道要高度重視，對(duì)中度危險(xiǎn)性和低度危險(xiǎn)性溝道要提高警惕，對(duì)輕度危險(xiǎn)性溝道可加強(qiáng)監(jiān)測(cè)即可。

(4)對(duì)于危險(xiǎn)度計(jì)算結(jié)果非常接近低度危險(xiǎn)性臨界點(diǎn)的溝道，要加強(qiáng)保護(hù)，防止人為因素改變和影響了泥石流的形成條件，造成其危險(xiǎn)性等級(jí)上升。

(5)在經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用推理和統(tǒng)計(jì)的方法建立泥石流危險(xiǎn)度的理論模型，以此為例對(duì)蘭州市城市泥石流危險(xiǎn)度進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，從而指導(dǎo)蘭州市城區(qū)泥石流溝道的規(guī)劃、監(jiān)測(cè)預(yù)警、防治等，向更科學(xué)、更合理的目標(biāo)發(fā)展。

劉希林.區(qū)域泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究進(jìn)展[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2002, 13(4)：1-9.

LIU Xilin.Advance in Research on Assessment for Degree of Regional Debris Flow Hazard[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 2002,13(4)：1-9.

呂學(xué)軍，劉希林，蘇鵬程,等.四川色達(dá)縣切都柯溝“7.8”泥石流災(zāi)害特征及危險(xiǎn)性分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2005,25(2)：152-156.

Lü XueJun, LIU Xilin,SU Pengcheng, et al.Characteristics and Hazard Analysis of Qieduke Gully Debris Flow in Seda,Sichuan,China[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering, 2005,25(2)：152-156.

劉希林，唐川.泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[M].北京：科學(xué)出版社1995：19-62.

LIU Xilin,TANG Chuan.The assessment of debris flow risk[M].Beijing:Science Press, 1995：19-62.

朱靜. 泥石流溝判別與危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究[J].干旱區(qū)地理, 1995,18(3)：63-71.

ZHU Jing.Judgement of Debris Flow Ravines and Evaluation of Risk Degree of Debris Flows[J].Arid Land Geography, 1995,18(3)：63-71.

劉興榮，王得楷，吳瑋江,等.長(zhǎng)江上游隴南地區(qū)泥石流溝形態(tài)因素的非線性分析[J].人民長(zhǎng)江, 2014,45(13)：29-31.

LIU XingRong,WANG Dekai,WU Weijiang, et al. Nonlinear Analysis of Morphology of Debris Flows in the Upstream Changjiang River Region in Longnan City[J]. Yangtze River, 2014,45(13)：29-31.

張麗萍，唐克麗，張平倉(cāng),等.半干旱地區(qū)泥石流溝道地形要素關(guān)聯(lián)度評(píng)價(jià)——以神府-東勝礦區(qū)人為泥石流溝為例[J].中國(guó)沙漠,1999,19(4)：348-353.

ZHANG Liping,TANG Keli,ZHANG Pingcang,et al.Connected Degree Evaluation on Watershed Topography Factors of Man-made Debris Flow Gully in Semiarid Area—Take Shenfu-dongsheng Minesite as Example[J]. Journal of Desert Research, 1999,19(4)：348-353.

楊雪梅，楊太保，石培基,等. 西北干旱地區(qū)水資源-城市化復(fù)合系統(tǒng)耦合效應(yīng)研究——以石羊河流域?yàn)槔齕J].干旱區(qū)地理，2014,37(1)：19-30.

YANG Xuemei,YANG Taibao,SHI Peiji,et al.Coupling effect of water resources-urbanization composite system in north west arid region of China: A case of Shiyang River Basin[J].Arid Land Geography,2014,37(1)：19-30.

劉興榮，楊軍，姚正學(xué),等.蘭州市城區(qū)山洪泥石流現(xiàn)狀評(píng)價(jià)及防災(zāi)減災(zāi)對(duì)策[J].中國(guó)水土保持, 2012,22(12)：64-66.

LIU XingRong，YANG Jun，YAO Zhengxue,et al. Status Evaluation and Disaster Prevention and Mitigation Countermeasures include Torrential Flood and Debris Flow of Lanzhou City[J].Soil and Water Conservation in China, 2012,22(12)：64-66.

宋雪妲，邱建慧，李廣杰,等，和龍市泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性分區(qū)評(píng)價(jià)[J].世界地質(zhì),2004,23(3)：289-294.

SONG Xueda,QIU Jianhui,LI Guangjie,et al.Risk Zoning and Evaluation of Debris Flow Hazardsin Helong City[J].Global Geology，2004,23(3)：289-294.

皺翔，崔鵬，韋方強(qiáng),等.灰色關(guān)聯(lián)度法在泥石流活動(dòng)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].山地學(xué)報(bào)，2003,21，(3)：360-364.

ZOU Xiang,CUI Peng,WEI Fangqiang, et al.Application of Grey-correlation Method to Activity Evaluation of Debris Flow[J].Journal of Mountain Science，2003,21，(3)：360-364.

李建林，馮起.西北地區(qū)泥石流溝形態(tài)因素的非線性分析—以蘭州市為例[J].干旱區(qū)地理，2006,29(5)：658-662.

LI Jianlin,FENG Qi.Nonlinear Analysis of Debris Flow Gully in Arid and Semiarid Region in Northwestern China-A Case Study in LanZhouCity[J].Arid Land Geography, 2006,29(5):658-662.

郭萬(wàn)銘，焦金魚(yú).基于模糊綜合評(píng)判法分析的岷縣洮河流域單溝泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2010,21(2)：15-18.

GUO Wanming,JIAO Jinyu.Hazard Assessment of Single Gully Debris Flows in the Taohe River Valleyof Min County Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation Method[J].Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2010,21(2)：15-18.

張茂省，黎志恒，孫萍萍,等.舟曲三眼峪“8.8”特大泥石流災(zāi)害特征與風(fēng)險(xiǎn)減緩對(duì)策[J].西北地質(zhì)，2011,44(3)：10-20.

ZHANG Maosheng，LI Zhiheng，SUN Pingping，et al.The Disaster Characteristics and Risk Mitigation Measures of “8.8”Debris Flow at Sanyanyu Gully，Zhouqu[J]. Northwestern Geology，2011,44(3)：10-20.

李大鳴，羅浩，劉江川,等.基于粗糙集理論的泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型[J].中國(guó)農(nóng)村水利水電， 2012,(6)：34-39.

LI Daming, LUO Hao, LIU Jiangchuan,et al.The Debris Flow Risk Assessment Model Based on Rough Set[J]. China Rural Water and Hydropower，2012,(6):34-39.

徐海量，陳亞寧，等.洪水災(zāi)害等級(jí)劃分的模糊聚類(lèi)分析[J].干旱區(qū)地理，2000,23(4)：350-352.

XU Hailiang，CHEN Yaning.Application of Fuzzy Clustering Analysis in the Classification of Flood Disaster Grade[J],Arid Land Geography, 2000,23(4)：350-352.

LIU X.Assessment on the severity of debris flows in mountainous creeks of southwestern China[A].Proceedings of International Symposium of Interpraevent[C].Garmisch-Partenkirenchen,Germang,1996,(4):145-154.

Z PAWLAK.Rough Sets:Theoretical Aspects of Reasoning About Data[M].Netherlands:Kluwer，1991.

Hazard Assessment of Debris Flows in Lanzhou City

LIU Xingrong

(Geological Hazards Prevention Institute, Gansu Academy of Sciences, Lanzhou 730000, Gansu, China)

Debris flow risk study has a great significance for the engineering harnessing, as well as the determination of disaster prevention and mitigation countermeasures for Lanzhou city. In this paper, the data of typical debris flows have been investigated and analyzed, the quantitative indexs for Lanzhou debris flow disaster evaluation have been obtained through using the method of grey relational analysis, and the weights of every index have been calculated. On the basis of the evaluation model, the risk of debris flow in Lanzhou city has been evaluated. And then, the calculated risk degree of these 12 debris flows has been taken as testing indexes. It's found that the evaluation results fit well with the theoretical results, showing this method is reliable, simple and practical.

dangerous degree; grey relational analysis; weight; evaluation model; test

2015-05-14；

2015-09-16

甘肅省科學(xué)院青年基金(2012QN-18)；蘭州市社科規(guī)劃項(xiàng)目(13-048F)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAK12B07)

劉興榮(1979-)，男，甘肅省靖遠(yuǎn)縣人，2006年獲甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院工學(xué)碩士學(xué)位，現(xiàn)任甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所泥石流室副主任，副研究員，主要從事地質(zhì)災(zāi)害防治研究工作。E-mail:402794885@qq.com

P642.23;X43

A

1009-6248(2016)01-0257-06