基于灰色关联度法的可拓理论在霍尔古吐水电站坝址区泥石流危险性评价中的应用

书书书ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　　工程地质学报　　１００４－９６６５／２０１６／２４（２）０２１１０９ＤＯＩ：１０．１３５４４／ｊ．ｃｎｋｉ．ｊｅｇ．２０１６．０２．００６基于灰色关联度法的可拓理论在霍尔古吐水电站坝址区泥石流危险性评价中的应用吕擎峰①　李军鹏①　赵本山①　何晓东②（①兰州大学　西部灾害与环境力学教育部重点实验室　兰州　７３００００）（②中国水电建设集团西北勘测设计研究院有限公司　西安　７１００６５）摘　要　泥石流危险性评价是灾情预测、防灾救灾决策中的重要内容，是国内外灾害科学研究的热点之一。本文以新疆开都河霍尔古吐水电站坝址区群沟泥石流为研究对象，在对泥石流区域地质环境研究的基础上，选取泥石流规模、爆发频率等８个因素作为评价因子，采用灰色关联度确定评价因子权重，运用可拓理论，通过定性和类比的方法对群发泥石流区域进行危险性评价。将评价结果与刘希林提出的单沟泥石流评价结果比较，清水沟与雪莲沟的可拓法评价危险度等级要高于单沟泥石流评价结果，这一结果和现场调查情况相吻合。因此，基于灰色关联度法的可拓理论对霍尔古吐水电站坝址区群发泥石流危险度评价结果合理可靠，进而为坝区泥石流危险性评估、规划防治提供合理的科学依据。关键词　泥石流　危险性评价　灰色关联度　可拓学　霍尔古吐水电站中图分类号：Ｐ６４２２３　　文献标识码：Ａ书书书　收稿日期：２０１４－１１－０１；收到修改稿日期：２０１５－０３－１９．基金项目：国家自然科学基金项目（５１４６９００１）资助．第一作者简介：吕擎峰（１９７１－），男，博士，副教授，主要从事岩土工程方面的教学和科研工作．Ｅｍａｉｌ：[e-mail]ＮＴＡＴＨＵＯＥＲＧＵＴＵＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＤＡＭＳＩＴＥＵＳＩＮＧＧＲＥＹＣＯＲＲＥＬＡＴＩＯＮＭＥＴＨＯＤＡＮＤＥＸＴＥＮＳＩＯＮＴＨＥＯＲＹＬＱｉｎｇｆｅｎｇ①　ＬＩＪｕｎｐｅｎｇ①　ＺＨＡＯＢｅｎｓｈａｎ①　ＨＥＸｉａｏｄｏｎｇ②（①ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｎＷｅｓｔｅｒｎＤｉｓａｓｔｅｒａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００００）（②ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｕｌｔｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｘｉ′ａｎ　７１００６５）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｈａｚａｒｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｉｓａｈｏｔｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｐｉｃｏｆｔｈｅｄｉｓａｓｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ．Ｉｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａｓｋｏｆｄｉｓａｓｔｅｒｆｏｒｅｃａｓｔ，ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎａｎｄｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓｔｈｅｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｇｕｌｌｉｅｓａｔｔｈｅｄａｍｓｉｔｅｉｎＨｕｏｅｒｇｕｔｕｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒａｌｏｎｇＸｉｎｊｉａｎｇＫａｉｄｕＲｉｖｅｒａｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｒｅａ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｔｕｄｙｉｎｇｏｆｔｈｅｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｉｔｓｅｌｅｃｔｓｅｉｇｈｔａｓｐｅｃｔｓａｓｅｖａｌｕａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｙｉｎｃｌｕｄｅｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｓｃａｌｅ，ｏｕｔｂｒｅａｋｏｆｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｔｈｅｗｅｉｇｈｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｃｏｎｔｅｓｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｉｓｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｇｒａｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ．Ｔｈｅｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｇｕｌｌｉｅｓｉｓｅｖａｌｕａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅａｎｄａｎａｌｏｇｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｔｅｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｈａｒａｚｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｂｙＬＩＵＸｉｌｉｎ．ＴｈｅｒｉｓｋｄｅｇｒｅｅｓｏｆｔｈｅＱｉｎｇｓｈｕｉｇｕｌｌｙａｎｄＸｕｅｌｉａｎｇｕｌｌｙｕｓｉｎｇｔｈｅｅｘｔｅｎｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙａｒｅｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｉｔｅｓｐｅｃｉｆｉｃｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｈａｒａｚｄａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｉｓｃｏｉｎｃｉｄｅｄｗｉｔｈｔｈｅｆｉｌｅｄｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｇｒｅｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｔｅｎｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙｂａｓｅｄｍｅｔｈｏｄｆｏｒｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｇｕｌｌｉｅｓａｔｔｈｅｄａｍｓｉｔｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｒｅｌｉａｂｌｅ．Ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，ｐｌａｎｎｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｓａｔｔｈｅｄａｍｓｉｔｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗ，Ｒｉｓｋａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ，Ｇｒｅｙｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅ，Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎｔｈｅｏｒｙ，Ｈｕｏｅｒｇｕｔｕｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ０　引　言　　泥石流是一种山区特有的地质灾害现象，具有突发性、流速快、破坏力强等特点。泥石流的形成需要具备３个条件，即陡峭的地形条件、丰富的松散物源条件和充足的水动力条件。在暴雨条件下，斜坡上的土、石等松散物与水混合后，形成饱和流体，饱和流体在重力作用下沿陡峻沟坡快速运动，便产生泥石流。山区库坝的建设，会改变区域小气候，致使降雨量增加，由此引发的泥石流等次生地质灾害加剧，为库区泥石流提供了丰富的物源，因此，调查研究坝区松散物源补给，进而对坝区泥石流危险性进行评价，是极其必要的。国际上对泥石流危险度的研究较早，早在２０世纪８０年代，日本学者足立胜治等（１９７７）从地形地貌、泥石流形态、降雨３方面，对泥石流发生率进行了研究。随后，美国地质工程师Ｈｏｌｌｉｎｇｓｗｏｒｔｈｅｔａｌ．（１９８１）通过对滑坡泥石流的研究，不仅构建了滑坡泥石流危险度评价框架，而且使用的因子叠加原理为泥石流评价提供了新思路。之后，英国学者Ｈａｎｓｅｎ（１９８４）在区域泥石流研究方面做了大量工作，对建立区域性泥石流危险度的评价研究做出了贡献。进入９０年代以来，随着ＧＩＳ与ＲＳ技术的发展与应用，区域泥石流的研究成果大量涌现，极大地促进了区域泥石流评价的速度和精准度，代表性的成果有：Ｃａｒｒａｒａｅｔａｌ．（１９９１）提出的泥石流灾害制图的技术问题及和ＭｅｊｉａＮａｖａｒｒｏｅｔａｌ．（１９９４）提出的区域泥石流风险评价分区图的方法。在我国，谭炳炎（１９８６）最进行了泥石流严重程度的综合评判研究。随后刘希林（１９８８）将定性分析与定量分析有效地结合起来，首次提出了多因子综合评判的模型。随着各种数学理论的成熟，许多研究学者开始注重运用数学方法来解决泥石流危险性评价的问题，使得泥石流危险性研究从定性描述逐渐向定量评价转变，并逐渐趋于成熟（李阔等，２００７）。目前，最新的单沟泥石流危险性评价主要从影响泥石流沟发育、发展以及导致其暴发的背景因子和诱发因子入手，采用不同的数学方法确定因子间的主次关系和权重（刘希林，２００２；谷复光等，２０１０）。常见的评价方法有模糊综合评判法（刘丽等，１９９６）、神经网络法（赵源等，２００５）、多元回归分析法（梁明贵，１９９９）以及最新发展的ＧＩＳ技术等。这些方法都存在一定的局限，例如，模糊数学中参评因子的选择、分类以及权重的确定，均对评价结果造成影响（唐川等，１９９４），神经网络法要求参评指标较多，多元回归法参数不易提取，ＧＩＳ技术应用受到某些因素的限制，且主要应用于区域泥石流危险性评价中。而可拓理论（蔡文，１９８３，１９９９）作为一种人工智能工具，已在系统控制、系统决策等领域得到了较为广泛应用（汤家法等，２００３），但在单沟泥石流危险性评价中的应用很少，且主要是通过可拓理论对已有的文献数据的评价结果进行验证（匡乐红等，２００６），仍属于理论研究的范畴。因此，本文在研究坝区泥石流形成特征的基础上，采用多因子综合评判模型，结合灰色关联度法，将可拓理论应用于实践中，取得了较为满意的结果。１　坝区泥石流形成的基本特征　　霍尔古吐水电站是新疆开都河中游大型水电站，电站坝址区沟谷泥石流广泛发育，较大的冲沟有：位于上坝址坝前左岸约７７０ｍ处的旱獭沟；上坝址坝后右岸约３００ｍ处的乌台兰聪都克沟；位于中坝址坝前右岸约３５０ｍ处的雪莲沟；中坝址坝后左岸约２００ｍ处的胡扬沟；位于下坝址坝前右岸约６００ｍ处的代斯买沟；位于发电厂房下游右岸约９００ｍ处的清水沟等，这些沟谷切割较深、延伸较长（图１），对电站的影响较大。代斯买沟、清水沟、胡扬沟、雪莲沟、旱獭沟的研究内容、方法与乌台兰聪都克沟基本一致，各沟泥石流形成特征（表１）。１１　地形地貌条件　　乌台兰聪都克沟地势西南高，东北低，走向为ＮＥ２０°，河道较顺直，流域形态呈扇形。沟谷内植被茂盛，两侧山坡及沟床为树木覆盖，植被覆盖率可达７０％。该流域全长约８３ｋｍ，面积约２３４ｋｍ２，季节性流水。最高点高程４１２５ｍ，入开都河处高程约２０６０ｍ，最大高差２０６５ｍ，平均沟床纵比降２４８８‰。沟口地貌形态（图２）。２１２ＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｅｏｌｏｇｙ　工程地质学报　２０１６图１　坝区泥石流沟分布Ｆｉｇ．１　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｉｎｄａｍｓｉｔｅ１２　降水条件　　霍尔古吐水电站位于开都河中游，区内多年平均降水量１１１１ｍｍ，且主要集中在６～９月，２４ｈ最大降雨量为４０９ｍｍ。整体而言，坝区降雨量较小，但区内发生泥石流的小时激发雨量较小，一般为２０～５０ｍｍ。书书书表１　坝区泥石流沟基本特征总表Ｔａｂｌｅ１　Ｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｅｂｒｉｓｆｌｏｗｇｕｌｌｉｅｓｉｎｄａｍｓｉｔｅ沟名流域形态、面积／ｋｍ２主沟长度／ｋｍ流域相对高差／ｋｍ支沟发育情况固体物质来源松散堆积物／１０４ｍ３乌台兰聪都克沟扇形２３．４０８．３０２．０６５３条，延伸较长岸坡风化产物和沟床堆积物８．６３代斯买沟扇形２０．８０９．５８２．１６６３条，延伸较长沟床堆积的漂砾、碎石、砂土６．０７清水沟扇形２３．７０６．７９１．９７０６条，延伸长沟道及沟坡堆积、崩坡积块石、碎石土２６．３０胡扬沟柳叶形３６．２１２．１１．２４０４条，延伸短主沟、支沟沟床堆积的漂砾、碎石土１１．８７雪莲沟柳叶形２．７５３．６８１．２３４１条，延伸较短岸坡风化产物及沟床堆积物２．１７旱獭沟柳叶形５．０４．５２１．０２２１条，延伸较短沟床堆积物１．２５１３　松散固体物源条件　　乌台兰聪都克沟流域固体物源比较丰富，流域内沟床堆积物及两侧岸坡崩坡积物等总的固体物质方量约为２５９×１０４ｍ３。但由于沟床堆积物中块度１～２ｍ巨石较多（图３），且沟床堆积物结构密实，沟床植被发育，可作为泥石流物源的物质方量约８６３×１０４ｍ３。１４　分区特征　　乌台兰聪都克沟是典型的沟谷型泥石流沟，即具有明显的形成区、流通区和堆积区，各区的特征分述如下：１．４．１　形成区从后缘分水岭到沟底高程约２７５０ｍ为形成区。图２　乌台兰聪都克沟沟口地貌Ｆｉｇ．２　ＭｉｚｏｇｕｃｈｉｇｅｏｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＷｕｔａｉｌａｎｃｏｎｇｄｕｋｅｇｕｌｌｙ该区面积约１２７６ｋｍ２，占总流域面积的５４５％，山顶常年积雪，主沟平均沟床比降为３６１８‰，谷底宽２０～３０ｍ。植被不发育，支沟较多。该区泥石流物源主要来自坡体表层岩体风化的残坡积物，在暴雨条件下为泥石流活动提供一定物质来源。图３　乌台兰聪都克沟沟床堆积物Ｆｉｇ．３　ＤｅｐｏｓｉｔｓｏｆＷｕｔａｉｌａｎｃｏｎｇｄｕｋｅａｔｔｈｅｄｉｔｃｈｂｏｔｔｏｍ１．４．２　流通区该区位于谷底高程２１９０～２７５０ｍ范围内