Debris flow risk assessment considering different rainfall sensitivity: A case study in southeast Tibet
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摘要: 藏东南是泥石流发生的高频地区，也是G318国道铁路的途径之地，泥石流对当地社会发展和重大工程建设构成严重的威胁。文中针对藏东南区域的条件选取了距公路距离、距河流距离、距断层距离、高程、坡度、降雨、NDVI等11个致灾因子来研究该地区的泥石流发生规律。在ArcGIS中导出并分析泥石流点各因子数据，进行相关性检验和建立因子敏感度等级。利用层次分析法计算权重后，结合因子敏感图层制作2015年藏东南地区泥石流危险分布图来检验模型的正确性。针对不同降雨敏感度制作不同的危险分布图来预测未来的泥石流易发区。当全区降雨敏感度为3时，藏东南近一半地区都是泥石流的极高易发区，G318国道沿线都处于高危险地区中。降雨敏感度为2时，藏东南没有极高易发区，全区危险指数大大降低，G318国道沿线高危险部分占84.56%。结果表明降雨量对研究地区泥石流的危险性分布影响较大，该研究成果可为藏东南的社会发展及重大工程基础建设提供理论支撑。Abstract: Southeast Tibet is an area with high frequency of debris flow, and also the place G318 pass through. Debris flow poses a serious threat to local social development and major engineering construction. In this paper, according to the conditions of southeast Tibet, 11 disaster-causing factors such as highway distance, watershed distance, fault distance, elevation, slope, rainfall and NDVI etc. are selected to study the occurrence regularity of debris flow in this area. Each factor data of debris flow point is derived and analyzed in ArcGIS, correlation test is carried out and factor sensitivity grade is established. After calculating the weights by AHP, the risk distribution map of debris flow in southeast Tibet in 2015 was made by combining factor sensitive layers to verify the correctness of the model. Different risk distribution maps are made according to different rainfall sensitivities to predict the future debris flow prone areas. When the rainfall sensitivity of the whole region is 3, nearly half of the southeast Tibet is highly prone to debris flow, and all along G318 are in high risk areas. When the rainfall sensitivity is 2, there is no extremely high risk area in southeast Tibet, the risk index of the whole region is greatly reduced, and the high risk part along G318 accounts for 84.56%. The results show that rainfall has a great influence on the risk distribution of debris flow in the study area. The research results can provide theoretical support for the social development and major project construction in southeast Tibet.
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Keywords:
- southeast Tibet /
- debris flow /
- rainfall sensitivity /
- ArcGIS /
- analytic hierarchy process /
- risk level
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0. 引言
我国黄土高原及周缘地区构造背景复杂，历史强震发育。黄土高原位于青藏地震区、华北地震区和华南地震区的交会部位，以鄂尔多斯地台为中心，在地台的周缘，分布有大量活跃的地震构造带，如六盘山—祁连山地震带、汾渭地震带、华北平原地震带、银川—河套地震带等，其地震构造非常复杂，是一个历史强震和现代地震频发的区域。根据现代地震台网监测资料，黄土高原及周缘地区1970—2019年间区内共发生2.0～4.0级现代地震7670余次。根据对历史地震目录的统计，区内共记录到M≥4¾级地震420次，其中8.0～8.9级地震7次，7.0～7.9级地震18次，6.0～6.9级地震61次，5.0～5.9级地震249次，4.7～4.9级地震86次，最大地震为1920年宁夏海原8.5级地震。区内发生的许多破坏性地震，如1556年华县8¼级地震、1654年天水8级地震、1920年海原8.5级地震、1927年古浪8级地震等，均造成了灾难性的后果。尤其是1920海原地震触发大量地质灾害，其数量之多、规模之大、类型之复杂、造成损失之惨重，举世罕见[1]。当前黄土高原及周缘地区7级地震复发周期已经接近，强震风险日益增高，地震地质灾害风险和威胁日趋严峻。
典型黄土是一种结构性土，具有大孔隙、弱胶结的架空结构特征，在我国黄土高原地区分布广泛。黄土在强震作用下具有强烈的地震易损性，其中震陷性是黄土最典型的灾害特性之一。黄土震陷除使自身宏观强度及变形特征发生改变、极易引发土体整体失稳与破坏之外[2]，还会产生降低桩摩阻力等工程问题[3]，因此受到国内外科研和工程技术人员的广泛关注。针对黄土震陷机理、评价和防治等方面，不同学者开展了大量的研究工作。在黄土震害调查方面，陈永明等[4]、张振中等[5]对1995年永登5.8级地震诱发的黄土震陷灾害开展了全面的调查研究。对于震陷影响因素方面，Prakash深入研究了美国中部黄土的液化特性，研究了该地区的抗液化能力受物性指标和粒径分布的影响[6]。主要考虑黄土不同的物理性质、加载条件等，确定了各物性指标及荷载参数对黄土震陷特性的影响效应[7-9]，以及黄土震陷性的区域变化规律[10-13]。部分学者研究了黄土震陷的微观机制[14-15]，提出了黄土震陷的评价模型和方法[16-18]，同时对黄土震陷引发的次生灾害的灾变机理与破坏模式进行了研究[19]，这些研究成果在典型工程及重要城镇的震害预测和抗震设防中得到应用[20]。在黄土震陷的防治方面，从土性改良[21]和地基处理[22-23]等方面开展了大量研究，为重大工程的抗震设防提供了依据。上述大量研究成果，为黄土震陷灾害的评价和预测提供了重要的理论依据。
富平县地处渭河盆地和鄂尔多斯地台的连接带，区内地震构造背景复杂，黄土分布广泛，黄土场地的震陷危险性较高。本文以富平县城市总体规划建设用地和富阎新区规划范围为研究区，通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，确定研究区的地震工程地质条件，采用地震危险性概率分析方法确定研究区不同超越概率水平的地震动参数，基于大量黄土动三轴试验确定区内不同地貌单元及不同地层黄土的震陷特性。在此基础上，研究确定区内黄土场地的震陷小区划，研究结果可为富平县的防震减灾工作提供科学依据。
1. 富平县地震工程地质条件
研究区位于陕西省中部，关中平原和陕北高原的过渡地带，属渭北黄土高原沟壑区，其具体位置如图1所示。区内地形总体西北高东南低，地势比较平坦，相对高差小于200 m。为查明研究区的地层结构及岩土体类型，共布设了199个钻孔，其中断层控制孔79个，场地控制孔117个，已有钻孔3个，钻孔深度主要为80～100 m。
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图 1 渭北黄土高原地质地貌图及研究区位置Figure 1. Location and geological and geomorphological map of the study area根据资料收集、野外调查、现场勘察和资料分析，确定了研究区的地震工程地质条件。研究区内发育有3条断裂，断裂名称及活动时代分别为：淡村—龙阳断裂（Qp）、三井—乔家断裂（Qh）和口镇—关山断裂（Qp）。区内主要分布有黄土塬和河流阶地两大地貌类型，具体包括荆山塬、华阳塬、浮塬，温泉河漫滩和一级阶地，石川河漫滩和一、二、三至四级阶地，渭河二级阶地，研究区地质地貌图如图2所示。
场地内的岩土体类型主要为黄土类土、粉质黏土、粉土、砂土、卵石及人工填土等。各地貌单元的地层结构如图3所示。由图可见：在钻孔揭露深度范围内，黄土塬为黄土—古土壤的互层结构；石川河三—四级阶地为含3～5层古土壤的黄土地层（厚30～40 m）覆盖在河流相地层之上；石川河二级阶地上覆黄土层厚20多米，见1层古土壤；渭河二级阶地上覆黄土层30～40 m，见1层古土壤。在研究区分别布设有南北向（Ⅰ—Ⅰ’）及近东西向（Ⅱ—Ⅱ’）地质剖面，剖面详情具体见图4所示。
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图 3 不同地貌单元典型地层结构图Figure 3. Typical stratigraphic structure of different geomorphic units图5给出了研究区的等效剪切波速及地脉动卓越周期的平面分布图。由图可见，场地等效剪切波速均小于500 m/s，且基本大于250 m/s。其中温泉河河床及漫滩及渭河二级阶地的等效剪切波速较低，分别为256.4 m/s及275.4 m/s，石川河河床及漫滩的平均等效剪切波速最高，最大等效剪切波速为422.6 m/s，最小为271.6 m/s，均值为347 m/s。石川河一级阶地和二级阶地的平均剪切波速相差不多，三个黄土塬区的平均等效剪切波速基本一致。整个场地的平均卓越周期较稳定，各地貌单元场地平均卓越周期主要集中在0.30～0.38 s。
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图 5 研究区等效剪切波速及卓越周期分布图Figure 5. Distribution of equivalent shear wave velocity and predominant period in the study area在地震危险性概率分析的基础上，确定了研究区50年超越概率10%和2%的地震动参数区划图，具体见图6所示，各分区的地震动参数如表1所示。
表 1 不同超越概率地震动参数表Table 1. Table of ground motion parameters with different exceedance probabilities分区 50年超越概率10% 50年超越概率2% $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ $ {\alpha _{\max }} $/g Tg/s $ {\;\beta _{\max }} $ $ \gamma $ A A2 0.195 0.50 2.5 0.9 0.360 0.70 2.5 0.9 B B1 0.220 0.45 2.5 0.9 B2 0.220 0.50 2.5 0.9 B3 0.220 0.55 2.5 0.9 0.380 0.80 2.5 0.9 B4 0.380 0.85 2.5 0.9 C C1 0.410 0.60 2.5 0.9 C2 0.410 0.70 2.5 0.9 注：${\alpha _{\max }} $为峰值加速度，Tg为特征周期，${\;\beta _{\max }} $为结构物加速度的放大倍数，$\gamma $为衰减系数 。 2. 黄土的震陷特性研究
本研究在不同地貌单元不同深度处采取黄土试样，开展黄土的震陷试验，据此研究黄土的震陷性。研究区黄土主要分布在黄土塬、石川河二级和三—四级阶地，以及渭河二级阶地，取样深度分别控制为5 m、10 m和15 m。室内动三轴试验采用K0固结，其固结压力根据上覆土体自重设置。激振动荷载采用正弦波，加载频率为1 Hz，加载循环周次为5次。
本次研究采用指数函数作为黄土的震陷模型，据此对黄土的震陷性进行拟合。模型表达式如式（1）所示。其中，A和B为试验参数，
$ {\varepsilon _{\rm{p}}} $ 为残余应变，$ {\sigma _{\rm{d}}} $ 为动应力。$ {\sigma _{{\rm{d}}0}} $ 为震陷起始动应力，$ {\sigma _{{\rm{du}}}} $ 为极限动应力。试验结果及其拟合曲线、拟合参数见图7。![]()
图 7 黄土震陷试验拟合曲线及参数Figure 7. Fitting curve and parameters of loess seismic subsidence test$$ {\varepsilon _{\text{p}}} = \left\{\begin{split} & 0\quad\quad\quad\quad\quad\;{(0\leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{d}}0}})} \\ & {A\exp (B{\sigma _{\rm{d}}})}\quad {({\sigma _{{\rm{d}}0}} \leqslant {\sigma _{\rm{d}}} < {\sigma _{{\rm{du}}}})} \end{split}\right. $$ (1) 为了分析不同地貌单元黄土的震陷性差异，将不同地貌单元相同深度的黄土试样震陷曲线进行均值化处理，并进行对比分析，结果见图8所示。
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图 8 不同地貌单元黄土震陷曲线对比分析Figure 8. Comparison and analysis of seismic subsidence curve of loess in different geomorphic units由图可见：各个地貌单元的震陷曲线特征较为相似，随着黄土层深度增大，产生相同震陷所需的动应力越大。在相同动应力条件下，黄土台塬的震陷系数最小，其次为石川河三—四级阶地，石川河二级阶地最大。可见研究区低阶地黄土震陷性强，其次为高阶地，黄土塬震陷性最小。
图9给出了不同地貌单元黄土震陷拟合参数的对比，由图可见：同一地貌单元同一深度A、B值随着土层深度增大而减小，且同一地貌单元不同深度处的A、B值变化率基本在50%～65%。不同地貌单元在同一深度处的A、B值有所不同，黄土台塬最大，其次是石川河三—四级阶地，然后是渭河二级阶地，石川河二级阶地最小。
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图 9 不同地貌单元及不同深度黄土震陷拟合参数对比分析Figure 9. Comparative analysis of fitting parameters of loess seismic subsidence in different geomorphic units and depths3. 黄土场地震陷评价
研究区黄土场地主要为黄土-古土壤的层状结构，根据地形地貌条件按照水平层状模型将场地考虑为一维计算模型，用分层总和思想计算黄土场地的震陷量。根据各钻孔地层结构及各层土体物理力学参数，结合不同超越概率条件下地震动参数和相应土体震陷曲线，确定不同地层土体的震陷系数及钻孔震陷量。以此为基础开展研究区50年超越概率10%和2%的黄土震陷小区划，结果如图10所示。
由图可见：在50年超越概率10%条件下，场地轻微黄土震陷区主要分布于浮塬和渭河二级阶地，震陷面积约3.5 km2。中等黄土震陷区分布于浮塬及渭河二级阶地，震陷面积约3.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
50年超越概率2%条件下，场地轻微及中等震陷区主要分布于石川河二级阶地和浮塬上，轻微震陷区面积约5.3 km2。中等震陷区面积约15.7 km2。严重震陷区主要分布在浮塬、渭河二级阶地以及石川河三—四级阶地，石川河河床及漫滩也有较小范围分布，震陷面积约9.9 km2，其余黄土区属于不震陷区。
4. 结论
黄土震陷是黄土高原地区最典型的灾害之一，严重威胁着当地的经济建设和居民的生命财产安全。本文通过资料收集、野外调研、室内试验和理论分析等方法，对富平县黄土震陷特性及其区划特征进行了研究，主要结论如下：
（1）典型震陷曲线表现为初始变形、曲线变形及剪切变形三个阶段。不同深度黄土震陷曲线具有相似的变化规律。随着深度的增加，产生明显震陷所需的动应力越来越大，20m以下土样不具明显的震陷性。
（2）研究区内低阶地黄土震陷性较强，其次为高阶地，黄土台塬区黄土震陷性相对较小。通过综合分析研究区不同地貌单元黄土的震陷特性，建立的震陷曲线的分段函数数学模型精度较高，可为研究区其他区域的震陷预测提供参考。
（3）50年超越概率10%条件下，研究区内轻微、中等震陷区分布于浮塬和渭河二级阶地，其余黄土区属于不震陷区。50年超越概率2%条件，研究区内轻微及中等黄土震陷区主要分布在石川河三—四级阶地、浮塬和渭河二级阶地。严重震陷区主要分布在渭河二级阶地、石川河三—四级阶地和浮塬，其余黄土区属于不震陷区。根据震陷等级给出了研究区50年超越概率10%和2%水平下的黄土震陷小区划。可为富平县及富阎新区的城市规划及防灾减灾工作提供一定的依据。
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图 2 固体物源因子数据分析（2001—2009年）
Figure 2. Data analysis of solid source factor from 2001 to 2009
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图 3 地形因子数据分析（2001—2009年）
Figure 3. Data analysis of topographic factor from 2001 to 2009
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图 4 水源因子数据分析（2001—2009年）
Figure 4. Data analysis of water source factor from 2001 to 2009
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图 5 诱发因子数据分析（2001—2009年）
Figure 5. Data analysis of inducing factors from 2001 to 2009
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图 8 降雨敏感度3的泥石流危险分布图
Figure 8. Debris flow hazard distribution map with the rainfall sensitivity 3
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图 9 降雨敏感度2的泥石流危险分布图
Figure 9. Debris flow hazard distribution map with the rainfall sensitivity 2
表 1 近8年地质灾害调查报告
Table 1 Geological disaster investigation report in recent 8 years
年份 2019 2018 2017 2016 2015 2013 2012 2011 发生地质灾害数量/次 56 67 59 185 82 138 59 139 泥石流数量/次 30 39 23 118 62 75 35 77 泥石流灾害占比/% 54 58 39 64 76 54 59 55 注：西藏历史年鉴中没有公开2014年数据。 
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表 2 泥石流致灾因子及数据来源
Table 2 Debris flow disaster factors and data sources
一级因子 二级因子 数据来源 固体物源 距公路距离 1∶100万全国基础地理信息数据 距河道距离 距断层距离 中国地震和火山 地形 高程 ASTGTM2 DEM30m 坡度 坡向 水源 降雨 中国科学院资源环境
科学与技术中心水文 诱发因子 植被覆盖率 土地利用率 地貌 地理空间数据云
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表 3 泥石流7个致灾因子的相关性分析
Table 3 Correlation analysis of 7 disaster-causing factors of debris flow
指标 距公路距离 距河道距离 距断层距离 高程 坡度 植被覆盖率 土地利用率 距公路距离 1 距河道距离 0.520** 1 距断层距离 −0.076 −0.054 1 高程 0.259** 0.416** 0.263** 1 坡度 0.171** 0.175** −0.021 0.245** 1 植被覆盖率 0.185** 0.220** −0.160** −0.199** 0.174** 1 土地利用率 0.094 0.084 0.188** 0.298** 0.105 −0.341** 1
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表 5 第一准则层判断矩阵
Table 5 The judgment matrix of first criterion layer
固体因子B1 水源因子B2 地形因子B3 诱发因子B4 固体因子B1 1 1/6 1/4 3 水源因子B2 6 1 4 8 地形因子B3 4 1/4 1 5 诱发因子B4 1/3 1/8 1/5 1
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表 6 第二准则层判断矩阵
Table 6 The judgment matrix of second criterion layer
距公路距离C1 距河道距离C2 距断层距离C3 固体物源
因子判断
矩阵距公路距离C1 1 4 7 距河道距离C2 1/4 1 4 距断层距离C3 1/7 1/4 1 高程C4 坡度C5 坡向C6 地形判断
因子矩阵高程C4 1 1/7 1/3 坡度C5 7 1 4 坡向C6 3 1/4 1 降雨C7 水文C8 水源判断
因子矩阵降雨C7 1 7 水文C8 1/7 1 植被覆盖率C9 土地利用率C10 地貌C11 诱发因子
判断矩阵植被覆盖率C9 1 2 4 土地利用率C10 1/2 1 3 地貌C11 1/4 1/3 1
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表 7 致灾因子敏感度及权重
Table 7 Sensitivity and weight of disaster-inducing factors
第一准则层 第二准则层 分类 泥石流数量 总占比/% 敏感度 权重 固体
物源
因子距公路距离C1 [0, 700)，[700, 1 400) 105，82 57.4 3 0.0688 [1 400, 2100)，[2 100, 2 800)， [2 800,3 500) 45，30，24 30.4 2 [3 500, 10 850) 40 12.3 1 距河道距离C2 [0, 1 400) 197 60.4 3 0.0234 [1 400, 2 800) 96 29.4 2 [2 800, 5 600) 34 10.4 1 距断层距离C3 [0, 5 000) 105 32.2 3 0.0078 [5 000, 10 000)，[10 000, 20 000) 78，89 51.2 2 [20 000, 30 000)，[30 000, 40 000) 43，11 16.6 1 地形
因子高程C4 [3 500, 4 500) 193 59.2 3 0.02125 [2 500, 3 500) 90 27.6 2 [1 500, 2 500)，[4 500, 5 500) 16，27 13.2 1 坡度C5 [20, 30)，[30, 40) 76，89 50.6 3 0.17525 [0, 10)，[10, 20)，[40, 50) 43，57，49 45.7 2 [50, 60) 12 03.7 1 坡向C6 西北，西南，西 52，53，50 47.5 3 0.05325 南，东，东南 47，40，37 38.0 2 北，东北 29，28 17.5 1 水源
因子年均降雨量
（2001—2009年）
C7[700, 800) 127 39.0 3 0.528 [600, 700)，[800, 900) 82，72 47.2 2 [500, 600)，[900, 1 300) 11/34 13.8 1 水文C8 森林生态系统 180 55.2 3 0.072 草地生态系统 105 32.2 2 湿地，农田，裸土地系统 17，8，15 12.3 1 诱发
因子植被
覆盖率
C9[0.6, 0.7)，[0.7, 0.8) 117，118 72.1 3 0.02785 [0.4, 0.5)，[0.5, 0.6) 28，39 20.6 2 [0.1, 0.4) 23 7.1 1 土地
利用率
C10[20, 30) 198 60.7 3 0.016 [30, 40) 102 31.3 2 [10, 20)，[40, 50)，[60, 70) 9，11，16 11.0 1 地貌
C11高海拔山地 240 73.6 3 0.00615 中高海拔平原 58 17.8 2 其余地貌 38 11.7 1
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表 8 图层数值与易发性对应表
Table 8 Corresponding table of layer values and debris flow susceptibility
图层数值 易发性 [0, 1) 非易发区（几乎不会发生泥石流） [1, 1.5) 低易发区（极少发生泥石流） [1.5, 2) 中易发区（受体条件影响容易发生泥石流） [2, 3) 高易发区 [2, 2.3) 低高易发区 [2.3, 2.6) 中高易发区 [2.6, 3) 极高易发区
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表 9 2015重大泥石流事件信息
Table 9 Information on major debris flow events in 2015
县市 位置 发生日期 来源 预测易发性 昌都边坝无名冰湖 G318国道附近 2015年7月3日 《西藏冰湖溃决灾害事件极端气候特征》 中易发区 昌都边坝金岭乡结玉村江卡自然村 边坝县讲卡村 2015年7月3日 中国天气网西藏站 中易发区 林芝扎木弄沟泥石流 波密县易贡藏布河域附近 2015年8月16日 《西藏林芝扎木弄沟泥石流规模变化趋势研究》 中易发区 林芝巴宜区 排龙乡河谷路段 2015年8月17日 中国新闻网 高易发区 昌都边坝 边坝镇普玉二村荣达自然村 2015年9月12日 人民网 中易发区 林芝 G318国道林芝境内 2015年8月—2015年9月 拉萨新华社 高易发区
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