滑坡泥石流灾害风险评估的经验模型

一、泥石流灾害的经验模型

针对泥石流灾害,刘希琳在多年的实践中初步建立了一套泥石流风险定量评价方法,并在实际应用中逐步得到广泛共识和不断完善。他确定了八个区域泥石流风险评估指标:

y:泥石流沟分布密度(条/103km2),通过野外调查或航片解译获得。泥石流沟的分布密度是区域泥石流规模和频率的替代因子,包含了规模和频率的双重信息。它不仅显示了区域泥石流的发展历史,还显示了当前的活动状况,同时预示了未来的发展趋势,是区域泥石流危险性评价的重要依据。

X1:岩石风化程度系数Ky(倒数),定义为风化岩石的单轴干抗压强度除以新鲜岩石的单轴干抗压强度。岩石风化程度能很好地反映一个地区泥石流形成的可能性,Ky值与岩石性质和风化程度有关。岩石风化越严重,Ky值越小;岩性越弱,Ky值越小。新生界和中生界的Ky值为0.6,古生代和元古代岩石的ky值为0.5,半风化岩石的ky值为0.4 ~ 0.75。以岩石出露面积为重量,从地质图中计算得出。

X3:断裂带密度(km/103km2),由地质图(1: 20万或1: 50万)计算得出。一个地区的断裂带密度越大,地层岩石越破碎,产生的松散固体物质越多,泥石流的潜在规模就越大,该地区的泥石流风险就越大。

X6:大于或等于25%的坡地面积百分比(%),从政府统计部门、土地部门和其他相关部门获得。以1 ∶ 5万或1 ∶ 1,000,000地形图为基础,利用计算机GIS技术制作区域地形坡度图,从中获取大于等于25°的坡度面积百分比数据。泥石流形成区的坡度大多在25°以上。陡坡使坡面上松散固体物质的抗剪强度降低,剪应力增大,最终导致坡面的破坏和失稳,为泥石流提供了固体物质和动能的来源。

X8:洪水频率(%)

X9:年平均月降雨量变化系数的Cv值(小数),从气象部门取得数据后计算。这个因素反映了一个地区一年中每个月的降雨量分布。降雨越集中,降雨强度越大,泥石流的触发条件越充分,区域性泥石流发生的频率越大。

X11:年平均25mm及以上暴雨的天数(天),从气象部门获得(实际工作中也可用年平均50mm及以上暴雨的年平均天数代替该指标)。

X16:大于或等于25%的坡耕地面积百分比(%),从政府统计部门或土地部门获得。陡坡耕作破坏森林植被,加剧土壤侵蚀,是造成不稳定坡面重力块体运动、坡面侵蚀和沟蚀的主要因素之一。

提出了以下计算区域泥石流风险的公式:

地质灾害风险评估的理论与实践

其中:h为区域泥石流风险(0 ~ 1);Y,x1,x3,x6,x8,x9,X11,X16分别为Y,X1,X3,X6,X8,X9,x11。

其实范围变化就是从0到1的标准化,最大值转化为1,最小值改为0,其余值在0到1之间。这种方法得出的风险只是相对的而不是绝对可比的,即风险的比较只能在同一评价区域内进行,不存在跨区域的横向可比性。为了克服极差变换赋值法的缺点,刘希琳结合我国滇、川、辽、京等暴雨泥石流地区的实际情况,提出了八项指标的分段函数赋值(表3-3)。

表3-3区域泥石流风险八个评价指标的分段赋值转换函数

二是意大利学者提出的经验模型

意大利对坎帕尼亚西北盆地(面积1500km2,地质地貌特征独特,分布有火山岩、冲积沉积物和石灰岩)泥石流危险性的评估采用以下经验公式:

地质灾害风险评估的理论与实践

其中:s代表泥石流危险;a、B、K、N是与当地地形或土地利用有关的参数;g是泥石流源区的坡度。

对于整个研究区域,采用以下公式:

地质灾害风险评估的理论与实践

其中:L代表土地用途;Dc代表到危险悬崖的距离;t代表火山碎屑覆盖层的厚度;博士代表到山路的距离。

根据不同地区的具体情况,公式(2)进一步简化。如果某些地方Dc和Dr的影响不显著,可以忽略。公式(2)可以改写为S=L×G(1+T)。使用单变量统计回归方法来确定相关参数的值。对于稳定的草地,L值为0.0001,而对于针叶林,L值为1.5。

该领域的研究人员已经证实,泥石流发生频率(F)与公式(3)中的D(Dc或Dr)之间存在统计关系:

地质灾害风险评估的理论与实践

其中:f是滑坡的概率。

公式(3)解释了萨尔诺地区大规模泥石流的成因。最早的滑坡可能发生在天然危岩体或道路边坡路堑中,移动的物质只有几立方的物质。但随着暴雨的持续,火山碎屑岩覆盖层被浸湿,这些物质不断堆积在山谷中,冲向下游,逐渐发展成为杀伤力巨大的大规模泥石流灾害。泥石流的影响范围由到达角决定(=tan-1Dh/L),其中Dh为高度,L为水平长度。对于自然斜坡,泥石流的高度和水平长度在28°或21°处根据分区情况采用。处理后的滑坡采用18处的泥石流高度和水平长度。

第三,美国学者提出的统计经验模型

琼斯等人(1961)在美国富兰克林·罗斯福湖附近的更新世阶地沉积物中开发的滑坡危险性分区。根据调查的300多个滑坡灾害点的分类统计,他们建立了定性和定量影响因素(物质成分、地下水条件、阶地高度、排水条件、原始坡度和浸没)的滑坡灾害数据卡。每个滑坡灾害点按HC∶VC比(滑坡前缘到后缘的水平距离和垂直距离之比)进行分类。在已分类的10组滑坡类型中,进一步进行方差、协方差和多元回归计算,以确定系统中的重要控制参数。通过进一步的统计分析,建立了二元判别函数方程:

地质灾害风险评估的理论与实践

y是判别函数;X1为原坡度;X2是浸没百分比;X3是露台高度;X4为地下水位(0.1为高,0为低)。

320个滑坡和稳定斜坡的判别函数值在-0.0019 ~ 0.0404之间,Y值低代表稳定斜坡,Y值高代表活动滑坡。0.0106是滑动的下限,并根据该值将边坡划分为稳定(y

纽兰在1976中采用主成分分析法,从包括地形地貌、土壤力学性质、物质组成、结构特征等31个参数中选取基准变量。f检验结果表明,9个因素相互独立。建立的滑坡判别函数为:

t = 0.114×10-4 S2-0.2048×10-2R+0.8119 log(W+10)-0.583 log(D+10)

其中:t是预测函数;s是坡度(度);r为坡脚深度(m);w是离分水岭的距离(km);d是土的固结度和密度。