李彩俠，馬 煜,，何元勛

(1.成都理工大學工程技術學院，四川 樂山 614000；2.成都理工大學地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059)

0 引言

泥石流災害對我國城鎮(zhèn)建設、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境都會產(chǎn)生不利的影響，為了降低這種不利影響，泥石流的易發(fā)性、危險性和風險性(“三性”)評價體系逐漸發(fā)展并成熟起來，但各種評價都是基于泥石流本身所具有的地形、降雨、地質(zhì)等基本因素為基礎的，泥石流的形成是多種內(nèi)外因素耦合的結果，這使得控制泥石流形成的因素具有復雜性和差異性，在泥石流“三性”評價中，確定影響因素的權重就變得非常重要，它直接影響到評價結果的合理性和真實性。因此研究泥石流致災因子的相對敏感性對泥石流的“三性”評價有一定的指導意義。

我國學者對泥石流易發(fā)性因子的選取及其權重的確定經(jīng)歷了由定性到定量的過程。20世紀90年代以前，我國在泥石流方面的發(fā)展起步比較晚，認識還不夠成熟，地質(zhì)資料匱乏，主要采用定性的專家打分法[1-2]，劉希林等[3]學者向全國41家單位96位專家進行了調(diào)查，取得了一定的成果。但專家打分法在地質(zhì)災害易發(fā)性影響因子的量化、各因子之間及同一因子不同特征值之間對地質(zhì)災害易發(fā)性的影響大小確定等方面仍然存在諸如人為因素干擾等缺陷，即個人主觀性太強。為了克服主觀性和定性帶來偏差大的影響，對因子指標的權重逐漸向定量化發(fā)展，但大多都是基于數(shù)學理論，如層次分析法[4]，確定系數(shù)法[5]、邏輯回歸法[6]等，其中確定性系數(shù)法可較好地解決評價因子內(nèi)部不同特征對地質(zhì)災害易發(fā)性影響的敏感程度，但卻忽略了各因子之間關系的復雜性及其對地質(zhì)災害易發(fā)性影響的差異性。而層次分析法可較好地確定地質(zhì)災害易發(fā)性影響因子之間的相互權重大小且層次關系明確，操作簡便，使用性強，在地質(zhì)災害因子重要性選取方面使用較廣。隨著GIS技術的發(fā)展，憑借GIS圖形處理和數(shù)據(jù)管理功能使得計算結果更加精細化，通過疊加分析可以更好地將研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害發(fā)育環(huán)境接近實際情況，再加之層次分析法操作簡便，使用性強等優(yōu)點，諸多學者將GIS和層次分析法相結合在獲取致災因子權重和“三性”評價方面取得了較好的結果。本文以龍溪河流域45條泥石流溝為例，在野外調(diào)查和GIS分析的基礎上首先對泥石流發(fā)生的致災因子進行定性規(guī)律分析，然后利用層次分析法對泥石流每個因子在各層次中的占比權重進行定量分析，其結果為該地區(qū)泥石流的易發(fā)性、危險性和風險性評價提供重要的參考，同時對致災因子權重獲取、風險區(qū)劃、防災減災工作有著重要的基礎意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)山高坡陡，構造復雜，近年來泥石流發(fā)生頻率和數(shù)量呈現(xiàn)增高趨勢。據(jù)資料記載，2008年5月12日之前，該流域發(fā)育5條泥石流災害[7]，面密度為0.05條/km2。2008年5月12日、2008年6月24日、2008年9月25日、2009年7月17日等相繼有13條泥石流溝暴發(fā)泥石流[8]，面密度為0.14條/km2。2010年8月13日在最大75 mm/h強降雨下發(fā)生泥石流災害45處，掩埋沖毀公路4 240 m，沖毀河堤3 130 m，受損233棟民房，造成經(jīng)濟損失5.5×108元(圖1、表1)，面密度為0.46條/km2。

研究區(qū)龍溪河流域位于四川省都江堰市龍池鎮(zhèn)境內(nèi)，屬岷江一級支流。氣候溫和，降水充沛，屬中亞熱帶濕潤季風區(qū)。據(jù)都江堰近50年(1957—2006)氣象資料顯示，該區(qū)極端高溫 35 ℃，極端低溫-4.1 ℃，年均溫度12.2 ℃，年均降水量1 134.8 mm，5～9月降水量占年總降水量的80%以上。

研究區(qū)內(nèi)地勢由南到北呈升高趨勢，最低海拔位于南端紫坪鋪水庫840 m，最高點海拔位于北端龍池崗山頂3 250 m，地形上屬低-中山區(qū)，地貌上受強烈構造控制，從南到北依次為侵蝕堆積地貌、侵蝕剝蝕低山地貌、侵蝕中山地貌。

研究區(qū)內(nèi)新構造運動強烈，發(fā)育映秀—北川斷裂和飛來峰構造等活動性斷裂。這些構造和斷裂使該區(qū)域河谷下切，地表抬升。研究區(qū)出露地層巖性主要為分布在映秀-北川斷裂北部的元古界花崗巖、映秀-北川斷裂附近的震旦系安山巖、映秀-北川斷裂南側的二疊系和石炭系灰?guī)r、三疊系泥巖和砂巖及遍布全區(qū)域的第四系殘坡積物、崩坡積物及沖洪積物。

2 泥石流與致災因子關系

泥石流的發(fā)生是該研究區(qū)自然和人為因素的綜合作用影響，本文從泥石流地形條件、地質(zhì)條件、降雨條件等自然條件出發(fā)，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎上結合數(shù)理統(tǒng)計分析，獲取泥石流發(fā)生和致災因子的相關性。地形條件中選取流域面積、高差、山坡坡度、主溝道坡向和縱比降5個因子；地質(zhì)條件中選取巖性、距斷裂帶距離2個因子；降雨條件中選取雨季月均降雨量1個因子。

流域面積的大小反映了匯水區(qū)域和淺表層松散物源量的多少。較大流域面積會給泥石流的發(fā)生提供較多物源和水源。但較大流域面積的泥石流溝往往主溝長度較長，縱比降比較小，兩側山坡坡度較緩，因此流域面積大小并不能完全反映發(fā)生泥石流的難易程度，還應和其它地形因子綜合考慮。圖2顯示該流域73.7%泥石流發(fā)生在小于1 km2的較小流域面積，可見較小的流域面積匯水區(qū)更容易形成泥石流。

圖2 泥石流發(fā)生與流域面積的關系圖Fig.2 The relationship between debris flow occurrence and watershed area

山坡坡度指流域主溝道兩側的斜坡的平均坡度，該坡度的陡緩對泥石流的發(fā)生具有重要的作用，坡度越陡越有利于泥石流匯水區(qū)水流的匯集和啟動。另外坡度給泥石流物源的補給也起到一定作用，坡度越高，崩塌、滑坡提供崩積物和滑積物的概率要大些.這些崩滑堆積物是泥石流物源的主要來源。亓星等[9]指出松散堆積物形成為泥石流的啟動臨界坡度為 15°～16°。圖3顯示該流域發(fā)生泥石流的溝道坡度涵蓋0～70°之間，敏感性最強的溝道坡度分布30°～50°。該結論與余斌等[10]認為的25°～45°的坡度對泥石流的發(fā)生最為敏感基本一致。

圖3 泥石流與山坡坡度的關系圖Fig.3 The relationship between debris flow occurrence and slope gradient

縱比降對泥石流的發(fā)生起很大作用，主要決定泥石流體運動動力條件和輸送物質(zhì)能力的大小，一定程度上反映了松散堆積物啟動的難易程度。馬煜[11]、李彩俠[12]。統(tǒng)計得出泥石流發(fā)生區(qū)域的溝道縱比降范圍在190‰～790‰。圖3顯示該流域發(fā)生泥石流的縱比降范圍為309‰～703‰，敏感性最強的縱比降分布400‰～600‰。

高差在一定程度上反映了泥石流體勢能轉(zhuǎn)化為動能的多少和穩(wěn)定性，同時給泥石流體由勢能轉(zhuǎn)化為動能提供了動力條件。熊俊楠等[13]學者對四川省3 177條泥石流溝的相對高差研究表明相對高差300 m以上時，泥石流溝數(shù)明顯增多，但相對高差超過1 000 m時，泥石流溝數(shù)逐漸減少。圖5顯示該流域發(fā)生泥石流的流域高差范圍為190～1 430 m，敏感性最強的高差分布200～400 m。

圖4 泥石流與溝道縱比降的關系圖Fig.4 The relationship between the occurrence of debris flow and the longitudinal gradient of gully

圖5 泥石流與高差的關系圖Fig.5 The relationship between debris flow occurrence and relative elevation

溝道坡向?qū)δ嗍鞯陌l(fā)生也是一個不可忽視的因子。坡向的不同，該坡向山坡上冰雪消融時間、降雨量、植被類型、巖石風化程度等都會不同。一般來說，陽坡上受到陽光照射時間較多，溫度高、冰雪積累少，巖石遭受風化程度大，巖土體結構破碎，產(chǎn)生物源相對比較豐富，發(fā)生泥石流的概率相對陰坡要大。圖6顯示該流域發(fā)生泥石流的坡向范圍為22.5°～292.5°，敏感性最強的坡向分布在東，東南，西南，西。南向發(fā)生泥石流較少的原因主要由于研究區(qū)流域溝道走向為南北走向，泥石流溝都分布在溝道兩側。

圖6 泥石流與溝道坡向的關系圖Fig.6 the relationship between debris flow occurrence and slope direction of gully

斷裂帶走向部位會使巖土體結構破裂，強度及穩(wěn)定性降低，容易風化或產(chǎn)生崩滑積物為泥石流發(fā)育提供了物源條件。區(qū)域內(nèi)有映秀-北川斷裂北支和南支、飛來峰構造帶等三條構造帶通過，其中映秀-北川斷裂是5·12地震的發(fā)震斷裂。按照距離斷裂帶兩側直線距離統(tǒng)計泥石流分布和距離的關系，圖7顯示該流域發(fā)生泥石流在斷裂帶兩側5 km范圍內(nèi)，敏感性最強的距離區(qū)段在0～2 km。

圖7 泥石流與距斷裂帶距離的關系圖Fig.7 The relationship between debris flow occurrence and distance from fault zone

巖性在一定程度上影響泥石流的物源，由于巖性堅硬程度和抵抗風化能力不同，巖性對泥石流發(fā)生的敏感度就不同。研究區(qū)巖性以斷裂帶為界，巖性從南到北呈現(xiàn)很明顯的分段，依次為花崗巖、安山巖、泥巖和砂巖、灰?guī)r。圖8顯示對發(fā)生泥石流敏感性最強的巖性是花崗巖，其次是泥巖和砂巖。這與張繼[14]在小江流域研究結果有一定差異性，張繼[14]認為泥石流對各巖性的敏感性中，泥巖敏感性最強，花崗巖最弱。筆者認為產(chǎn)生差異原因是5·12地震時花崗巖主要以厚塊狀破裂而發(fā)生崩塌，為泥石流提供了大量的松散物質(zhì)。

圖8 泥石流與巖性的關系圖Fig.8 the relationship between debris flow occurrence and lithology

降雨量的多少是泥石流最直接、最重要的激發(fā)因素。譚萬沛等[15]指出月降雨量達到100 mm時，小流域內(nèi)就會發(fā)生多溝同發(fā)的可能性，當月降雨量達到 170 mm 時多溝同發(fā)的概率會增大到86%。據(jù)吳賽兒[16]統(tǒng)計該流域10年(2006—2015)雨季月平均降雨量為155 mm，區(qū)域內(nèi)月均雨量差異變化不大，基本保持在 10 mm以內(nèi)。本文把該區(qū)域調(diào)查的泥石流災害點與吳賽兒[16]的降雨量分區(qū)進行重疊，統(tǒng)計出該區(qū)域泥石流發(fā)生與雨季月平均降雨量的關系圖，圖8顯示該流域發(fā)生泥石流的雨季月降雨量在153～156 mm范圍內(nèi)，敏感性最強的距離區(qū)段在153～154 mm。

圖9 泥石流與雨季月平均降雨量的關系圖Fig.9 The relationship between debris flow occurrence and average monthly rainfall

3 泥石流對致災因子敏感性分析

利用 ETM 影像(28.5 m)、DEM模型(30 m)、數(shù)字地形圖(1∶50 000)、基礎地質(zhì)圖(1∶250 000)和降雨等值線圖，對龍溪河流域內(nèi)泥石流致災因子進行分析，得出龍溪河流域內(nèi)泥石流的主要影響因子為地形因子(流域面積、高程、坡度、坡向，縱比降)、地質(zhì)因子(巖性、斷裂帶)、降雨因子(降雨量、水文條件)、地表覆蓋(植被)。本文將使用層次分析法來確定各個致災因子的權重。

3.1 構建遞階層次結構

根據(jù)龍溪河流域泥石流相關資料進行分析，確定泥石流各致災因子之間的關系，建立遞階層次結構系統(tǒng)，遞階層次結構見圖10。

圖10 龍溪河泥石流致災因子遞階層次結構Fig.10 The hierarchical structure of disaster-causing factors of debris flow

3.2 構建矩陣判斷

影響泥石流發(fā)生的因子很多，每個因子之間又有相互關聯(lián)性，但每個因子對泥石流發(fā)生所起的作用不同，因此應定量的確定每個因子的重要程度。按照層次法將影響該區(qū)泥石流的各種因子按一級因子到二級因子從復雜到簡單的層次構造判斷矩陣，并根據(jù)Saaty建議采用的標度方法[17]，進行兩兩比較判斷矩陣。(表2～表6)。

表2 第一層次因子敏感性矩陣判斷Table 2 Sensitivity matrix judgment of the first level Factor

表3 歷史因子敏感性矩陣判斷Table 3 Sensitivity matrix judgment of the historical factor

表4 地形因子敏感性矩陣判斷Table 4 Sensitivity matrix judgment of the topographic factor

表5 地質(zhì)因子敏感性矩陣判斷Table 5 Sensitivity matrix judgment of the geological factor

表6 降雨因子敏感性矩陣判斷Table 6 sensitivity matrix judgment of the rainfall factor

3.3 致災因子權重值確定

經(jīng)過單一準則下同一層次元素的相對權重計算、一致性檢驗和歸一化處理后，得到致災因子層次的單層次排序和總層次排序權重結果，具有較好的一致性，其權重值具有可接受性(表7)。表7顯示該流域泥石流的致災因子的敏感性強弱排序為：降雨量>流域面積>地層巖性>縱比降>植被>水文>坡度>地質(zhì)構造>高程>坡向>地震。因此，按照各因子所占總權重大小確定龍溪河流域泥石流發(fā)生的最主要因子為降雨，流域面積，地層巖性，縱比降，水文等。這一結論與國內(nèi)外學者研究基本一致，如張具琴等[18]對汶川縣泥石流因子進行權重分析獲得主要因子為降雨、溝道坡度、植被、地層巖性、高程、水文等。田豐等[19]對甘肅省隴南市泥石流因子進行分析認為降雨量、水文、巖性硬度、坡度、地表黏粒含量對泥石流發(fā)生起到主要作用。因此本文通過層次分析法獲得龍溪河流域泥石流主要因子為降雨、流域面積、地層巖性、縱比降、水文等有一定意義，可將該結論應用在該地區(qū)泥石流的易發(fā)性評價分析中。

表7 致災因子的單層次權重值及總權重值Table 7 Single level weight value and total weight value of disaster-causing factors

4 結論

本文以龍溪河流域45條泥石流溝基礎數(shù)據(jù)為例，通過野外調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計法和層次分析法對龍溪河流域泥石流災害的主要致災因子進行定性規(guī)律分析和定量權重大小計算。結果表明：

(1)泥石流的發(fā)生與致災因子有一定相關性，且各致災因子對泥石流發(fā)生都具有敏感區(qū)間：流域面積為[0,1 km2]、山坡坡度為[30°,50°]、溝道縱比降為[400‰,600‰]、高差為[200 m,400 m]、溝道坡向為[東，東南]、距斷裂帶距離為[0,2 km]、巖性為花崗巖和砂巖/泥巖、雨季月平均降雨為[153 mm,154 mm]。

(2)結合GIS圖形處理和數(shù)據(jù)管理功能的精細化和層次分析法操作簡便，使用性強的優(yōu)點建立的層次評價模型計算龍溪河流域泥石流的致災因子權重，從結論看該方法是實用和有效的。

(3)影響龍溪河流域泥石流主要的致災因子是降雨因子中的降雨量、地形因子中的流域面積和縱比降，地質(zhì)因子中的地層巖性。這一結論具有普遍性，可以應用到該區(qū)域泥石流評價中，進而為山區(qū)泥石流災害易發(fā)性、危險性、風險性區(qū)劃提供一定的量化指標參考。