柳金峰，黃江成，歐國(guó)強(qiáng)，呂 娟，范建容

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

甘肅隴南武都區(qū)泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

柳金峰1，2，黃江成2，歐國(guó)強(qiáng)1，2，呂 娟1，2，范建容2

(1.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

文章分析了甘肅隴南市武都區(qū)泥石流形成的自然環(huán)境背景、發(fā)育特征及易發(fā)性。通過(guò)野外實(shí)地考察，查明了泥石流的發(fā)育情況，在此基礎(chǔ)上，采用模糊物元可拓方法對(duì)泥石流的易發(fā)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。分析表明，研究區(qū)的泥石流具有分布密度高、沖溝及坡面泥石流成片發(fā)育、北岸泥石流較南岸發(fā)育且粘性泥石流所占比例大于南岸的發(fā)育特征;選取巖性、溝床比降、山坡坡度、完整系數(shù)、發(fā)育程度、降水、斷層密度7個(gè)因子構(gòu)建泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。通過(guò)易發(fā)性評(píng)價(jià)，研究區(qū)104條泥石流溝中，66條為高易發(fā)性，占總數(shù)的63.5%;32條為中等易發(fā)性，占總數(shù)的30.8%;6條為低易發(fā)性，占總數(shù)的5.7%。

隴南市武都區(qū);白龍江;泥石流;易發(fā)性評(píng)價(jià);模糊物源可拓法

0 引言

甘肅省隴南市武都區(qū)是我國(guó)泥石流最發(fā)育的地區(qū)之一。災(zāi)害性泥石流分布面積廣、發(fā)生頻率高、造成經(jīng)濟(jì)損失大等特點(diǎn)在我國(guó)居前位［1］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有史料記載以來(lái)災(zāi)害性泥石流共計(jì)約240次，僅1950～1990年的40年間就發(fā)生79次，死亡643人，直接經(jīng)濟(jì)損失約2.2億元［2］。嚴(yán)重的泥石流災(zāi)害制約著該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本文對(duì)武都區(qū)泥石流的自然環(huán)境背景、發(fā)育特征和易發(fā)性進(jìn)行了分析。

1 自然環(huán)境背景

1.1 流域概況

隴南市武都區(qū)位于甘肅省東南部，屬嘉陵江支流白龍江中游。武都區(qū)介于東經(jīng) 104°34′～105°38′，北緯 32°48′～ 33°43′。該區(qū)東臨康縣、成縣;南接陜西寧強(qiáng)、四川青川、甘肅文縣;西于宕昌、舟曲縣毗連;北靠西河、禮縣(圖1)。全區(qū)南北長(zhǎng)100.8km，東西寬72km，幅員面積4683 km2。全區(qū)轄36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，530個(gè)行政村，15個(gè)社區(qū)，總?cè)丝?53.68萬(wàn)人，農(nóng)業(yè)人口48.38 萬(wàn)人［3］。

1.2 地形地貌

武都區(qū)地處我國(guó)一、二階梯過(guò)渡帶，位于隴南山地中部，隸屬南秦嶺高中山侵蝕、剝蝕構(gòu)造山地，高中山深切割峽谷地貌類(lèi)型。地勢(shì)西北高，東南低，山頂海拔從最高的3600m向東逐漸下降到東南部2000m。武都區(qū)白龍江流域?qū)僦懈呱缴钋懈詈庸葏^(qū)。白龍江河谷漢王以上為一背斜谷，河谷南岸為岷山山系，山峰多在海拔3000m以上，山勢(shì)陡峻。北岸屬中低山，黃土層分布廣泛，溝壑縱橫，水土流失嚴(yán)重。白龍江谷底，寬窄相間如藕節(jié)狀分布，險(xiǎn)崖壩(武都城東25km處)以上較寬闊，成不對(duì)稱(chēng)U型，南窄北寬，谷底寬1～3.5km，其中角弓、兩水、城關(guān)、東江、漢王等有較寬闊的河漫灘，形似河谷小盆地;險(xiǎn)崖壩以下河谷較窄，成 V 型谷［3］。

1.3 地質(zhì)

武都區(qū)地處兩個(gè)不同構(gòu)造體系的交接部位，麻崖梁以南屬松潘—甘孜褶皺帶摩天嶺復(fù)背斜東翼，主要地層為碧口群，屬海相沉積淺變質(zhì)巖，以變質(zhì)砂巖、板巖、千枚巖、砂礫巖、結(jié)晶灰?guī)r等為主。松潘—甘孜褶皺帶活動(dòng)性弱，褶皺、斷層不甚發(fā)育;麻崖梁以北屬南秦嶺褶皺帶武都山字形構(gòu)造西翼白龍江復(fù)背斜，地層從志留系到第四系均有出露，分布較為廣泛，志留系以軟弱的千枚巖、板巖為主，夾有堅(jiān)硬的灰?guī)r、砂巖;第四系以沖積、洪積、風(fēng)積為主，堆積物主要為卵礫石層、碎塊石、礫石層和馬蘭黃土［3］。

1.4 氣象

武都區(qū)降水時(shí)空分布不均，區(qū)內(nèi)年降水量400～900mm，其中東南部降水在800mm以上。北部高山地區(qū)年降水量約650mm。白龍江、北峪河流域等中部低半山河谷一帶為少雨區(qū)，年降水量450mm左右。降水年內(nèi)分配不均，6～9月降水天數(shù)占全年28%，而降水量卻占全年的69%，且東南多于西北，高山多于河谷，陰山多于陽(yáng)山。24h最大降水量均值為60mm，極值為78.6mm(1984年8月3日)，一小時(shí)最大降水量40.0mm(1980年7月5日)，10min最大降水量16.2mm(1982年8月7日)［3］。因暴雨產(chǎn)生的水動(dòng)力，侵蝕溝床、浸潤(rùn)滑坡體而轉(zhuǎn)化為泥石流是研究區(qū)泥石流暴發(fā)頻繁的直接因素。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

1.5 地震

武都區(qū)處在南北地震帶的中段，即天水-武都-文縣地震帶。屬秦嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶，秦嶺山脈橫斷中原，至甘肅南部進(jìn)入西秦嶺地區(qū)轉(zhuǎn)而呈北西走向。武都?xì)v史上本區(qū)曾發(fā)生過(guò)多次破壞性地震，如1654年天水南 8級(jí)地震，1879年武都南 8級(jí)地震［4］。5.12地震武都區(qū)全區(qū)范圍內(nèi)全部受災(zāi)，涉及36個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，684個(gè)行政村，137162戶(hù)，54.84萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)132×108元。其中重災(zāi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)有29個(gè)，478個(gè)村，48.84×104人。據(jù)震后修改的《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306—2001)，武都區(qū)所處區(qū)域地震動(dòng)峰值加速度為0.20～0.30g，地震烈度為Ⅶ-Ⅷ度。

2 泥石流發(fā)育特征

2.1 分布密度高

武都區(qū)泥石流的分布密度在全國(guó)居首。將白龍江兩岸(兩河口-透防)段的一級(jí)支溝泥石流溝與國(guó)內(nèi)其它泥石流高發(fā)區(qū)域(川藏公路西藏境內(nèi)、成昆鐵路和云南小江流域)的分布密度進(jìn)行對(duì)比。白龍江兩岸(兩河口-透防)段的一級(jí)支溝泥石流分布密度相當(dāng)大，達(dá)到2.86條/km［1］，遠(yuǎn)大于川藏公路西藏境內(nèi)(0.27 條/km)［5］、成昆鐵路(0.47 條/km)［6］和云南小江流域的泥石流分布密度(1.19條/km)［7］。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，武都區(qū)面積約4683km2，其中泥石流分布面積約占3000多km2，其所占比例約為64%。

2.2 沖溝及坡面泥石流成片發(fā)育

武都區(qū)的沖溝及坡面泥石流非常發(fā)育，常成片分布(圖2)，如角弓、兩水、城關(guān)、東江、漢王等鄉(xiāng)鎮(zhèn)沖溝及坡面泥石流極其發(fā)育。這些區(qū)域有較寬闊的河漫灘，形似河谷小盆地。兩岸支溝岔多，大多為泥石流溝道，在溝口漫灘上形成泥石流洪積扇，扇面坡度2°～10°。分布密度最大的區(qū)域在武都城區(qū)附近的千枚巖區(qū)，如黃家壩-城關(guān)6km線(xiàn)段內(nèi)竟有沖溝和坡面泥石流40余處，平均每150m就有一條坡面或沖溝泥石流。

2.3 北岸泥石流較南岸發(fā)育、且粘性泥石流所占比例大于南岸

武都區(qū)白龍江兩岸的一級(jí)支溝泥石流北岸多于南岸。規(guī)模大、暴發(fā)頻繁、常堵為患的甘家溝、北峪河、石門(mén)溝、深溝，以及每年發(fā)生數(shù)次至數(shù)十次、常堵塞交通或埋沒(méi)大片農(nóng)田的佛堂溝、泥灣溝、火燒溝、柳灣溝、清水子溝等，均分布在北岸。在對(duì)研究區(qū)域?qū)嵉乜疾斓?04條泥石流溝中(＞0.4km2)，北岸分布有泥石流溝 65條，其中粘性泥石流溝 49條，占75.4%;稀性泥石流溝16條，占24.6%。南岸分布有泥石流溝 39條，其中粘性泥石流溝 16條，占41.0%;稀性泥石流溝23條，占59.0%。其主要原因是江北山坡多由軟弱巖石構(gòu)成，滑坡發(fā)育，多粘性泥石流(圖3);而江南山坡多由石灰?guī)r等堅(jiān)硬巖石構(gòu)成，以巖崩堆積補(bǔ)給為主，多稀性泥石流，這種分布情況尤其在研究區(qū)透防以下更為明顯。

圖2 沖溝泥石流發(fā)育Fig.2 Debris flows development in small gully

圖3 北岸粘性泥石流(大灣溝)Fig.3 Viscous debris flow on north bank(Dawan Gully)

3 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)方法

模糊物元模型是從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度去研究解決問(wèn)題的規(guī)律和方法，在許多領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用［8-10］。模糊物元模型始于研究不相容問(wèn)題的轉(zhuǎn)化規(guī)律和解決方法，通過(guò)引進(jìn)物元，并對(duì)其進(jìn)行變換和運(yùn)算，從而從定性和定量?jī)蓚€(gè)角度去研究和解決不相容問(wèn)題。可拓集合和關(guān)聯(lián)函數(shù)是可拓學(xué)定量化工具，可拓方法的理論基礎(chǔ)是物元理論和可拓集合理論［11-13］。

3.1.1 物元分析

物元分析是用來(lái)處理在某些條件下，用通常的方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的不相容問(wèn)題規(guī)律的一種分析方法。在物元分析中，物元的表達(dá)形式為:

式中:R——物元;

M——所描述的事物;

新生兒腹裂根據(jù)病變是否合并畸及嚴(yán)重度分為單純及復(fù)雜二組，采用兩種不同外科干預(yù)方式：Ⅰ期修補(bǔ)術(shù)和Silo袋置袋后Ⅱ期修補(bǔ)術(shù)。這兩種模式中均有產(chǎn)房外科早期干預(yù)[4]。有麻醉或非麻醉二種方式，Bianchi[5]提出了非全麻鎮(zhèn)靜下施行腹裂手術(shù)，而后Kimbl[6]等提出了用鎮(zhèn)靜劑下開(kāi)展了非縫合法I期修復(fù)腹裂手術(shù)，在我國(guó)，鄭珊等最早報(bào)道I期無(wú)縫合腸管回納法治療先天性腹裂，避免了機(jī)械通氣插管麻醉的危害，提早了經(jīng)口營(yíng)養(yǎng)，減少治療費(fèi)[7]。麻醉下施行手術(shù)術(shù)中松弛的腹壁有利于腸管的回納，能良好的縫合腹壁各層組織[8]，同時(shí)可預(yù)防遺漏先天性胃腸道畸形仍有一定優(yōu)勢(shì)。目前，插管麻醉?xiàng)l件日益成熟，幾無(wú)并發(fā)癥發(fā)生。

C——所描述的事物的特征;

X——量值。

3.1.2 物元矩陣

如果一個(gè)事物 M需要 n個(gè)特征 c1，c2，…cn及其相應(yīng)的量值x1，x2，…xn來(lái)描述，則稱(chēng) M為 n維物元，并可用物元矩陣來(lái)表示:

3.1.3 節(jié)域?qū)ο笪镌仃?/h4>

節(jié)域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸?

式中:Mp——由標(biāo)準(zhǔn)事物加上可轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的事物組成的節(jié)域?qū)ο?

xpi——節(jié)域?qū)ο箨P(guān)于特征ci的量值范圍;

xpi=［api，bpi］。

經(jīng)典域?qū)ο笪镌仃嚳杀硎緸?

式中:MB——標(biāo)準(zhǔn)對(duì)象;

3.1.4 關(guān)聯(lián)函數(shù)

在物元評(píng)價(jià)中，關(guān)聯(lián)函數(shù)使解決不相容問(wèn)題的結(jié)果量化。若區(qū)間 x0=［a，b］，x1=［c，d］，且 x0?x1，則關(guān)聯(lián)度為:

式中:xij——為第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第 j個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)的取值區(qū)間;

ρ(xi，xij)——為 xi到第 i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的第 j個(gè)評(píng)價(jià)類(lèi)取值區(qū)間端點(diǎn)的距離。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及量化分級(jí)

泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)歷來(lái)是泥石流災(zāi)害綜合評(píng)價(jià)中的重要組成部分，同時(shí)也是泥石流預(yù)防、預(yù)報(bào)、治理等方面的重要依據(jù)。一條溝谷是否暴發(fā)泥石流，主要是看其發(fā)展成為泥石流溝的可能性有多大，它受到許多因素的影響，各因素的影響作用也不盡相同。本文在分析研究區(qū)泥石流形成的環(huán)境背景及發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，從泥石流形成的地形、松散固體物質(zhì)和降水三大條件出發(fā)，選取巖性(x1)、溝床比降(x2)、山坡坡度(x3)、完整系數(shù)(x4)、發(fā)育程度(x5)、降水(x6)、斷層密度(x7)7個(gè)因子構(gòu)建泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。有關(guān)這些影響因子對(duì)泥石流形成的作用，這里參照文獻(xiàn)并結(jié)合野外考察資料，對(duì)影響因子的分級(jí)和表征意義進(jìn)行說(shuō)明(表1)。

表1 判識(shí)指標(biāo)分級(jí)及表征意義Table 1 The classification and the symbol meanings of the identification factors

由于各個(gè)因子在泥石流形成中的作用不同，在對(duì)泥石流易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)之前，需要確定各個(gè)因子的權(quán)重。本文采用層次分析方法確定各個(gè)因子的權(quán)重，首先構(gòu)造判斷矩陣如下:

其中，Xij表示元素 xi對(duì) xj的相對(duì)重要性的判斷值。Xij取值1～9，如xi比xj更重要，Xij的取值越小，元素xi和 xj比較時(shí)為 Xij，則xj和 xi比較時(shí)為1/Xij。通過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)，各個(gè)判識(shí)因子的權(quán)重(W)可確定如下:

通過(guò)對(duì)判斷矩陣的最大特征根進(jìn)行檢驗(yàn)，得到判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性。因此，上述權(quán)重的計(jì)算結(jié)果基本合理。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

本文以隴南市武都區(qū)104條泥石流溝為評(píng)價(jià)單元，建立以小流域單元為對(duì)象的模糊物元評(píng)價(jià)模型。根據(jù)選取的7個(gè)因子，確定泥石流易發(fā)性的標(biāo)準(zhǔn)物源模型如表2.

表2 泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)物元模型表Table 2 Standard matter element model for assessing debris flow Susceptibility

根據(jù)上述建立的標(biāo)準(zhǔn)物元判識(shí)模型，利用Matlab7.0軟件編程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)研究區(qū)泥石流的易發(fā)性進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖4)。

對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可知，研究區(qū)104條泥石流溝中，66條為高易發(fā)性，占總數(shù)的63.5%;32條為中等易發(fā)性，占總數(shù)的30.8%;6條為低易發(fā)性，占總數(shù)的5.7%。根據(jù)上述易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果，可初步得到以下結(jié)論:

(1)高易發(fā)性泥石流溝主要分布在北岸，中等易發(fā)性泥石流溝主要分布在南岸。在高易發(fā)性66條泥石流溝中，有58條分布在北岸，在中等易發(fā)性32條泥石流溝中，有29條分布在南岸，這與上述泥石流發(fā)育特征相符。主要原因是白龍江北岸為復(fù)背斜核部軟弱的志留系地層，加之廣泛分布的黃土層，這些都容易產(chǎn)生泥石流所需的松散物源，有利于泥石流的發(fā)生。而南岸主要為石炭系侵蝕褶皺斷塊石質(zhì)山地，由堅(jiān)硬的石灰?guī)r組成，其松散物源不如北岸豐富。

(2)高易發(fā)性泥石流溝中，流域面積小的占多數(shù)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)，66條高易發(fā)性泥石流溝中，＜1km2的泥石流溝17條，占25.8%;＜2km2的泥石流溝37條，占 56.1%;＜10km2的泥石流溝 58條，占87.9%;＞10km2的泥石流溝僅8條，占12.1%。

(3)低易發(fā)性的泥石流溝，其流域面積均較大。6條低易發(fā)性的泥石流溝流域面積均大于30km2。但流域面積最大的北峪河卻屬于高易發(fā)性泥石流溝，其主要原因是北峪河流域內(nèi)紅、黃土及第四紀(jì)殘積物分布廣泛，加之流域內(nèi)植被差，坡蝕、溝蝕嚴(yán)重，滑坡、崩塌發(fā)育，為武都區(qū)極強(qiáng)水土流失區(qū)，松散物源極其豐富。

圖4 研究區(qū)泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)圖Fig.4 Zonation of debris flow susceptibility in the study area

4 結(jié)論

隴南市武都區(qū)白龍江沿岸泥石流具有分布密度高、沖溝及坡面泥石流成片發(fā)育、北岸泥石流較南岸發(fā)育且粘性泥石流所占比例大于南岸的發(fā)育特征。通過(guò)易發(fā)性評(píng)價(jià)，研究區(qū)104條泥石流溝中，66條為高易發(fā)性，占總數(shù)的63.5%;32條為中等易發(fā)性，占總數(shù)的30.8%;6條為低易發(fā)性，占總數(shù)的5.7%。隴南市武都區(qū)高易發(fā)性泥石流溝主要分布在白龍江北岸，中等易發(fā)性泥石流溝主要分布在南岸;高易發(fā)性泥石流溝中，流域面積小的占多數(shù);低易發(fā)性的泥石流溝，其流域面積均較大。

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［13］劉勇健，張麗娟，楊雪強(qiáng).可拓聚類(lèi)預(yù)測(cè)方法在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2009，20(3):108-119.

Susceptibility evaluation of debris flow in the Wudu District，Longnan City，Gansu Province

LIU Jin-feng1，2，HUANG Jiang-cheng2，OU Guo-qiang1，2，LV Juan1，2，F(xiàn)AN Jian-rong2
(1.Key Laboratory of Mountain Surface Process and Hazards，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China;2.Institute of Mountain Hazards and Environment，Chinese Academy of Sciences，Chengdu 610041，China)

The natural environment backgrounds，development characteristics and susceptibility of debris flows in the Wudu District of Longnan City are discussed in this paper.The development characteristics of debris flows in this area are analyzed through field investigation;and the susceptibility of debris flows in the study area is discussed by means of fuzzy matter element extension method.The result shows that the characteristics of debris flows in the study area are as follows:the distribution density is high;the small gully and slope debris flows develop widely;the debris flows on the north bank are more developed than those of on south bank，and the proportion of viscous debris flows on the north bank are more than those of on the south bank.The 7 factors including lithology，channel gradient，slope，integrity coefficient，development degree，precipitation and fault density，are selected to form a susceptibility evaluation index system.According to the evaluation，among the 104 debris flow gullies，there are 66 high-susceptible debris flow gullies which account for 63.5%;32 middle-susceptible debris flow gullies which account for 30.8%;6 low-susceptible debris flow gullies which account for 5.7%.

Wudu District of Longnan city，Gansu province;Bailong River;debris flow;susceptibility evaluation;fuzzy matter element extension method

1003-8035(2010)04-0008-06

P642.23

A

2010-05-26;

2010-07-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃專(zhuān)題“秦巴山區(qū)微型沖積扇坡耕地整治與高效利用技術(shù)示范”(2008BAD98B08-2);國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(40830742)

柳金峰(1979—)，男，安徽涇縣人，助理研究員，主要從事山地災(zāi)害實(shí)驗(yàn)與防治工程研究。

Email:liujf@imde.ac.cn