王 萌, 姜元俊, 黃 棟, 李倩倩

中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041

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基于小流域的地震擾動區(qū)降雨型滑坡泥石流危險性評價方法

王 萌, 姜元俊, 黃 棟, 李倩倩

中國科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室，成都 610041

地震擾動區(qū)存在大量震裂松散坡體，在持續(xù)或者密集的降雨條件下極易轉(zhuǎn)化為滑坡災(zāi)害。同時，滑坡又會給泥石流提供大量松散固體物質(zhì)，增加泥石流的危險性。因此，在震區(qū)，災(zāi)害通常以“鏈”的形式出現(xiàn)，比單一災(zāi)種危害性大。為了更有效地對地質(zhì)災(zāi)害危險性進(jìn)行評價，筆者將滑坡、泥石流作為災(zāi)害鏈，綜合地加以分析和研究。選擇5·12汶川大地震中受災(zāi)嚴(yán)重的都江堰市白沙河流域的17條泥石流溝作為研究區(qū)，建立滑坡-泥石流危險性評價耦合模型，研究24 h不同降雨量條件下小流域滑坡泥石流危險性的變化。耦合模型包括了坡體穩(wěn)定性評價模型，水文模型及以泥石流規(guī)模、發(fā)生頻率、流域面積、主溝長度、流域高差、切割密度、不穩(wěn)定斜坡比為評價因子的泥石流危險性評價統(tǒng)計模型。研究結(jié)果表明：隨著降雨量的增大，參與泥石流活動的松散物質(zhì)方量持續(xù)增加，但當(dāng)24 h降雨量超過200 mm后，泥石流溝的危險度等級不再發(fā)生變化；17條泥石流溝中4條為中危險度，12條為高危險度，1條為極高危險度。這說明研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題相當(dāng)嚴(yán)峻，在多雨季節(jié)存在泥石流群發(fā)的可能性，直接威脅到居住在泥石流溝附近的人民群眾生命財產(chǎn)安全;因此，對于有直接危害對象的高危險度及其以上的泥石流溝，應(yīng)該按照高等級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程治理及發(fā)布預(yù)警報。同時也說明，將滑坡、泥石流作為災(zāi)害鏈研究具必要性和可行性。

小流域；地震擾動區(qū)；滑坡；泥石流；危險性評價

大地震會誘發(fā)大量的次生災(zāi)害，其危害程度甚至大于地震本身[1]。而震區(qū)又主要分布于山區(qū)，在降雨的作用下，滑坡、泥石流頻頻發(fā)生，并常以“災(zāi)害鏈”的形式出現(xiàn)。根據(jù)崔鵬等[2]的研究，由于大量崩塌、滑坡直接為泥石流活動提供了豐富的松散固體物質(zhì)，并且地震造成大量坡體失穩(wěn)和巖體破壞，使泥石流的活躍期將維持20～30 a。因此，在這種情況下，對于次生災(zāi)害的危險性評估應(yīng)當(dāng)將滑坡、泥石流視為“災(zāi)害鏈”，綜合地加以分析和研究。

目前對于滑坡泥石流的危險性評價模型的研究主要可以分為基于地形地貌和專家經(jīng)驗的定性分析方法[3]、統(tǒng)計學(xué)模型分析法[4-6]、確定性模型分析方法[7-10]。定性分析方法的優(yōu)點是可以快速地進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性判別；缺點是存在人為主觀性，使得在某一區(qū)域獲得的推斷模型很難應(yīng)用于另一地區(qū)。統(tǒng)計學(xué)模型常用的方法包括判別式法、線性或指數(shù)回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法等。雖然這類方法應(yīng)用較廣，在世界很多地方也取得了不錯的效果，在一定的程度上也可以揭示區(qū)域滑坡發(fā)育和分布規(guī)律；但是對于樣本點數(shù)據(jù)要求較高，評價指標(biāo)選取也缺乏科學(xué)依據(jù)，并且定量化程度相對較低，亦不能揭示滑坡形成機(jī)制和發(fā)育特點。確定性模型主要基于物理動力學(xué)過程，綜合考慮影響滑坡泥石流的關(guān)鍵環(huán)境因素，如滑坡體厚度、巖土體物理力學(xué)參數(shù)、地下水位等。這類模型以滑坡泥石流發(fā)生機(jī)理為基礎(chǔ)，抓住了滑坡泥石流這一物理現(xiàn)象的本質(zhì)，具有更好的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

筆者建立了滑坡-泥石流危險性評價耦合模型，研究了24 h不同降雨量條件下小流域滑坡泥石流危險性的變化。耦合模型包括了坡體穩(wěn)定性評價模型，水文模型，及以泥石流規(guī)模、發(fā)生頻率、流域面積、主溝長度、流域高差、切割密度、不穩(wěn)定斜坡比為評價因子的泥石流危險性評價統(tǒng)計模型。將確定性模型與統(tǒng)計學(xué)模型相結(jié)合，對以小流域為單元的區(qū)域滑坡泥石流危險性進(jìn)行評價及分析。

1 滑坡泥石流危險性評價模型

1.1 坡體穩(wěn)定性評價模型

Montgomery等[11]將坡地水文模型與無限邊坡穩(wěn)定模型相結(jié)合，給出了淺層滑坡啟動的臨界降雨量計算公式。一般說來，坡體長度、寬度均比厚度大很多，因此，可將其簡化為無限邊坡模型。

震后坡體失穩(wěn)主要受降雨影響，因此，根據(jù)極限平衡原理，震后坡體穩(wěn)定性系數(shù)K為：

(1)

其中:c′為坡體有效黏聚力(kPa);φ′為坡體有效內(nèi)摩擦角(°);ρs為土體的天然密度(kg/m3);ρw為水的密度(kg/m3);D為滑坡體厚度(m);h為坡體地下水位高度(m);θ為坡體坡腳(°)。

根據(jù)O’Loughlin[12]的研究，在特定降雨強(qiáng)度下，坡體中地下水位高度h為：

(2)

其中：I為等效降雨強(qiáng)度(m/d);A為流域面積(m2);T為飽和土體的導(dǎo)水率(m2/d);b為考慮的水流橫切面寬度(即網(wǎng)格精度)(m)。

將式(1)與式(2)結(jié)合，可得如下關(guān)系：

(3)

令K=1，則可得降雨誘發(fā)滑坡啟動的臨界降雨量Icr為

(4)

部分坡體無論外界條件如何變化，總是處于穩(wěn)定狀態(tài)或者不穩(wěn)定狀態(tài)。那么這兩類坡體就不存在臨界降雨量這一指標(biāo)。因此，在計算臨界雨量前，可先通過式(5)和式(6)將其劃分出來，剩余區(qū)域再進(jìn)行后續(xù)計算。

當(dāng)h=D時，若K≥1，則此時的區(qū)域為無條件穩(wěn)定區(qū)，即坡體完全處于飽和狀態(tài)時，坡體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時

(5)

當(dāng)h=0時，若K<1，則此時的區(qū)域為無條件不穩(wěn)定區(qū)，即即使坡體沒有地下水的作用也仍然處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，此時

(6)

因此,若降雨量大于坡體臨界降雨量，則坡體就為不穩(wěn)定斜坡，有失穩(wěn)的可能性。

但并非所有的失穩(wěn)坡體都會參與到泥石流啟動及運動過程中，因此還必須對其進(jìn)行篩選。參考美國USGS標(biāo)準(zhǔn)[13]，結(jié)合實際分析，認(rèn)為同時滿足以下3個條件的不穩(wěn)定斜坡將會參與泥石流活動：

①匯流面積≥9 000 m2；

②坡度≥20°；

③當(dāng)24 h降雨量為100 mm時，位于溝道兩旁50 m范圍內(nèi)的區(qū)域；當(dāng)24 h降雨量為150 mm時，位于溝道兩旁100 m范圍內(nèi)的區(qū)域；當(dāng)24 h降雨量為200 mm時，位于溝道兩旁150 m范圍內(nèi)的區(qū)域；當(dāng)24 h降雨量為250 mm時，位于溝道兩旁250 m范圍內(nèi)的區(qū)域；當(dāng)24 h降雨量為300 mm時，位于溝道兩旁350 m范圍內(nèi)的區(qū)域。

1.2 泥石流危險性評價模型

根據(jù)劉希林等[14]的研究，泥石流危險性評價模型采用加權(quán)疊加方法，選擇了以下7個因子作為評價指標(biāo)：泥石流規(guī)模m(103m3)，泥石流發(fā)生頻率f(次/100 a)，流域面積s1(km2)，主溝長度s2(km)，流域相對高差s3(km)，流域切割密度s4(km-1)，不穩(wěn)定溝床比例s5。權(quán)重系數(shù)的確定方法可見參考文獻(xiàn)[15]。評價模型如下：

H=0.29M+0.29F+0.14S1+0.09S2+

(7)

式中：H為泥石流危險度；M，F(xiàn)，S1，S2，S3，S4，S5分別為m，f，s1，s2，s3，s4，s5的轉(zhuǎn)換值。轉(zhuǎn)換函數(shù)見表1。

表1 泥石流危險度評價因子轉(zhuǎn)換函數(shù)[14]

Table 1 Conversion functions of factors of debris flow hazard assessment

轉(zhuǎn)換值轉(zhuǎn)換函數(shù)MM=0,當(dāng)m≤1時M=lg(m/3),當(dāng)11000時FF=0,當(dāng)f≤1時F=lg(f/2),當(dāng)1100時S1S1=0.2458s0.34951,當(dāng)0≤s1≤50時S1=1,當(dāng)s1>50時S2S2=0.2903s0.53722,當(dāng)0≤s2≤10時S2=1,當(dāng)s2>10時S3S3=2s3/3,當(dāng)0≤s3≤1.5時S3=1,當(dāng)s3>1.5時S4S4=0.05s4,當(dāng)0≤s4≤20時S4=1,當(dāng)s4>20時S5S5=s3/60,當(dāng)0≤s5≤60時S5=1,當(dāng)s5>60時

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況

筆者選擇都江堰市白沙河流域的17條泥石流溝(磨子溝、燈草坪溝、小溝、小溝支溝、銀洞子溝、關(guān)門石溝、解板石溝、上坪溝、蒼坪溝、關(guān)鳳溝、林家溝、下坪溝、深溪溝、干溝、付家坪溝、林家磨子溝、三合廠溝)作為研究區(qū)(圖1)。其地處東經(jīng)103°33′59″--103°43′18″，北緯31°01′58″--31°22′10″，面積約94 km2。在地理位置上，位于我國南北地震帶的龍門山中段，屬長江流域岷江水系，系岷江一級支流。此流域在5·12汶川地震中受災(zāi)嚴(yán)重，至今滑坡、泥石流災(zāi)害活動仍十分活躍。根據(jù)2010--2011年快鳥影像解譯結(jié)果，白沙河流域共出現(xiàn)滑坡、崩塌災(zāi)害6 383處，泥石流185處，其中大部分處于無人區(qū)。而這17條泥石流溝主要分布在人類活動較為集中的地帶，威脅對象直接，可能造成的危害性更大。因此，將它們選為研究區(qū)更具實際意義和價值。

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

研究區(qū)內(nèi)按地勢可以分為中山區(qū)(海拔1 000～2 900 m)和低山丘陵區(qū)(海拔740～1000 m)。其中，中山區(qū)面積87.1 km2，占全區(qū)面積的92.4%，幾乎覆蓋全區(qū)，主要出露花崗巖、玄武巖以及部分變質(zhì)巖系；低山丘陵區(qū)面積7.2 km2，占全區(qū)面積的7.6%，分布在下游的河谷區(qū)，呈帶狀，主要出露中元古代普通花崗巖、開建橋組及常巖窩-石喇嘛組的火山碎屑巖及三疊系的須家河組。

研究區(qū)雨量充沛，1955--2008年，年降雨量小于1 000 mm的年份僅有2 a。但降雨量時間分布不均勻。5--9月降雨量占全年降雨量的80%，月降雨最多的8月降雨量達(dá)289.9 mm，最少的1月僅12.7 mm。并且，降雨量空間分布不均勻，表現(xiàn)為隨地勢由東南向西北逐漸升高而增加。

圖2 臨界降雨量分布圖Fig.2 Critical-rainfall distribution map

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：2010--2011年快鳥影像，根據(jù)其對滑坡、泥石流災(zāi)害點進(jìn)行解譯，生成災(zāi)害編目表；1∶50 000地形圖，根據(jù)其生成柵格大小為30 m×30 m的DEM；從DEM中衍生出坡度圖；對1∶200 000地質(zhì)圖進(jìn)行數(shù)字化處理，按照巖性歸并為6種類型：灰?guī)r、花崗巖、凝灰?guī)r、砂巖、輝長巖及沖洪積礫石與砂土。通過查閱工程地質(zhì)手冊和野外勘察資料，確定了各種巖土類別的物理力學(xué)指標(biāo)，如表2所示。

對災(zāi)區(qū)滑坡的調(diào)查及勘察資料顯示，此次地震誘發(fā)的多為淺層滑坡，且滑坡體厚度類似；因此做厚度插值意義不大。這里，滑坡深度定為2 m。

2.3 不同降雨條件下不穩(wěn)定斜坡分布

首先將研究區(qū)域按30 m×30 m的網(wǎng)格進(jìn)行柵格化處理，然后根據(jù)式(4)--(6)得到研究區(qū)域每一柵格的臨界降雨量(圖2)。

根據(jù)野外調(diào)查及收集的歷史數(shù)據(jù)，此區(qū)域的泥石流爆發(fā)通常在24 h降雨量達(dá)到100 mm以上，曾經(jīng)出現(xiàn)過的日最大降雨量為300 mm。因此，設(shè)定5個24 h降雨量分別為：100、150、200、250、300 mm，與臨界降雨量分布圖進(jìn)行疊加分析，即可得到不穩(wěn)定斜坡空間分布(圖3)。若實際降雨量小于臨界降雨量，則坡體穩(wěn)定；如果實際降雨量大于臨界降雨量，則坡體失穩(wěn)。

參考Fausto Guzzetti等[16]通過對分布在世界各地較為典型的677個崩塌、滑坡統(tǒng)計分析得到的崩塌滑坡體體積(VL)與崩塌滑坡體面積(AL)之間的關(guān)系式

(8)

即可得到不同降雨條件下不穩(wěn)定斜坡的方量。

a.100 mm;b.150 mm;c.200 mm;d.250 mm;e.300 mm。圖4 24 h不同降雨條件下泥石流危險度分區(qū)圖Fig.4 Debris flow hazard assessment under different 24 h rainfall

計算結(jié)果顯示,不同降雨條件下,研究區(qū)不穩(wěn)定斜坡的方量從1 791×104m3持續(xù)增加到2 827×104m3(圖3)。

2.4 不同降雨條件下泥石流危險性評價

根據(jù)1.1節(jié)中設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)，可得到各條泥石流溝震后不同降雨條件下參與泥石流活動的物源量。然后按照泥石流溝域分別統(tǒng)計其中的泥石流規(guī)模(表3)、發(fā)生頻率、流域面積、主溝長度、相對高差、切割密度及不穩(wěn)定溝床比例(表4)。其中發(fā)生頻率是根據(jù)震后野外調(diào)查數(shù)據(jù)而來。再基于公式(7)及表1，即可得到不同降雨條件下泥石流危險性分區(qū)圖(圖4)及評價結(jié)果(表5)。根據(jù)泥石流危險度的值,以0.2為公差，在[0.0，1.0]范圍內(nèi)劃分為5級,分別對應(yīng)5個危險度分區(qū)：極低危險度區(qū)(0.0～0.2)，低危險度區(qū)(0.2～0.4)，中危險度區(qū)(0.4～0.6)，高危險度區(qū)(0.6～0.8)，極高危險度區(qū)(0.8～1.0)(表5)。

表2 巖土類別物理力學(xué)指標(biāo)

Table 2 Physical and mechanical property of geotechnical category

巖土類別ρs/(kg/m3)T/(m2/d)c'/(kPa)φ'/(°)砂巖2.40754733灰?guī)r2.66952238花崗巖2.30603139輝長巖2.55555245凝灰?guī)r2.75802031沖洪積礫石、砂土1.66145034

表3 不同降雨條件下泥石流規(guī)模統(tǒng)計

Table 3 Volumes of debris flow under different rainfall

m3

從24 h不同降雨條件下泥石流危險度分區(qū)(圖4)可以看到：在降雨量為100 mm的情況下，17條泥石流溝中1條為低危險度，7條為中危險度，9條為高危險度；在降雨量為150 mm的情況下，17條泥石流溝中6條為中危險度，11條為高危險度；在降雨量分別為200、250及300 mm的情況下，17條泥石流溝中4條為中危險度，12條為高危險度，1條為極高危險度。即：當(dāng)24 h降雨量超過200 mm后，流域的泥石流危險等級基本不再發(fā)生變化。

表4 泥石流評價因子賦值表

Table 4 Values of factors of debris flow hazard assessment

發(fā)生頻率/(次/100a)流域面積/km2主溝長度/km相對高差/km切割密度/km-1不穩(wěn)定溝床比例磨子溝2010.214.041.602.014.07燈草坪溝802.832.291.082.792.44小溝803.853.341.161.791.07小溝支溝801.781.410.692.341.95銀洞子溝803.892.021.022.032.91關(guān)門石溝201.661.691.132.00.96解板石溝202.372.271.382.131.22上坪溝1003.341.861.181.912.43蒼坪溝504.513.541.522.211.82關(guān)鳳溝10012.396.411.902.23.26林家溝501.181.900.471.611.00下坪溝805.632.681.222.23.62深溪溝807.585.421.142.32.22干溝1004.331.890.902.053.69付家坪溝804.112.871.202.071.96林家磨子溝1008.353.781.262.193.85三合廠溝2011.881.550.901.5310.68

表5 泥石流危險性分區(qū)及評價[14]

3 結(jié)論與建議

筆者選擇都江堰市白沙河流域的17條泥石流溝作為研究區(qū)，建立滑坡-泥石流危險性評價耦合模型，研究24 h不同降雨量條件下小流域滑坡泥石流危險性的變化。

研究結(jié)果顯示,不穩(wěn)定斜坡的方量隨著24 h降雨量的增加而顯著增加，從1 791×104m3增加到2 827×104m3。而當(dāng)24 h降雨量超過200 mm后，流域的泥石流危險等級基本不再發(fā)生變化，主要以高危險度區(qū)為主，說明研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題相當(dāng)嚴(yán)峻。對于直接威脅到人民群眾生命財產(chǎn)安全的高危險度及其以上的泥石流溝，應(yīng)該按照高等級設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工程治理。同時結(jié)果也表明為了更加有效地對地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險進(jìn)行評價和管理，必須要將滑坡、泥石流作為災(zāi)害鏈，綜合地加以分析和研究。

在下一步的研究中，應(yīng)重點考慮巖土體在入滲條件下的關(guān)鍵物理參數(shù)時變效應(yīng)，提高模型輸入?yún)?shù)的定量化程度。

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Hazard Assessment on Rainfall-Triggered Landslide and Debris Flow in the Seismic Disturbance Area at Watershed Level

Wang Meng, Jiang Yuanjun, Huang Dong, Li Qianqian

KeyLaboratoryofGeo-SurfaceProcessandMountainHazards,InstituteofMountainHazardsandEnvironment,ChineseAcademyofScience,Chengdu610041,China

There are many loose slopes existed in the seismic disturbance area. Landslides and debris flow can be easily induced by a heavy or concentrated rainfall. The hazards often occur in a form of chain in an earthquake region with a severer harm than the one caused by a single disaster. In order to evaluate the geological hazards effectively, we regard the landslide and debris flow as a disaster chain and conduct the analysis synthetically. A coupled model has been developed to assess the hazard degree of debris flow induced by the different 24 h precipitation at watershed level in Baishahe watershed of Dujiangyan City in Sichuan Province. The model comprises of a landslide susceptibility evaluation model, a stability model, a hydrological model to predict unstable slopes and determine the amount of landslides to be involved, and a statistical model to evaluate the hazard degree of debris flow gully by selecting debris flow volume, frequency, basin area, main gully length, height difference, cutting density, and the ratio of unstable gully bed as the evaluation parameters. The results show that the volume of loose material involved in debris flow increase with the intensity of rainfall. However, when 24 h rainfall is over 200 mm, the hazard degree of debris flow does not change any more. Among the 17 debris flows,four debris flows are middle hazardous, twelve debris flows are high hazardous, and one debris flow is very high. It indicates that the potential geological hazard is quite serious in the study area. During the rainy season, 17 debris flows might concentratedly outbreak; which would directly threaten the nearby human lives and properties. The protection engineering and early-alert should be set to eliminate the hazards caused by the debris flows in comply with the high level fortification standard. By the way, it’s necessary to take landslide and debris flow as a disaster chain to make the hazard assessment.

watershed; seismic disturbance area; landslide; debris flow; hazard assessment

10.13278/j.cnki.jjuese.201506201.

2014-02-20

國家青年科學(xué)基金項目(41301592)；中國科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過程重點實驗室自主支持基金項目(2013年度)；長江科學(xué)院開放研究基金項目(CKWV2015228/KY)；國家科技部重點國際合作項目(2013DFA21720)

王萌(1980--)，女，副研究員，博士，主要從事滑坡風(fēng)險評價及預(yù)警報研究，E-mail:wm@imde.ac.cn。

10.13278/j.cnki.jjuese.201506201

P642.22；P642.23

A

王萌,姜元俊, 黃棟,等.基于小流域的地震擾動區(qū)降雨型滑坡泥石流危險性評價方法.吉林大學(xué)學(xué)報:地球科學(xué)版,2015,45(6):1781-1788.

Wang Meng, Jiang Yuanjun, Huang Dong,et al.Hazard Assessment on Rainfall-Triggered Landslide and Debris Flow in the Seismic Disturbance Area at Watershed Level.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(6):1781-1788.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201506201.