宋英華,呂貝貝,呂 偉
(1.武漢理工大學 中國應急管理研究中心,湖北 武漢 430070;2.武漢理工大學 安全科學與應急管理學院,湖北 武漢 430070)
近年,受地震、滑坡等因素影響,在我國四川、貴州、云南、西藏等地形成堰塞湖,堰塞湖災害事件頻發(fā),嚴重威脅上、下游居民生命及財產安全。堰塞湖形成具有明顯突發(fā)性與不可預測性,探究堰塞湖形成因素,揭示其災害鏈系統(tǒng)變化規(guī)律,可為堰塞湖防治提供理論依據,對全面提升我國自然災害綜合防御能力具有重要意義。
目前,堰塞湖致因機理研究主要集中于以下4個方面:1)通過分析堰塞湖所處區(qū)域地質環(huán)境[1-7],從地形地貌、地層巖性、地質構造、水文條件等方面研究堰塞湖形成條件及成災機理。2)基于地質環(huán)境分析,研究壩體結構特征及物質組成[8-10],對堰塞湖形成機制進行系統(tǒng)研究。3)通過研究滑坡、崩塌、泥石流特征等,分析堰塞湖成因機制[11-14]。4)針對巖層結構、降雨、地震等堰塞湖形成關鍵因素,分析其成災機理[15-17]。此外,部分學者認為堰塞湖形成內因為堵江地貌條件,外因為觸發(fā)河谷斜坡發(fā)生滑坡或崩塌[18]。目前,對我國整體區(qū)域內堰塞湖致因分析研究比較匱乏。
本文以48例堰塞湖為研究對象,基于災害鏈式理論及堰塞湖數據集,構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型,確定災害鏈系統(tǒng)主要斷鏈環(huán)節(jié)。研究結果可為我國堰塞湖災害防治提供依據。
不同地區(qū)堰塞湖形成致因因素不同。通過調研,搜集2000—2020年我國發(fā)生48例堰塞湖事件,得到堰塞湖災害事件數據集[19-20],見表1。
表1 2000—2020年我國堰塞湖災害事件數據集Table 1 Data sets of dammed lake disasters in China from 2000 to 2020
堰塞湖形成致因因素可分為滑坡型堰塞湖、崩塌型堰塞湖、泥石流型堰塞湖及雨水填溝型堰塞湖4類[21]。堰塞湖類型見表2。
表2 堰塞湖類型Table 2 Types of dammed lakes
根據堰塞湖形成致因因素與類型,得到不同類型堰塞湖形成致因因素占比,如圖1所示。由圖1可知,持續(xù)降雨是各類堰塞湖形成主要致因;冰雪融水及地下水入滲、地震、長期重力演化作用均可觸發(fā)滑坡型堰塞湖形成;雨水填溝型堰塞湖僅受持續(xù)降雨因素影響;崩塌型堰塞湖受多種因素影響;泥石流型堰塞湖主要受持續(xù)降雨及冰川活動因素影響。
圖1 不同類型堰塞湖形成觸發(fā)因素占比Fig.1 Proportions of triggering factors for formation of dammed lakes with different types
堰塞湖是在特定地貌條件下,由地震、降雨、施工擾動、地下水入滲等1個或多個因素共同作用形成的不穩(wěn)定湖泊。由圖1可知,持續(xù)降雨是堰塞湖形成主要致因,為研究我國堰塞湖形成水文條件,參考《中國自然地理圖集》[22]中國水文區(qū)劃圖,統(tǒng)計48例堰塞湖發(fā)生地水文分區(qū)情況。中國水文區(qū)劃圖以徑流深、不同時段徑流量占年徑流量百分比為分區(qū)指標,將我國水文生態(tài)環(huán)境分為11個一級區(qū)。由堰塞湖類型可知,特定地貌是堰塞湖形成必要條件。根據中國地貌類型圖,統(tǒng)計48例堰塞湖發(fā)生地的地貌類型及地貌成因類型,將中國地貌分為平原、高原和臺地、丘陵、山地4種,并根據地貌類型成因作進一步分類。48例堰塞湖發(fā)生地的地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型見表3。
表3 堰塞湖地貌、地貌成因及水文區(qū)劃類型Table 3 Types of geomorphology,geomophogensis and hydrological regionalization of dammed lakes
堰塞湖形成地貌及地貌成因占比如圖2所示。由圖2可知,約70%堰塞湖在山地地貌下形成,因為長時間侵蝕作用為堰塞湖形成創(chuàng)造良好地質條件。部分堰塞湖發(fā)生在丘陵地帶,其次為高原和臺地、平原。其中,侵蝕山地為堰塞湖高發(fā)地,其次為冰川、冰緣作用山地和巖溶化山地;丘陵地貌中侵蝕的紅層丘陵是堰塞湖高發(fā)地。
圖2 堰塞湖形成地貌類型及地貌成因占比Fig.2 Proportions of geomorphology types and geomophogensis for formation of dammed lakes
數據顯示,降雨因素形成堰塞湖,占致因因素總量73%。根據《中國水文區(qū)劃圖》劃分方式,結合圖3可知,我國西南亞熱帶、熱帶多水區(qū)、青藏高原東部和西南部溫帶平水區(qū)和秦巴、大別山北亞熱帶多水區(qū)為堰塞湖高發(fā)地,該類地區(qū)多為熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)。
圖3 堰塞湖形成地的水文區(qū)域占地貌類型的比例Fig.3 Proportions of hydrological area to geomorphology types in formation areas of dammed lakes
災害鏈是近年災害學領域研究熱點,學者將災害鏈應用于不同研究領域,如城市燃氣管線泄漏、城鎮(zhèn)-森林火災、軌道交通樞紐[23-25]等,在災害預警預測、過程分析及災害防治方面起重要作用。
本文通過探究堰塞湖形成過程,并基于災害鏈式理論[26],分析堰塞湖災害鏈演化過程。災害鏈式理論將自然災害抽象為具有載體的共性反應特征,描述單一或多災種的形成、滲透、干涉、轉化、分解、合成等相關物化信息過程,直至災害發(fā)生給人類社會造成損失和破壞等各種鏈鎖關系總稱。
自然災害演變過程一般分為災害孕育期、災害成形期、災害迸發(fā)期3個階段,階段演化過程也是災害能量聚集過程,即災害孕育、成形、迸發(fā)過程是各種因素與條件綜合作用下能量聚集過程。自然災害鏈演化過程如圖4所示。
圖4 自然災害鏈演化過程Fig.4 Evolution process of natural disaster chain
從成災條件方面考慮,堰塞湖形成需具備充足外部條件,如地貌類型、降雨、地震、人類活動等;從堰塞湖成災機理方面考慮,災害孕育期、災害成形期、災害迸發(fā)期整個過程即災害能量聚集過程。本文基于災害鏈式理論,參考不同類型堰塞湖成因機理,從災害孕育期、成形期、迸發(fā)期3個階段分析堰塞湖災害鏈演化過程,構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型,如圖5所示。
圖5 堰塞湖災害鏈演化模型Fig.5 Evolution model of dammed lake disaster chain
本文基于堰塞湖災害鏈演化模型,對48個堰塞湖案例演化過程進行分析,考慮堰塞湖從生成到消亡全過程,忽略堰塞湖災害后果,基于Gephi軟件構建堰塞湖災害鏈演化網絡模型,如圖6所示。網絡節(jié)點編號見表4。
表4 網絡節(jié)點編號Table 4 Number of network nodes
注:網絡中節(jié)點越大、顏色越深,表示節(jié)點度值越大;邊的粗細表示邊的權重大小,邊越粗表示邊的權重值越大。圖6 堰塞湖災害鏈演化網絡模型Fig.6 Evolution network model of dammed lake disaster chain
基于Gephi軟件計算結果,得到我國堰塞湖災害鏈演化網絡入度、出度、中心度、接近中心度、中介中心度和特征向量中心度等特征參數,見表5。
節(jié)點入度指進入該節(jié)點邊的條數,由表5可知,入度較大節(jié)點包括山地、堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、丘陵,表示作用于節(jié)點的節(jié)點數量較多;節(jié)點出度指從該節(jié)點出發(fā)邊的條數,出度較大節(jié)點包括山地、持續(xù)降雨、堰塞湖、丘陵、高原和臺地,表示由節(jié)點引發(fā)的節(jié)點事件較多;節(jié)點中心度指與該節(jié)點關聯邊的條數,中心度較大節(jié)點包括山地、堰塞湖、丘陵、滑坡、持續(xù)降雨,表示節(jié)點在網絡中比較重要;接近中心度指某節(jié)點到其他節(jié)點最短路徑平均長度,表示某節(jié)點與其它節(jié)點相鄰程度,接近中心度較大節(jié)點包括堰塞湖、滑坡、凹坑、泥石流、山地,表明該節(jié)點位于網絡中心位置;中介中心度指某節(jié)點作為另外2個節(jié)點間最短橋梁次數,中介中心度較大節(jié)點包括堰塞湖、山地、滑坡、丘陵、凹坑、泥石流,表示該節(jié)點對其他節(jié)點依賴性較強;特征向量中心度認為1個節(jié)點的重要性既取決于其相鄰節(jié)點數量,也取決于每個相鄰節(jié)點重要性,特征向量中心度較大節(jié)點包含堰塞湖、上游洄水、自然潰決、人工泄流,表示該節(jié)點在網絡中影響力較大,風險較高。因此,山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖4個節(jié)點是災害鏈中關鍵節(jié)點。
表5 我國堰塞湖災害鏈演化網絡節(jié)點特征表Table 5 Node characteristics of disaster chain evolution network of dammed lakes in China
邊表示節(jié)點間演化關系,本文依據48個堰塞湖災害鏈演化過程,分析我國堰塞湖災害鏈演化網絡關鍵邊。以48個堰塞湖災害鏈中各邊出現次數為權重,進行歸一化處理,得到堰塞湖災害鏈演化網絡30條邊的權重值,見表6。
由表6可知,持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為網絡中最重要的邊。因此,持續(xù)降雨作用于山地等特定地貌,發(fā)生滑坡形成堰塞湖,是我國堰塞湖災害鏈演化網絡模型中非常重要的1條災害鏈。
表6 堰塞湖災害鏈演化網絡邊的權重值Table 6 Weights of evolution network edges of dammed lake disaster chain
堰塞湖斷鏈減災關鍵在于從源頭控制堰塞湖形成。堰塞湖形成主要致因為持續(xù)降雨和特定地質環(huán)境。因此,控制堰塞湖形成及堰塞湖災害造成的損失,需加大特定地區(qū)雨量監(jiān)測與地質環(huán)境監(jiān)測力度。切斷災害演化過程中關鍵節(jié)點和邊,避免次生災害發(fā)生是堰塞湖災害斷鏈減災關鍵。堰塞湖災害鏈演化過程中山地、持續(xù)降雨、滑坡、堰塞湖為關鍵節(jié)點,持續(xù)降雨—山地、堰塞湖—人工泄流、滑坡—堰塞湖、山地—滑坡等為關鍵邊,以上均可作為斷鏈最佳位置。為避免持續(xù)降雨情況下山地、丘陵地帶發(fā)生滑坡形成堰塞湖,可加大我國熱帶多水區(qū)和溫帶平水區(qū)山地與丘陵地帶侵蝕地貌地區(qū)地質環(huán)境監(jiān)測與降雨監(jiān)測強度,建立監(jiān)測預警機制;對于無法避免形成的堰塞湖,可提前轉移當地居民,以減少生命財產損失。
1)基于災害鏈思想及災害鏈式理論,從孕育期、成形期、迸發(fā)期3個階段對我國堰塞湖形成致因因素進行分析,突破以往僅考慮單一區(qū)域或堰塞湖致因機理研究。
2)通過分析發(fā)現,影響較大的節(jié)點與權重較大的邊具有較強關聯性,在該節(jié)點進一步演化為災害鏈之前,進行針對性預防或控制,可有效減少堰塞湖災害損失。
3)堰塞湖形成主要由持續(xù)降雨引發(fā),屬于不可控因素,因此,做好山地豐雨區(qū)等特定地區(qū)滑坡、崩塌災害監(jiān)測預警工作十分重要。