不同尺度的忻州市東北部泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)管控研究

王曉婭,陳曉文,焦姍,田德志,崔麗鵬

(1.中國冶金地質(zhì)總局第三地質(zhì)勘查院,太原 030031;2.山西省煤炭地質(zhì)資源環(huán)境調(diào)查院有限公司,太原 030006)

0 引言

泥石流是一種含有大量泥沙石塊和巨礫的固液兩相流體[1],具有災(zāi)害范圍大、影響范圍廣、破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),忻州市1978—2020年發(fā)生的40起泥石流共造成22人死亡,直接經(jīng)濟(jì)損失24495.28萬元。近年來,開展地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)管控逐漸成為地質(zhì)災(zāi)害防治的重要工作內(nèi)容?！笆奈濉逼陂g,自然資源部推進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害防控方式由“隱患點(diǎn)防控”逐步向“隱患點(diǎn)+風(fēng)險(xiǎn)區(qū)雙控”轉(zhuǎn)變,重視高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),保護(hù)當(dāng)?shù)厝藗兊纳?cái)產(chǎn)安全。

泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)包括危險(xiǎn)性和易損性兩部分,是指對(duì)泥石流在某一地區(qū)可能發(fā)生的概率和一旦發(fā)生對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)構(gòu)成的危害做出評(píng)價(jià)[2]。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型有極值風(fēng)險(xiǎn)模型、概率風(fēng)險(xiǎn)模型和可能性風(fēng)險(xiǎn)模型三種[3],因此風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的方法也多種多樣。不同于崩塌、滑坡等斜坡類地質(zhì)災(zāi)害,泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)可以從區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和單體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)兩個(gè)角度來考慮,區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法主要有遙感與GIS評(píng)價(jià)法[4]、GIS評(píng)價(jià)法[5]、機(jī)器深入學(xué)習(xí)法[6]、模糊綜合評(píng)判法[7]、遙感和數(shù)值模擬法[8]等,此外還有灰色預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法[9]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[10]、信息熵理論評(píng)價(jià)法等。大部分學(xué)者認(rèn)為區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果是易發(fā)性(危險(xiǎn)性)與易損性疊加的結(jié)果,但對(duì)易發(fā)性或危險(xiǎn)性的定義、建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有一定的差異。

單溝泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與考慮一個(gè)區(qū)域內(nèi)多條泥石流風(fēng)險(xiǎn)性不同,只評(píng)價(jià)一條泥石流溝的風(fēng)險(xiǎn)性,一般考慮為易發(fā)性與易損性的乘積或危險(xiǎn)性與易損性的和。評(píng)價(jià)方法與區(qū)域泥石流評(píng)價(jià)方法類似,包括層次分析法、模糊綜合評(píng)判法、遙感與GIS評(píng)價(jià)法等[11-14]。

忻州市東北部的溝谷內(nèi)發(fā)育數(shù)十條溝谷型泥石流,集中在繁峙縣中西部的山區(qū),中高山區(qū)陡峻的地形地貌、風(fēng)化的巖土體及采礦廢渣形成的大量物源使得該區(qū)域在暴雨時(shí)期發(fā)生泥石流的概率很大。為進(jìn)一步加強(qiáng)當(dāng)?shù)亍半[患點(diǎn)+風(fēng)險(xiǎn)區(qū)雙控”的地質(zhì)災(zāi)害管控體系,選取忻州市東北部發(fā)育的21條泥石流為研究對(duì)象,通過層次分析法開展單溝泥石流評(píng)價(jià),然后采用GIS分析法開展區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),比較兩種不同方法泥石流的風(fēng)險(xiǎn)性,確定研究區(qū)內(nèi)的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)、高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),為保障當(dāng)?shù)厝藗兊纳?cái)產(chǎn)安全提供基礎(chǔ)。

本次選取的21條泥石流分布于忻州市東北部的中高山區(qū)和山區(qū)—山前平原過渡帶,集中在繁峙縣巖頭鄉(xiāng)(9條)、繁城鎮(zhèn)(7條)和光裕堡鄉(xiāng)(5條)等3個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

1 單溝泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)聯(lián)合國對(duì)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性的定義,單溝泥石流風(fēng)險(xiǎn)性計(jì)算公式如下[1]:

R單=H單×V單

(1)

式中,R單為泥石流風(fēng)險(xiǎn)性;H單為泥石流易發(fā)性;V單為泥石流易損性。

單溝泥石流易發(fā)性的計(jì)算公式如下:

H單=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+0.06S3+0.11S4+0.03S5

(2)

式中,M、F、S1、S2、S3、S4、S5均為評(píng)價(jià)因子,其轉(zhuǎn)換值的取值見表1。

表1 單溝泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)因子轉(zhuǎn)換值Table 1 Conversion values of risk assessment factors of each mudflow

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況,修正后的單溝泥石流易損性V單計(jì)算公式[1]如下:

V單=[0.5(FV1單+FV2單)]0.5

(3)

FV1單=1/{1+exp[-1.25(logV1單-2)]}

(4)

FV2單=1-exp(-0.0035V2單)

(5)

V1單=I+E+L單

(6)

V2單=(a+b+r)D/3

(7)

式中,V1單為財(cái)產(chǎn)指標(biāo)(萬元);FV1單為財(cái)產(chǎn)指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值(0～1);V2單為人口指標(biāo)(人/km2);FV2單為人口指標(biāo)的轉(zhuǎn)換函數(shù)賦值(0～1);I為泥石流影響范圍內(nèi)的受威脅財(cái)產(chǎn)(萬元);E為經(jīng)濟(jì)易損度指標(biāo)(萬元),包括人均年收入E1、人均儲(chǔ)蓄存款余額E2、人均擁有的固定資產(chǎn)E3;L單為影響范圍內(nèi)各類土地的價(jià)值(萬元);a為59歲及以上老人和14歲以下少年兒童的比例;b為只接受過初等教育(小學(xué))及以下人口的比例;r為人口自然增長率(‰);D為人口密度(人/km2)。

風(fēng)險(xiǎn)性等于易發(fā)性和易損性的乘積,按布拉德福定律的區(qū)域分析方法決定風(fēng)險(xiǎn)性的5個(gè)等級(jí):0.00

圖1 泥石流單溝風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)分區(qū)Fig.1 Division of single mudflow risk

2 區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)單元的劃分

區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為危險(xiǎn)性與易損性疊加得到,本次評(píng)價(jià)基于遙感解譯的區(qū)域數(shù)值高程模型(DEM)進(jìn)行柵格單元?jiǎng)澐?以ArcGIS為平臺(tái),選取的柵格單元大小為30 m×30 m。

2.2 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.2.1 AHP法確定評(píng)價(jià)體系

選取本區(qū)域內(nèi)與泥石流形成密切相關(guān)的斜坡坡度、斜坡坡高、斜坡坡向、巖土體類型、水文影響、植被、人類工程活動(dòng)影響等7個(gè)因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo),然后專家打分法構(gòu)建評(píng)價(jià)網(wǎng)格矩陣,通過一致性檢驗(yàn),得到評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重表(表2)。

表2 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)體系Table 2 Assessment system of susceptibility mudflow

2.2.2 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

采用信息量模型通過ArcGIS計(jì)算得到各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息量分布圖,然后將7張圖進(jìn)行疊加,首先得到易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果。在此基礎(chǔ)上,疊加月降雨等值線圖進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)價(jià)(圖2),計(jì)算公式如下:

圖2 研究區(qū)泥石流地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險(xiǎn)性、易損性及風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖Fig.2 Diagram showing susceptibility, danger degree, vulnerability and risk degree of mudflow disasters of the study area a.泥石流災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)圖;b.泥石流災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖;c.泥石流災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)圖;d.泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖

H=0.8Iy+0.2Ij

(8)

式中,H為危險(xiǎn)性計(jì)算結(jié)果;Iy為易發(fā)性評(píng)價(jià)總信息量;Ij為降雨信息量。

2.2.3 易損性評(píng)價(jià)

根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》,本次評(píng)價(jià)側(cè)重于對(duì)影響區(qū)范圍內(nèi)人口數(shù)量、建筑(房屋、建筑等)、交通設(shè)施等進(jìn)行分類評(píng)價(jià),再疊加得到綜合易損性評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2.4 風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

將地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性和易損評(píng)價(jià)結(jié)果疊加,采用矩陣分析方法將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果分為四級(jí),極高風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、低風(fēng)險(xiǎn)。最終得到研究區(qū)21條泥石流的區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(圖2)。從圖2可以看出,研究區(qū)的泥石流均位于中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)和高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),最后將單體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行匯總(表3)。

表3 泥石流評(píng)價(jià)成果匯總Table 3 Summary of the assessment

將單體泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與用GIS方法進(jìn)行該區(qū)區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可以看出,同一泥石流單體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果和區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果可能“不一致”。對(duì)上述泥石流評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了分類,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有5處,高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有10處,中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有6處,對(duì)不同的分類結(jié)果進(jìn)行不同的風(fēng)險(xiǎn)管控。

3 泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控

根據(jù)上述3類分類結(jié)果,本次對(duì)研究區(qū)泥石流提出的風(fēng)險(xiǎn)管控措施包括三個(gè)層面。

(1)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管控

主要位于五臺(tái)縣巖頭鄉(xiāng)西北部和繁峙縣光裕堡鄉(xiāng)中部,為研究區(qū)內(nèi)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)為最危險(xiǎn)的區(qū)域,應(yīng)該加強(qiáng)這些區(qū)域的泥石流防災(zāi)減災(zāi)及風(fēng)險(xiǎn)管控工作,必要時(shí)建議采取工程治理、避讓搬遷等措施。

(2)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管控

主要位于五臺(tái)縣巖頭鄉(xiāng)北部和繁峙縣光裕堡鄉(xiāng)中南部,該區(qū)域內(nèi)的泥石流發(fā)生概率也較高,具有形成泥石流的陡峻地形、豐富的巖土體及采礦廢石等物源條件,應(yīng)該對(duì)該區(qū)域的泥石流防災(zāi)減災(zāi)及風(fēng)險(xiǎn)管控工作引起重視。此外,建議對(duì)這些泥石流采取定期清理溝谷中的松散物、開展專業(yè)化監(jiān)測(cè)預(yù)警等治理措施。

(3)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)管控

主要位于繁峙縣繁城鎮(zhèn)南部,該區(qū)域內(nèi)泥石流的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果相比上述2個(gè)區(qū)域略低,但也應(yīng)當(dāng)引起足夠重視,在區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步加強(qiáng)群測(cè)群防等工作。

4 結(jié)語

(1) 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是進(jìn)一步開展災(zāi)害防災(zāi)減災(zāi)、風(fēng)險(xiǎn)管控的重要基礎(chǔ),不同的評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)可能得到的評(píng)價(jià)結(jié)果略有差異。本文從區(qū)域和單體兩種不同的角度切入,得到的評(píng)價(jià)結(jié)果更為準(zhǔn)確可靠,具有一定的參考價(jià)值。

(2)泥石流風(fēng)險(xiǎn)管控不僅僅從單條泥石流溝的角度考慮,更應(yīng)該結(jié)合區(qū)域評(píng)價(jià)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)“風(fēng)險(xiǎn)區(qū)+隱患點(diǎn)雙控”的基礎(chǔ)是將區(qū)域和單體評(píng)價(jià)結(jié)果綜合考慮分為高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)中的中風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等3類,再對(duì)不同的分類提出不同的工程治理、避險(xiǎn)搬遷、專業(yè)監(jiān)測(cè)等風(fēng)險(xiǎn)管控建議。