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泥石流评价

发布时间:2020-06-30 13:46:11

1、典型泥石流

一、闲子沟泥石流概述

闲子沟泥石流位于独店乡白峪村多家庄组北的闲子沟,是黑河小支流的小分支,长约450m,宽约80m。地处东经107°33′34″~107°33′56″,北纬35°08′40″~35°09′06″。闲子沟泥石流是黄土地区沟边崩滑形成的典型黄土梁峁丘陵泥石流,泥石流一直冲到对面担子沟沟口,并在沟口堆积堵塞了主河道,形成了小型的堰塞湖,河水在堆积物中冲开了一小型沟渠,河水顺着沟渠流向下游,属于小型溃流。

二、泥石流基本特征

闲子沟泥石流在平面上呈长条状,边坡崩滑后滑面呈喇叭状,滑面较光滑,从塬顶部到沟底底部的高差变幅较大约为130m,崩滑土地体积相对较大,崩滑下的物源比较多,崩滑坡面较陡约为70°,崩滑后滑面的残留物较少,崩滑较彻底。泥石流顺沟整体流向西北方向,泥石流冲沟两侧的斜坡坡度较陡,坡度约为50°,植被以草地为主,少量树木。泥石流主沟纵坡比相对较小,坡度约为15°,冲淤变幅约为±5m,松散物储存量约为60×104m3,总体地势东南高西北低。沟口扇形特征较明显,完整性较好,扇长约为80m,扇宽约为80m,扩散角约为60°。从塬顶到泥石流沟底的最下游高差变幅超过200m,相对高差较大,为泥石流的产生并沿沟下滑创造了条件。

沟谷所在位置的上部地层为马兰黄土,厚度约为8m。马兰黄土是由大量粉土粒级的颗粒组成的多孔松散体系,具大孔隙、垂直节理发育、碳酸盐含量高、土层崩塌迅速、非连续性、不可逆性等湿陷性的强烈特点,土中含有大量的钙质结核,在本层底部有一层厚度约30cm的钙质结核层,土层结构疏松,经水流作用后,面蚀、潜蚀、沟蚀、重力侵蚀等作用均很强烈,是土体侵蚀主要层位。往下为离石黄土,厚度约为80m,上段虽然湿陷,但崩解性较差,土层稳定性仍较差,在水流作用下潜蚀、沟蚀、重力侵蚀作用强烈。再往下为三门黄土,此土层崩解性差,湿陷性弱,但在一些陡坡上受风化作用表面易产生鳞片状剥落,影响深度约几十厘米,形成斜坡“滞流”现象,在雨季被带至沟谷中,为沟谷洪流搬运提供了物质来源。该沟谷地段总体的植被状况较差,顶部及中上部有较多的裂隙和节理,总体的稳定性较差。沟内的泥石流堆积体,以泥块为主,夹杂着泥流状胶结物,成分以粘土和粉质粘土为主,中间夹杂着姜石,沟中堆积物厚度为5~8m,从沟口到对面沟口的堆积厚度较大,在对面沟口堆积最大高度约15m,沟口堆积物中含有大量的姜石,粒径为2~50cm。

图5-28 白峪村多家庄组北闲子沟泥石流远景图

三、泥石流形成原因

通过访问调查,基本查明了泥石流形成的机理。2003年7月连续近十天降大雨,雨水不断入渗到土壤中,土壤本身的孔隙度比较大,地下水对骨架颗粒间的胶结物进行作用,导致连接强度下降,土壤不断的湿陷。降雨以及塬面汇集雨水顺着塬边裂缝和中上部的节理裂隙不断地向下渗入,雨停后四五天,随着地下水的不断的下渗,再加上自身的重力作用,使沟谷陡崖逐渐地到了崩滑的临界状态。在某天中午,下部泥土湿陷后在上部的荷载以及地下水作用下,首先下滑入沟,上部泥土土块和泥流混合到一起冲到沟里去,从而在沟边发生了大规模的崩滑。由于沟谷山高坡陡、高差悬殊、切割强烈,崩滑下的大量的堆积物形成了巨大的物源,滑面上赋存一定的地下水,再加上黄土充分的湿陷,本身的含水量较高,从而形成了大量的泥流,在上部土体的推动作用下,泥流夹杂着大量的土块,向沟的下游滑去,一直冲到对面的沟中,在对面沟口形成很大的堆积,从而堵塞原来与发生泥石流沟垂直的主沟,形成了小型堰塞湖(图5-28)。此泥石流下滑物以土块为主,泥流相对较少,发生时尘土飞扬,尘土将沟谷全部罩住,属于由降雨形成的溃决泥石流。由于大部分物源已经下滑,缺少了继续形成泥石流所需要的物源,崩滑面上节理裂隙基本不发育,不利于雨水入渗,所以后期较稳定,没有再发生泥石流或崩塌。在踏勘时,对此典型泥石流进行了测绘,绘制了泥石流沟的平面图(图5-29)和泥石流的立体线框图(图5-30)。

图5-29 白峪村多家庄组北闲子沟泥石流平面等值线图

图5-30 白峪村多家庄组北闲子沟泥石流立体线框图

四、泥石流稳定性评价

该泥石流是由于降雨形成的,降雨历时较长,黄土充分湿陷后,下滑比较彻底,后缘已经基本没有可以下滑的物源,沟谷两边虽然坡度比较陡,但大部分在发生泥石流的时候已经下滑。现在坡面上草丛、灌木比较发育,该泥石流沟目前总体上处于比较稳定状态。此泥石流沟谷为小型沟谷,集水面积小,沟源近,流程短,规模偏小,可供给泥石流的物质和水量都有限,除非沟两侧植被破坏并再次发生强降雨才有复活的可能性。

2、泥石流调查

泥石流调查即对是爆发泥石流可能危及人民生命财产安全的流域沟谷,针对泥石流的形成要素和泥石流特征,通过调查与判别,区分泥石流沟(含潜在泥石流)和非泥石流沟,确定易发程度和危害等级,并对泥石流沟、潜在泥石流沟的防治方案提出建议。

(一)泥石流调查的工作内容

1.资料收集

在现场调查之前,应收集调查区的气象水文、地形地貌、地层岩性、地质构造、地震活动、泥石流发生的历史记录、前人调查研究成果、已有勘查资料和泥石流防治工程文件、与泥石流有关的人类工程活动等资料。

2.自然地理调查

(1)地形调查

主要内容是测量流域形状、流域面积、主沟长度、沟床比降、流域高差、谷坡坡度、沟谷纵横断面形状、水系结构和沟谷密度等地形要素。流域形态对形成泥石流的暴雨径流影响较大,如漏斗形、栎叶形、桃叶形等形态的沟域有利于松散固体物质的启动,易形成泥石流。对流域及其各支沟可用完整系数δ来分析其形成泥石流的可能性,δ值越大,则沟道中洪峰流量也越大。

地质灾害调查与评价

式中:Lw为流域长度,m;Ab为流域面积,km2。

流域面积在1∶100000或1∶50000地形图上,用求积仪法或米格纸法量取。必要时根据勘测界线对形成泥石流的各单元和各影响因素的面积进行量算。

相对高差(反映位能大小)在1∶10000或1∶50000地形图上量取。根据上、中、下游各沟段沟床和山脊的平均高差,山坡最大、最小及平均坡度,各种坡度级别所占的面积比率,编制地貌图、坡度图、沟谷密度图、切割深度图。

沟岸山坡坡度是影响产砂和运动规模的重要因素,一般根据现场测量,或在1∶50000地形图或航片上测量3个以上的山坡坡度的平均值,作为判别其严重程度的依据。

河沟纵坡是影响泥石流运动能量的重要因素,一般采用山口以上河段或用流通区和形成区河段的平均坡降表示,应根据现场调查结果确定,也可由1∶10000或1∶50000地形图或航片资料计算,采用分段统计时按加权平均计算:

地质灾害调查与评价

式中:Ln和In分别代表河段的分段统计长度和分段坡降。

(2)气象调查

对形成泥石流有控制作用的气候特征主要是温度和降水量进行调查。温差变化引起沟域岩石风化加剧和冰雪消融等,可直接导致泥石流。暴雨是我国大多数泥石流产生的主要触发因素。气象调查主要收集或观测各种降水、气温资料。降水资料主要包括多年平均降水量、降水年际变率、年内降水量分配、年降水日数、降水地区变异系数和最大降水强度,尤其是与爆发泥石流密切相关的暴雨日数及其出现频率、典型时段(24h、60min、10min)的最大降水量及多年平均小时降雨量。

(3)水文调查

水文调查主要是收集或推算各种流量、径流特性、主河及下游高一级大河水文特性等数据。

(4)植被与土壤调查

调查流域植被类型与覆盖程度,植被破坏情况,土地利用类型和侵蚀程度等。调查方法和步骤为概查、标准地调查和统计推测。

概查是根据流域具体情况,以坡向、土壤机械组成和肥力状况、地形、高程、水分、植被种群等因子划分土地类型。掌握土地类型及植物群落随地形垂直分布变化的规律性。

标准地调查是对每个土地类型选择2个以上有代表性的标准地进行调查。标准地投影面积:林木类为500~1000m2,灌丛为10~20m2,草本群落为124m2。分别对标准地的坡向、坡位、土壤、植物群落和林灌木地总覆盖率进行调查和测量,并填制表格。

统计推测是通过同一土地类型标准的调查资料的分析,确定该土地类型植物资源的特征,进而统计推测和评价整个小流域的植物资源现状及其分布规律。填写小流域植物资源统计调查表。

3.地质调查

(1)地层岩性调查

查阅区域地质图或现场调查流域内分布的地层及岩性,特别是易形成松散固体物质的第四系、新近系和弱固结地层及软弱岩层的分布与性质。在此基础上,对控制泥石流形成固体物质的老地层、构造破碎带、第四系重点测绘填图。岩性对流域产砂和运动都有重要影响,岩性分为硬岩和软岩两类,硬岩类包括花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩和硅质、钙质胶结的砂砾岩、石灰岩、泥灰岩、白云岩等沉积岩以及片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩;软岩主要包括凝灰岩等火山碎屑岩和泥砂质胶结的砂砾岩、页岩、泥岩、煤等沉积岩以及云母片岩、千枚岩等变质岩。

(2)地质构造调查

查阅区域构造地质图或现场调查流域内断裂的展布与性质、断裂破碎带的性质与宽度、节理的力学性质和密度、褶曲的分布及岩层产状,统计各种结构面的产状与频度。

(3)新构造运动与地震调查

从《1∶400万中国地震烈度区划图》可查知流域地震基本烈度,收集地震资料,包括从地方志查阅历史地震。泥石流活动与6级以上强震关系最为密切,地震活动烈度7度以上,会导致地表土石松动,加剧危岩崩落、山体崩塌、滑坡阻河、泉水涌流或断流、土体震动液化、堰塞湖坝溃决等,为泥石流的形成创造了物质和水耗条件。综合分析未来地震活动趋势,研究地震可能对泥石流的触发作用,以及地震对防治工程场址的影响,为抗震设计提供依据。从地震资料、地质构造、流域地貌、火山活动、地球物理异常(重力、地磁、地热异常等)诸新构造运动的表现分析新构造运动。

(4)不良地质体与松散固体物质调查

调查流域内不良地质体(如危岩、潜在崩滑体等)与松散固体物源的位置、储量和补给形式。

崩塌、滑坡及水土流失的严重程度分四等。

1)严重:崩塌、滑坡等重力侵蚀严重,多深层滑坡和大中型崩塌,植被覆盖率小于10%,表土疏松,冲沟十分发育。

2)中等:崩塌、滑坡发育,多浅层滑坡和中小型崩塌,有零星植被覆盖,冲沟发育。

3)轻微:有零星小型崩塌、滑坡和冲沟存在。

4)一般:无崩塌、滑坡和冲沟或其发育轻微。

沿沟松散物储量是影响泥石流规模的重要因素,可通过现场调查或航片分析计算确定。松散堆积体严重程度标准:

1)严重:有30m以上高边坡松散堆积,总储量W>1.0×104m3/km2。

2)中等:有10~30m高边坡松散堆积,总储量W=(0.5~1.0)×104m3/km2。

3)轻微:有10m以下高边坡松散堆积,总储量W<0.5×104m3/km2。

(5)水文地质调查

调查地下水尤其是第四系潜水及其出露情况,以及岩溶负地形及消水能力。

4.人类活动调查

主要调查与泥石流形成有关的人类活动。

1)泥石流区人类活动调查:泥石流活动范围内人类生产、生活设施状况,特别是沟口、泥石流堆积扇上居民点、工农业相关基础设施、泥石流沟槽挤占情况。

2)水土流失调查:主要调查植被破坏、毁林开荒、陡坡垦殖、过度放牧、乱砍滥伐等造成的水土流失情况。

3)弃土弃渣调查:主要调查筑路弃土和厂矿企业弃渣及其挡渣措施。

4)水利工程调查:主要对可能溃决形成泥石流的病险水库、输水线路的安全性、发生原因、条件、危害性和溃决条件进行详细调查。

5.冰川泥石流的调查内容

1)冰雪融水泥石流的调查:调查冰川U形谷的地貌特征,沿谷分布的冰碛物、冰水堆积物的堆积规模、特征和稳定性,冬季、春季雪崩、冰崩的规模和频度,春季冰雪融水的径流量及其时间分布,冰川和积雪的面积,雪线变化等。

2)冰湖溃决泥石流的调查:主要调查冰川舌的进退及可能发生的冰滑坡,冰湖面积、水量与水深,阻湖终碛堤的空间形态和物质特征,冰湖下游的沟谷形态和支沟径流,沿沟的冰碛物和冰水堆积物等。

6.泥石流活动性、险情、灾情调查

1)泥石流特征调查:通过查阅历史资料和现场访问调查泥石流爆发的时间、次数、持续过程、有无阵性、堵溃、断流、龙头高度、流体组成、石块大小、泥痕位置、响声大小等泥石流特征。

2)泥石流引发因素调查:调查发生泥石流前的降雨时间、雨量大小、冰雪崩滑、地震、崩塌滑坡、水渠渗水、冰湖和水库溃决等引发因素。

3)泥石流堆积扇调查:调查泥石流堆积扇的分布、形态、规模、扇面坡度、物质组成、植被、新老扇的组合及与主河(主沟)的关系,堆积扇体的变化,扇上沟道排泄能力及沟道变迁,主河堵溃后上下游的水毁灾害。

4)既有防治工程调查:调查既有泥石流防治工程的类型、规模、结构、使用效果、损毁情况及损毁原因。

5)泥石流危害性调查:①泥石流危害作用方式调查,调查泥石流侵蚀(冲击、冲刷)的部位、方式、范围和强度,泥石流淤埋的部位、规模、范围和速率,泥石流淤堵主沟的原因、部位、断流和溃决情况,泥石流完全堵塞或部分堵塞主河的原因、现状、历史情况及溃决洪水对下游的水毁灾害;②泥石流危害区的划定,确定泥石流危险区的范围,参考表5-5。

表5-5 泥石流活动危险区域划分

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

7.提交泥石流调查报告

泥石流调查报告应包括以下主要内容:

1)泥石流沟判别结果;

2)泥石流特征;

3)泥石流危险区;

4)泥石流危险性分级;

5)场地适宜性评价;

6)泥石流防治方案建议;

7)附图及相关资料。

(二)泥石流活动性、危险性的调查评判

在一般调查的基础上,为对泥石流活动性、危险性进行判别决策,开展进一步调查。根据服务对象,可分为区域性泥石流活动性判别、单沟泥石流活动性判别、泥石流危险性评估和泥石流防治评估决策等四类调查判别。

1.单沟泥石流活动性调查判别

1)调查范围:以泥石流发育的小流域周界为调查单元。主河有可能被堵塞时,应扩大到可能被淹没的范围和主河下游可能受溃坝水流波及的地区。

2)调查的主要内容:应突出以下重点。

·确认诱发泥石流的外动力:诱发泥石流的外动力有暴雨、地震、冰雪融化、堤坝溃决。其中暴雨资料包括气象部门或泥石流监测专用雨量站提供的该沟或紧邻地区的年、日、时和10min最大降雨量和多年平均雨量、前期降雨及前期累计降雨量等。对冰川泥石流地区,应增加日温度、冰雪可融化的体积、冰川移动速度、可能溃决水体的最大流量的调查。

·沟槽输移特性调查:实测或在地形图上量取河沟纵坡、产砂区和流通区沟槽横断面、泥沙沿程补给长度比、各区段运动的巨石最大粒径和巨石平均粒径,现场调查沟谷堵塞程度、两岸残留泥痕。

·地质环境调查:根据资料了解震级和区域地质构造概况、按《泥石流沟及易发程度数量化评分表》(表56)中的要求实地调查核实,并按流域环境动态因数综合分级确定构造影响程度。现场调查流域内的岩性,按软岩、黄土、硬岩、软硬岩互层、风化节理发育的硬岩等5类划分。

·松散物源调查:调查崩塌、滑坡、水土流失(自然的、人为的)等的发育程度,不稳定松散堆积体的处数、体积、所在位置、产状、静储量、动储量、平均厚度、弃渣类型及堆放形式等。

·泥石流活动史调查:调查发生年代、受灾对象、灾害形式、灾害损失、相应雨情、沟口堆积扇活动程度及挤压大河程度,并分析当前所处的泥石流发育阶段(表5-4)。

·防治措施调查:调查防治建筑物的类型、建设年代、工程效果及损毁情况。

表5-6 泥石流沟及易发程度数量化评分表

续表

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

3)单沟泥石流活动强度:按表57判别。

表5-7 泥石流活动强度判别表

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

2.泥石流活动危险性评估

泥石流活动危险性评估在泥石流活动性调查的基础上进行。

(1)泥石流活动危险性评估的核心

泥石流活动危险性评估的核心是通过调查分析确定泥石流活动的危险程度或灾害发生的几率。暴雨泥石流活动危险程度或灾害发生几率的判别式:

危险程度或灾害发生几率(D)=泥石流的致灾能力(F)/受灾体的承(抗)灾能力(E)

D<1,受灾体处于安全工作状态,成灾可能性小;

D>1,受灾体处于危险工作状态,成灾可能性大;

D≈1,受灾体处于灾变的临界工作状态,成灾与否的几率各占50%,要警惕可能成灾。

(2)泥石流的综合致灾能力F

按表58中四因素分级量化总分值判别:

当F=13~16时,泥石流的综合致灾能力很强;

当F=12~10时,泥石流的综合致灾能力强;

当F=9~7时,泥石流的综合致灾能力较强;

当F=6~4时,泥石流的综合致灾能力弱。

表5-8 致灾体的综合致灾能力分级量化

注:“活动强度”按表5-7确定;“活动规模”按表5-2确定;“发生频率”按泥石流爆发频率分类确定。

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

(3)受灾体的综合承灾能力E

按表5-9中四因素分级量化总分值判别:

当E=4~6时,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力很差;

当E=7~9时,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力差;

当E=10~12时,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力较好;

当E=13~16时,受灾体(建筑物)的综合承(抗)灾能力好;

表5-9 受灾体的综合承灾能力分级量化

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

3.泥石流防治评估决策

1)根据综合致灾能力和受灾体的综合承灾能力进行治理紧迫性分析:根据泥石流综合致灾能力的强弱和受灾体的综合承灾能力的好坏进行灾害性泥石流治理紧迫性分析(表5-10)。灾害性泥石流治理紧迫性判别结果,可作为灾害性泥石流治理可行性综合评判的依据之一。

表5-10 泥石流治理紧迫性分析一览表

注:表中“Ⅰ”为治理紧迫;“Ⅱ”为治理较紧迫;“Ⅲ”为以预防为主。

(据《泥石流灾害防治工程勘查规范》)

2)提出勘查方案:根据泥石流综合危害性评价和泥石流治理紧迫性评价,对需要进行治理的灾害性泥石流提出勘查方案。

此外,根据泥石流调查结果,还要按灾害性泥石流的危害性、治理的紧迫性、发生频率、防治的经济合理性、治理难易程度等要素进行模糊综合评判,以确定防治工作方向和阶段。

(三)泥石流调查的主要方法

1.以地面调查为主

不需要动用勘探手段,以地面调查为主,充分利用卫片、航片、地形图、水文气象资料和地方志等宏观资料。

2.调查路线

调查路线先从泥石流堆积扇的水边线开始,沿河沟步行调查到沟缘,再上到分水岭俯览全流域进行宏观了解后返回。

3.对泥石流堆积扇重点调查内容

1)堆积扇形态及发育的完整性:堆积扇的发育状态反映了主沟和支沟输砂能力的相互组合关系,泥石流沟口一般都残留有堆积扇。其与冲洪积扇的区别见表5-3。

2)泥石流堆积扇挤压主河的程度:泥石流堆积扇挤压主河的程度根据主河河形是否发生挤压变形和主流是否受挤偏移岸来判别,并按弯曲和偏移程度定级。

3)堆积扇前沿及扇上巨石粒径与平均粒径测量:用线格法或网格法测量50~100个巨石的三轴尺寸,计算几何平均粒径,作为工程设计与评估该沟泥石流能级的参考。

4)叠置形式:叠瓦式的逆向堆积表明泥石流活动在减弱,前进覆盖式堆积表明泥石流活动在增强。沟口泥石流堆积活跃程度分为四等,即严重、中等、轻微、一般,确认如下:

·严重:沟口大河对岸为非岩石岸壁时,大河河型受堆积扇控制,发生弯曲或堵塞断流,主流明显受堆积扇挤压偏移,扇形地发育,新旧扇叠置,扇面一次冲淤变幅在0.5m以上。

·中等:河型无较大变化,仅主流受迫偏移,有扇形地,新旧叠置不明显,扇面一次冲淤变幅在0.2~0.5m范围内。

·轻微:河型无变化,大河主流在高水位时无偏移,在低水位时有偏移,扇形地时有时无,无叠置现象,扇面一次冲淤变幅<0.5m。

·一般:河型无变化,主流不偏,无沟口扇形地。

4.泥石流形成区调查

主要调查不良地质体的发育状况、松散物源的规模、性质、分布、产状、稳定性、补给长度、植被覆盖率、河沟冲淤变幅、堵塞情况等。

1)泥沙沿程补给长度是决定泥石流形成规模和运动的重要条件,泥沙沿程补给长度比是一个综合反映泥沙补给范围和补给量的重要参数,按下式计算:

泥沙沿程补给长度比(%)=泥沙沿程补给长度/主沟长度

2)泥沙沿程补给长度是沿主沟长度范围内两岸及沟槽底部泥沙补给段(如崩塌、滑坡、沟蚀等)的累计长度,在同一河段内同时存在几个不同补给源时,只取其中最长的一段长度计入累计长度。

3)泥沙沿程补给长度比主要按现场调查结果计算确定,也可根据航片资料确定。

5.流通区调查

重点调查河沟的纵、横剖面形态的几何尺寸,河床坡度、糙率,河沟两岸山坡坡度、稳定性等。泥石流流通区和形成区的弯道变形与洪水河道的弯道变形形态相反,是凹岸淤积、凸岸冲刷。

3、滑坡灾害评价是什么?

对于某个地区而言,有许多不同手段可以用来进行滑坡危险性评价,但是,在进行最后阶段的精确评价时,即使有时很难找到滑坡专家,建议也一定向滑坡专家咨询。在这里,主要讨论两类滑坡危险性评价方法:直接观测法和使用技术工具法。

●本地专家和(或)市政官员及土地所有者(使用者)的现场调查

以下的简明指南有助于个人对滑坡危险性进行观察和评价。同时必须注意的是同样的特征可能由滑坡以外的因素,如膨胀土等引起。

显示滑坡运动的一些特征在以往曾经是干燥的边坡上或其底部出现泉水、渗水、潮湿的和饱和状态的地面地裂缝——出现在边坡顶部附近雪地、冰、土体或岩体中的裂缝(图2.1);边坡附近的便道被拉离建筑物,房屋基础下面的土移动(图2.2);原先呈直线状的围墙、篱笆等被错开;地面、铺装道路、便道上不自然的隆起或下陷;倾倒的电线杆、树木、挡土墙、篱笆;混凝土地面和基础的过度倾斜或开裂(图2.3);水管或其他地下设施的开裂;溪流水位的快速升降,有时伴随着浊度(水中土的含量)增加;不能自由开启的门窗和门窗与墙之间出现的透缝,表明门窗框发生了变形;房屋或树丛中发出的吱吱嘎嘎的响声;公路或便道上出现的塌陷。

给管理机构的建议:

由管理机构提供有关滑坡发生的记录是一件非常重要的事情,最好以纸质书写的方式,配上照片和(或)图件。对于世界上那些还没有相应的法规或规定必须向房地产主公开滑坡灾害危险性的地区,应该由各级地方组织建立滑坡灾害信息的权威机构。这些机构并不需要很复杂或耗资巨大,只要求它们具有随时更新滑坡灾害信息的功能。虽然有些信息可能在政治上很敏感,譬如土地所有者的权力,但无论如何,以某种方式向公众公开滑坡信息,是极为重要的。

●滑坡灾害评价的技术手段——填图、遥感和观测

理解过去是预测未来的关键(将古论今),是地质学上的一条指导性原则。在评价滑坡危险性方面,这意味着导致了过去和现在的滑坡等破坏现象的地质条件、地貌条件、水文条件,还将会导致将来的滑坡发生。根据这一假设条件,人们可以推测将来可能发生的滑坡的类型、频度、范围以及后果。但是对某一特定地区,过去没有滑坡事件并不能保证将来一定不会发生滑坡。一些人为诱发因素,譬如人为改变自然地形条件或水文条件,可以产生新的或加剧该地区的边坡破坏可能性。

为了预测某地区的滑坡危险性,在可能的条件下,应该首先确定导致边坡失稳的条件和过程,然后估计这些条件对潜在边坡破坏的相对影响力。基于短期和长期的气象条件所作的地质分析有助于得到关于滑坡发生可能性增长的有用结论。现有的技术水平,已经可以在滑坡发生的气象条件或临界值达到时,通过对地表的变形观测,确定最容易发生滑坡的地区,并发布几小时到几天内的相关预警或警报。

地图分析

地图分析常常作为滑坡调查的第一步。必要的地图包括基岩地质和地表地质图、地形图、土壤分布图,最好还有地貌图。使用地质学关于物质和过程的知识,任何受过培训的人都可以从这些地图中得到有关滑坡危险性的一般想法。在本报告末尾的附录B中,包含一些在滑坡分析中用到的不同类型地图的章节。

航空照片解译

航空照片的解译是确定滑坡的一项既快又有价值的技术,因为它能给受过培训的人员提供关于某地区的三维影像。不仅包括人类活动,而且包括地质信息。另外,虽然对某些地区来说航空照片解译非常昂贵,但多种类型航空照片(卫星、红外、雷达等)的存在,使航空照片的解译变得丰富多彩。

野外调查许多微妙的边坡运动信号并不能从地图或照片上进行确定。当某个地区被浓密的森林覆盖或完全被城市化后,即使是那些主要的滑坡特征也会变得不明显。加上对于一个活动性的滑坡来说,滑坡特征还随着时间的变化而变化。因此,野外现场调查,是确认滑坡特征的不可或缺的手段,也是最终评价危险边坡的潜在不稳定性的必要手段。通过现场填图,并结合岩土试验,可以了解那些过去发生过滑坡的地区,由此来推断将来滑坡发生的可能性。通过填图和室内试验,可以确定容易产生滑坡的粘土或其他高危险性土层,并可圈定出它们存在的范围和规模。

钻孔

对大多数滑坡场地而言,都需要利用钻孔来确定滑坡体的物质类型、滑动面的深度,并由此得知滑坡体厚度及几何形状、地下水位,以及滑坡物质的扰动程度。钻孔还能提供测定滑坡年龄,提供得到滑坡体物质力学性质的试验样品。最后,钻孔还被用来安装一些观测仪器并作为水文观测井之用。必须注意,对那些没有发生过但存在滑坡危险性的地区,钻孔也用来提供地层、地质、地下水位的信息,并用来安装观测仪器。

安装仪器

采用如倾斜仪、伸缩计、应变计、孔隙水压力计(见关于这些仪器定义的词汇表)等复杂电子技术,和采用建立木桩控制点等简单技术可以确定滑坡运动机制,对那些即将发生滑动的边坡进行监测和提供警报。

地球物理研究

地球物理探测技术(对岩土的导电性或电阻率的观测,或观测其在人工诱发地震作用下的反应)可以用来确定滑坡体的地下性质,如基岩埋深、地层分层、饱水带,以及地下水位。地球物理探测技术还可以用来确定滑坡体物质的结构、孔隙度、固结程度和单元体的几何形状。在大多数情况下,这种在地表面进行的探测可以用来对钻孔数据进行补充,对钻孔间的地段进行空间上的延伸或内插。在

钻孔无法实

施的情况下,地球物理探测技术还可以作为其替补。沿孔向下的物探方法(核、电、热、震)还可以用来进行详细的钻孔内观测。观测运动中的岩土体的自然声发射也常用于滑坡研究中。

声影像和声断面

湖床、河床和海床的断面可以通过侧面扫描声呐和底部地震断面等声探测技术获取。对控制网格,配以精密的导航系统,可以得到水下的三维地质现象的信息。现代的高解像度技术已经被常规地用于近海大陆架地区绘制近海工程地质灾害图。

计算机辅助滑坡地形分析

近年来,滑坡的计算机模型被用来确定滑坡体的体积,以及地表和断面随时间的变化过程。这些信息在估算滑坡对溪流堵塞危险性、清除滑坡堆积物的费用、滑坡的运动方式和运动机制方面大有用处。一些使用地形数字高程模型(DEM)评价某地区滑坡/泥石流事件易发性的方法正在不断开发。计算机也广泛应用于复杂边坡的稳定性分析中。可以在个人电脑上运行的与此有关的软件也很容易找到。

附件B中有更多的关于不同类型图件的资料和照片。

4、小秦岭金矿区泥石流成因、危险性评价及其防治

邢永强1 郑钊2 赵鸿燕1 曹希强1 张洪波1

(1.河南省国土资源科学研究院,郑州 450016;2.天津大学建筑工程学院,天津 300072)

《中国水土保持》,文章编号:1000-0941-(2008)-07-0043-03

摘要 以小秦岭金矿区内泥石流灾害问题为研究对象划分评价单元、选取评价指标,选用灰色系统理论作为评价方法对矿区内的主要泥石流沟进行了危险性评价,结果表明:大西峪、文峪西峪、枣香峪、大湖峪西峪、苍珠峪、杨砦峪属于泥石流高发区,小湖峪、白花峪、枪马峪、朱家峪属于泥石流中发区,剩余的泥石流沟为泥石流低发区。针对泥石流危害现状,提出了防治建议。

关键词 泥石流 灰色系统 危险性综合评价 小秦岭金矿区

小秦岭地区位于秦岭东段,是我国主要的黄金产地之一,也是地质环境破坏较为严重的地区之一。自20世纪80年代以来,小秦岭地区开展了大规模的采矿活动,在当地留下了大量的废弃矿渣和尾矿,至2001年,累计堆存废渣1 444.41万t、尾矿1 851.4万t。采矿不仅使山(岩)体受到破坏,增加了不稳定隐患,而且产生的大量废渣就近散乱地堆放在坑口的沟谷及斜坡地带,使原本就狭窄的排水沟道被挤占,影响了该地区的自然排洪,同时又为泥石流灾害的形成带来了重大的隐患(河南省国土资源科学研究院等,2004)。目前,该地区已发生多起泥石流灾害,如:1994年7月11日大西峪发生泥石流,造成52人死亡,矿区全部停产,经济损失巨大;1996年8月大西峪、文峪发生泥石流,冲毁矿区公路13km、通讯线路3km,房屋、设备多有损坏,直接经济损失达690万元,间接经济损失达663万元。

1 泥石流成因分析

泥石流是山区特有的一种突发性的自然灾害,常发生在山区小流域内,是一种饱含大量泥沙石块和巨砾的固液两相流体,呈黏性层流或稀性紊流等运动状态。一般来讲,泥石流受地质、地貌、水文、气象、土壤、植被等自然因素和人为因素的综合影响,是山区地质环境和生态环境恶化的产物(成都山地灾害与环境研究所,2000)。

(1)地形地貌条件。小秦岭地区山脊高程多在1 000m以上,谷峰高差多在500m以上,沟壑平均密度为3km/km2,沟坡坡度多大于25°,整体地形具有南北低中间高、西高东低的特征,沟谷深切,呈V字形,具有谷窄坡陡的地形险要特点,极有利于降雨径流的迅速汇集,这就为泥石流的发生提供了有利的地形条件(河南省国土资源科学研究院,2006)。

(2)气象与水文条件。小秦岭地区地处暖温带半干旱大陆性季风气候区,年均降水量645.8mm,降水多集中在7~9月,占全年降水量的50.8%,且多为暴雨,最大24 h降雨量194.9mm,1 h最大降雨量93.2mm,10min最大降雨量26.2mm(1960年7月22日)。由于小秦岭地区山势陡峻、岩石裸露,对雨水的入渗、截流、调节少,地表径流强度大,因此极易引发山洪、泥石流等地质灾害。

(3)岩土体条件与人类活动的影响。小秦岭地区岩土体工程地质条件相对简单,以松散的碎石土和坚硬—较坚硬的变质岩两大岩类为主,区内采矿活动强烈,加上对废弃矿渣没有采取任何防护措施,而是将其随意堆放在山谷、洼地内,这就为泥石流的形成提供了重要的固体物质来源,是使区内易发生泥石流灾害的主要原因之一(张天义等,2003)。松散的碎石土主要由废弃矿渣、洪积卵砾石组成,废矿渣天然休止角多为28°~35°。由于矿区地形险要,大量的采矿口和采矿设备布设在沟底,采矿工人也居住在沟底,沟底不仅是人类采矿活动的主要场所、矿渣堆放的场地,同时又是洪水下泄的通道(邢永强等,2006),因此在洪水作用下,这些散乱堆放的废矿渣就极易形成泥石流,直接威胁到采矿工人的生命安全和采矿企业的财产与生产安全。

2 泥石流危险性评价

2.1 评价方法综述

我国对泥石流危险性评价的研究目前已取得了一定的进展,最早的相关研究见于1986年谭炳炎的泥石流严重程度的综合评判(谭炳炎等,1991),其研究主要是从定性角度对泥石流的危险性作出判别,之后由其完成的泥石流沟的判别方法和数量化综合评判成果在铁路部门得到推广和应用(谭炳炎等,1991)。此后,随着各种数学理论的成熟,许多研究者开始注重运用不确定性数学方法来解决泥石流危险性评价问题,一批研究成果先后涌现出来,其中最具代表性的是模糊数学、灰色系统理论等理论方法的应用(谢又予等,1991;苏经宇等,1993),从而使泥石流危险性评价研究有了新的进展并逐渐趋于成熟。

2.2 评价方法选择

本研究采用灰色系统理论(邓聚龙,1987)中的灰色关联分析法来评价小秦岭金矿区主要泥石流沟的危险程度。

3 灰色系统理论评价方法

3.1 灰色系统理论评价的优点

灰色关联分析法是一种复杂系统的综合评价方法,它是依据监测资料与评价标准序列间的几何相似性与关联度,来度量监测资料中多个序列相对于某一级别质量序列的关联性,其特点是:①评价的对象可以是一个多层结构的动态系统;②评价标准的级别可以用连续函数表达,也可以采用在标准区间内做更细致的分级;③方法简单、可操作性强,易与现行的其他方法对比。目前,该方法在泥石流沟危险性评价方面尚无应用实例。

3.2 灰色系统理论的评价过程

3.2.1 进行无量纲化处理

实际问题中的不同因子往往具有不同的量纲,而在比较时要求量纲相同,因此首先需对各种数据进行无量纲化处理。假定一个因子的序列为xi,有多种方法可对变量进行无量纲化处理,其中常用的方法是对序列的原始数据做初值变换,即

环境·生态·水文·岩土:理论探讨与应用实践

3.2.2 求参考序列与比较序列的绝对差

设参考序列和比较序列分别为Xi和Xj,在k点,两个因子之差的绝对值Δij(k)为

Δij(k)=xi(k)-xj(k)(k=0,1,…,n)

3.2.3 计算两个因子的最大和最小绝对差

两个因子的最大和最小绝对差的计算式为

环境·生态·水文·岩土:理论探讨与应用实践

其中

环境·生态·水文·岩土:理论探讨与应用实践

3.2.4 计算关联系数

定义序列Xj(k)与Xi(k)在k点的关联系数为

环境·生态·水文·岩土:理论探讨与应用实践

式中:ξ为分辨系数,其取值只影响关联度系数的大小,并不影响关联序列,一般取值为0.5。

3.2.5 关联度计算

关联系数只表示各时刻数据间的关联程度,由于它过于分散不便于比较,因此用其平均值来表示比较序列Xj对参考序列Xi的关联度,即

环境·生态·水文·岩土:理论探讨与应用实践

4 小秦岭金矿区泥石流沟危险性综合评价

2006年9月,我们对小秦岭金矿区的泥石流发育情况进行了调查。本研究主要选择研究区内的大西峪、文峪西峪、枣香峪、大湖峪西峪、小湖峪、苍珠峪、白花峪、枪马峪、杨砦峪、朱家峪10条受人类活动影响强烈的泥石流沟来开展评价工作。

4.1 评价因子选择及评价标准确定

矿山泥石流灾害危险性评价指标的选择,依赖于泥石流灾害形成与发展的基本条件和可能发生控制与诱发的因素。根据上文对小秦岭金矿区泥石流灾害的成因分析,选取地面坡度、泥石流沟汇水面积、矿渣堆积量、年降水量、有无工程保护措施5个因子构建评价指标体系。

对于所选取的评价因子,将泥石流危险性评价划分为高发区、中发区、低发区3个级别,各级别的分级标准值如表1所示。

表1 泥石流沟危险性评价因子分级标准

根据表1各评价因子分级标准,通过无量纲化处理后,构建灰色关联分析方法的参考序列Xi。对于定性指标如有无工程保护措施,则直接采用0~0.3(差)、0.3~0.7(中)、0.7~1.0(较好)作为分级标准。

4.2 泥石流危险性评价结果及分析

根据选取的各评价因子,通过实地调查、遥感影像查询等收集待评价泥石流沟的数据资料,将评价因子的实测数据进行无量纲化处理后,构成灰色关联分析方法的比较序列Xj,再分别计算出比较序列Xj与参考序列Xi的关联度,由此评价各泥石流沟的危险性级别。本研究采用VB语言编制相应的计算程序,结合各泥石流评价指标的量值开展泥石流沟危险性评价,其评价结果如表2所示。

表2 泥石流沟危险性评价结果

由表2可知,在评价的10条泥石流沟中,大西峪、文峪西峪、枣香峪、大湖峪西峪、苍珠峪、杨砦峪属于泥石流高发区,小湖峪、白花峪、枪马峪、朱家峪属于泥石流中发区。本研究虽未对矿区所有泥石流沟都进行危险性评价,但根据相关资料和实际调查结果,可把矿区内剩余的泥石流沟都定为泥石流低发区。根据对小秦岭金矿区的实地调查以及河南省国土资源科学研究院已开展的相关研究工作,可知本评价结果基本符合当地的实际情况,能够较准确地反映出小秦岭金矿区的泥石流灾害发育情况。

5 泥石流防治建议

泥石流的防治包括预防和治理两个方面,其中用工程措施防治见效快,其技术也较为成熟,实践中许多工程措施在防治中都发挥了重要的作用。结合小秦岭金矿区的实际情况,对泥石流灾害采取预防为主,辅以重度危险区治理的原则。

(1)在小秦岭金矿区开展泥石流的监测和预警预报工作。在泥石流高发区建立泥石流监测站,在中发区设泥石流监测点,利用RS,GPS,GIS和CS(卫星通讯)技术,结合当地气象、水文等实时动态信息,借鉴国内外泥石流预警预报技术,构建小秦岭金矿区地质灾害监测网络预警体系。

(2)在泥石流危险性分区的基础上,对危险区内的故县镇、阳平镇、朱阳镇等村庄住宅和重要设施进行规划,规划中要将泥石流防治纳入山区建设总体规划中,以最大限度地减少因城镇、工矿、交通等建设项目布局失当而造成不必要的灾害损失。

(3)搞好枣香峪、大湖峪西峪、小湖峪、白花峪、枪马峪、杨砦峪、朱家峪等泥石流沟的水土保持,建立起完善的流域水土流失的综合防治体系,最大限度地降低泥石流暴发几率。

(4)雨季派专人巡视,若发现沟床中正常流水突然断流或洪水突然增大并夹有较多的柴草、树木,沟谷深处变得昏暗并伴有轰鸣声或轻微的振动感,则说明沟谷上游已发生泥石流,此时应迅速发出警报并组织群众撤离危险地段。

(5)加强泥石流防治知识的普及,强化广大干部群众的防灾意识,建设良好的生态环境,提高山区综合防灾减灾能力。

参考文献

成都山地灾害与环境研究所.2000.中国泥石流.北京:商务印书馆.

邓聚龙.1987.灰色系统理论.武汉:华中理工大学出版社.

河南省国土资源科学研究院.2004.灵宝市地质灾害防治规划.郑州:河南省国土资源科学研究院.

河南省国土资源科学研究院.2006.灵宝市小秦岭金矿区矿山地质环境及采矿诱发地质灾害勘查设计书.郑州:河南省国土资源科学研究院.

苏经宇,周锡文,樊水荣.1993.泥石流危险等级评价的模糊数学方法.自然灾害学报,2(2):83~90.

谭炳炎.1986.泥石流沟严重程度的数量化综合评判.水土保持通报,6(1):51~57.

谭炳炎,靳番,荆绍华.1991.泥石流沟的判别方法和数量化综合评判.泥石流防治理论和实践.西安:西安交通大学出版社.45~71.

谢又予,伍永秋.1991.北京密云县泥石流危险区及沟谷危险度的初步研究.首都圈自然灾害与减灾对策.北京:气象出版社.166~170.

邢永强,章煜.2006.河南省灵宝市地质灾害特征、分布情况与防治对策.河南理工大学学报(自然科学版),25(5):372~376.

张天义,张兴辽,张克伟.2003.国土资源综合调查与评价.北京:地质出版社.

Causes Analysis and Risk Comprehensive and Countermeasure Evaluation of Xiaoqinling Hill Goldfield Debris Flow

Xing Yong-qiang1 Zheng Zhao2 Zhao Hong-yan1 Cao Xi-qiang1 Zhang Hong-bo1

(1.Henan Land and Resources Research Institute,Zhengzhou 450016;2.College of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072)

Abstract:Debris flow in Xiaoqin hill gold mining area was focused on and gray system theory was employed to evaluate according to selected index through evaluation elements.Finally a risk analysis on debris flow channel inside the mining area was made,which shows that Daxi valley,Wenxi valley,Zaoxiang valley,Dahu valley,Cangzhu valley,Yangzhai valley are high risk areas and Xiaohu valley,Baihua valley,Qiangma valley,Zhujia valley are mid-risk areas.

Key words:debris flow;gray system theory;risk comprehensive evaluation;Xiaoqinling hill gold field

5、滑坡灾害评价

对于某个地区而言,有许多不同手段可以用来进行滑坡危险性评价,但是,在进行最后阶段的精确评价时,即使有时很难找到滑坡专家,建议也一定向滑坡专家咨询。在这里,主要讨论两类滑坡危险性评价方法:直接观测法和使用技术工具法。

●本地专家和(或)市政官员及土地所有者(使用者)的现场调查

以下的简明指南有助于个人对滑坡危险性进行观察和评价。同时必须注意的是同样的特征可能由滑坡以外的因素,如膨胀土等引起。

显示滑坡运动的一些特征

在以往曾经是干燥的边坡上或其底部出现泉水、渗水、潮湿的和饱和状态的地面

地裂缝——出现在边坡顶部附近雪地、冰、土体或岩体中的裂缝(图2.1);

边坡附近的便道被拉离建筑物,房屋基础下面的土移动(图2.2);

原先呈直线状的围墙、篱笆等被错开;

地面、铺装道路、便道上不自然的隆起或下陷;

倾倒的电线杆、树木、挡土墙、篱笆;

混凝土地面和基础的过度倾斜或开裂(图2.3);

水管或其他地下设施的开裂;

溪流水位的快速升降,有时伴随着浊度(水中土的含量)增加;

不能自由开启的门窗和门窗与墙之间出现的透缝,表明门窗框发生了变形;

房屋或树丛中发出的吱吱嘎嘎的响声;

公路或便道上出现的塌陷。

给管理机构的建议:

由管理机构提供有关滑坡发生的记录是一件非常重要的事情,最好以纸质书写的方式,配上照片和(或)图件。对于世界上那些还没有相应的法规或规定必须向房地产主公开滑坡灾害危险性的地区,应该由各级地方组织建立滑坡灾害信息的权威机构。这些机构并不需要很复杂或耗资巨大,只要求它们具有随时更新滑坡灾害信息的功能。虽然有些信息可能在政治上很敏感,譬如土地所有者的权力,但无论如何,以某种方式向公众公开滑坡信息,是极为重要的。

图2.1 地面裂缝(Ground cracks)(照片版权:犹他州地质调查局)

图2.2 便道被从房屋处拉开(Sidewalk pulling away from house)(照片版权:犹他州地质调查局)

图2.3 建筑物基础上的裂缝()(照片版权:犹他州地质调查局)

●滑坡灾害评价的技术手段——填图、遥感和观测

理解过去是预测未来的关键(将古论今),是地质学上的一条指导性原则。在评价滑坡危险性方面,这意味着导致了过去和现在的滑坡等破坏现象的地质条件、地貌条件、水文条件,还将会导致将来的滑坡发生。根据这一假设条件,人们可以推测将来可能发生的滑坡的类型、频度、范围以及后果。但是对某一特定地区,过去没有滑坡事件并不能保证将来一定不会发生滑坡。一些人为诱发因素,譬如人为改变自然地形条件或水文条件,可以产生新的或加剧该地区的边坡破坏可能性。

为了预测某地区的滑坡危险性,在可能的条件下,应该首先确定导致边坡失稳的条件和过程,然后估计这些条件对潜在边坡破坏的相对影响力。基于短期和长期的气象条件所作的地质分析有助于得到关于滑坡发生可能性增长的有用结论。现有的技术水平,已经可以在滑坡发生的气象条件或临界值达到时,通过对地表的变形观测,确定最容易发生滑坡的地区,并发布几小时到几天内的相关预警或警报。

地图分析

地图分析常常作为滑坡调查的第一步。必要的地图包括基岩地质和地表地质图、地形图、土壤分布图,最好还有地貌图。使用地质学关于物质和过程的知识,任何受过培训的人都可以从这些地图中得到有关滑坡危险性的一般想法。在本报告末尾的附录B中,包含一些在滑坡分析中用到的不同类型地图的章节。

航空照片解译

航空照片的解译是确定滑坡的一项既快又有价值的技术,因为它能给受过培训的人员提供关于某地区的三维影像。不仅包括人类活动,而且包括地质信息。另外,虽然对某些地区来说航空照片解译非常昂贵,但多种类型航空照片(卫星、红外、雷达等)的存在,使航空照片的解译变得丰富多彩。

野外调查

许多微妙的边坡运动信号并不能从地图或照片上进行确定。当某个地区被浓密的森林覆盖或完全被城市化后,即使是那些主要的滑坡特征也会变得不明显。加上对于一个活动性的滑坡来说,滑坡特征还随着时间的变化而变化。因此,野外现场调查,是确认滑坡特征的不可或缺的手段,也是最终评价危险边坡的潜在不稳定性的必要手段。通过现场填图,并结合岩土试验,可以了解那些过去发生过滑坡的地区,由此来推断将来滑坡发生的可能性。通过填图和室内试验,可以确定容易产生滑坡的粘土或其他高危险性土层,并可圈定出它们存在的范围和规模。

钻孔

对大多数滑坡场地而言,都需要利用钻孔来确定滑坡体的物质类型、滑动面的深度,并由此得知滑坡体厚度及几何形状、地下水位,以及滑坡物质的扰动程度。钻孔还能提供测定滑坡年龄,提供得到滑坡体物质力学性质的试验样品。最后,钻孔还被用来安装一些观测仪器并作为水文观测井之用。必须注意,对那些没有发生过但存在滑坡危险性的地区,钻孔也用来提供地层、地质、地下水位的信息,并用来安装观测仪器。

安装仪器

采用如倾斜仪、伸缩计、应变计、孔隙水压力计(见关于这些仪器定义的词汇表)等复杂电子技术,和采用建立木桩控制点等简单技术可以确定滑坡运动机制,对那些即将发生滑动的边坡进行监测和提供警报。

地球物理研究

地球物理探测技术(对岩土的导电性或电阻率的观测,或观测其在人工诱发地震作用下的反应)可以用来确定滑坡体的地下性质,如基岩埋深、地层分层、饱水带,以及地下水位。地球物理探测技术还可以用来确定滑坡体物质的结构、孔隙度、固结程度和单元体的几何形状。在大多数情况下,这种在地表面进行的探测可以用来对钻孔数据进行补充,对钻孔间的地段进行空间上的延伸或内插。在钻孔无法实施的情况下,地球物理探测技术还可以作为其替补。沿孔向下的物探方法(核、电、热、震)还可以用来进行详细的钻孔内观测。观测运动中的岩土体的自然声发射也常用于滑坡研究中。

声影像和声断面

湖床、河床和海床的断面可以通过侧面扫描声呐和底部地震断面等声探测技术获取。对控制网格,配以精密的导航系统,可以得到水下的三维地质现象的信息。现代的高解像度技术已经被常规地用于近海大陆架地区绘制近海工程地质灾害图。

计算机辅助滑坡地形分析

近年来,滑坡的计算机模型被用来确定滑坡体的体积,以及地表和断面随时间的变化过程。这些信息在估算滑坡对溪流堵塞危险性、清除滑坡堆积物的费用、滑坡的运动方式和运动机制方面大有用处。一些使用地形数字高程模型(DEM)评价某地区滑坡/泥石流事件易发性的方法正在不断开发。计算机也广泛应用于复杂边坡的稳定性分析中。可以在个人电脑上运行的与此有关的软件也很容易找到。

附件B中有更多的关于不同类型图件的资料和照片。

6、泥石流灾害风险经济学评价

本节以天水市罗峪沟泥石流的地质环境风险评价为例。天水市位于甘肃省东南部,地处陕、甘、川三省交界,东临陕西省宝鸡市,西、北、南分别与甘肃省定西市、平凉市和陇南地区相接。东经104°35'~106°44'、北纬34°05'~35°10'之间,市区平均海拔高度为1100m。全市横跨长江、黄河两大流域。总人口328万人。境内四季分明,气候宜人,物产丰富,素有西北“小江南”之美称。

一、评价区概况

(1)地理位置:罗峪沟流域地处秦城区北部,位于东经105°30'~105°45',北纬34°34'~34°40'之间,是渭河支流———藉河的一级支沟,流域总面积为71.37km2,涉及秦城区的峪泉、中梁及北道区的凤凰、渭南、南河川5个乡,43个行政村。

罗峪沟流域位于陇中黄土丘陵沟壑区的傍山区与深谷区的过渡地带。北以北山与渭河干流相隔,南隔中梁山与藉河平行,沟脑发源于凤凰山南麓,由西向东流,在天水市区东侧汇入藉河。

(2)地层发育情况:罗峪沟流域在地质构造分区上属陇西构造盆地的东南缘,位于西秦岭地槽的北侧。区内出露的地层从老到新主要有:前寒武系(An)牛头河群、新生界古、新近系(E、N)和第四系(Q)。区内第四系分布较广,按其成因主要有河流相堆积物、泥石流堆积物、滑坡堆积物和风成黄土等。古、新近系中新近系(N)主要分布于工作区中北部,超覆不整合在古近系及其他地层之上,为一套内陆盆地河湖相堆积的红色泥岩夹砂砾岩及灰白、灰绿色粘土岩等,总厚度大于1000m。古近系(E)分布于丘陵区,系一套内陆河湖相沉积,岩性为紫红色砾岩、砂岩、砂砾岩夹砂质泥岩,含少量钙质结核,泥钙质胶结,具清晰的水平层理,总厚度455.9m。前寒武系(An)牛头河群主要分布在关子镇一带,岩性为片岩、片麻岩夹大理岩。

(3)构造、新构造运动:工作区地处祁吕贺兰山字型构造体系前弧西翼与秦岭纬向构造体系的复合部位,同时受到陇西旋卷构造体系和西秦岭北东向构造带的影响,使得该区构造非常复杂,断裂、褶皱十分发育。区内一系列NWW向和NE向的褶皱和断裂,控制着滑坡、崩塌、泥石流的发育与分布。

晚近时期以来,由于地球内应力的不平衡,使一些构造体系具继承性活动的特点,总的特点是以大面积不均匀间歇性升降为主。第四纪以来,新构造运动强烈,区内河谷多形成深切峡谷,并堆积形成了多级阶地。

(4)气候条件:该流域地处暖温带半湿润半干旱气候的过渡地带,由于地形差异大,气候垂直变化显著,年均气温10.7℃,极端最低气温-19.2℃(1955年),极端最高气温40℃(2001年),≥10℃活动积温3360℃,无霜期184d左右,年日照时数2032.1h,年平均蒸发量1293.3mm,平均风速1.3m/s,年最大风速21m/s(1971年4月27日)。多年平均降水量为531.1mm,气象要素如图9-5-1所示。其中7,8,9三个月的降水量约占年降水量的50%以上,年最大降水量772.2mm(1967年),年最小降水量仅为330.1mm(1996年),年际降水量相差悬殊。24h最大降水量100mm(1965年),30min最大降水量30mm(1949年),10min最大降水量20.3mm(1957年),实测降雨强度见表9-5-1。

图9-5-1 甘肃省天水站气象要素图

表9-5-1 实测降雨强度表

(5)土地利用现状:根据罗峪沟流域土地详查资料统计,截至2000年底,罗峪沟流域农业用地面积为3353.2hm2,占流域总面积的46.98%,其中坡耕地面积为2439.6hm2,基本农田为913.6hm2。林地面积为1309.4hm2,占流域总面积的18.35%,人工草地155.5hm2,占流域总面积的2.18%。其他用地(居民点、道路等)面积为1319.8hm2,占流域总面积的18.49%,未利用地面积为911.8hm2,占流域总面积的12.78%。水域87.3hm2,占流域总面积的1.22%。

二、风险识别

从该区水文地质、环境地质、气候、水文、人类活动及其影响范围的社会、经济等情况来看,该区存在泥石流发生的可能及造成生命财产等损失的风险。表现如下:

据史料记载:天水市罗峪沟流域在1540年、1642年、1652年、1740年、1866年、1894年、1927年、1933年、1954年、1958年、1961年、1965年、1987年、1988年、1999年均有大水造成重灾。其中有资料记载的1965年、1987年、1988年、1999年的具体情况为:

(1)1965年7月7日10时至18时,罗峪沟流域普降大暴雨,历时8h,中心强度57.3mm/h,降水总量100mm,洪峰流量达668m3/s,超过100a一遇。洪水泥石流翻堤冲入市区,人民路、红旗剧院、市医院一带受灾严重。共造成1556户受灾,死亡278人,毁坏房屋3800间,淹没农田580hm2,毁坏桥梁3座,20多个单位被淹。

(2)1987年4月19日下午16时至20日凌晨,罗峪沟流域普降暴雨,位于暴雨中心何家湾雨量站观测的降雨量达84.1mm。这次暴雨局部强度较大,流域平均降水量30.9mm,洪峰流量443m3/s,接近50a一遇。

(3)1988年8月7日14:00开始普降暴雨,历时共15h40min,降雨量81.5~116.6mm,暴雨中心师家湾降雨量为116.6mm。洪水起涨时间1h20min,落水时间22h40min,洪水总历时24h,洪峰历时所占总历时的比例为8.3%,洪水总量为502.2万m3,实测罗峪沟洪峰流量596m3/s,超过100a一遇。洪水平均含沙量347kg/m3,最大水深3.46m,冲刷深度0.56m。测验河段的右岸冲刷甚为严重,加之洪水来势凶猛,致使中断面处三根水尺及测验台连根冲去,使右岸河床底部呈陡坎形,线务站埋深1.5m的专用电缆线被洪水冲走。

(4)1999年8月17日晚19时40分至21时15分,罗峪沟流域突降大雨,历时1h35min,降雨量84.1mm,罗峪沟河水猛涨,洪峰流量为476.8m3/s,接近50a一遇,中梁、玉泉等乡部分村庄受灾严重,倒塌房屋24间,死亡2人,4个乡镇企业停产,水毁堤防1.2km,直接经济损失334万元。

严重的暴雨、洪水灾害,已给罗峪沟流域沿岸群众和城区居民的生命财产造成巨大损失,是影响城市市区安全的心腹大患。因此,进行罗峪沟流域泥石流的风险性评价具有重要意义。

一般地说,影响罗峪沟泥石流发育的环境因素主要有:

(1)植被覆盖:植被覆盖率的大小与泥石流的发生密切相关。它虽然不是直接产生泥石流的物源因素,但它却直接控制着松散岩石、各种类型的风化物质能否转化成泥石流的物质来源。因为在集水区内由于大量的枯枝落叶供应土壤表面,其产生的腐殖质促进土壤的团粒化,形成粗孔隙有利于降雨入渗,同时在植物的径叶可以附着降雨,减轻了雨滴直接冲击地面力,减缓了土壤侵蚀的能量,减少了泥石流形成的必要条件之一———物质来源。研究表明,植被覆盖率越小,集水区的洪水流量和洪峰时间就会增加,土壤易受侵蚀,加剧水土流失而产生泥石流灾害。

(2)岩石性质及构造:岩石是泥石流发育的重要物质来源。岩石首先是风化侵蚀后,才能成为泥石流发生的物质来源。在自然条件下,结构松散、易于风化侵蚀的岩石,在各种自然营力和地质营力作用下,如地表岩石在阳光、风、电、大气降水、气温变化、构造运动等,会引起岩石矿物成分和化学成分以及结构构造的变化,因为水力侵蚀、重力侵蚀、风力侵蚀、化学侵蚀、冻融侵蚀等各种侵蚀类型的作用下,导致岩石逐渐发生破坏而形成大量的被侵蚀的物质堆积于坡面、坡脚、沟底,成为泥石流发生的丰富的物质来源。研究表明,岩石性质对岩石风化速度的影响是显著的,随着风化的加深,岩石会有从初裂—巨裂—碎化的破坏过程。岩石的完整性即岩石的结构构造对加速岩石的风化影响也很显著,岩石暴露的面积越大、裂隙越发育、岩体的完整性越差,其受各种风化营力的破坏及影响越大,其风化速度将相对越快。

(3)地形地貌:地形地貌条件是对泥石流发育、分布起着控制作用的条件之一。泥石流的形成、分布与地形地貌有一定关系,高山陡坡沟谷发育,在降水和地表径流作用下,地表土壤、岩石风化物被冲刷、剥蚀、侵蚀,易形成崩塌和滑坡堆积于坡面、坡脚或沟底,为泥石流的发生提供了大量的物质来源和水流动力。另外,地形破碎、地面切割强烈,也相应加大了岩石侵蚀的面积,增加了物质来源。所以,地形地貌对泥石流发生的影响主要体现在两个方面:一方面加大了水流的动力;另一方面增加了引发泥石流发生的物质来源。

(4)沟谷发育程度及沟底纵降比:通常,主沟的泥石流物质是由众多小支沟提供的。各级支沟越发育,提供的物源就越多,纵降比越大,水流流动速度就越快,能量就越大,破坏力也就越强。当主沟汇集了大量的泥石流物质和来自不同动力的支沟水流动力时,它将沿着主沟一直向沟口运动。

(5)流域面积:泥石流的发生与否取决于流域面积(汇水面积)的大小和物源的多少,主沟、各级支沟只是承担汇集和搬运。流域内水量的多少是泥石流发生的主要条件之一,而集水的多少是由发生泥石流沟的流域面积所决定的,所以可以肯定地说,流域内物源再少,只要有足够的水源,泥石流也会发生。故流域面积的大小对泥石流的发育至关重要。

(6)水文气象:泥石流的产生与降雨的时序、降雨强度关系十分密切,据大量的统计分析研究,泥石流的产生与前期的降雨量关系很大。

(7)人类活动:人类社会的一些活动,如乱开乱挖、开垦、毁林毁草、放牧、不合理的工程活动等,都为泥石流的发生埋下隐患。

三、罗峪沟流域泥石流的危险评估

前面已经叙述过,罗峪沟小流域历史上曾经暴发过很多次的泥石流灾害,使得生活在该地区群众的生命和财产都遭受过巨大的损失,也极大地阻碍了当地的经济发展。在努力创建社会主义新农村建设的大环境下,合理规划土地利用、新农村建设的构筑蓝图,提出合理的、科学的避险策略,减轻或免受泥石流暴发后带来的危害,进行该流域的泥石流风险评价工作尤其重要。

1.野外调查

2006年度项目组成员首先在收集、分析已有资料的基础上,在该小流域进行了1/5万的针对可能引发泥石流灾害的环境地质调查工作,调查的重点主要是目前流域内可能成为泥石流的物质及其来源、土地利用现状、现有的居民分布和经济水平、暴发泥石流后可能的影响范围、各级支沟尤其是主沟的通行情况等。并根据野外调查、已有资料,结合航片对该地区的土地利用图进行了修改。

罗峪沟主沟呈现NW—SE方向,流域地势北高南低、西高东低,大体呈羽毛形状。流域的南部基本上为第四系黄土覆盖,地势总体上比北坡相对平缓,北部地势较陡,且以基岩出露为主,只在坡脚处零星分布一些第四系黄土覆盖在基岩之上。相对较大的支沟较发育,但规模相对较小的次级冲沟非常发育,它们的切割深度并不大,但沟底纵降比大。通过调查认为,罗峪沟流域里的耕地较多,大多存在着不合理的开垦,梯田基本上以顺坡地为主,由于耕地表层松散,一旦洪水暴发,将会为泥石流的发生提供大量的物源(彩图15)。

崩塌主要发生于第四系黄土地层和古、新近系泥岩地层(彩图16),滑塌、小滑坡在该流域的地层中都有发生(彩图17),而且到处可见。另外,在流域的北边,主要是基岩出露处,有很多人工开挖的痕迹(彩图18),规模大小不一,基本上都是沿坡开挖,宽度在10~40m之间,长度在30~100m之间,深度在1~4m之间。开挖后的碎石有的顺坡堆积,有的顺坡滚落坡脚堆积(彩图19),砾石大小也很不均匀(彩图20)。这种人工行为的具体用途尚不清楚,但它破坏了山坡的整体性,从远处看像切割的冲沟,人为加剧了侵蚀作用,同时也为泥石流的发育提供了大量的物源。加大了泥石流的破坏作用,因为开挖后的“槽沟”很陡,同样具有一定的汇水范围,在暴雨的作用下,水动力相对强大,冲刷力大,搬运能力强,在流动过程中,对沟底及两侧的侵蚀力加大,增加了泥石流的破坏力。

2.风险评价方法选择

目前关于泥石流风险评价的方法很多,通过现有资料和相关文献[102、103、110、173、176]的检索,经归类整理后在前面已经叙述。从前面的方法中可以看出,一些评价方法是利用一些新的技术、理论等在泥石流风险评价上的应用,还是处于一种尝试性的阶段,如斯特拉勒面积-高程分析法、流团模型法、投影寻踪方法等;一些方法其理论相对成熟,但在泥石流风险评价上的应用还有待于时间的检验,如神经网络法、数量化评分法与逐步回归综合法、模糊数学法等。因为泥石流为突发性的地质灾害,存在着很多的不确定性,虽然泥石流发生的机理认识比较成熟,其发生的特征及影响因素的认识也很清楚,但很多影响因素难以量化,所以对定量评价带来许多障碍。

本次泥石流的风险评价方法是引用刘希林等的单沟泥石流综合评价方法,即MFCAM模型[103]。该模型是刘希林等经过几十年的研究,在经过多次修改后建立的相对成熟的模型。该模型对与泥石流的风险评价分为危险度评价和易损度,该评价模型的建立经历了如下的过程:

最早的危险度评价共有8个评价因子:一次泥石流冲出物最大方量、泥石流发生的频率、流域内松散固体物质储量、泥石流最大漂砾粒径、泥石流最大密度、流域内最大12h暴雨、流域相对高差和流域面积。

20世纪90年代初,在最早的基础上,对单沟泥石流的风险评价中危险度的评价因子选取了12个:一次泥石流冲出物最大方量、泥石流发生的频率、流域面积、主沟长度、流域相对高差、山区平均坡度、流域切割面积、主沟弯曲系数、泥沙补给段长度比、24h最大降雨量、年平均降雨量、人口密度。

20世纪90年代,对单沟泥石流危险度的评价选取了10个因子,它们是:一次泥石流冲出物最大方量、泥石流发生的频率、流域面积、主沟长度、流域相对高差、流域切割面积、主沟弯曲系数、泥沙补给段长度比、24h最大降雨量、人口密度。

最新的单沟泥石流风险评价中危险度的评价选取了7个评价因子:泥石流规模(M)、发生频率(F)、流域面积(S1)、主沟长度(S2)、流域相对高差(S3)、流域切割密度(S6)、不稳定沟床比例(S9)。其中前两项为主要内在因子,其余为次要因子。次要因子选取的方法是:从与单沟泥石流危险度有关的14个候选因子中,采用双系列关联度分析方法,分别将14个候选因子与泥石流规模和发生频率进行关联度分析,再根据每个候选因子与泥石流规模和发生的频率得出的两个关联度的平均值来确定是否与主要因子关系密切,从而决定其取舍。最新的单沟泥石流危险度的计算公式如下(刘希林,2002):

城市地质环境风险经济学评价

式(9-5-1)中,M、F、S1、S2、S3、S6、S9分别为m、f、s1、s2、s3、s6、s9的转换值(表9-5-2)。

表9-5-2 单沟泥石流危险度评价因子的转换函数[102、103]

虽然,准确地、定量化地分析和计算泥石流的危险度,即泥石流发生的概率并不是一件容易的事情。本次之所以应用该评价模型是因为该单沟泥石流危险度评价的基本原理和技术方法已初步成型,是研究者经过几十年的不断探索、分析研究的结果,并在实践应用中逐步得到完善和改进。这并不是偶尔为之的探索性工作。

3.罗峪沟流域土地利用的地质环境危险评价

很显然,该小流域存在的最大风险就是泥石流的发生,所以风险类型就是泥石流发生后,对其影响范围内可能带来的损失。

根据前述的城市土地利用的地质环境风险评价定义,风险评价=发生的概率与可能造成损失的乘积,利用MFCAM模型分别进行分析、计算。

危险度计算如下:

根据危险度的计算模型,首先需要知道m、f、s1、s2、s3、s6、s97个评价因子的实际计算值,然后对各因子根据表9-5-2进行转换,得出转换值。

A.泥石流规模(m)

罗峪沟流域泥石流的主要物质来源是:坡积黄土(其成分为粉沙—壤质黄土,并夹有各种碎屑物质,与原生黄土性质十分相似,它主要分布在梁坡下部较平缓的部位)、沟坡坡积和重力堆积(包括滑坡与崩塌)、山麓坡积—洪积层(多为角砾、巨石与粗砂)、崩积物、洪积物、冲积物、地表风化物和耕植层土壤等。根据该地区计算泥石流规模的经验公式:

城市地质环境风险经济学评价

式(9-5-2)中,m为泥石流规模;K为系数,取0.1~0.5;H为一小时最大降雨量,mm;α为系数取0.73;"为参数,φ意义如下:φ=(γc-10)/(γH-γc)。其中,γc为泥石流重度,kN/m3;γH为泥沙颗粒重度,取26.5kN/m3。

这里K取0.3,"经计算为0.513,H为40.6mm(实测资料),F为71.37km2,计算出m:

m=1000×0.3×40.6×10-3×0.73×71.37×106×0.513=325539138(m3)

B.泥石流发生的频率(f)

发生的频率可以根据某一历史时期泥石流发生的次数而估计出一个泥石流发生的平均间歇期,从而得出泥石流发生的频率。通常用“次/a”或“次/100a”表示。根据有资料记载的该流域从1965~1999年的34a内,共发生泥石流灾害(危害程度不同)共4次,据此计算f为:11.8次/100a。

C.s1、s2、s3、s6、s9这些参数的都是从已有的资料、地形图或航片中获取,结果如下:

s1为71.37km2;s2为19.8km;s3为705.6m;s6为5.43km/km2;s9为11.42%。

根据表9-5-2的转换函数,对实际值进行转换,得到几个评价因子的转换值(表9-5-3)。

表9-5-3 危险度评价因子的实际值及转换值[102、103]

H=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+0.06S3+0.11S6+0.03S9=0.80即罗峪沟在100a尺度内发生泥石流的概率是0.8。

四、泥石流灾害的经济损失评价

若发生泥石流灾害,将使其发生区和影响区造成重大人员伤亡、破坏建筑物、毁坏公路等,具体评估过程如第六章第四节。评价结果见表9-5-4。

五、泥石流风险评估结果

天水市罗峪沟流域风险评估计算其发生的风险概率为0.8,处于易发阶段。需采取治理防护措施,减少灾害发生。根据资料及调查计算结果,罗峪沟泥石流灾害预测产生的经济损失见表9-5-4。

表9-5-4 预测泥石流灾害经济损失

由此可见,罗峪沟泥石流灾害发生的可能性很大,一旦灾害发生将影响到60.47km2土地范围,造成大量的人员伤亡,带来建筑、交通、农业以及工业等方面的巨大损失,后果将会非常严重,总计损失达2124371万元。

六、风险控制与管理

罗峪沟泥石流主要有泥流和泥石流两种类型,发生的概率为0.8,存在很大危险,灾害一旦发生将会造成2124371万元的经济损失。因此,需要采取相应措施防治泥石流灾害。主要有:

1.水土保持措施

减少泥石流沟的土壤侵蚀,防止水土流失,才能有效地避免灾害的发生。因此,需要因地制宜修建梯田,退耕还草,发展林果园,扩大草地面积,加大植被覆盖率,在沟底种植刺槐、杨树为主的沟底防护林。

2.谷坊建设

谷坊工程是治理沟道,防治泥石流的重要措施之一,在冲沟中选择V形沟道布设谷坊,减少水土流失。

3.淤地坝

通过对罗峪沟流域的实地勘察,分析论证,由于该区域受特定的地理位置、地形及地面组成物质诸因素的限制,淤地效益较低,淤地坝主要作用是拦洪淤泥,应选择在中上游各支沟中,规划淤地坝。

4.拦挡工程

罗峪沟泥石流对下游的沟口范围内的工程建筑等造成巨大威胁,因此,要修建拦挡工程。拦挡工程是用以控制组成泥石流的固体物质和雨洪径流,削弱泥石流的流量、下泄总量和能量,减少泥石流对下游经济建设工程冲刷、撞击和淤积等危害的工程设施。最常见的有拦碴坝与急流槽相结合的拦排工程。

5.排洪渠

该流域内烟铺、刘家庄、赵家河、李家园子、何家庙5村位于泥石流支沟沟口,受泥石流威胁严重,应采取措施在这五个村落修建排洪渠。

6.加强监控管理

定时对罗峪沟流域可能发生泥石流的方位进行勘查,尤其每年雨季要加强泥石流的监控,及时报告其发展趋势,以便灾害发生时及时疏散人群,减少损失。

7.加强灾害宣传教育

要提高泥石流影响范围内的群众的灾害意识,进行灾害科普教育,使人们了解灾害发生的各种变化征兆,为有效地避开灾害打下基础。

罗峪沟流域泥石流的防护措施以巩固沟床、稳定沟坡、减轻沟蚀为目标,对威胁村庄的重要隐患处进行排洪或拦坝处理,尽最大限度减少灾害发生的可能性及经济损失。

7、泥石流造成的经济损失评估

一、泥石流及易损性定义

泥石流是介于流水与滑坡之间的一种地质作用。典型的泥石流由悬浮着粗大固体碎屑物并富含粉砂及粘土的黏稠泥浆组成。在适当的地形条件下,大量的水体浸透山坡或沟床中的固体堆积物质,使其稳定性降低,饱含水分的固体堆积物质在自身重力作用下发生运动,就形成了泥石流。泥石流是一种灾害性的地质现象。泥石流经常突然爆发,来势凶猛,可携带巨大的石块,并以高速前进,具有强大的能量,因而破坏性极大。泥石流所到之处,一切尽被摧毁。

易损性(Vulnerability)的定义,1992年联合国公布为“潜在损害现象可能造成的损失程度”,刘希林等人定义为“在给定地区和给定时段内,由于潜在自然灾害而可能导致的潜在总损失”。

二、罗峪沟泥石流经济损失评价指标体系[102、103]

泥石流造成的经济损失构成很多,如建筑资产、室内财产、土地价值、人口、工农业生产、地下管道、输电线和交通等,关键是如何选择那些既能代表损失的主要内容,又能反映区域特征的因子,并且使它们易于定量化,从而达到科学性、合理性和可操作性的目的。

在具体计算中,将经济损失分为三类进行计算:

1.人员社会经济损失指标

人员损失主要是指因灾死亡损失和因灾伤害损失及其产生的间接损失(如人员精神损失或心理伤害),而这些损失受社会结构(规模、密度、年龄、教育和财富)的影响。国际地质科学联合会(IU2GS)提出了将人的易损性表达为自然灾害对某一人群生命造成影响的概率。由于罗峪沟泥石流影响范围较大,可按面(区域)评价进行计算。

因此,我们考虑用间接的方法来将社会经济损失定量化。可能最大的生命损失,首先与人口密度有关,一个地区人口密度越大,遭受自然灾害时,该地区人们生命遭受损失的可能性就越大,也即经济损失就越大;同时也与人口质量有关,65岁以上的老人和15岁以下的少年儿童比其他年龄段的人具有更大的易损性;易损性还与教育水平有关,受过良好教育的人们易损性较低,反之,接受较少教育的人们易损性就较高;此外,富裕程度亦影响到易损性的大小,农村人口较为贫穷,他们相对于城市居民来说具有更大的易损性。

区域泥石流人员社会经济损失指标评价模型如下:

城市地质环境风险经济学评价

式中,V1为地质灾害人员经济损失,万元;γ为人员死亡平均经济损失,万元/人年;P为人口数量,人;α为间接损失与直接损失的比例,%;D为人口密度,人/km2;S为灾害影响面积,km2。

2.物质经济损失指标

物质经济损失指标包括有形资产和无形资产,有形资产可用固定资产来表示。

无形资产可用国内生产总值(GDP)来作为代表经济损失的综合指标。显然,一个地区国内生产总值越大,遭受自然灾害时该地区经济损失就越大。

区域泥石流物质经济损失指标评价模型如下:

城市地质环境风险经济学评价

式中,V2为地质灾害财产经济损失,万元;V21为地质灾害有形资产经济损失,万元;V22为地质灾害无形资产经济损失,万元;y1为建筑损失,万元;y2为资产损失,万元;y3为交通损失,万元;y4为管线损失,万元。

3.资源环境经济损失指标

环境经济损失即自然资源经济损失主要包括水、气和土地资源等的损失。森林资源已考虑在经济损失中。对泥石流来说,土地资源是主要的环境易损物源,可作为代表环境经济损失的主要指标。显然,土地资源价值越大,遭受泥石流时土地损失就越大,也即经济损失就越大。土地价值不仅依赖于土地质量和土地利用方式,而且与市场条件有关而市场条件变化迅速且难以预测。因此,直接评估土地价值较为困难。简单起见,参考不同土地类型人为给定基价,以便进行地区经济损失计算。考虑到土地只在使用和买卖时才体现价值和具有价格,目前我国土地使用权年限通常为70a,因此,这一指标通常取年均值。

城市地质环境风险经济学评价

式中,V3为地质灾害资源环境经济损失,万元;T为地质灾害土地资源经济损失,万元;Ai为土地单位价值,万元/km2;Pi为地质灾害无形资产经济损失,万元;i为土地利用类型种类,个;并且,灾害经济损失包括直接经济损失和间接经济损失两部分。

灾害的直接经济损失是指同一灾害的成灾过程中,包括原生灾害和紧密伴随的次生灾害所造成经济损失的总合。如泥石流中,在房屋和工矿构筑物倒塌以及田园道路破坏的同时,还可能引起断水、断气、断电、失火和交通阻塞,由它们共同造成的损失都可算作是灾害的直接损失。这是因为在这样的灾情评估中,短时间内根本无法区别哪些是原生灾害,哪些是次生灾害。

当一次成灾过程基本结束,由于这次灾害所造成工矿流程、商贸金融、社会公益和管理等方面的停顿、减缓以及失调等所造成的损失都可算作是间接经济损失,所以一般与所说的衍生灾害是相当的。

三、罗峪沟泥石流经济损失评价

罗峪沟流域地处秦城区北部,位于东经105°30'—105°45',北纬34°34'—34°40'之间,是渭河支流———河的一级支沟,流域总面积71.37km2,涉及秦城区的玉泉、中梁及北道区的凤凰、渭南、南河川5个乡,43个行政村。

流域内地形差异大,坡度陡峻,植被稀少,加之局地性暴雨居多,且历时短,强度大,汇流急促,一遇暴雨天气,常常引发山洪、泥石流等山洪灾害,并伴有滑坡。对下游天水市区人民群众生命财产造成很大威胁。

1.人员社会经济损失

罗峪沟泥石流灾害涉及秦城区和北道区,人口共计11.3442万,其中城镇人口8.6万人,农村人口2.7442万人。人口基本概况见表6-4-1。

表6-4-1 罗峪沟流域影响区域人口统计表

人员损失包括直接损失和间接损失,直接损失主要包括因灾死亡损失和因灾伤害损失。前者是指因滑坡造成人员死亡而带来的损失;后者是指滑坡造成的除死亡以外的受伤、疾病、医疗等损失。间接损失主要指人员精神损失或心理伤害。

区域泥石流人员经济损失为

V1=30年×0.4(万元/人·年)×2.7442(万人)+30(年)×1(万元/人·年)×8.6(万元)(1+3.5)=1309.1868(万元)

在一般灾害研究中,对于人员损失一般只分析其直接损失,而不考虑间接损失,如进行计算,采用在直接损失基础上乘上一个修正系数α。为保证计算准确性,采用3.5的修正系数。

2.物质经济损失

有形资产,可用固定资产来表示,包括以下六类。

2.1 建筑损失

建筑损失主要包括被损毁、破坏、掩埋的房屋、商店、住宅、办公楼等建筑物。包括城镇居民住宅、农村住宅、宾馆、饭店、公寓、商厦、学校、医院、机关、部队营房、工业厂房、仓库、车站及码头等各种房屋建筑,计算标准见表6-4-2。

表6-4-2 房屋建筑单价(参考建筑标准)

泥石流威胁面积为8.5km2,按照总体建筑比率,建筑面积约为37%,面积约为8.5km2×37%=3.145km2,按平均建筑损失计算,取600元/m2,X4=3145000m2×600元/m2=188700万元

2.2 资产损失

资产损失主要指泥石流灾害造成的农产品损失、牲畜损失、室内外财产损失、工业损失和其他损失。

2.2.1 农产品损失

农产品损失情况可采用市场价值法进行估算。威胁区域内国内生产总值为40951.59万亩,主要农产品产量为粮食4226t,油料243.5t;防治区域内国内生产总值为27738万亩,主要农产品产量为粮食1827t,油料94t。

Sn=2.5(元/kg)×(4226+1827)(t)×1000+4(元/kg)×(243.5+94)×1000=1648.25(万元)

2.2.2 牲畜损失

牲畜的市场价格各地有所不同。为便于统一计量,取平均价为大牲畜1300元/头,小牲畜30元/头。各按其具体损失数目进行估价。威胁区域内大牲畜2429头,小牲畜1568头;防治区域内大牲畜856头,小牲畜523头。

Sl=1300×(2429+856)+30×(1568+523)=432.32万元

2.2.3 室内外财产损失

室内财产损失一般先调查被损毁和损坏的房屋数量(间),再计算具体损失。由于所处地区不同,室内财产损失差异也较大。采用室内财产损失按人员平均损失计算。按平均每人1000元计,Sc=1000元/人×11.3442万人=11344.2万元

2.2.4 工业损失

工业损失主要指这些工厂的固定资产损失,共计7413万元。

表6-4-3 罗峪沟泥石流影响区域主要工矿企业调查统计表

表6-4-4 资产损失统计表

2.3 交通损失

泥石流暴发常给当地交通造成严重影响,交通损失是经济损失中的一个重要方面。交通损失主要包括公路、铁路、桥梁等重要交通设施的损失情况。用公式表示为

城市地质环境风险经济学评价

式(6-4-6)中,Sg为公路损失,万元;St为铁路损失,万元;Sq为桥梁损失,万元。

公路损失是被泥石流损毁公路的长度与其相应单位工程造价的乘积。经向有关部门咨询,公路的基本工程造价见表6-4-2。由于地质地貌条件不同,即使同等级的公路其工程造价也有较大差异,需视其具体情况而定。经向有关部门咨询,公路的基本工程造价见下表6-4-5。铁路的基本工程造价见表6-4-6。其计算方法与公路损失的计算方法相同。桥梁按用途分有人行便桥、公路桥及铁路桥等多种类型,所用建筑材料也不一样。因此,在计算桥梁损失时需根据灾区实际情况再做具体分析。

表6-4-5 等级公路的单位工程造价

续表

表6-4-6 不同地形铁路工程造价

有过境公路4条,其中秦城区2条,罗峪沟2条,均为国道。长度共计6km,固定资产合计为12000万元;据资料统计没有过境铁路,不予计算;桥梁8座,等级为2级,总长度为0.4km,按每座600万元计算,固定资产合计为2400万元。

表6-4-7 罗峪沟影响区域交通损失统计表

2.4 管线损失

管线损失(y4)是指在灾害中遭受破坏的通信、供电、供水、供气等重要管线的损失费用,单位为万元。管线损失也常常被视之为生命线工程损失。管线不同,其相应的每公里工程造价就不同。为便于计量,参考市场价格,高压输电线造价采用20万元/km的统一价格,通讯设施按22万元/km计算,再与受损管线长度相乘即得所需的管线损失。

表6-4-8 罗峪沟影响区域管线损失统计表

2.5 其他损失

水利设施3座,经资料显示固定资产92.9万元;自来水3座,固定资产200万元;公园1座,固定资产1000万元;广场2座,固定资产200万元。

表6-4-9 罗峪沟影响区域物质损失其他类统计表

2.6 无形资产损失

无形资产可用国内生产总值(GDP)来作为代表经济损失的指标。具体计算结果见表6-4-10:

表6-4-10 罗峪沟影响区域无形资产损失统计表

表6-4-11 罗峪沟影响区域无形资产损失统计表

3.资源环境经济损失

在泥石流灾害损失评估中,我们考虑的资源损失主要指受泥石流灾害影响或破坏的土地资源。而在土地资源的量化过程中,判断土地是否遭受永久性破坏是非常重要的。大部分土地资源在灾后是可以通过一定的措施加以部分甚至完全恢复的。因此,在评价资源损失时只需要考虑对其进行清理恢复的费用,具体计算时用灾害破坏面积与该种土地类型基价的1%来进行估价。土地资源基价见表6-4-12。在实际评价中,土地资源基价可根据当地情况做适当调整。

表6-4-12 我国土地资源基价估算表

影响区总土地面积60.47km2,耕地面积5.3万亩。

土地资源价值为

X9=300元/m2×60.47×106m2=1814100万元

X9=200元/m2×5.3×106m2=7059.6万元

总计1814100+7059.6=1821159.6万元

表6-4-13 经济损失汇总

甘肃天水市罗峪沟一旦发生50年一遇的洪水,将产生特大泥石流,其所造成的经济损失总计可达212.4371亿元,数目巨大。

8、泥石流灾害易损性评估

泥石流灾害的易损性是指“在一定区域和时段内,由于泥石流灾害而可能导致的该区域内所存在的一切人、财、物的潜在最大损失”。“在给定地区,由于潜在损害现象可能造成的损失程度,可以取值从0到1”。泥石流灾害易损性特征主要体现在泥石流灾害特征方面,易损性的内涵按属性亦同样可分为社会易损性、物质易损性、经济易损性和资源环境易损性。

一、区域泥石流易损性评估因子

泥石流灾害承灾体可分为两种基本类型:财产和人口。一方面,社会经济条件可以反映潜在最大损失的大小,即易损度的高低,因为社会经济发达的地区,城镇和人口密集,产业活动频繁,承灾体数量多、密度大、价值高,遭受灾害时人员伤亡和经济损失就大;另一方面,社会经济条件较好的地区,随着人们受教育程度的增加,防灾意识增强,个人和政府为减少灾害损失而采取的防灾投入增加,因此该地区整体承灾能力相对较强,相对损失值有所降低,但绝对损失值并不会因此而降低,易损度仍然随着财产和人口的增加而增大,只不过增长的幅度由于承灾能力的增强而部分抵消,增长速度逐渐减缓而已。因此,财产和人口与易损度的关系不是简单的线性关系。据此,易损度评估因子主要分为财产指标和人口指标两大类。财产指标包括建筑资产、交通设施资产、生命线工程资产、个人财产和土地资源价值;人口指标包括人口年龄、受教育程度、富裕状况、人口自然增长率和人口密度。也可以按照承灾体的属性将易损性分为四类:物质易损性、经济易损性、环境易损性和社会易损性。

物质易损性指标:基础设施和建筑物,为有形资产,可用固定资产投资来表示。考虑到资产折旧因素,可用累积15年固定资产投资作为代表物质易损性的综合指标。显然,一个地区固定资产价值越大,遭受自然灾害时该地区总的物质损失就越大,即易损性就越大。

经济易损性指标:为无形资产,用货币形式表示,可用国内生产总值(GDP)来作为代表经济易损性的综合指标。显然,一个地区国内生产总值越大,遭受自然灾害时该地区经济损失就越大,即易损性就越大。

资源环境易损性指标:主要包括水、气和土地资源。森林资源已考虑在经济易损性中。对泥石流来说,土地资源是主要的环境易损物源,可作为代表环境易损性的主要指标。显然,土地资源价值越大,遭受泥石流时土地损失就越大,即易损性就越大。土地价值不仅依赖于土地质量和土地利用方式,而且与市场条件有关。而市场条件变化迅速且难以预测,因此直接评估土地价值较为困难。为简单起见,一般以不同土地类型的基准地价作为土地资源易损性的衡量指标。

社会易损性指标:即人口和社会结构(规模、密度、年龄、教育和财富)。国际地质科学联合会(IUGS)提出了将人的易损性表达为自然灾害对某一人群生命造成影响的概率,但如何确定这一概率到目前还很难用直接的方法来确定。因此,一般考虑用间接的方法来将社会易损性定量化。可能最大的生命损失,首先与人口密度有关,一个地区人口密度越大,遭受自然灾害时,该地区人们生命遭受损失的可能性越大,即易损性就越大;同时也与人口(年龄状况)有关,65岁以上的老人和15岁以下的少年儿童比其他年龄段的人具有更大的易损性;易损性还与教育水平有关,接受较少教育的人们易损性就较高;此外,富裕程度亦影响到易损性的大小,农村人口较为贫穷,相对于城市居民来说具有更大的易损性。

二、区域泥石流灾害易损性经验评估模型

根据有关学者的研究成果,区域泥石流灾害易损性评估模型如下:

地质灾害风险评估理论与实践

式中:V1为财产指标(亿元);P为物质易损性,取累积15年固定资产投资(亿元);G为经济易损性,取当年国内生产总值(亿元);B为环境易损性,取各类土地资源基准地价(元/m2);A为各类土地面积(km2);V2为人口指标(人/km2));a为65岁以上老年人和15岁以下少年儿童人口的比例(%);b为初等教育及以下人口的比例(%);c为农业人口的比例(%);D为人口密度(人/km2);FV1为财产指标V1的转换赋值(0~1);FV2为人口指标V2的转换赋值(0~1);V为区域泥石流易损度,即易损性的量化数值(0~1,或0~100%)。

从定义的内涵来看,易损性是指自然灾害可能发生地区一切人和物的潜在总损失,即生命和财产损失的总和。由此可推论易损性模型的基本形式应是“和函数”,但财产指标V1和人口指标V2具有不同的计量单位,不能直接相加。故采用“分段转换赋值函数”解决人、财、物统一标度。根据区域统计资料,设定V1和V2达到或超过某一上限值时赋值为1;V1和V2取值为零时赋值为0;其余值介于0~1之间。由此得到的FV1和FV2无计量单位,故而满足“和函数”的要求。易损度取值范围介于0~1或0~100%之间,与危险度和风险度的取值范围一致。易损度V与FV1和FV2之间并非简单的正相关线性关系,基于统计分析得知,指数为0.5的幂函数最适合于拟合易损性与财产和人口之间的关系,由此得出区域泥石流灾害易损性转换模型。易损性分级与危险性分级一样,仍在0~1的取值范围采用等分法:即0<V<0.2为极低易损区;0.2<V<0.4为低易损区;0.4<V<0.6为中度易损区;0.6<V<0.8为高度易损区;0.8<V<1.0为极高易损区。

三、小结

易损性(vulnerability)是某种地质灾害现象以一定的强度发生而对承灾体可能造成的损失程度。

易损性评价首先要对地质灾害承灾体分类,地质灾害承灾体分为三类:

(1)公民的生存安全;

(2)以物化劳动形式存在的物质财富,包括属于机关企事业单位所有的一切财产和属于居民个人所有的一切财产;

(3)资源,只包括未经人类劳动加工的自然资源和环境资源。

物质财富分类,可分为十二类:

(1)居民财产,再分为:

①城市居民财产,包括房屋、家居用品;

②乡村居民财产,包括房屋、家居用品;

(2)种植养殖的动植物(农林牧渔第一产业价值);

(3)农业净资产;

(4)工业净资产;

(5)交通运输业(铁路、公路、运输工具)净资产;

(6)建筑业净资产;

(7)商业净资产;

(8)金融和科研单位净资产;

(9)医疗卫生机构净资产;

(10)机关及其附属单位净资产;

(11)中小学校净资产;

(12)其他净资产。

承灾体易损性的确定,采用野外实地调查法。以评价单元为单位,详细调查每个评价单元内在某次地质灾害中对某类物质财富造成的损失价值,及当时灾害成灾范围内某类物质财富的总价值。物质财富易损性即为地质灾害造成的某类物质财富的损失价值占灾前灾害危害范围内某类物质财富的总价值的百分比。承灾体易损性的确定,也可采用得尔菲法。向从事地质灾害防治的工程技术人员和管理人员发出问卷,对收回的问卷进行统计分析,求取各类地质灾害对各类承灾体的易损性。

人口安全易损性是人在地质灾害中可能死伤人数与灾前人口总数的比重或百分比。依据得尔菲法和野外实地调查综合取值,分别求取各类地质灾害的人口安全易损性。因此,要详细调查每个评价单元内在某次地质灾害中造成的人口伤亡,及当时灾害成灾范围内的人口总数。

9、 北京市北山地区泥石流灾害灾情评估

一、北京北山地区泥石流灾害概况

(一)自然地理及社会经济概况

北京北山地区统称军都山,属燕山山脉。其山体大致呈NEE或NE向,由断块山组成。本次泥石流灾害评估范围是密云县西北部、怀柔县中部和延庆县东南部地区,包括17个乡,面积约1800km2。北山地区山地海拔高度一般为500~1000m,个别达1000m以上,如黑坨山(1534m)、云蒙山(1414m)、大洼尖(1286m)等。地貌类型属中低山,向东南部过渡为丘陵。区内水系有潮河、白河和怀河,均属海河水系。白河和潮河均发源于坝上草原。它们横切燕山山脉,蜿蜒而下,注入密云水库。区内潮河、白河和怀河支流发育,可将其划归于11个流域,即汤河南岸(简称汤河流域)、白马关河、白河北岸、牤牛河、潮河西岸(简称潮河流域)、菜食河、琉璃河、怀沙河、雁栖河及沙河流域。

本区属暖温带半湿润大陆性气候,年平均气温8~10℃,最高月平均气温为25.7℃,最冷为-6℃,年温差32℃。由于区域内地形高差、山脉走向及气候风向不同,造成降水时空分布不均,大部分地区多年平均降水量在550~700mm,局部地区达700~850mm。降水量多集中分布在每年的6~8月份(图12-7)。

图12-7 北京北山地区年平均降水量等值线图

等值线单位/mm

评估区交通比较方便,有沙通铁路从区域东南经过,有密云—古北口,密云—柏碴崖,怀柔—丰宁,琉璃庙—四海等主要公路。此外,各乡(镇)政府所在地都有普通公路通行,各主要村庄有简易公路或大道与乡(镇)政府所在地连接。

本区工农业生产不太发达,收入水平较低。工业主要为一些小型的乡镇企业和加工工业。农业则由于山区土薄地少,大部分耕地为沟道坝地。其质量差,且常有泥石流、洪水、干旱等自然灾害经常发生,所以产量较低。目前,相当一部分村庄的粮食还不能自给,需依靠国家供应返销粮。

(二)泥石流灾害概况

本地区泥石流活动频繁,是我国泥石流灾害最严重的地区之一。其发育历史悠久,最早的灾害记录为1867年发生在怀柔县沙河峪道河、枣树林西沟、黍子峪西沟的泥石流。此后到1991年发生严重泥石流灾害14次,平均9年1次;其中9次为较大范围的群发性泥石流,周期约14年1次。从灾害活动的时间分布看,1959年以前,泥石流平均15年一次,群发性泥石流约30年1次。1959年以后泥石流活动爆发频率增高,平均约4.5年一次,其中以1977年外最为严重,其余均为群发。从灾害活动的地区分布看,区内各流域泥石流活动频率并不相同:白马关河、琉璃河、沙河、白河南岸四个流域泥石流相对活跃,周期属中短期(二年至十几年),其它流域为中长期(十几至五十年),比区域泥石流活动频率低(表12-13)。

表12-13 各流域泥石流活动周期表

自1959年以来的几次泥石流活动,由于受暴雨中心位置和暴雨范围的控制,常成群出现,具有强烈的群发性特征。但几次泥石流爆发区并非在同一地区,而且沿北北东方向不断迁移(图12-8)。历次泥石流活动的规模以中小型为主,一次冲出物质量一般为1×104~5×104m3。

本区频繁发生的泥石流活动给人民生命财产造成了较严重损失。主要直接破坏是造成人员伤亡、冲毁房屋、冲毁农田和林地、阻断交通道路、冲毁电力通讯设施、冲毁和淤埋各种水利工程设施等;此外还有停工停产、农作物减产等间接损失。现将本区主要泥石流灾害事件和损失情况汇总于表12-14。

图12-8 北京北山地区泥石流灾害分布图

1—1959年泥石流爆发区;2—1969年泥石流爆发区;3—1972年泥石流爆发区;4—1976年泥石流爆发区;5—1989年泥石流爆发区;6—1991年泥石流爆发区

表12-14 泥石流灾害损失统计表

续表

注:据韦京莲等资料,略有修改。

二、泥石流灾害的危险性评价

(一)危险性评价的基本方法和步骤

1.首先在众多影响因素中选取与泥石流关系密切的关联因子;然后按小流域分别统计关联因子的原始资料和数据,以便确定等级划分的标准;据此将原始资料和数据进行概化预处理,使其转化成1~10的标示各因子水平的定量化数据。

2.利用灰色关联度分析的方法确定各关联因子的关联度,并依此确定出各关联因子的权重值。

3.用各关联因子的概化标度乘上其权值之积确定各小流域的历史灾害强度和潜在灾害强度;再用历史强度和潜在强度分别乘上其权值就得到各个小流域的危险性指数。

4.依据所得小流域的危险性指数对每个小流域进行泥石流危险性评价。

(二)危险性指数的计算过程

1.选取关联因子及其资料数据

根据泥石流的形成条件,本区均属于暴雨型泥石流。其形成主要与气候条件、地形地貌条件、地质构造条件以及人类经济活动和泥石流活动历史关系密切。由于本次泥石流评价是以小流域为基本单元进行的。所以,我们选取区域性规律特征比较明显,能够代表泥石流的历史形成状况和潜在形成条件的因素作为关联因子;选取泥石流活动规模、发生频次和泥石流的点密度作为代表泥石流历史状况的主要关联因子;选取大于50mm的暴雨日数和年平均降雨量两个气候条件,流域最大高差、沟谷最大高差和沟床平均纵比降等3个地形地貌条件,构造发育程度和松散固体物质储量2个地质构造条件以及植被度1个人类活动条件作为区域泥石流形成的潜在活动因子进行危险性评价。

2.关联因子调查统计及概化处理

北京北山地区11个小流域泥石流原始资料数据调查统计结果见表12-15。其中泥石流规模是按一次泥石流冲出物质量的多少来确定的;岩石风化程度、松散固体物质储量和构造发育程度是区域相比较的结果。

由于表12-15中的统计资料既有定量数据又有定性描述,难以进行量化计算,所以必须将它们进行概化预处理后才能进行灰色关联分析计算。根据本区的泥石流发育规律和特征,并参考有关研究成果,得出本区泥石流各主要关联因子的分级、概化和赋值标准(表12-16)。把所有的关联因子都分成四级,根据分级的概化标准从高级到低级将原值分别用10、6、3、1代替;考虑到植被度越高越不容易发生泥石流,即植被度与泥石流活动呈负相关关系,所以植被度的赋值由高级到低级分别用1、3、6、10代替。

3.计算关联因子的关联度和权值

泥石流的影响因素是多种多样的,其中既有已知的,也有未知和模糊不清的。因此,可以把泥石流的活动过程看成是一个灰色系统,用灰色关联分析的方法来确定各因子间的关联度。

令x(i、j)为灰色关联因子集(i代表样本个数,i=1,2,3…N;j代表各个因子,j=1,2,3…M;且N≥M),其中x(i、j)为对比序列(即主导因子),则关联度的计算步骤如下:

(1)用均值化方法把原始数据做无量纲化处理,得出均值化矩阵x1(i、j)。

地质灾害灾情评估理论与实践

式中:x1(i,j)——均值化数据;

x(i,j)——原始数据;

——原始数据第j列(j个因子)的平均值。]]

1(i,j)-x(i,j)进行求差序列计算。式中∆(i,j)为主导因子与关联因子比较后的绝对差值。

(3)计算最大绝对差值和最小绝对差值。

地质灾害灾情评估理论与实践

式中:∆max——所有差值序列中的最大绝对差值;

∆min——所有差值序列中的最小绝对差值。

表12-15 北京北山地区泥石流基础资料统计表

表12-16 关联因子的分级、概化和赋值标准

(4)计算关联系数

地质灾害灾情评估理论与实践

式中:ζ(i,j)——关联系数;

k——经验系数,一般取0.5。

(5)计算关联度

地质灾害灾情评估理论与实践

式中:R(j)——对比序列(主导因子)与其它各因子的关联度;

j——第j列因子。

按上述步骤,用计算机计算得出了主导因子与关联因子间的关联度,进而确定它们之间的关系密切程度和各因子对泥石流所做贡献的大小(即各因子的权重值)。

利用已概化的数据,分别选取泥石流的规模、频次和点密度作为主导因子,其它因子作为关联因子,分别求得主导因子和关联因子的关联度。从关联度的计算结果看,相对于三个不同主导因子的泥石流关联因子的关联度的排序基本上一致。取其平均值得到各潜在形成条件的关联度。同样方法以每个主导因子的三个关联度的平均值作为主导因子的关联度。

由于泥石流的历史条件和潜在条件对泥石流危险性贡献的大小不同,因而泥石流的历史条件(规模、频次和点密度)只能说明泥石流过去的活动程度;今后发展趋势及衰减程度,则取决于泥石流的潜在条件。因此,我们把历史灾害活动程度和潜在灾害活动条件作为评价泥石流灾害危险性的决定因素。在这两方面影响因素中的各个关联因子对泥石流危险性的贡献也不相同。利用前面所进行的关联分析,分别求得历史条件和潜在条件各关联因子的关联度之和及各关联因子的权重值(表12-17)。

另外,我们利用德尔菲法获得了历史灾害活动程度和潜在灾害活动条件对泥石流危险性的权值分别为0.42和0.58。

4.计算各流域泥石流的危险性指数

泥石流危险性指数是表示泥石流活动危险性程度的指标,危险性指数越高,泥石流活动的危险性越大。危险性指数由下式计算获得:

地质灾害灾情评估理论与实践

式中:WZ——泥石流危险性指数;

LD——泥石流的历史活动强度;

QD——泥石流的潜在活动强度;

R1——历史灾害强度的权值,R1=0.42;

R2——潜在灾害强度的权值,R2=0.58;

M=11;

x(i,j)——概化后的数据;

R(j)——各关联因子的权值;

其它符号意义同前。

按上式计算得出每个小流域泥石流的潜在强度、历史强度和危险性指数。计算结果见表12-18。

(三)泥石流灾害危险性评价

从泥石流危险性指数的计算结果看出,北京北山地区11个小流域泥石流活动的危险性程度由高到低的排列顺序为:琉璃河>沙河>白河南岸>白河北岸>白马关河>菜食河>雁栖河>怀沙河>潮河>汤河>牤牛河。

为了更直观地反映泥石流活动危险性程度的高低,依据各小流域的危险性指数进行分级区划。共划分为4级:其中高度危险(Wz>6)的有琉璃河、沙河、白河南岸和白河北岸4个小流域;重度危险(Wz,5~6)的有白马关河和菜食河2个小流域;中度危险(Wz,4~5)的有雁栖河和怀沙河2个小流域;轻度危险(Wz,<4)的有汤河、潮河和牤牛河3个小流域(表12-19、图12-9)。

表12-17 北京北山地区泥石流活动主导因子与关联因子的关联度及权值计算结果表

表12-18 北京北山地区泥石流活动关联因子概化数据及危险性评价计算结果表

表12-19 北京北山地区泥石流危险性分布简表

图12-9 北京北山地区泥石流灾害危险性分布图

1—高度,>6;2—重度,5~6;3—中度,4~5;4—轻度,<4;5—泥石流小流域代号

三、泥石流灾害易损性评价

(一)易损性评价的基本方法和步骤

1.以小流域为单元,调查统计社会经济状况、固定资产和土地使用类型;并将所有的社会资产(包括工农副业总产值、固定资产和土地价值三部分)折合成1992年的价值,从而得到各个小流域的社会资产总值和单位面积的资产密度。

2.用各个小流域的单位平均资产和人口密度分别除以整个评价区的单位平均资产和人口密度,二者相乘之积为该流域泥石流易损性指数。

3.根据各小流域的易损性指数对评价区进行泥石流易损性评价。

(二)易损性指数的计算过程

1.调查统计北京北山地区11个小流域的社会经济状况、固定资产和各类用地面积,并核算土地和各类资产价值;然后累加,得到每个小流域的社会总资产(表12-20、12-21)。

表12-20 北京北山地区社会经济和固定资产统计结果表

注:1亩=0.066km2(下同)。

表12-21 北京北山地区用地类型及其价值统计结果表

2.易损性指数计算

易损性指数是表示灾害区承受泥石流破坏能力的指标。它与社会资产和人口密度密切相关。易损性指数越大,对泥石流活动的敏感程度越高,通常灾害所产生的破坏损失越严重。易损性指数的计算方法和步骤如下:

(1)将各小流域的社会资产除以小流域的面积,得出各小流域的单位平均资产。将各小流域的社会总资产除以整个评价区的面积,得出整个评价区的单位平均资产。

(2)将各小流域的单位平均资产和人口密度分别与整个评价区的单位平均资产和人口密度相比较(相除),然后将其值相乘,就得到每个小流域的易损性指数。即按下式计算:

Yi=(Ri/Ro)×(Zi/Zo)

式中:Yi——各个小流域的易损性指数;

Ri——各个小流域的人口密度/(人/km2);

Ro——评价区平均人口密度/(人/km2);

Zi——各个小流域的单位平均资产/(万元/km2);

Zo——评价区的单位平均资产/(万元/km2)。

按上述步骤计算所得的各个小流域易损性指数的结果见表12-22。

表12-22 北京北山地区泥石流易损性评价结果表

(三)泥石流灾害易损性评价

根据泥石流易损性指数计算结果,11个小流域易损性指数的排列顺序为:沙河>潮河>怀沙河>雁栖河>牤牛河>菜食河>白马关河>汤河>琉璃河>白河北岸>白河南岸。

根据各个小流域的易损性指数分布情况,将全评价区的易损性划分为4级:其中极重度易损性(Yi,>1.5)的有沙河和潮河2个小流域;重度易损性(Yi,1~1.5)的有怀沙河和雁栖河2个小流域;中度易损性(Yi,0.5~1)的有琉璃河、菜食河、汤河、白马关河和牤牛河5个小流域;轻度易损性(Yi,<0.5)的有白河北岸和白河南岸2个小流域(表12-23、图12-10)。

表12-23 北京北山地区泥石流易损性分级区划结果表

(四)泥石流的危害程度分析

泥石流的危害程度是指在一定的自然条件和社会经济条件下,泥石流灾害对人类生命财产的破坏能力和威胁程度。它包含了泥石流的危险性和易损性两个方面,可以用危害程度指数表示。按下式计算:

WX=Wz·Y

式中:WX——危害程度指数;

Wz——危险性指数;

Y——易损性指数。

图12-10 北京北山地区泥石流灾害易损性分布图

1—极重度,>1.5;2—重度,1~1.5;3—中度,0.5~1;4—轻度,<0.5;5—泥石流小流域代号

经计算得出北京北山地区各小流域泥石流的危害程度指数(表12-24)。由高到低的排列顺序为:沙河>潮河>怀沙河>雁栖河>琉璃河>菜食河>白马关河>白河南岸>白河北岸>牤牛河>汤河。按危害程度指数将本区的泥石流危害程度划分为4级:其中危害程度极高(WX,>10)的只有沙河流域;危害程度高(WX,5~19)的有潮河、怀沙河和雁栖河三个流域;危害程度中等(WX,3~5)的有琉璃河、菜食河、白马关河和白河南岸4个流域;危害程度较低(WX,<3)有汤河、白河北岸和牤牛河3个流域(图12-11)。

表12-24 北京北山地区泥石流危害程度指数计算结果表

图12-11 北京北山地区泥石流灾害危害强度分布图

1—极高,>10;2—高,5~10;3—中等,3~5;4—低,<3;5—泥石流小流域代号

四、泥石流灾害的破坏损失评价

(一)破坏损失评价的基本方法和步骤

1.对11个小流域的泥石流灾害破坏损失情况进行调查统计,并折合成1992年价值,得到各个小流域的损失总和。

2.将各小流域损失总和分别与社会资产、固定资产和工农业生产总值相比较,得到不同形式的泥石流的破坏损失率。将各小流域的人员死亡数与现今流域人口总数相比较,得到各个小流域的人员死亡率。

3.将破坏损失率乘以人员死亡率,得到各流域破坏损失指数。

4.依据上述各种计算结果对各个小流域进行泥石流破坏损失评价。

调查、统计、计算结果见表12-25~12-29。

(二)泥石流灾害破坏损失评价

北京北山地区各流域泥石流破坏损失由高到低的排列顺序为:白马关河>白河北岸>琉璃河>汤河>牛河>雁栖河>菜食河>白河南岸>怀沙河>潮河>沙河。根据泥石流破坏损失率计算结果看,虽然由不同方法求得的各种破坏损失率的排序不尽相同(表12-30),但其排列顺序大致相同,而且与破坏损失指数的分布情况基本一致。

表12-25 北京北山地区泥石流发生年次及破坏损失统计结果表

表12-26 北京北山地区泥石流流域破坏损失统计结果表

表12-27 北京北山地区社会经济状况和泥石流损失情况一览表

表12-28 北京北山地区泥石流破坏损失率计算结果表

表12-29 北京北山地区泥石流破坏损失指数计算结果表

表12-30 不同统计计算结果反映泥石流破坏损失程度的排序表

根据泥石流破坏损失指数Ps的计算结果,各个小流域由高到低的排列顺序为:白马关河>白河北岸>琉璃河>牤牛河>白河南岸>汤河>雁栖河>菜食河>怀沙河>潮河>沙河。可划分成4级:破坏损失程度极高(Ps,>1)的有白马关河和白河北岸2个小流域;破坏损失程度高(Ps,0.2~1)的有琉璃河、白河南岸和牤牛河3个小流域;破坏损失程度中等(Ps,0.02~0.2)的有汤河、菜食河、怀沙河和雁栖河4个小流域;破坏损失程度低(Ps,<0.2)的有潮河和沙河2个小流域(表12-31、图12-12)。

表12-31 北京北山地区泥石流破坏损失指数分级表

图12-12 北京北山地区泥石流灾害损失强度分布图

1—极高,>1;2—高,0.2~1;3—中等,0.02~0.2;4—低,<0.02;5—泥石流小流域代号

五、泥石流防治工程评价

(一)泥石流防治工程现状

北京北山地区泥石流分布广,其发生的时间、地点难以预测,加之这里自然条件恶劣,经济水平较低,人们对泥石流的潜在危险性认识不足等原因,时至今日,尚未建立起完整的泥石流防治体系,现有的一些防护工程设施,大多是为防治山洪而建造的小型水利工程。此外,本区的森林植被度平均只有23%,因而既难以抑制泥石流活动,更难以抵御泥石流破坏,致使每次发生泥石流都要造成严重损失。

(二)泥石流防治方案及其效益分析

北京市水文地质工程地质大队和北京市地质研究所于1991~1993年曾联合进行过北京北山地区泥石流灾害勘察及其防治方案的调研工作,选取北京北山地区的密云县番字牌西沟(属白马关河流域)和怀柔县柯太沟(属白河北岸流域)两条沟的泥石流进行了勘察规划工作。根据泥石流的形成条件、环境背景、形成过程、类型特点及其发育历史和发展趋势,提出了泥石流的防治方案。其基本措施如下:

工程措施:按一定的设计标准和校核标准建筑工程设施。即保证在发生设计标准内的泥石流和高含沙洪水时,工程设施正常运行,保护对象不受危害;又要保证在发生校核标准内的泥石流和高含沙洪水时,工程设施不被破坏,还能有效地减轻灾害损失。

生物措施:主要是封山育林,以涵养水分,固土固坡,调节地表径流,削弱形成泥石流的水动力条件,抑制泥石流活动。同时还发展干鲜果品经济林、用材林和薪炭林,以繁荣经济。

两方面措施落实后,将有效地防治泥石流灾害。以此为基本依据,进行这些措施的投入与产出分析,并以这两条沟为例,延伸对全评价区泥石流灾害防治工程进行评价。

1.番字牌西沟泥石流防治方案效果分析

工程设施标准按防御50年一遇的高降水量和保证率2%设计;校核标准为100年一遇的高降水量和保证率1%。番字牌西沟小流域内主沟上游(小西天)为大型泥石流沟谷,其余支沟为小型泥石流沟,防治对象为小西天沟和其它二、三级支沟。防治工程规划的要点是:自上游至下游,采取稳固、拦挡、护排相结合的工程措施,以减轻或消除泥石流和高含沙洪水对沟内村庄、耕地和公路设施的危害;同时进行生物防治,从根本上削弱泥石流活动。投资概算和预期效益:总投资361.69万元,其中工程措施投资294.25万元,生物措施投资67.44万元。在工程设施建成后,能基本控制松散固体物质的启动和运移,从而降低泥石流的爆发频率,削弱泥石流的规模,抑制泥石流危害。当小流域的森林生态得以重建之后,它既能抑制泥石流活动,又能使工程设施更充分、更长久地发挥作用;同时,由于干鲜果品经济林和农业的发展,每年可增加收入225.57~248.49万元。

2.怀柔县柯太沟泥石流防治方案效果分析

工程设施设计标准按防御20年一遇的高降水量和保证率5%设计;校核标准为50年一遇的高降水量和保证率2%。防治工程规划的要点是:自上游至下游采取拦、调、蓄、排相结合的工程措施,同时进行生物防治,以减轻或消除泥石流和高含沙洪水对东湾子村及其下游的危害。

投资概算和预期效益:总投资317.28万元,其中工程防治投资251.66万元,生物防治投资65.66万元。在工程设施建成和生态重建之后,其防灾效益和生态效益与番字牌西沟基本相同。同时又促进农业、干鲜果品、水产养殖和采矿业的发展,每年可增加收入70万元左右(用材林收入未计算在内)。

(三)泥石流防治工程评价

根据泥石流灾害发展趋势,不进行有效的防治,所造成的破坏损失将不断增大;相反,如果采取措施进行防治,则泥石流活动的破坏损失就会减小。

假定上述两条沟的泥石流防治方案均于2000年底前完成,其有效使用年限为50年,则上述两条沟谷的投入产出比值分别为:番字牌西沟为225.57×50/361.69≈31;柯太沟为70×50/317.28≈11。

我们在下列假设条件下,对北京北山地区泥石流未采取防治措施和采取防治措施后的破坏损失水平(即年平均损失)和累计损失分别进行预测。

S损=S平(1+A)αt·(1+B)βt

式中:S损——预测年份的破坏损失水平;

S平——统计的1959~1993年的年平均破坏损失水平;

A——国民经济年均增长速率;

α——随国民经济增长发生的破坏损失增长系数;

B——采取防治工程措施后年均破坏损失降低的速率;

β——防治工程措施对灾害破坏损失的影响系数;

t——预测的年份。

假定条件:北京北山地区的泥石流强度规模、发生频率保持不变;国民经济增长速率(A)为7%;在不采取防治措施,灾害程度保持现状的情况下,由于国民经济增长而形成的破坏损失增长系数(α)为50%;按防治方案实施防治工程措施,并且到2000年底全部完成投入运行后,泥石流的破坏损失率将逐渐降低,其降低速率(B)为10%;防治工程措施对泥石流灾害的有效防治程度(B)为80%。依照上述公式和假设条件以及1959~1993年统计的泥石流灾害的年平均损失,分别计算出在不采取防治措施和采取防治措施两种情况下各小流域不同年份的破坏损失水平和累计损失的预测值(表12-32和表12-33)。

表12-32 未防治情况下北京北山地区泥石流破坏损失水平和累计损失预测结果表

表12-33 防治后的北京北山地区泥石流破坏损失水平和累计损失预测结果表

从损失预测结果看,泥石流在保持已往历史强度规模和频率的情况下,若不进行有效防治,其破坏损失将持续增长,大约20年翻一番;累计损失增长速度更快,平均10年左右就翻一番。如能采取防治工程措施,泥石流的损失水平将明显降低。如果按10%的速率逐渐降低,那么到2030年的损失水平基本趋势近于0,累计损失虽然仍不断增加,但增长速度趋于缓慢(图12-13)。

图12-13 不同条件下泥石流预测损失水平和累计损失曲线图

1—未防治的累计损失曲线;2—防治后的累计损失曲线;3—未防治的损失水平曲线;4—防治后的损失水平曲线

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