強(qiáng)震區(qū)電網(wǎng)降雨型地質(zhì)災(zāi)害暴發(fā)識(shí)別模型研究

卜祥航,劉 凡,曹永興,范松海,陳 凌,吳 馳,朱 軻,薛志航

(國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院,四川 成都 610041)

0 引 言

電網(wǎng)具有距離傳輸性和電流的高速性。電網(wǎng)一旦遭遇災(zāi)害事故,瞬間就可以造成大面積的停電損失,如汶川震區(qū)某110 kV輸電線(xiàn)路46號(hào)塔處于大型災(zāi)害體上且塔體出現(xiàn)嚴(yán)重變形,一旦倒塔將會(huì)造成線(xiàn)路停運(yùn),使馬爾康、金川等地全面失去供電。汶川地震誘發(fā)了至少56 000處崩塌、滑坡[1],為泥石流的暴發(fā)提供了大量物源[2-3]。在震后多年的雨季中,泥石流災(zāi)害頻繁發(fā)生、表現(xiàn)活躍[4-5],因此震后強(qiáng)降雨過(guò)程誘發(fā)的泥石流災(zāi)害已經(jīng)成為震區(qū)最主要的地質(zhì)災(zāi)害之一[6]。文獻(xiàn)[7]分析地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害已從震后的崩塌、滑坡為主轉(zhuǎn)為了以泥石流為主。2010年8月14日強(qiáng)降雨誘發(fā)岷江干流沿岸產(chǎn)生至少22條群發(fā)性泥石流,都汶高速被摧毀、阻斷,其中映秀鎮(zhèn)附近紅椿溝暴發(fā)的泥石流災(zāi)害,使新建的映秀鎮(zhèn)遭受特大洪澇災(zāi)害[7-8];漁子溪沿岸肖家溝暴發(fā)大型泥石流,沖毀303省道、堵塞河流,下游的映秀鎮(zhèn)遭受洪災(zāi)。2013年7月10日岷江干流沿岸張家坪溝暴發(fā)大型泥石流,直接經(jīng)濟(jì)損失約980萬(wàn)元。可見(jiàn),震區(qū)泥石流災(zāi)害對(duì)社會(huì)影響越來(lái)越大。

國(guó)內(nèi)對(duì)泥石流敏感性的分析早在譚炳炎對(duì)泥石流嚴(yán)重程度的分析中體現(xiàn)出來(lái)[10],國(guó)外學(xué)者早在1988年分析泥石流堆積厚度中,亦探討了泥石流敏感性[11]。汶川地震之后,學(xué)者們對(duì)泥石流的活動(dòng)特征及敏感性評(píng)價(jià)研究工作逐漸增多。文獻(xiàn)[12-13]通過(guò)野外調(diào)查建立了震區(qū)泥石流沖出模型,并預(yù)測(cè)泥石流的相對(duì)活躍期至少 5～10 a,影響時(shí)間可能更長(zhǎng);文獻(xiàn)[14]通過(guò)層次分析法和信息熵的因子權(quán)重重組,對(duì)烏東德地區(qū)26條泥石流的敏感性進(jìn)行分區(qū);文獻(xiàn)[15]利用地理信息系統(tǒng)GIS提取Catalan Pyrenees地區(qū)泥石流的地形地貌參數(shù),并驗(yàn)證了邏輯回歸法運(yùn)用到敏感性性評(píng)價(jià)中效果較好;文獻(xiàn)[16]利用概率數(shù)學(xué)方法,建立了龍溪河流域48條泥石流的敏感性評(píng)價(jià)模型;文獻(xiàn)[17]通過(guò)層次分析法,對(duì)四川蘇保河流域泥石流進(jìn)行敏感性分析。

隨著交叉學(xué)科的發(fā)展,學(xué)者們也在嘗試將不同數(shù)學(xué)方法引入到泥石流敏感性評(píng)價(jià)中,尋求效果更好的評(píng)價(jià)模型,同時(shí)促進(jìn)了學(xué)者從不同角度對(duì)泥石流危險(xiǎn)性研究的深入[18-20]。國(guó)內(nèi)外對(duì)電網(wǎng)泥石流災(zāi)害研究較少,下面選取汶川強(qiáng)震區(qū)電網(wǎng)泥石流為研究對(duì)象,探索適合類(lèi)似該地質(zhì)環(huán)境的簡(jiǎn)捷、快速的電網(wǎng)降雨型地質(zhì)災(zāi)害暴發(fā)識(shí)別評(píng)價(jià)模型。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國(guó)四川省汶川縣映秀鎮(zhèn)附近,面積約460 km2,地處四川盆地和青藏高原的過(guò)渡地帶,主要為深切峽谷,高程約860～3950 m。研究區(qū)屬起源于西北山區(qū)的岷江水系,區(qū)內(nèi)的漁子溪為岷江一級(jí)支流。岷江干流沿岸基巖以花崗巖、震旦紀(jì)火成碎屑巖、石炭紀(jì)石灰?guī)r和三疊紀(jì)砂巖為主[21];漁子溪沿岸基巖以晉寧—澄江期巖漿巖、古生界志留系茂縣群板巖夾千枚巖為主。構(gòu)造上屬于NE-SW走向的龍門(mén)山斷層帶[22],其中造成汶川“5·12”地震的“映秀—北川”斷裂帶貫穿研究區(qū)東南部[23],傾向北西,傾角60°～70°,最大垂直錯(cuò)距約5 m,最大水平錯(cuò)距約4.8 m。解譯2011年高精度Worldview-2衛(wèi)星影像獲得映秀地區(qū)崩滑體數(shù)量共6684處(其中滑坡5290處,崩塌1394處),為岷江干流、漁子溪沿岸42條泥石流的發(fā)展提供了大量的物源,如圖1所示。泥石流物源數(shù)量隨距斷層的距離逐漸減少,經(jīng)統(tǒng)計(jì)約90%的泥石流物源分布在距斷層12 km范圍內(nèi)。

圖1 研究區(qū)泥石流物源分布

研究區(qū)屬于典型的亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,年平均溫度約12.9 ℃。在過(guò)去的30年內(nèi)年平均降雨量約1 253.1 mm,最大年降雨量為1964年的1688 mm,最大降雨強(qiáng)度為1964年的269.8 mm/d。每年的降雨周期主要集中在6～9月,占了近全年降雨量的70%。

2 評(píng)價(jià)方法—CRITIC法原理

CRITIC(criteria importance though intercrieria correlation)法[24]考慮各指標(biāo)包含的信息量的同時(shí),又以指標(biāo)的對(duì)比強(qiáng)度和指標(biāo)間的沖突性為基礎(chǔ),客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。對(duì)比強(qiáng)度以標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示,即相同指標(biāo)不同類(lèi)別間取值的差距;沖突性以各指標(biāo)間的相關(guān)性來(lái)表示,兩指標(biāo)正相關(guān)性越強(qiáng),沖突性越低。對(duì)比強(qiáng)度一定時(shí),指標(biāo)間沖突性與權(quán)重呈正相關(guān)關(guān)系。

1)為得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣,通過(guò)式(1)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理。

(1)

2)第j個(gè)指標(biāo)生成的向量xj={(xj(1),xj(2),xj(3),…,xj(n)}均有標(biāo)準(zhǔn)差的特點(diǎn)σj,可以用來(lái)反映指標(biāo)間的對(duì)比強(qiáng)度。

3)計(jì)算第j和x個(gè)指標(biāo)向量xj和xk間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)rjk。

4)通過(guò)式(2)計(jì)算出第j個(gè)指標(biāo)所包含的信息量大小Cj。

(2)

式中,m為泥石流溝編號(hào)。

5)將Cj歸一化后,計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。

(3)

式中:wj為第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重;Cj為第j個(gè)指標(biāo)的信息量。

3 降雨型泥石流發(fā)生規(guī)模識(shí)別評(píng)價(jià)

3.1 因子選取及權(quán)重

震區(qū)泥石流活動(dòng)較震前頻繁、規(guī)模大,考慮震后流域物源儲(chǔ)備的豐富性、臨界雨量的降低現(xiàn)象、震后山地地形的改變等,結(jié)合野外調(diào)查及前人的研究成果[15-20,25-26],選取松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量F1、泥石流暴發(fā)頻率F2、流域面積F3、流域相對(duì)高差F4、流域切割密度F5、主溝長(zhǎng)度F6、激發(fā)雨強(qiáng)F7等7個(gè)評(píng)價(jià)因子,來(lái)劃分42條泥石流發(fā)生的規(guī)模。例如F1決定了流域物源的豐富程度,F3決定了流域的匯水能力,F4決定了流體攜帶固體物質(zhì)的能量大小。因數(shù)據(jù)量較多,僅列出20條典型泥石流溝參數(shù),如表1所示。

表1 研究區(qū)典型泥石流溝參數(shù)

根據(jù)式(1)對(duì)研究區(qū)42條泥石流溝的影響因子進(jìn)行無(wú)量綱化處理,如圖2所示;并利用spess處理數(shù)據(jù)得到各因子的標(biāo)準(zhǔn)差及因子間相關(guān)系數(shù)矩陣,進(jìn)而通過(guò)式(2)求得各因子包含的信息量;再利用式(3)得出各個(gè)因子的權(quán)重,如表2所示。

表2 因子間相關(guān)系數(shù)矩陣

圖2 典型泥石流溝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化值

根據(jù)空間幾何分析學(xué),研究區(qū)內(nèi)的泥石流敏感性組成7維空間內(nèi)的一條直線(xiàn),不同泥石流的相同因子的一列數(shù)據(jù)組合即為該因子在7維空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn),點(diǎn)到直線(xiàn)的距離在CRITIC法中即表示為該因子的對(duì)比強(qiáng)度。由表2可知,各個(gè)因子的對(duì)比強(qiáng)度不等,說(shuō)明各因子對(duì)泥石流的發(fā)生規(guī)模有不同程度的影響,因子的選取具有一定的合理性。

采用因子信息量綜合反映因子的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性,Cj決定著因子權(quán)重的大小。因此F1權(quán)重最大,F5最小,各因子權(quán)重排序從大到小為F1、F2、F7、F3、F6、F4、F5。

由于研究區(qū)的局限性,降雨量變化不大,因此泥石流的暴發(fā)受控于流域內(nèi)物源情況;同時(shí)泥石流發(fā)生頻率越高,則累計(jì)造成的危害性越大,因此F1和F2兩個(gè)因子所占權(quán)重較高。

3.2 敏感性評(píng)價(jià)模型建立及驗(yàn)證

將研究區(qū)內(nèi)泥石流的參數(shù)無(wú)綱量化處理,根據(jù)無(wú)綱量值計(jì)算出研究區(qū)泥石流7個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,從而根據(jù)式(1)建立研究區(qū)泥石流發(fā)生規(guī)模評(píng)價(jià)模型為

(4)

式中:i為評(píng)價(jià)因子數(shù)量,i=1,2,…,7;R為泥石流發(fā)生規(guī)模評(píng)價(jià)值;xi(k)為圖2中的無(wú)綱量值;wi為表2中7個(gè)評(píng)價(jià)因子權(quán)重值。

結(jié)合野外調(diào)查和前人的相關(guān)研究,將研究區(qū)中42條泥石流的敏感性劃分為3類(lèi):R≤0.27為高敏感性泥石流(紅色);0.27

圖3 強(qiáng)震區(qū)公路泥石流敏感性分區(qū)

以泥石流的形成、運(yùn)動(dòng)、堆積等特征可以建立不同的泥石流分類(lèi)系統(tǒng)。從泥石流的運(yùn)動(dòng)特征出發(fā),通過(guò)野外現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和遙感解譯,計(jì)算研究區(qū)內(nèi)重點(diǎn)26條泥石流溝的一次泥石流沖出總量,將其作為驗(yàn)證泥石流敏感性評(píng)價(jià)模型的依據(jù),建立重點(diǎn)溝的敏感性評(píng)價(jià)值與泥石流沖出規(guī)模驗(yàn)證圖,如圖4所示。

圖4 重點(diǎn)泥石流敏感性評(píng)價(jià)值與泥石流沖出規(guī)模驗(yàn)證

由圖4 可知,泥石流敏感性評(píng)價(jià)模型計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證方法結(jié)果對(duì)比可知,研究區(qū)泥石沖出流規(guī)模與災(zāi)害暴發(fā)識(shí)別模型計(jì)算的泥石流敏感性吻合率達(dá)到了81%,從而證明了降雨型泥石流暴發(fā)識(shí)別模型的可行性。

綜上所述,震區(qū)映秀地區(qū)42條泥石流有高敏感性泥石15條、中敏感性泥石流11條、低敏感性泥石流16條。漁子溪沿岸地質(zhì)條件都是泥石流暴發(fā)的有利因素:巖性以花崗巖為主,溝谷切割較深、狹窄;斜陡的山坡不易植被生長(zhǎng),易于溝內(nèi)匯集雨水;特別是汶川地震之后,泥石流流域物源條件豐富,溝道地貌突變,高差加大。

4 結(jié) 論

上面以汶川地震強(qiáng)震區(qū)岷江干流及漁子溪沿岸的42個(gè)泥石流為研究對(duì)象,提取泥石流流域中物源存儲(chǔ)量、暴發(fā)頻率、流域面積等7個(gè)重要因子,運(yùn)用CRITIC法建立電網(wǎng)降雨誘發(fā)泥石流災(zāi)害識(shí)別模型:

1)電網(wǎng)降雨型泥石流災(zāi)害暴發(fā)識(shí)別因子中松散固體物質(zhì)儲(chǔ)量和泥石流暴發(fā)頻率最為主要。

2)將研究區(qū)泥石流敏感性分為高敏感性、中敏感性、低敏感性三級(jí),并繪制分區(qū)圖。42條泥石流分為高敏感性泥石流15條、中敏感性泥石流11條、低敏感性泥石流16條。2010年8月14日暴雨誘發(fā)DF01、DF02、DF03、DF04、DF08、DF21,均為大規(guī)模泥石流,與所劃分其屬于高敏感性泥石流是一致的。

3)由于研究區(qū)內(nèi)降雨量差別不大,繪制的泥石流敏感性分區(qū)圖可為將來(lái)該區(qū)泥石流的危險(xiǎn)性分區(qū)提供數(shù)據(jù)支撐。由于研究區(qū)地域的局限性,關(guān)鍵因素降雨條件未能體現(xiàn)出來(lái),因此評(píng)價(jià)模型的廣泛適用性還需進(jìn)一步研究。