炮江吉勒尕沟泥石流风险定量评价及成因分析

李天慧，何勇，康媛，刘慧明，刘学良,3，张艺凡

（1.新疆地质灾害防治重点实验室（新疆工程学院），新疆 乌鲁木齐 830000；2..新疆维吾尔自治区地质矿产勘查开发局第六地质大队，新疆 哈密 839000；3.中国矿业大学资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116）

泥石流风险包括致灾自然属性和社会属性，国外对风险评价取得不少成果，包括1992年泥石流风险评价包含的主要内容[1]。我国泥石流风险性评价从上世纪80年代开始，王礼先首次对泥石流进行危险区划分[2]，随后谭炳炎、刘希林等提出泥石流危害的因子评价[3-4]，逐步形成我国泥石流风险评价格架。目前主流观点是基于数值模拟的单条泥石流沟评价，及对单体泥石流对危害区域影响因素评价两方面[5-6]。

新疆莎车县达木斯乡7村炮江吉勒尕沟地处塔里木盆地西南缘、昆仑山北麓，海拔1 100～6 000 m，相对高差大于1 000 m，沟谷坡脚一般大于25°，少量达40°～60°[7]。地形地势总体自SW 向NE 倾斜，西南部为高-极高山区，东北部为中-低山区。大地构造位置上属昆仑山EW向构造带北翼，发育NWW向复式剧烈挤压褶皱带和逆掩断裂带组合。该区发育有炮江沟背斜，轴向160°，长12 km，宽1 km，东翼东倾57°，西翼西倾55°，轴面向西陡倾。两翼为阿孜干组对称褶皱，轴线波状起伏，枢纽向南倾伏，两侧翼部被断层破坏。古近—新近纪末至第四纪初以来，地质构造活动频繁强烈。在强烈新构造运动作用下，该区周缘山地发生不等量断块差异升降运动。区内新构造运动的另一表现形式是现代地震活动频繁，IV级以下小震频繁。

受上述复杂地质条件影响，研究区周边地质灾害频发（图1）。新疆华光地质勘察总公司查明，研究区地质环境条件，地质灾害特征成因，建立地质灾害信息系统，开展了地质灾害分区评价①新疆华光地质勘察总公司.新疆叶城县地质环境基础调查（地质灾害详细调查）报告，2017；中国地质环境监测院查明，莎车县和叶城县高易发区内发育的地质灾害类型、分布特征，并对地质灾害形成条件进行分析，提出防治规划②中国地质环境监测院.新疆叶城-乌恰地区综合地质调查遥感解译和危险性评价报告，2018。研究区地质资料较丰富，已进行相关调查、研究与防治工作，但对典型单体地质灾害定量评价尚欠缺，难以更好地对单体地质灾害进行防治工作。

图1 泥石流位置示意图Fig.1 Schematic diagram of the location of the debris flow

本文通过对单体泥石流发育基本特征分析，利用GIS平台、FLO-2D软件等对炮江吉勒尕沟单体泥石流进行易发性、危险性、易损性定量评价，绘制出风险性评价分区图，得出研究单体在不同情境下的预期损失，并进行定量表达，为该区防灾减灾及单体泥石流的精准防治提供重要参考和借鉴。

1 炮江吉勒尕沟泥石流基本特征

炮江吉勒尕沟泥石流位于莎车县达木斯乡7村2组村委会东侧，为达木斯乡区域内近NS向沟道，向北汇入艾亚河。该沟流域面积10.53 km2，主沟长约4.5 km。分水岭源头最高海拔2 640 m，沟口海拔1 840 m，最大相对高差800 m，沟床纵坡比为152‰。泥石流沟主沟沟道两头窄，中部宽，两侧山体陡峭，山坡坡度25°～60°，泥石流形成-流通区面积大。经地面测绘与野外调查，将该泥石流单体分为形成区、流通区和堆积区3部分，流通区与堆积区间界线较明显。地质灾害发生时，泥石流汇入沟道，由于沟道较狭窄，泥石流流量大、流速快，含泥量低，整体呈洪水泥石流特征，形成的堆积物呈扇形分布于沟口。

1.1 形成区

将沟道两侧岸坡近分水岭区域及沟道高程为1 845 m以上区域划分为形成区。该段流域主要由主沟、支沟和近分水岭段斜坡组成。区内主要松散堆积层覆盖较薄，主要为基岩或大块石斜坡，岸坡及沟床多为基岩直接出露。通过实地调查圈定出5条支沟，其集水面积较大，面积10.36 km2。主沟长约4 500 m，沟向152°，高差462 m。沟床纵坡比为98.45‰，沟宽12～130 m，深0.7～5.5 m。支沟沟谷呈“V”型，沟道宽0.8～12 m，山坡坡度25°～60°，对水及其他碎屑物质聚集较有利，为形成区。形成区上游部分基岩裸露，下游两侧坡面发育少量草类，植被覆盖率约10%，局部表层植被覆盖率大于20%。

1.2 流通区

主沟整体较直，少量有弯曲，支沟1、3、4 呈“半圆弧”型，较弯曲。沟道宽度整体相对较窄，上窄下宽，内为第四系松散堆积物。据探井、物探面波、剖面等资料推测，区域松散沉积物平均厚2.50 m。两侧斜坡坡面多为岩土复合斜坡，上覆粉土层及风化坡积物，下伏基岩主要为沉积岩（砂岩、灰岩），局部见有辉长岩体出露，风化作用为中等-弱风化。经现场调查，泥石流流域山体表层松散层厚0.15 m，在雨水作用下，基岩表层松散物随雨水汇入较窄沟道，为下游提供了丰富的松散物源。流通区下游至沟口附近为人为修筑的导流堤，约560 m，向沟口导流。由于长期泥石流堆积，南西侧导流堤淤高，未及时清理，使导流作用降低。如遇较大暴雨，可能没过导流堤，直接威胁南西侧12 户居民、130 亩耕地农田及300棵树木等。

1.3 堆积区

堆积区面积0.17 km2，第四系松散堆积物平均厚3.80 m。沟床纵坡逐渐变缓，相对高差14.0 m，平均纵坡比为45‰。泥石流沟口呈喇叭口状向SE 汇入艾亚河。堆积区为左岸阶地，是达木斯乡7 村主要农业区和居民聚居区，在冲积扇中部有简易导流堤引导泥石流汇入艾亚河。由于泥石流汇水面积过大，沟口相对较窄，使泥石流携带松散物经雨水汇集至沟口导流堤处堆积，导流堤内侧淤高。如发生较大泥石流灾害时，泥石流可能越过导流堤上部向沟道两侧农田堆积，威胁下游阶地两侧70 亩耕地农田。

2 风险定量评价

2.1 易发性评价

据《泥石流灾害防治工程勘查规范（试行）》及该泥石流的发育特征[8]，将炮江吉勒尕沟泥石流易发程度综合评分为84分（表1），易发程度等级为易发，发展阶段为活跃期。

表1 易发程度综合评判表Table 1 Comprehensive evaluation table of vulnerability

2.2 单沟泥石流危险性评价

本次评价利用泥石流模拟软件FLO-2D 对沟域进行分析处理模拟[9]。对泥石流治理工程前后不同降雨频率暴发情况进行数值模拟。结合沿程流速、泥深等分别对泥石流进行较直观的危险性评价。

①倒阴沟泥石流由于存在治理工程条件，主要考虑3个控制方程式：

连续方程式[10]:

其中，h——流体流动深度(m)，l——水力坡降(%)，u——水平方向上流体的平均流速(m/s)，v——垂直方向上流体的平均流速(m/s)。

运动方程式[11]:

其中，SfxSfy——摩擦坡降(%)，Sox/Soy——床底坡降(%)。

流变方程[12]：

其中ιc——凝聚型屈服应力（MPa）；ιmc——M.COULOMB 剪应力（MPa）；ιv——粘滞剪应力（MPa）；ιt——紊流剪应力（MPa）；ιd——扩散剪应力（MPa）。

②地形数据处理。本次评价据高精度遥感影像图和1∶5000地形图，利用ArcGIS平台，将等高线创建为不规则三角网，栅格化得到该沟域的DEM并转换为ASCII文件[10]。将具高程的ASCII 文件输入FLO-2D模拟地形基础，将地形格网化。据沟内情况，选取格网尺寸，通过计算模拟，将研究区高程进行赋值，使每一个格网都具高程属性[13]。

③数值模拟参数选择。参数选择主要据泥石流计算参数及相关规范，曼宁系数的选取主要是结合前人研究的经验值及FLO-2D手册确定。

④模拟结果及危险区预测。通过对泥石流在不同降雨频率（P=5%，P=2%，P=1%）爆发情况进行数值模拟，得到泥石流不同降雨频率下可能影响的范围（图2）。计算得出，在20年一遇降雨频率下，泥石流堆积区最大堆积范围s1=0.0 496 km2；在50 年一遇降雨频率下，最大堆积范围s2=0.1 055 km2；在100年一遇降雨频率下，最大堆积范围s3=0.2 139 km2。

图2 不同降雨频率下泥石流影响范围Fig.2 Extent of debris flow impact under different rainfall frequencies

据泥石流治理工程条件下数字模拟参数，泥石流泥深及泥深乘以最大流速值对泥石流危险性进行划分（表2）[14]，将其在不同降雨频率下的危险性进行划分（图3）。

表2 泥石流影响强度划分表Table2 Table of mudslide impact intensity division

图3 泥石流危险性分区图Fig 3 mudslide hazard zoning map

2.3 易损性评价

由于承灾体的复杂性，据现场调查，选取易损性评价因子主要包括3个部分：交通道路设施、人口密度、建筑资产等。据规范中易损性评价内容，通过对不同评价因子赋值，综合评价地质灾害易损性。

据泥石流易损度计算公式计算单沟泥石流的易损度[12]：

其中，VD——单沟泥石流易损度（0-1）；V1D——财产指标（万元）；FV1D——人口指标转换函数赋值（0-1）。

2.3.1 房屋易损性评价

据遥感影像解译房屋影像，在野外开展房屋结构类型、建筑类型及楼层数调查。按规范分别对房屋结构类型、建筑类型及楼层数进行赋值（表3）[15，17]。利用GIS计算，使用自然间断点分级法，分级得出房屋易损性评价图（图4-(a)）。

2.3.2 道路易损性评价

据数据资料及现场调查复核，泥石流危险区及周围道路类型均为一般道路。按赋值建议表对道路进行赋值（表3）[15]，利用GIS计算，使用自然间断点分级法，分级得出道路易损性分区图（图4-(b)）。

表3 易损性赋值表Table 3 Vulnerability assignment table

图4 易损性分区图Fig.4 vulnerability zoning map

2.4 风险性评价

据现场调查，泥石流沟道两侧斜坡坡体松散物较多，新增物源较丰富。对不同降雨频率下（20 年、50年、100年一遇）泥石流危险范围内承灾体开展风险评价。据规范利用GIS功能将泥石流危险性分区与承灾体易损性分区叠加计算，使用条件函数，得到泥石流风险分区图(图5)。表4 为风险分级实际意义[8，12]。

表4 泥石流风险分级及实际意义Table 4 Classes of the risk of site-pecific debris flow

图5 风险分区图Fig.5 20-year risk zoning map

条件函数：

其中：A——危险性等级；B——易损性等级。

3 形成因素分析

据研究单体特点、风险性及风险定量评价结果对机理进行探讨。炮江吉勒尕沟泥石流形成原因十分复杂，主要有地形地貌、岩土体类型、降水、植被盖度、地震作用、人类工程活动等。这些因素分为内在因素与外在因素。

内因①炮江吉勒尕沟泥石流形成于沟谷地貌，区内分水岭的分布形态控制着泥石流流域形态，地形起伏大，坡降大，流水的动能大，易带动坡面残坡积物和沟槽堆积物的搬运；②岩土体类型决定了泥石流的松散物储量，软岩及较软岩极易风化、崩解进而形成崩滑堆积物为泥石流的形成提供物源。

外因①5—9 月由于降雨原因，为研究区泥石流高发期；②强烈的地震动容易使斜坡岩土体结构松动，引发崩滑现象，为泥石流提供了丰富的物源；③植被覆盖度低或裸露的土体最容易被雨水冲刷，给泥石流提供的物源也相应增加；④过度的牧业活动导致泥石流流域范围内的草场退化，矿业活动形成的废石和弃渣为泥石流提供物源，人为的加重了泥石流的物源。

4 结论

通过对炮江吉勒尕沟单体泥石流发育特征分析，利用GIS 平台、FLO-2D 软件等对炮江吉勒尕沟单体泥石流进行易发性、危险性、易损性定量评价，做出风险性评价分区图，定量表达单体在不同情境下的预期损失。

（1）利用综合量化评判法对研究单体进行易发性评价分析。该区单体泥石流综合风险评分为84 分，易发程度等级为易发，发展阶段为活跃期。

（2）利用FLO-2D 泥石流模拟方法对泥石流沟域进行处理，对DEM 进行格网划分，以格网为单元进行模拟。得出在20年一遇降雨频率下，泥石流堆积区最大堆积范围0.0 496 km2；在50年一遇降雨频率下，最大堆积范围0.1 055 km2；在100年一遇降雨频率下，最大堆积范围0.2 139 km2。

（3）选取交通道路设施、人口密度、建筑资产等为易损性评价因子，以单个房屋及道路为评价单元，进行易损性评价并分区。

（4）利用GIS 功能将泥石流危险性分区与承灾体易损性分区叠加计算，得到不同降雨频率下单体风险分区情况。

（5）炮江吉勒尕沟泥石流的形成主要与地形地貌、岩土体类型、降水、植被盖度、地震作用、人类工程活动相关。