CN110955952A - 一种多尺度泥石流危险性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多尺度泥石流危险性评价方法，其是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。本发明构思合理，操作简单，建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。

Description

一种多尺度泥石流危险性评价方法

技术领域

本发明涉及泥石流危险性研究技术领域，具体涉及一种多尺度泥石流危险性评价方法。

背景技术

早期泥石流危险性研究多从区域范围环境背景出发，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点等方面选取危险性指标，利用数理分析方法，开展泥石流危险度判定、危险性评价与区划工作。如，地质工程师Hollingsworth和Kovacs采用打分方法，提出了泥石流危险度评价框架(Hollingsworth,1981)。

随着泥石流模型试验和野外调查的深入研究，在典型流域泥石流成灾过程的基础上，利用数理统计方法，获取单沟泥石流总量、流域扰动面积等特征参数与泥石流堆积范围(堆积长度、宽度、厚度)之间的关系，确定泥石流危害区域，进而实现泥石流危险性评价。

90年代以来，数值分析方法与GIS空间分析技术的发展为泥石流危险性评价提供了强有力的工具，通过泥石流动力因子分析完成危险性分区，使危险性评价的空间数据集成更简便、分析速度更快，精度更高，大大促进了该领域快速发展(Dikau,1990)。

国内泥石流危险度的研究起源于20世纪80年代，发展迅速，取得了突出的研究成果。80年代中期以谭炳炎提出的泥石流沟的严重程度判别因素量化分析法为典型代表。80年代后期，泥石流沟谷危险度划分更加量化和客观，其中以刘希林建立的单沟及区域泥石流多因子综合评判模型为这一时期的典型代表。90年代以来，将一些适用的数学模型应用到泥石流沟谷危险度的划分中，使得泥石流的沟谷危险度的研究发展到了基本能够精确定量、模型模式化操作。

但由于缺乏统一的方法标准与应用规范，不同模型与方法在不同的应用环境很难得到普适性的结论。尤其是近年来，全球气候变化和构造与地震活动导致的巨灾风险，对路网建设与道路交通运营影响巨大，是道路泥石流评价研究出现的新的重大科学问题。目前，尚未开展针对大规模泥石流危害公路的灾害复合性和链生性问题、泥石流对沿河公路的灾害叠加效应问题、区域泥石流孕灾条件与综合成灾过程等等开展全面系统的研究，尚未建立一套完整的多尺度泥石流危险性评价方法。为此，针对长大交通干线跨越不同地貌单元，泥石流形成因素复杂多变，通过对泥石流对公路的破坏方式的详细调查，考虑从泥石流成灾过程出发，将典型单沟泥石流勘查、重点路段调查以及全线考察结合起来，以实现对线性交通工程进行危险性的定量分析。

泥石流灾害对山区道路交通干线方案的确定具有控制性的影响。尤其是近年来，全球气候变化和构造与地震活动导致的巨灾风险，对路网建设与道路交通运营影响巨大，是道路泥石流评价研究出现的新的重大科学问题。目前，尚未开展针对大规模泥石流危害公路的灾害复合性和链生性问题、泥石流对沿河公路的灾害叠加效应问题、区域泥石流孕灾条件与综合成灾过程等等开展全面系统的研究，尚未建立一套完整的多尺度泥石流危险性评价方法。

发明内容

针对上述背景技术中存在的问题，本发明提出了一种多尺度泥石流危险性评价方法，其构思合理，操作简单，建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。

本发明的技术方案如下：

上述的多尺度泥石流危险性评价方法，是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中：所述评价方法具体包括以下步骤：

1)针对单沟泥石流危害公路情况，经过详细勘察，获取泥石流沟流域数据和泥石流体物理参数，结合泥石流流变模型，采用数值分析方法模拟泥石流的运动堆积过程，通过对动力学因子的分析完成泥石流危险性分区；

2)对公路沿河路段泥石流危险性分析时，以各条泥石流沟为研究单元，在模型试验和野外调查的基础上，分析泥石流致灾过程，利用数理统计方法，得出单沟泥石流的特征参数与泥石流堆积范围之间的关系，确定泥石流危害区域；

3)对于长大交通干线全线范围泥石流，从公路沿线环境背景出发，以野外调查为基础，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点并选取关键指标，构建泥石流危险性评价指标体系与分析模型。

3、如权利要求2所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤1)基于动力因子的单沟泥石流危险性评价；所述基于动力因子的单沟泥石流危险性评价是根据公路沿线泥石流的复合成灾特点，基于泥石流运动模拟和洪水淹没分析的泥石流危害公路的定量危险性分析方法：

H＝H_e+H_d+H_i+H_f(5-22)

式(5-1)中，H为总危险度；H_e为由泥石流冲击破坏引起的危险，用泥石流最大动能表示；H_d为由泥石流淤埋引起的危险深度，用泥石流最大淤积深度表示；H_i为泥石流堵江造成的回水淹没危险深度即堰塞湖回水上涨淹没危险深度，用回水淹没深度表示；H_f为泥石流堰塞湖溃决洪水造成的淹没危险深度即泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度，用洪水淹没深度表示；

所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度是通过泥石流堆积区二维运动模拟的方法确定；所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和堰塞坝溢流口高度确定；所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和溃决洪水最大流量确定。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度的确定方法为：

流速是确定泥石流冲击作用的关键参数，泥深反映泥石流的淤埋程度；通过泥石流运动模拟，确定泥石流扇形地上流速和流深的时空分布；通过流速的时空分布可以确定泥石流的动量—破坏能力的分布；依据流深的时空分布，可以确定泥石流淤埋深度的空间分布；

用泥石流最大流深来表征泥石流的淤积危害，在泥石流运动区域划分计算网格，每个网格(i,j)的泥深由网格内的所有颗粒体积除以网格面积得到，计算公式如下：

式(5-2)中，N_i,j等于以点(i,j)为中心的控制格网内的颗粒数，ΔV为颗粒的体积，A是数值模拟采用的网格面积，H_d为泥石流淤埋深度，其值越大，泥石流危险性越大；

用泥石流的动能来表征泥石流的冲击破坏能力，采用每个网格在整个泥石流运动过程中的最大动能值，反映每个网格的最大冲击产生的危险性，计算公式如下：

式(5-3)中，H_e为泥石流最大动能指标，u、v分别是x、y方向的速度，h为泥石流泥深，ρ为泥石流密度，A为数值模拟采用的网格的面积。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度的确定方法为：

在溃坝洪水和河流回水淹没范围内，河水淹没深度是反映泥石流对公路危害的关键参数；首先计算泥石流堵江后形成堰塞湖库容，然后通过基于河道DEM的洪水淹没分析方法求得淹没范围和水深分布；

对于由堰塞湖引起的间接危害结合该区历史降雨条件，预测在一定降雨条件下该泥石流暴发后堵江的可能性，判断泥石流堵江可能性的判别式如下：

C_M＝1.189(1-cosθ)²+3.677γ_c/γ_M-ln(Q_Mυ_M/Q_Bυ_B)≥12.132 (5-25)

C_F＝0.883(1-cosθ)²+2.587γ_c/γ_M-ln(Q_M/Q_B)≥8.572 (5-26)

式(5-4)和(5-5)中，C_M为泥石流堵江的动量判据；C_F为泥石流堵江的流量判据；Q_M、Q_B为主支沟的单宽流量；υ_B为支沟泥石流表面最大流速；υ_M为主沟水流表面最大流速；γ_c为泥石流容重；γ_M为主流容重；θ为主支沟夹角；当泥石流与主沟的流速、流量、入汇角和容重满足关系式(5-4)或(5-5)时，即C_M≥12.132或C_F≥8.572，将发生泥石流堵塞主沟现象；

对于有可能堵河的泥石流沟可以利用数值模拟法和经验公式法计算堵河高度；所述数值模拟法是结合泥石流峰值流量Q_p和径流过程，推求给定频率降雨条件下泥石流过程流量的方法，如果能获取泥石流从发生到结束的流动时间，即可利用前述数值分析方法进行数值模拟，计算出堆积厚度的分布，从而确定堵江高度；所述经验公式法首先需要估算泥石流峰值流量Q_p，如果知道泥石流流动的时间T，即可利用泥石流径流总量的经验公式计算一次泥石流总量：

式(5-6)中，Q_c为一次泥石流总量；T为泥石流持续时间；

进而根据泥石流入汇河道的地形条件，初步估算泥石流堰塞体的高度H_b：

H_b＝2Q_c/L(B_U+B_D) (5-28)

式(5-7)中，L为堵塞体沿泥石流流动方向的长度；B_U为堰塞体顶部宽度；B_D为堰塞体底部宽度；

因此，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度H_i可简化为危险区的高差计算：

H_i＝(H₀+H_b)-H_i,j (5-29)

式(5-8)中，H₀为堰塞体底部高程；H_b为堰塞体坝体高度；H_i,j为淹没范围任一计算网格(i,j)的高程；H_i为相应计算网格的淹没深度，其值越大，淹没的危险性越大，当其为0时，为临界危险状态。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度的确定方法为：

所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度H_f的计算分为沿程流量计算和水位计算；土石坝溃决最危险的情况为坝体瞬间溃决，对于堰塞湖溃决后，坝址洪峰流量的计算采用Schoklitsch公式计算：

式(5-9)中，Q_max为坝址最大流量；B_u为坝顶宽度；b为溃口宽度；H_w为溃坝前上游水深；g为重力加速度；

坝址下游沿程各河段控制断面最大流量采用下式(5-10)计算：

式(5-10)中，Q_LM为距坝址L米的控制断面最大溃坝演进流量；W为水库总库容；Q_M为坝址最大流量；L为控制断面距坝趾的距离；VK为经验系数，山区河道VK＝7.15，半山区河道VK＝4.76，平原河道VK＝3.13；

利用堰塞体溃决洪水演进模型计算沿程流量和水位，根据公路沿途的高程确定是否受到溃决洪水威胁及其危险程度；距坝址L米的控制断面的淹没面积A_f和任一计算网格的泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度H_f分别为：

A_f＝n(Q_LM-Q₀)/R_2/3I_1/2 (5-32)

H_f＝n(Q_LM-Q₀)/R^2/3I^1/2B_i (5-33)

式(5-11)和(5-12)中，Q₀为城区给定断面的过流能力；R为水力半径；I为水力坡度；等于底床坡度；B_i为断面淹没宽度；

泥石流冲毁、淤埋以及堰塞湖上涨回水与溃决洪水淹没的量值确定以后，利用GIS技术的空间分析功能，求算泥石流冲击破坏能力、泥石流淤埋深度、淹没深度、洪水流深的空间分布，从而进行危险性分区。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述步骤2)是针对公路沿河路段泥石流危险性分析即对河谷段公路泥石流危险性评价；所述对河谷段公路泥石流危险性评价的方法具体包括2.1)泥石流致灾方式确定、2.2)评估指标选择和2.3)指标量化；

根据泥石流对沿河公路的危害方式和程度，选取泥石流规模H₁、泥石流淤积程度H₂、泥石流堵江程度H₃三个因子作为泥石流危害道路的评价指标；

所述2.2)评估指标选择具体包括：

2.21)泥石流规模

泥石流规模H₁用泥石流一次冲出总量表示；泥石流一次冲出的总量越大，对道路的危害越大；

2.22)泥石流淤积危害程度

泥石流淤积危害主要表现在对道路路面的淤埋与桥梁(涵洞)的淤积。对于道路路面，其遭受泥石流淤埋的程度，采用泥石流在路域范围内的堆积厚度与路面距最近处泥石流沟床垂直距离的比值H_2r来表示，其值越大，泥石流堆积物距离路面越近，危险性越大，当H_2r≥1时，路面已经被泥石流淤埋；对于桥梁，其遭受淤积的危害程度H_2b，采用泥石流堆积体对桥下过流断面淤积程度来表示，对过流断面淤积越高，桥梁越危险；

2.23)泥石流堵江程度

泥石流堵江程度的量化，主要考虑泥石流与路面以及河道的位置关系，采用一次泥石流最大堆积长度L与主河宽度B、河岸距泥石流沟口距离l的相对关系来表示；当L≤l时，表明泥石流堆积物尚未到达河岸，对河道不造成影响；当L>l且L<l+B时，泥石流部分物质淤积部分河道，形成局部堵江状态，堵塞体迫使主河冲向异岸形成曲流，对路基或桥墩造成冲刷危害；当L≥l+B时，泥石流完全堵塞河道，形成堰塞湖，水面上升，回水对道路造成淹没危害；

所述2.3)指标量化具体包括：

2.31)流域基本参数和泥石流容重

据研究区地形和水文数据，结合GIS技术，计算流域基本参数；容重是泥石流性质分析与流量计算必不可少的参数，对野外采集的泥石流样品进行颗分试验的基础上，采用式(5-13)计算研究区泥石流容重；

2.32)泥石流规模计算

用经验公式法分两种情况估算一次泥石流总量，以表达泥石流规模指标；如果知道泥石流流动的时间T，可以利用泥石流径流总量的经验公式(5-6)计算一次泥石流总量；如果不能获取泥石流从发生到结束的具体时间，可用如下公式(5-17)计算泥石流总量：

Q_c＝152.97Q_p ^1.266 (5-34)

式(5-17)中，Q_c为一次泥石流总量(m³)，Q_P为泥石流峰值流量(m³/s)；

Q_P可以通过考虑堵塞条件下的配方法获得，具体计算公式如下：

式(5-18)中，Q_P为泥石流峰值流量；φ_c为泥石流峰值流量增加系数；Q_B为清水峰值流量；γ_c为泥石流容重；γ_w为清水容重；γ_s为固体物质实体容重，这里固体物质实体容重取2.7t/m³；D_U为堵塞系数；S_p为暴雨雨强；p为降雨频率；τ为流域汇流时间；n为暴雨衰减系数；F为小流域汇水面积；

2.33)泥石流淤积道路程度确定

采用一次泥石流危险范围预测模型，模型如下：

式(5-19)中，S_d为一次泥石流危险范围；L_d为一次泥石流最大堆积长度；h_d为一次泥石流最大堆积厚度；V_c为一次松散固体物质最大补给量；G为堆积区坡度；γ_c为泥石流容重；

在进行泥石流对道路淤埋的评价时，首先由泥石流规模计算方法获得一次泥石流冲出的总量Q_c，应用公式(5-20)计算一次泥石流固体物质总量V_c，然后根据地形数据量算泥石流堆积区的坡度G，最后将上述参数代入式(5-19)计算一次泥石流最大堆积长度和厚度，即可获的泥石流淤积道路程度指标值；

V_c＝(γ_c-γ_w)·Q_c/(γ_s-γ_w) (5-37)

式(5-20)中，V_c为一次泥石流固体物质总量；Q_c为一次泥石流冲出的总量；γ_c为泥石流容重；γ_w为清水容重；γs为固体物质实体容重，这里固体物质实体容重取2.7t/m³；

2.34)泥石流堵江程度确定

根据一次泥石流危险范围的计算结果，泥石流堵江程度的指标可以量化为

H₃＝(L-l)/B (5-38)

式(5-21)中，H₃为泥石流堵江程度值，H₃≥1，表示泥石流完全堵塞河道，H₃取1；L为泥石流最大堆积长度；l为泥石流沟口到河岸的距离；B为河道宽度；

2.35)泥石流危险度确定

H＝H₁+H₂+H₃ (5-39)

式中：H为总危险度，H₁为泥石流规模，H₂为泥石流淤积危害程度，H₃为泥石流堵江程度。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述步骤3)是针对长大交通干线全线范围泥石流即公路全线泥石流危险性评价；所述公路全线泥石流危险性评价的方法包括3.1)评估指标选取和3.2)评价方法选择；

所述3.1)评价方法选择的具体方法为：

信息量法是通过现有信息，把区域稳定性的各种影响因素的实测值转化为反映区域稳定性的信息量，表征影响因素对研究对象的“贡献”大小，进而评价研究对象的稳定程度；信息预测是用信息量来衡量的，即：

根据条件概率运算，式(5-23)可进一步写成：

式(5-23)和(5-24)中，I(Y,x₁x₂...x_n)为因素组合x₁x₂...x_n对泥石流灾害提供的信息量；P(Y|x₁x₂...x_n)为因素x₁x₂...x_n组合条件下泥石流发生的概率；P(Y)为泥石流发生的概率；

为因素x₁存在时，因素x₂对泥石流提供的信息量；

制约和影响泥石流发生的环境因子较多且各种环境因子所起作用的大小、性质有差异的，故采用简化的单因素信息量方法来评价泥石流危险性；信息量模型可表示为：

式(5-25)中，I为研究区评价单元总的信息量值；n为参评因子数；I(y,x_i)为泥石流发生条件下出现x_i的概率；S为研究区评价单元总面积；A为研究区含有泥石流的单元总面积；S_i为研究区内含有评价因素x_i的单元面积之和；A_i为分布在因素x_i内特定类别内的泥石流单元面积之和。

所述多尺度泥石流危险性评价方法，其中，所述公路全线泥石流危险性评价的方法具体如下步骤：①单独计算各因素对泥石流发生提供的信息量：②计算单个评价单元的总信息量；③用总信息量作为判别泥石流发生的综合指标，其值越大越有利于泥石流的发生，泥石流危险度越高；④对全部单元的信息量值划分不同危险等级，完成泥石流危险性评价与分区。

有益效果：

本发明多尺度泥石流危险性评价方法建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。

本发明多尺度泥石流危险性评价方法构思合理，操作流程简单，评价结果可以直接为线路个体工程设计、局部路段线路选线、道路全线线路走向提供科学依据。

本发明多尺度泥石流危险性评价方法实现了不同研究尺度的公路泥石流危险性定量评价与分区，可以比较系统地服务于交通廊道范围内个体工程防灾设计、科学规划公路局部线位、道路全线灾害风险管理等。

本发明多尺度泥石流危险性评价方法的多尺度泥石流危险性评价结果可直接服务如下几方面：(1)危险性分析结果服务于既有线路已建泥石流防御工程的安全评价；(2)基于泥石流动力过程的单沟泥石流危险性分析结果可以服务于线路个体工程灾害防治设计；(3)典型公路段泥石流危险性评价结果可以服务于局部路段线路选线；(4)公路全线的泥石流灾害分区与危险性评价结果可以为确定线路走向提供科学依据。

附图说明

图1为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流危害公路示意图；

图2为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流灾害发生现场图；

图3为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流堵江形成堰塞湖现场图；

图4为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的G318K3404泥石流颗粒分布曲线图；

图5为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的数值模拟的泥石流直接危害区图；

图6为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的数值分析的洪水淹没区图；

图7为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的公路危险性分段结果图；

图8为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流淤塞桥梁的情景图；

图9为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流淤埋路面的情景图；

图10为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流挤河形成曲流冲刷路基的情景图；

图11为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流堵江形成堰塞湖，淹没公路的情景图；

图12为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流堵江示意图；

图13为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的川藏公路西曲河段沿线泥石流分布图；

图14为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流危险性分析结果图；

图15为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的泥石流危险性评价指标体系图；

图16为本发明多尺度泥石流危险性评价方法中涉及的川藏公路南线泥石流危险性分析结果图。

具体实施方式

本发明多尺度泥石流危险性评价方法，是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。

本发明多尺度泥石流危险性评价方法，具体包括以下步骤：

1)针对单沟泥石流危害公路情况，经过详细勘察，获取泥石流沟流域数据和泥石流体物理参数，结合泥石流流变模型，采用数值分析方法模拟泥石流的运动堆积过程，通过对动力学因子的分析完成泥石流危险性分区。步骤1)中的数值分析方法采用基于流团模型的数值模拟方法，该数值模拟方法的运动方程采用Lagrange形式的2-D Saint-Venant方程，该方程可以从3-D不可压缩Navier-Stokes方程由底床到自由表面的积分导出，在泥石流的数值模拟中得到广泛的应用。方程中只包含在泥石流堆积泛滥的研究中极为重要的三个变量——泥深、x方向的速度、y方向的速度，而不必直接考虑密度的变化和压力的作用；这里考虑泥石流体的动量守恒方程，并假定泥石流组成成分都遵从同样的方程。同时，该方法把泥石流视为大量小颗粒的集合体，根据离散的运动方程计算各个颗粒在每一时间步的速度和空间分布，结合GIS技术，在真实地形上模拟泥石流的堆积运动过程，有效地避免了传统的有限差分方法在计算泥石流运动方程时遇到的困难。

2)公路沿河路段泥石流危险性分析时，以各条泥石流沟为研究单元，在模型试验和野外调查的基础上，分析泥石流致灾过程，利用数理统计方法，得出单沟泥石流总量、流域扰动面积等特征参数与泥石流堆积范围(堆积长度、宽度、厚度)之间的关系，确定泥石流危害区域。步骤2)是根据泥石流对沿河公路的危害方式和程度，选取泥石流规模、泥石流淤积程度、泥石流堵江程度三个因子作为泥石流危害公路的危险性评价指标，并确定各个指标的定量计算方法，建立了沿河公路泥石流危险性分析方法。

3)对于长大交通干线全线范围泥石流，从公路沿线环境背景出发，以野外调查为基础，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点，从研究区地貌、地层岩性、地质构造、地震、外动力地质作用、气象水文条件、人类活动等方面选取关键指标，构建泥石流危险性评价指标体系与分析模型。步骤3)充分考虑资料的可获取性、研究尺度以及数据量化要求，把区域稳定性的各种影响因素的实测值转化为反映区域稳定性的信息量，表征影响因素对研究对象的“贡献”大小，进而评价泥石流可能的破坏能力，实现研究区泥石流危险性评价。基于上述分析，本发明建立了基于GIS与信息量模型的公路泥石流危险性分析方法，实现区域尺度的川藏公路全线泥石流危险性评价与分区。

上述步骤1)是基于动力因子的单沟泥石流危险性评价；通过公路沿线泥石流调查发现，大规模泥石流对公路的危害，既包括泥石流直接冲淤公路工程，也包括对公路的链式复合致灾，如图1所示，具有如下特点：

(1)泥石流直接冲毁和淤埋公路路基路面、桥梁(涵洞)；

(2)泥石流堵江后形成的堰塞湖对上游公路的淹没危害；

(3)泥石流堵江后的溃决洪水对下游路段的强烈冲刷、淹没危害。

上述基于动力因子的单沟泥石流危险性评价是根据公路沿线泥石流的复合成灾特点，基于泥石流运动模拟和洪水淹没分析的泥石流危害公路的定量危险性分析方法：

H＝H_e+H_d+H_i+H_f

(5-43)

式中：H为总危险度，H_e为由泥石流冲击破坏引起的危险深度，用泥石流最大动能表示；H_d为由泥石流淤埋引起的危险深度，用泥石流最大淤积深度表示；H_i为泥石流堵江造成的回水淹没危险即堰塞湖回水上涨淹没危险深度，用回水淹没深度表示；H_f为泥石流堰塞湖溃决洪水造成的淹没危险即泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度，用洪水淹没深度表示。

其中，上述的泥石流冲击破坏引起的危险和由泥石流淤埋引起的危险是通过泥石流堆积区二维运动模拟的方法确定；上述的堰塞湖回水上涨淹没危险是根据堰塞湖与公路的相对位置和堰塞坝溢流口高度确定；上述的堰塞湖溃决洪水危险是根据堰塞湖与公路的相对位置和溃决洪水最大流量确定。

上述的泥石流冲击破坏能力和淤埋深度的确定方法具体为：

流速是确定泥石流冲击作用的关键参数，泥深反映泥石流的淤埋程度。通过泥石流运动模拟，确定泥石流扇形地上流速和流深的时空分布。通过流速的时空分布可以确定泥石流的动量——破坏能力的分布；依据流深的时空分布，可以确定泥石流淤埋深度的空间分布。

用泥石流最大流深来表征泥石流的淤积危害，在泥石流运动区域划分计算网格，每个网格(i,j)的泥深由网格内的所有颗粒体积除以网格面积得到，计算公式如下：

式中，N_i,j等于以点(i,j)为中心的控制格网内的颗粒数，ΔV为颗粒的体积(m³)，A是数值模拟采用的网格面积(m²)，H_d为泥石流淤埋深度(m)，其值越大，泥石流危险性越大。

用泥石流的动能来表征泥石流的冲击破坏能力，采用每个网格在整个泥石流运动过程中的最大动能值，反映每个网格的最大冲击产生的危险性，计算公式如下：

式中，H_e为泥石流最大动能指标，u、v分别是x、y方向的速度(m/s)，h为泥石流泥深(m)，ρ为泥石流密度(kg/m³)，A为数值模拟采用的网格的面积(m²)。

上述泥石流堰塞湖淹没危险性的确定方法具体为：

在溃坝洪水和河流回水淹没范围内，河水淹没深度是反映泥石流对公路危害的关键参数。首先计算泥石流堵江后形成堰塞湖库容，然后通过基于河道DEM的洪水淹没分析方法求得淹没范围和水深分布。

对于由堰塞湖引起的间接危害，首先根据以前的研究成果和泥石流沟谷调查和勘察的结果，结合该区历史降雨条件，预测在一定降雨条件下该泥石流暴发后堵江的可能性。判断泥石流堵江可能性的判别式如下。

C_M＝1.189(1-cosθ)²+3.677γ_c/γ_M-ln(Q_Mυ_M/Q_Bυ_B)≥12.132 (5-46)

C_F＝0.883(1-cosθ)²+2.587γ_c/γ_M-ln(Q_M/Q_B)≥8.572 (5-47)

式中，C_M为泥石流堵江的动量判据，C_F为泥石流堵江的流量判据，Q_M、Q_B为主支沟的单宽流量(m³/s)，υ_B为支沟泥石流表面最大流速(m/s)，υ_M为主沟水流表面最大流速(m/s)，γ_c为泥石流容重(t/m³)，γ_M为主流容重(t/m³)，θ为主支沟夹角(°)。当泥石流与主沟的流速、流量、入汇角和容重满足关系式(5-4)或(5-5)时，即C_M≥12.132或C_F≥8.572，将发生泥石流堵塞主沟现象。

对于有可能堵河的泥石流沟，可以利用两种方法计算堵河高度，一是数值模拟法，二是经验公式法。崔鹏等构建了结合泥石流峰值流量Q_p和径流过程，推求给定频率降雨条件下泥石流过程流量的方法(Cui,2011)。如果能获取泥石流从发生到结束的流动时间，就可以利用前述数值分析方法进行数值模拟，计算出堆积厚度的分布，从而确定堵江高度。对于经验公式法，首先，需要估算泥石流峰值流量Q_p，如果知道泥石流流动的时间T，可以利用泥石流径流总量的经验公式计算一次泥石流总量：

式中：Q_c为一次泥石流总量(m³)，T为泥石流持续时间(s)。

进而，根据泥石流入汇河道的地形条件，可以初步估算泥石流堰塞体的高度H_b：

H_b＝2Q_c/L(B_U+B_D) (5-49)

式中：L为堵塞体沿泥石流流动方向的长度(m)，B_U为堰塞体顶部宽度(m)，B_D为堰塞体底部宽度(m)。

因此，堰塞湖的回水淹没危险性H_i可以简化为危险区的高差计算：

H_i＝(H₀+H_b)-H_i,j (5-50)

式中：H₀为堰塞体底部高程(m)，H_b为堰塞体坝体高度(m)，H_i,j为淹没范围任一计算网格(i,j)的高程(m)，H_i为相应计算网格的淹没深度(m)，其值越大，淹没的危险性越大，当其为0时，为临界危险状态。

上述泥石流堰塞湖溃决洪水危险性的确定方法具体为：

下游堰塞湖对公路设施的危害主要表现在溃决洪水淹没和冲毁，考虑公路遭受泥石流危害的最大风险，本发明仅考虑堰塞湖全溃的形式。

泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度H_f的计算，分为沿程流量计算和水位计算两步。考虑到土石坝溃决最危险的情况为坝体瞬间溃决，因此对于堰塞湖溃决后，坝址洪峰流量的计算，可采用Schoklitsch公式(Schoklitsch,1948)计算。

式中Q_max为坝址最大流量(m³/s)，B_u为坝顶宽度(m)，b为溃口宽度(m)，H_w为溃坝前上游水深(m)，g为重力加速度(9.8m/s²)。

坝址下游沿程各河段控制断面最大流量采用下式计算：

式中：Q_LM为距坝址L(m)的控制断面最大溃坝演进流量；W为水库总库容；Q_M为坝址最大流量(m³/s)；L为控制断面距坝趾的距离(m)；VK为经验系数，山区河道VK＝7.15，半山区河道VK＝4.76，平原河道VK＝3.13。

利用堰塞体溃决洪水演进模型(丁志雄,2004)，计算沿程流量和水位，根据公路沿途的高程，确定是否受到溃决洪水威胁及其危险程度。距坝址L(m)的控制断面的淹没面积A_f和任一计算网格的淹没深度H_f分别为：

A_f＝n(Q_LM-Q₀)/R_2/3I_1/2 (5-53)

H_f＝n(Q_LM-Q₀)/R^2/3I^1/2B_i (5-54)

式中：Q₀为城区给定断面的过流能力(m³/s)，R为水力半径(m)，I为水力坡度，等于底床坡度(°)，B_i为断面淹没宽度(m)。

泥石流冲毁、淤埋以及堰塞湖上涨回水与溃决洪水淹没的量值确定以后，利用GIS技术的空间分析功能，求算泥石流冲击破坏能力、泥石流淤埋深度、淹没深度、洪水流深的空间分布，从而进行危险性分区。

下面结合具体实施例，对上述步骤1)中基于动力因子的单沟泥石流危险性评价，作进一步阐述：

实施例1

本实施例1是针对海通沟泥石流危险性评价

(1.1)“6·23”泥石流

受持续强降雨作用，2012年6月23日川藏公路西藏芒康县境内海通沟段(川藏公路G318线K3404公里处)发生大型泥石流灾害(图2)。泥石流形成的堆积扇长约100m，顺河宽约210m，平均厚度约7-8m。泥石流冲毁G318线路基超过200m，阻断海通沟形成堰塞湖(图3)，堰塞湖回水约300m，平均宽度60m，平均水深5-6m，库容约10万m³，造成160m路基淹没，公路积水最深处达8m，此外，约500m路面遭受泥沙、洪水冲淤危害。此次泥石流灾害导致G318线交通完全中断，100余台车辆受阻，300余人被困。

(1.2)泥石流危害范围确定

首先根据地形资料，结合GIS空间分析技术，获取流域基础参数，如流域面积、主沟长度、底床坡度等。根据现场调查取样，采用高精度3D激光扫描仪对泥石流堆积坝、部分流通区、堰塞湖进行精确扫描，确定泥石流的基本参数，如沟床糙率、断面泥痕高度等，野外调查采样的土体颗分试验结果如图3所示，出口断面泥深为12.0m。进而，依据公式(5-13)(陈宁生,2003)计算出泥石流容重为2.0t/m³，依据公式(5-14)(唐邦兴,1994)计算出泥石流出口处流速，依据公式(5-15)与(5-16)(吴积善,1993)计算出泥石流体的粘滞系数与屈服应力等。在此基础上，根据海通沟DEM建立5m×5m分辨率的数值计算格网，并选取泥石流沟口断面作为泥石流运动数值模拟的起始断面，模拟泥石流在堆积区上的运动过程。

γ＝-1.32×10³x⁷-5.13×10²x⁶+8.91x⁵-55x⁴+34.6x³-67x²+12.5x+1.55 (5-55)

式中，γ泥石流容重(t/m³)；x为黏粒含量的质量百分比，V_c为泥石流出口断面流速(m/s)；n_c为沟床糙率系数；H_c为泥石流断面泥深(m)；I_c为水力坡度，等于底床坡度(°)；η为泥石流浆体粘滞系数(N.s/m²)；τ为泥石流浆体的屈服应力(N/m²)。泥石流运动数值模拟的基本参数见表1。

表1泥石流运动数值模拟基本参数

通过对泥石流运动过程的模拟，可以获取堆积区每个模拟计算网格的流速、流深数据。经过ArcGIS栅格-矢量数据转换即可获取泥石流堆积范围(图5)。采用公式(5-9)计算坝址最大流量和公式(5-10)计算河段控制断面最大流量，结合公式(5-11)、(5-12)，通过ArcEngine+C#独立编程实现洪水演进计算，获取洪水淹没范围和任一计算网格的淹没深度(图4)。

(1.3)泥石流危险评价

根据公式(5-1)确定堆积区的危险性指标值H，利用自然断点法对危险性指标值H进行分级，计算获取的分界点为0.4，0.8，依此危险区内公路路段进行分析：高危险路段(>0.8)、中危险路段(0.8～0.4)、低危险路段(<0.4)，公路危险性分段结果见图5。

分析结果表明，高危险路段长度约520m，占总危害长度的63.4％，主要为泥石流冲出沟口的主流区，泥石流来势凶猛，以冲毁的成灾形式对公路设施构成严重破坏，可造成人员伤亡和财产损失。同时，该区段大部分位于地势低洼带，堰塞湖及溃坝洪水对该区淹没深度最大，危害最为严重。中危险路段长度约190m，占总危害长度的23.2％，位于较深处洪水淹没区域，较大洪水可以淹没该区造成公路设施损坏，危害较重。低危险路段长度约110m，占总危害长度的13.4％，位于地势较高地带，泥石流与洪水破坏作用不明显，危害相对较轻。

上述步骤2)是针对公路沿河路段泥石流危险性分析即对河谷段公路泥石流危险性评价；其中，对河谷段公路泥石流危险性评价的具体方法为：

2.1)泥石流致灾方式确定

根据考察结果，泥石流对沿河公路的危害主要分为直接危害和间接危害，包括堵塞、冲击、冲刷、淤埋、淹没五类形式。直接危害包括：①泥石流对公路桥涵的堵塞、冲击(图8)，②泥石流对公路路面或桥涵的淤积和淤埋(图9)。间接危害包括：①泥石流冲入河流后形成壅塞体，迫使河流流向异岸，形成曲流，对桥墩、路基等形成强烈冲刷；②公路沿线大量泥石流位置进入河道，在河水的冲刷带动作用下，泥石流位置像下游运移，使河床淤积抬高，直接威胁公路安全，严重时河水上涨直接淹没公路(图10)；③泥石流堵断河流导致河水上涨，淹没公路(图11)。

2.2)评估指标选择

根据泥石流对沿河公路的危害方式和程度，选取泥石流规模(H₁)、泥石流淤积程度(H₂)、泥石流堵江程度(H₃)三个因子作为泥石流危害道路的评价指标。

2.21)泥石流规模

泥石流规模(H₁)用泥石流一次冲出总量表示。泥石流一次冲出的总量越大，对道路的危害越大。

2.22)泥石流淤积危害程度

泥石流淤积危害主要表现在对道路路面的淤埋与桥梁(涵洞)的淤积。对于道路路面，其遭受泥石流淤埋的程度，采用泥石流在路域范围内的堆积厚度与路面距最近处泥石流沟床垂直距离的比值(H_2r)来表示，其值越大，泥石流堆积物距离路面越近，危险性越大，当H_2r≥1时，路面已经被泥石流淤埋。对于桥梁，其遭受淤积的危害程度(H_2b)，采用泥石流堆积体对桥下过流断面淤积程度来表示，对过流断面淤积越高，桥梁越危险。

2.23)泥石流堵江程度

泥石流堵江程度的量化，主要考虑泥石流与路面以及河道的位置关系，采用一次泥石流最大堆积长度L与主河宽度B、河岸距泥石流沟口距离l的相对关系来表示(图12)。当L≤l时，表明泥石流堆积物尚未到达河岸，对河道不造成影响；当L>l且L<l+B时，泥石流部分物质淤积部分河道，形成局部堵江状态，堵塞体迫使主河冲向异岸形成曲流，对路基或桥墩造成冲刷危害；当L≥l+B时，泥石流完全堵塞河道，形成堰塞湖，水面上升，回水对道路造成淹没危害。

将以上3个因子的量化值划分为I、II、III、Ⅳ等4个等级，分别赋予0～1之间的数值(表2)：

表2泥石流危害道路评价指标与分级

2.3)指标量化方法

2.31)流域基本参数和泥石流容重

据研究区地形和水文数据，结合GIS技术，计算流域基本参数，如流域面积、沟床比降、主沟长度、流域最大相对高差等。容重是泥石流性质分析与流量计算必不可少的参数，对野外采集的泥石流样品进行颗分试验的基础上，采用式(5-13)计算研究区泥石流容重。

2.32)泥石流规模计算

由于道路工程对泥石流沟堆积区扰动较强，为了保障公路正常运营，泥石流堆积物常常被搬运、输移，难以实测一次泥石流过程总量。目前国际上通过统计具体一次泥石流总量和泥石流洪峰流量的关系，建立了许多经验模型。这些模型通常简洁，应用方便，可以结合流域具体情况选用不同的模式。为此，应用经验公式法分两种情况估算一次泥石流总量，以表达泥石流规模指标。如果知道泥石流流动的时间T，可以利用泥石流径流总量的经验公式(5-6)计算一次泥石流总量；如果不能获取泥石流从发生到结束的具体时间，可用如下公式(5-17)计算泥石流总量：

Q_c＝152.97Q_p ^1.266 (5-59)

式中：Q_c为一次泥石流总量(m³)，Q_P为泥石流峰值流量(m³/s)。

Q_P可以通过考虑堵塞条件下的配方法获得，具体计算公式如下：

式中：Q_P为泥石流峰值流量(m³/s)，φ_c为泥石流峰值流量增加系数，Q_B为清水峰值流量(m³/s)，γ_c为泥石流容重(t/m³)，γ_w为清水容重(t/m³)，γ_s为固体物质实体容重(t/m³)，这里取2.7(t/m³)，D_U为堵塞系数，S_p为暴雨雨强(mm/h)，p为降雨频率(％)，τ为流域汇流时间(h)，n为暴雨衰减系数，F为小流域汇水面积(km²)。

2.33)泥石流淤积道路程度确定

泥石流堆积厚度和淤积范围可以数值模拟方法计算，但数值模拟所需较多的泥石流物理参数和高分辨率地形数据，对大范围区域的泥石流灾点，数值模拟部分物理参数难以获得；因此，需要一种可以方便地用于潜在灾害危险性评估的泥石流堆积厚度的计算方法，具体是采用刘希林《泥石流危险性评价》中提出的一次泥石流危险范围预测模型，模型如下：

式中：S_d为一次泥石流危险范围(m²)；L_d为一次泥石流最大堆积长度(m)，h_d为一次泥石流最大堆积厚度(m)，V_c为一次松散固体物质(可能)最大补给量(m³)，G为堆积区坡度(°)，γ_c为泥石流容重(t/m³)。

在进行泥石流对道路淤埋的评价时，首先由泥石流规模计算方法获得一次泥石流冲出的总量Q_c，应用公式(5-20)(陈宁生,2011)计算一次泥石流固体物质总量V_c，然后根据地形数据量算泥石流堆积区的坡度G，最后将上述参数代入式(5-19)计算一次泥石流最大堆积长度和厚度，即可获的泥石流淤积道路程度指标值。

V_c＝(γ_c-γ_w)·Q_c/(γ_s-γ_w) (5-62)

式中：V_c为一次泥石流固体物质总量(m³)；Q_c为一次泥石流冲出的总量(m³)，γ_c为泥石流容重(t/m³)，γ_w为清水容重(t/m³)，γ_s为固体物质实体容重(t/m³)。

2.34)泥石流堵江程度确定

根据一次泥石流危险范围的计算结果，泥石流堵江程度的指标可以量化为

H₃＝(L-l)/B (5-63)

式中：H₃为泥石流堵江程度值，H₃≥1，表示泥石流完全堵塞河道，H₃取1。L为泥石流最大堆积长度(m)，l为泥石流沟口到河岸的距离(m),B为河道宽度(m)。B，l可以根据地形数据直接获取。

2.35)泥石流危险度确定

H＝H₁+H₂+H₃ (5-64)

式中：H为总危险度，H₁为泥石流规模，H₂为泥石流淤积危害程度，H₃为泥石流堵江程度。

下面结合具体实施例，对上述步骤2)针对公路沿河路段泥石流危险性分析即对河谷段公路泥石流危险性评价，作进一步阐述：

实施例2

本实施例2是针对西曲河段泥石流危险性评价

(2.1)泥石流形成条件

西曲河流域位于藏东横断山区，为金沙江一级支流，主河长123km，流域面积2776km²。河口高程2455m，流域最高点高程5095m，相对高差2640余m。西曲河流域总体地势是西北高东南低，流域沟谷为“V”字形高山深切峡谷地貌，从西曲河电站至六道班地段，河流切深，地形坡度大，尤其是海通兵站经加素顶上宗拉山这一区段地形更为陡峻；西曲河电站以东，河流切割变小，地形坡度变缓。流域平均坡度在20°以上，特别是河谷上游地段及沟源处多在35～45°，沟床纵坡降大多介于103‰～472‰之间，巨大的高差，合适的地形坡度，为泥石流的形成提供的极好的能量条件。

西曲河流域在区域构造上位于金沙江--红河断裂带，两大左行走滑断裂(察雅东-盐井断裂、拉妥-德钦-雪龙山断裂)呈北西-南东向弧状通过该区。由于板块的冲撞，在压力的转移过程中，断裂带之内形成大量的压性同向次级断层与次级褶皱。区内地质构造作用强烈，断层活跃；岩层多陡倾、直立乃至倒转，岩石构造繁多，岩体破碎。西曲河路段线出露的地层主要为奥陶系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系，出露的岩石主要是以砂岩、灰岩为主的沉积岩，以流纹岩和火山角砾岩为主的火成岩；多种成因的第四纪松散堆积物。其中砂岩分布最广，主要分布于二道班-西曲河电站、四道班-六道班以及西曲河出口河段，岩体多呈层状，由于坡面风化作用，在降雨的冲刷下坡面侵蚀较严重。流纹岩和火山角砾岩主要出露于二道班及西曲下游区段，由于融冻风化作用，岩石中节理裂隙发育，岩体主要呈块状。由于岩体物理风化及强烈的地质构造运动，西曲河流域第四纪松散堆积物较发育，为泥石流形成提供了大量松散物源。

在气候上，西曲河流域属青藏高原气候，气温低冷，受地势的控制，东受太平洋气流影响，西受印度洋气流影响，但影响强度不大，大气偏干燥。降雨的季节分配不均匀，雨季旱季十分明显。雨季降雨量主要集中于6～9月，一般占全年总量的90％左右，年平均降水402mm，最大日降水31.7mm，年平均温度7.7℃，最大积雪10.7cm，年平均蒸发量1968mm，年平均温差41℃。受寒冻气候影响，岩体易于产生冻胀，加速了节理与裂隙的扩张，风化作用加强，给滑坡与崩塌的形成提供了有利的结构面，在局部强降雨或冰雪融水的激发下，易于形成泥石流。

(2.2)西曲河流域泥石流

根据野外实际调查，西曲河流域川藏公路沿线分布有泥石流沟45条，其中，沟谷泥石流40条，坡面泥石流5条(图13)。泥石流沟地貌基本特征见表3。该流域泥石流暴发频率高，每逢雨季，多处发生不等规模的泥石流阻断公路，属于泥石流严重危害地段。2012年6月17日-25日，藏东地区芒康县境内连续强降雨的影响，流域内公路沿线暴发22处泥石流，其中8处泥石流堵断公路，泥石流编号分别是C15，C16，C17，C26，C27，C28，C29，C30；1处(编号为C31)泥石流完全堵江，泥石流冲毁对岸路基200余m，形成长约300m，平均宽度60m的堰塞湖。此次群发性泥石流导致100余台车辆受阻，300余人被困，G318川藏公路彻底断道10余天。

表3西曲河段公路沿线泥石流沟地貌基本特征一览表

(2.3)泥石流危险性分析

根据考察结果和道路泥石流危险性分级标准(表5-2)，通过计算，川藏公路西曲河段泥石流危险度计算值位于0.75～2.75之间，运用ArcGIS自然断点法，将道路危险度分为高度危险、中度危险、低度危险、微度危险等4个级别，分级结果见图14。

统计分析表明，高危险路段的路线总长11.35km，中危险路段的路线总长11.16km，低危险路段的路线总长13.18km，微危险路段的路线总长21.91km。进一步分析各个危险区段显示，高危险路段长度占道路全线的19.7％，主要集中在四道班到海通兵站区段与六道班处，该区有大断裂南北向穿过，岩体破碎，大量的松散固体物质分布其间，加之平均沟谷比降较大，造成堵江和堵断公路的大型泥石流主要分布在该区段；中危险路段长度占道路全线的19.4％，主要集中在海通兵站以西到六道班区段、日荣到草地贡村区段，主要发生中小规模泥石流，对公路设施危害较小；低危险和微危险路段主要分布在六道班以西区段、西曲河电站以东至达拉伸区段、以及西曲河出口区域，此区域沟谷型泥石流大多暴发规模很小，未对路面造成危害；沿线分布一些坡面型泥石流，对道路影响主要以局部淤积和淤埋为主，灾害较轻。

上述步骤3)是针对长大交通干线全线范围泥石流即公路全线泥石流危险性评价；该公路全线泥石流危险性评价具体包括3.1)评估指标选取和3.2)评价方法选择；

3.1)评估指标选取

川藏公路跨越不同的地貌单元，沿线岩性出露广泛，地质构造活动强烈，气象水文条件非常复杂。在充分对比地质地貌气象水文条件的基础上，选取地貌、地层岩性、地质构造、地震、外动力地质作用、气象水文条件、人类活动等7类因素作为川藏公路沿线泥石流危险性评价的I级评价指标。

由于川藏公路南线线路较长，地貌条件中坡度及地表起伏度不仅是控制斜坡稳定性的最重要的因素，而且山坡坡度的陡缓直接影响泥石流发育的松散碎屑物的分布和聚集。川藏公路沿线岩石出露广泛且复杂，岩石的类型、软硬程度以及层间结构决定岩体的力学性质和抗风化能力，进而影响坡体的稳定性和地表侵蚀的难易程度。川藏公路断裂构造非常发育，距离断裂越近，公路工程场地受到活动构造的切割程度，断裂密度越大，场地受到构造的切割与扰动越大，影响着工程的稳定性。地震烈度反映了地震对工程场地造成的实际影响，表明了地表在地震下的破坏程度及对地壳稳定性的影响程度，地震烈度越大，受到地震的破坏越强烈，地壳稳定性越差。降雨尤其是局地性短历时的暴雨，是泥石流的激发因素，中尺度到大尺度的长历时强降雨过程，往往导致大面积群发性滑坡泥石流。气温变化不仅影响岩石风化程度，而且对高寒地区冰雪冻融均有影响，间接促使泥石流的形成。土地利用类型反映地表覆被变化情况，也从一定程度上反映人类活动对泥石流形成的影响。因此，为了全面分析川藏公路全线泥石流危险性，进一步表征一级评价指标，选取坡度、地表起伏度、岩石抗剪强度指标(内摩擦角与粘聚力)、距断层距离、地震烈度、岩层风化程度、最大24h降雨量、年平均气温、土地利用类型等10项指标作为II级评价因子(图15)。

3.2)评价方法选择

信息量法是通过现有信息，把区域稳定性的各种影响因素的实测值转化为反映区域稳定性的信息量，表征影响因素对研究对象的“贡献”大小，进而评价研究对象的稳定程度(阮沈勇,2001；高克昌,2006)。信息预测是用信息量来衡量的(Clerici,2002)，即：

根据条件概率运算，式(5-23)可进一步写成：

式中，I(Y,x₁x₂...x_n)为因素组合x₁x₂...x_n对泥石流灾害提供的信息量，P(Y|x₁x₂...x_n)为因素x₁x₂...x_n组合条件下泥石流发生的概率，P(Y)为泥石流发生的概率，

为因素x₁存在时，因素x₂对泥石流提供的信息量。

众所周知，制约和影响泥石流发生的环境因子较多且各种环境因子所起作用的大小、性质有差异的，故采用简化的单因素信息量方法来评价泥石流危险性。信息量模型可表示为：

式中：I为研究区评价单元总的信息量值，n为参评因子数，I(y,x_i)为泥石流发生条件下出现x_i的概率，S为研究区评价单元总面积，A为研究区含有泥石流的单元总面积，S_i为研究区内含有评价因素x_i的单元面积之和，A_i为分布在因素x_i内特定类别内的泥石流单元面积之和。

上述上述步骤3)针对长大交通干线全线范围泥石流即公路全线泥石流危险性评价的方法在GIS技术支持下，泥石流危险性评价可归纳为：①单独计算各因素对泥石流发生提供的信息量：②计算单个评价单元的总信息量；③用总信息量作为判别泥石流发生的综合指标，其值越大越有利于泥石流的发生，泥石流危险度越高；④对全部单元的信息量值划分不同危险等级，完成泥石流危险性评价与分区。一般情况，泥石流危险性分析过程中研究区采用相同大小的栅格评价单元，因此，式(5-25)中的单元面积计算可以转化为单元个数计算。

下面结合具体实施例，对上述步骤2)对于长大交通干线全线范围泥石流即公路全线泥石流危险性评价作进一步阐述：

实施例3

本实施例3是针对川藏公路(G318线)泥石流危险性评价

(3.1)因子量化处理

充分考虑资料的可获取性、研究尺度以及评价精度的要求，GIS数据处理以栅格形式进行，将每个栅格大小为25m×25m。利用研究区1∶5万DEM数据，结合ArcGIS平台中surface分析工具提取坡度和地表起伏度；采用1∶25万地质图提取研究区的地层、岩性、断裂等地质信息；岩石的内摩擦角与粘聚力是依据地层岩性特征以及岩石力学参数手册中岩石抗剪强度指标值确定的；岩体的风化程度主要根据地层年代、岩性以及岩体碎裂程度来划分，将岩层出露时间长且岩块节理裂隙较发育划为强风化，岩层出露时间较短且岩块裂隙发育微弱划为弱风化，而地层出露完整且广泛、没有岩浆侵入活动、且节理裂隙发育不强定为中等风化；地震烈度值是根据1990年的中国地震烈度区划图获取；最大24h降雨量与年平均气温数据均由公路沿线气象站点数据利用空间插值方法获得；研究区内土地利用类型是依据国家2000年的1km×1km土地利用数据获得，共分为：常绿林、灌丛、稀树林、坡草地、平原草地、荒漠草原、河流湖泊、冰川、裸岩砾石、城镇用地、农田等11类。在野外考察的基础上，通过ArcGIS平台，整理公路沿线泥石流的空间与属性信息，并在此基础上开展进一步的研究工作。

(3.2)指标分级与信息量计算

指标分级旨在建立评价因子的主次关系，次级指标是对上一级指标的进一步细化。根据野外调查分析，结合研究区的孕灾环境条件，将评价因子的分级指标作为信息量计算的判别指标。利用GIS软件，首先获取每个判别指标的面积，然后依据上述信息量计算方法，获得各个指标段上的信息量。各评价因子的分级与信息量值如表4所示。

表4评价因子的分级与信息量值

(3.3)泥石流危险性分析

依据泥石流各影响因素的单因子信息量图层，运用GIS软件的空间分析功能，叠加运算各个因子分析结果，获得整个研究区域的综合信息量，量值范围为(-34.0～8.0431)。每个网格值代表了各因素及其状态对泥石流灾害影响程度的信息量值，信息量的数值越大，反映各因素对泥石流发生的贡献率越大，发生泥石流的危险性越大。依据自然断点法(natural break)将泥石流危险性指数进行重新分类，划分为4级：微危险(-34.0～-3.995)、低度危险(-3.995～-2.102)、中度危险(-2.102～0.608)、高度危险(0.608～8.043)。通过合并相同等级的栅格单元，用不同颜色表示各个危险等级，实现公路全线危险性分级图，分析结果见图16。分别统计危险等级的公路长度可知，高度危险路段公路长度为934.14km；中度危险路段公路长度为553.88km；低度危险路段公路长度为364.42km；微度危险路段公路长度为141.71km。泥石流危险路段及泥石流统计结果见表5。

表5泥石流危险路段及泥石流统计结果

统计结果表明，研究区域大部分处于中度危险以上，中度危险与高度危险路段的长度占全线总长度的74.62％，范围较大，在公路修复和重新规划建设中应注意该区域发生泥石流的可能性。低度危险路段占全线总长度的18.27％，微度危险路段范围最小，占全线总长度的7.12％。

从评价结果图上可以发现，研究区的泥石流危险性分布具有一定的特征：从地貌单元看，泥石流在大渡河、澜沧江、金沙江、怒江、帕隆藏布江等大江大河的深切峡谷区危险性高，而成都平原及高原面上灾害危险性低；从公路分段看，二郎山-泸定-康定、莫多乡-芒康-左贡-八宿、冷曲、帕隆藏布流域泥石流危险性较高，天全-二郎山、高尔寺山-雅江-剪子弯山、工布江达-米拉山-墨竹工卡段泥石流危险性为中等，鲁朗-色季拉山-林芝、剪子弯山-理塘-海子山、达孜-拉萨段的泥石流危险性相对较低，成都-浦江-雅安段泥石流危险性最低。

对比分析泥石流野外考察和遥感解译资料，评价结果中的中度、高度危险路段内分布89.83％的已知泥石流，说明评价结果与川藏公路泥石流分布比较一致。

本发明构思合理，操作简单，建立在基于动力过程的泥石流危害公路的危险性定量分析、基于公路泥石流成灾过程的危险性分析、区域尺度泥石流危险性评价与分区等研究成果上，泥石流灾害危险性分析模型与关键技术的可行性和合理性得到验证，完善了跨尺度泥石流灾害危险性评价的理论体系。

Claims (9)

1.一种多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于：是对主要灾点、典型路段以及全线大范围区域三个空间尺度展开综合研究，探讨不同尺度公路泥石流危险性分析方法。

2.如权利要求1所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于：所述评价方法具体包括以下步骤：

1)针对单沟泥石流危害公路情况，经过详细勘察，获取泥石流沟流域数据和泥石流体物理参数，结合泥石流流变模型，采用数值分析方法模拟泥石流的运动堆积过程，通过对动力学因子的分析完成泥石流危险性分区；

2)对公路沿河路段泥石流危险性分析时，以各条泥石流沟为研究单元，在模型试验和野外调查的基础上，分析泥石流致灾过程，利用数理统计方法，得出单沟泥石流的特征参数与泥石流堆积范围之间的关系，确定泥石流危害区域；

3)对于长大交通干线全线范围泥石流，从公路沿线环境背景出发，以野外调查为基础，分析泥石流的形成条件、发育特征和活动特点并选取关键指标，构建泥石流危险性评价指标体系与分析模型。

3.如权利要求2所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤1)基于动力因子的单沟泥石流危险性评价；所述基于动力因子的单沟泥石流危险性评价是根据公路沿线泥石流的复合成灾特点，基于泥石流运动模拟和洪水淹没分析的泥石流危害公路的定量危险性分析方法：

H＝H_e+H_d+H_i+H_f (5-1)

式(5-1)中，H为总危险度；H_e为由泥石流冲击破坏引起的危险，用泥石流最大动能表示；H_d为由泥石流淤埋引起的危险深度，用泥石流最大淤积深度表示；H_i为泥石流堵江造成的回水淹没危险深度即堰塞湖回水上涨淹没危险深度，用回水淹没深度表示；H_f为泥石流堰塞湖溃决洪水造成的淹没危险深度即泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度，用洪水淹没深度表示；

所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度是通过泥石流堆积区二维运动模拟的方法确定；所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和堰塞坝溢流口高度确定；所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度是根据堰塞湖与公路的相对位置和溃决洪水最大流量确定。

4.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述由泥石流冲击破坏引起的危险深度和由泥石流淤埋引起的危险深度的确定方法为：

流速是确定泥石流冲击作用的关键参数，泥深反映泥石流的淤埋程度；通过泥石流运动模拟，确定泥石流扇形地上流速和流深的时空分布；通过流速的时空分布可以确定泥石流的动量—破坏能力的分布；依据流深的时空分布，可以确定泥石流淤埋深度的空间分布；

用泥石流最大流深来表征泥石流的淤积危害，在泥石流运动区域划分计算网格，每个网格(i,j)的泥深由网格内的所有颗粒体积除以网格面积得到，计算公式如下：

式(5-2)中，N_i,j等于以点(i,j)为中心的控制格网内的颗粒数，ΔV为颗粒的体积，A是数值模拟采用的网格面积，H_d为泥石流淤埋深度，其值越大，泥石流危险性越大；

用泥石流的动能来表征泥石流的冲击破坏能力，采用每个网格在整个泥石流运动过程中的最大动能值，反映每个网格的最大冲击产生的危险性，计算公式如下：

式(5-3)中，H_e为泥石流最大动能指标，u、v分别是x、y方向的速度，h为泥石流泥深，ρ为泥石流密度，A为数值模拟采用的网格的面积。

5.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度的确定方法为：

在溃坝洪水和河流回水淹没范围内，河水淹没深度是反映泥石流对公路危害的关键参数；首先计算泥石流堵江后形成堰塞湖库容，然后通过基于河道DEM的洪水淹没分析方法求得淹没范围和水深分布；

对于由堰塞湖引起的间接危害结合该区历史降雨条件，预测在一定降雨条件下该泥石流暴发后堵江的可能性，判断泥石流堵江可能性的判别式如下：

C_M＝1.189(1-cosθ)²+3.677γ_c/γ_M-ln(Q_Mυ_M/Q_Bυ_B)≥12.132 (5-4)

C_F＝0.883(1-cosθ)²+2.587γ_c/γ_M-ln(Q_M/Q_B)≥8.572 (5-5)

式(5-4)和(5-5)中，C_M为泥石流堵江的动量判据；C_F为泥石流堵江的流量判据；Q_M、Q_B为主支沟的单宽流量；υ_B为支沟泥石流表面最大流速；υ_M为主沟水流表面最大流速；γ_c为泥石流容重；γ_M为主流容重；θ为主支沟夹角；当泥石流与主沟的流速、流量、入汇角和容重满足关系式(5-4)或(5-5)时，即C_M≥12.132或C_F≥8.572，将发生泥石流堵塞主沟现象；

对于有可能堵河的泥石流沟可以利用数值模拟法和经验公式法计算堵河高度；所述数值模拟法是结合泥石流峰值流量Q_p和径流过程，推求给定频率降雨条件下泥石流过程流量的方法，如果能获取泥石流从发生到结束的流动时间，即可利用前述数值分析方法进行数值模拟，计算出堆积厚度的分布，从而确定堵江高度；所述经验公式法首先需要估算泥石流峰值流量Q_p，如果知道泥石流流动的时间T，即可利用泥石流径流总量的经验公式计算一次泥石流总量：

式(5-6)中，Q_c为一次泥石流总量；T为泥石流持续时间；

进而根据泥石流入汇河道的地形条件，初步估算泥石流堰塞体的高度H_b：

H_b＝2Q_c/L(B_U+B_D) (5-7)

式(5-7)中，L为堵塞体沿泥石流流动方向的长度；B_U为堰塞体顶部宽度；B_D为堰塞体底部宽度；

因此，所述堰塞湖回水上涨淹没危险深度H_i可简化为危险区的高差计算：

H_i＝(H₀+H_b)-H_i,j (5-8)

式(5-8)中，H₀为堰塞体底部高程；H_b为堰塞体坝体高度；H_i,j为淹没范围任一计算网格(i,j)的高程；H_i为相应计算网格的淹没深度，其值越大，淹没的危险性越大，当其为0时，为临界危险状态。

6.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度的确定方法为：

所述泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度H_f的计算分为沿程流量计算和水位计算；土石坝溃决最危险的情况为坝体瞬间溃决，对于堰塞湖溃决后，坝址洪峰流量的计算采用Schoklitsch公式计算：

式(5-9)中，Q_max为坝址最大流量；B_u为坝顶宽度；b为溃口宽度；H_w为溃坝前上游水深；g为重力加速度；

坝址下游沿程各河段控制断面最大流量采用下式(5-10)计算：

式(5-10)中，Q_LM为距坝址L米的控制断面最大溃坝演进流量；W为水库总库容；Q_M为坝址最大流量；L为控制断面距坝趾的距离；VK为经验系数，山区河道VK＝7.15，半山区河道VK＝4.76，平原河道VK＝3.13；

利用堰塞体溃决洪水演进模型计算沿程流量和水位，根据公路沿途的高程确定是否受到溃决洪水威胁及其危险程度；距坝址L米的控制断面的淹没面积A_f和任一计算网格的泥石流堰塞湖溃决洪水危险深度H_f分别为：

A_f＝n(Q_LM-Q₀)/R^2/3I^1/2 (5-11)

H_f＝n(Q_LM-Q₀)/R^2/3I^1/2B_i (5-12)

式(5-11)和(5-12)中，Q₀为城区给定断面的过流能力；R为水力半径；I为水力坡度；等于底床坡度；B_i为断面淹没宽度；

泥石流冲毁、淤埋以及堰塞湖上涨回水与溃决洪水淹没的量值确定以后，利用GIS技术的空间分析功能，求算泥石流冲击破坏能力、泥石流淤埋深度、淹没深度、洪水流深的空间分布，从而进行危险性分区。

7.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤2)是针对公路沿河路段泥石流危险性分析即对河谷段公路泥石流危险性评价；所述对河谷段公路泥石流危险性评价的方法具体包括2.1)泥石流致灾方式确定、2.2)评估指标选择和2.3)指标量化；

根据泥石流对沿河公路的危害方式和程度，选取泥石流规模H₁、泥石流淤积程度H₂、泥石流堵江程度H₃三个因子作为泥石流危害道路的评价指标；

所述2.2)评估指标选择具体包括：

2.21)泥石流规模

泥石流规模H₁用泥石流一次冲出总量表示；泥石流一次冲出的总量越大，对道路的危害越大；

2.22)泥石流淤积危害程度

泥石流淤积危害主要表现在对道路路面的淤埋与桥梁(涵洞)的淤积。对于道路路面，其遭受泥石流淤埋的程度，采用泥石流在路域范围内的堆积厚度与路面距最近处泥石流沟床垂直距离的比值H_2r来表示，其值越大，泥石流堆积物距离路面越近，危险性越大，当H_2r≥1时，路面已经被泥石流淤埋；对于桥梁，其遭受淤积的危害程度H_2b，采用泥石流堆积体对桥下过流断面淤积程度来表示，对过流断面淤积越高，桥梁越危险；

2.23)泥石流堵江程度

泥石流堵江程度的量化，主要考虑泥石流与路面以及河道的位置关系，采用一次泥石流最大堆积长度L与主河宽度B、河岸距泥石流沟口距离l的相对关系来表示；当L≤l时，表明泥石流堆积物尚未到达河岸，对河道不造成影响；当L>l且L<l+B时，泥石流部分物质淤积部分河道，形成局部堵江状态，堵塞体迫使主河冲向异岸形成曲流，对路基或桥墩造成冲刷危害；当L≥l+B时，泥石流完全堵塞河道，形成堰塞湖，水面上升，回水对道路造成淹没危害；

所述2.3)指标量化具体包括：

2.31)流域基本参数和泥石流容重

据研究区地形和水文数据，结合GIS技术，计算流域基本参数；容重是泥石流性质分析与流量计算必不可少的参数，对野外采集的泥石流样品进行颗分试验的基础上，采用式(5-13)计算研究区泥石流容重；

2.32)泥石流规模计算

用经验公式法分两种情况估算一次泥石流总量，以表达泥石流规模指标；如果知道泥石流流动的时间T，可以利用泥石流径流总量的经验公式(5-6)计算一次泥石流总量；如果不能获取泥石流从发生到结束的具体时间，可用如下公式(5-17)计算泥石流总量：

Q_c＝152.97Q_p ^1.266 (5-13)

式(5-17)中，Q_c为一次泥石流总量(m³)，Q_P为泥石流峰值流量(m³/s)；

Q_P可以通过考虑堵塞条件下的配方法获得，具体计算公式如下：

式(5-18)中，Q_P为泥石流峰值流量；φ_c为泥石流峰值流量增加系数；Q_B为清水峰值流量；γ_c为泥石流容重；γ_w为清水容重；γ_s为固体物质实体容重，这里固体物质实体容重取2.7t/m³；D_U为堵塞系数；S_p为暴雨雨强；p为降雨频率；τ为流域汇流时间；n为暴雨衰减系数；F为小流域汇水面积；

2.33)泥石流淤积道路程度确定

采用一次泥石流危险范围预测模型，模型如下：

式(5-19)中，S_d为一次泥石流危险范围；L_d为一次泥石流最大堆积长度；h_d为一次泥石流最大堆积厚度；V_c为一次松散固体物质最大补给量；G为堆积区坡度；γ_c为泥石流容重；

在进行泥石流对道路淤埋的评价时，首先由泥石流规模计算方法获得一次泥石流冲出的总量Q_c，应用公式(5-20)计算一次泥石流固体物质总量V_c，然后根据地形数据量算泥石流堆积区的坡度G，最后将上述参数代入式(5-19)计算一次泥石流最大堆积长度和厚度，即可获的泥石流淤积道路程度指标值；

V_c＝(γ_c-γ_w)·Q_c/(γ_s-γ_w) (5-16)

式(5-20)中，V_c为一次泥石流固体物质总量；Q_c为一次泥石流冲出的总量；γ_c为泥石流容重；γ_w为清水容重；γ_s为固体物质实体容重，这里固体物质实体容重取2.7t/m³；

2.34)泥石流堵江程度确定

根据一次泥石流危险范围的计算结果，泥石流堵江程度的指标可以量化为

H₃＝(L-l)/B (5-17)

式(5-21)中，H₃为泥石流堵江程度值，H₃≥1，表示泥石流完全堵塞河道，H₃取1；L为泥石流最大堆积长度；l为泥石流沟口到河岸的距离；B为河道宽度；

2.35)泥石流危险度确定

H＝H₁+H₂+H₃ (5-18)

式中：H为总危险度，H₁为泥石流规模，H₂为泥石流淤积危害程度，H₃为泥石流堵江程度。

8.如权利要求3所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述步骤3)是针对长大交通干线全线范围泥石流即公路全线泥石流危险性评价；所述公路全线泥石流危险性评价的方法包括3.1)评估指标选取和3.2)评价方法选择；

所述3.1)评价方法选择的具体方法为：

信息量法是通过现有信息，把区域稳定性的各种影响因素的实测值转化为反映区域稳定性的信息量，表征影响因素对研究对象的“贡献”大小，进而评价研究对象的稳定程度；信息预测是用信息量来衡量的，即：

根据条件概率运算，式(5-23)可进一步写成：

式(5-23)和(5-24)中，I(Y,x₁x₂...x_n)为因素组合x₁x₂...x_n对泥石流灾害提供的信息量；P(Y|x₁x₂...x_n)为因素x₁x₂...x_n组合条件下泥石流发生的概率；P(Y)为泥石流发生的概率；

为因素x₁存在时，因素x₂对泥石流提供的信息量；

制约和影响泥石流发生的环境因子较多且各种环境因子所起作用的大小、性质有差异的，故采用简化的单因素信息量方法来评价泥石流危险性；信息量模型可表示为：

式(5-25)中，I为研究区评价单元总的信息量值；n为参评因子数；I(y,x_i)为泥石流发生条件下出现x_i的概率；S为研究区评价单元总面积；A为研究区含有泥石流的单元总面积；S_i为研究区内含有评价因素x_i的单元面积之和；A_i为分布在因素x_i内特定类别内的泥石流单元面积之和。

9.如权利要求8所述的多尺度泥石流危险性评价方法，其特征在于，所述公路全线泥石流危险性评价的方法具体如下步骤：①单独计算各因素对泥石流发生提供的信息量：②计算单个评价单元的总信息量；③用总信息量作为判别泥石流发生的综合指标，其值越大越有利于泥石流的发生，泥石流危险度越高；④对全部单元的信息量值划分不同危险等级，完成泥石流危险性评价与分区。

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