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泥石流是斜坡上或沟谷中松散碎屑物质被暴雨或积雪、冰川消融水所饱和,在重力作用下,沿斜坡或沟谷流动的一种特殊洪流,对人类的生产、生活和发展空间产生严重危害。在我国泥石流主要发生在西南部、西部和西北部地区,但山西省保德县梅花沟由于其特殊的地质条件和气候特征,也是泥石流多发区。1995年7月28日22:00~23:00,1小时降雨量42.1mm,7月28日21:00~7月29日14:00,持续降雨量为168.8mm,导致保德县多处发生地质灾害,梅花沟大型泥石流袭击了保德县城,造成14人死亡,21253人受灾,直接经济损失2.4亿元;2003年7月30日6:20~7:20,1小时降雨量为50.1mm;7月30日2点~8点,持续降雨量为119.9mm,梅花沟又发生同等规模的泥石流灾害,直接经济损失高达1.5亿元。因此通过野外调查、收集资料和室内研究,客观、科学地分析泥石流发生地的自然背景、社会原因和形成机制,评价泥石流灾害的危险度,提出科学的防治措施和监测预报方法,对保障当地国民经济持续、稳定地发展,具有重要的理论价值和实践意义。
本文选择山西省保德县泥石流危害最严重的梅花沟进行研究。梅花沟沟域面积约12.44km2,主沟全长6.3km,发育大小支沟26条,其中1km以上的2条,0.5~1km的16条,沟道总长度37.7km,沟壑密度为0.33km/km2,侵蚀模数高达10000t/km2以上,年输沙量9.6万t,水土流失面积8.6km2,占总面积的70%。
为了能较为准确、全面地对梅花沟泥石流进行危险度评价,在研究对象上,选取具有代表性的四条单沟:梅花沟主沟、王家窨子沟、金家沟和新庄子沟分别进行单沟泥石流危险度评价,并从减少灾害损失、保护人民生命财产安全的角度考虑,将单沟泥石流危险度评价和综合治理方案的研究作为本论文的主要内容。
论文在对研究区的资料收集、野外调查和室内分析研究的基础上编写而成。在系统收集相关的气象水文、植被和人口密度等资料的基础上,通过野外调查掌握泥石流沟的地形地貌、地质条件以及人类工程活动状况等情况,经室内认真分析,阐明梅花沟泥石流的发育特征及形成机制。
根据研究区内的地质环境条件和人类活动特征,选取了一次泥石流冲出物最大方量、松散固体物质平均厚度、沟域面积、主沟长度、沟域相对高差、形成区山坡平均坡度、切割度、24h最大降雨量、1h最大降雨量、沟域植被覆盖度和沟域人口密度等对泥石流影响较大的11个因素作为评价因子,并结合本地区情况对刘希林的单沟泥石流危险度评价方法进行了优化,在此基础上,分别采用灰色关联分析法和层次分析法两种方法进行评价,以提高危险度评价的准确性和合理性。
首先采用灰色关联分析法进行危险度评价。对选取的11个地质环境因子量化数据进行关联度分析,在十一个地质环境因子中一次泥石流冲出物最大方量相对其它因子更具代表性,它能集中反映泥石流沟的地形地貌、地质条件、植被覆盖率、人类工程活动以及降水等条件,因此确定该指标为泥石流危险度判定的主导因子,其它因子为关联因子。在求取关联因子与主导因子的关联系数和关联度的基础上,确定各关联因子的权重大小,然后参照泥石流危险度的判别标准,对泥石流沟每个评价因子的等级定量赋值,进行关联因子综合加权求和,形成每一单沟的危险度评价指数,并以该指数为依据进行危险度的等级划分和防治分级。
随后运用层次分析法(AHP)进行危险度评价。该方法是将地质、地貌、气象、植被和人类工程活动5大因素作为一级指标进行分析,并且依然选用与灰色关联分析法相同的11个相关因子作为二级评价指标,来构建单沟泥石流危险度评价的层次指标系统。采用YAAHP软件对各参与评价因子的权重作了计算,通过与灰色关联分析法相同的步骤建立单沟泥石流危险度评价模型,从而获得4条泥石流沟的危险度。
根据刘希林提出的泥石流危险度划分方法并对之进行优化后并结合本研究区的实际情况,泥石流危险度分为4级:低度危险、中度危险、高度危险和极度危险。采用上述两种方法定性与定量分析不同程度相结合,使复杂的泥石流危险度评价简单化,较为合理地评价了4条泥石流沟的危险度,且评价结果基本一致:梅花沟属于高度危险;王家窨子沟、金家沟属于中度危险;新庄子沟属于低度危险。
基于梅花沟泥石流危险度评价的结果,从泥石流的主要影响因素、活动性以及易发程度三方面对梅花沟泥石流的发展趋势进行分析,然后结合社会经济发展状况从承灾对象角度进行灾情发展趋势预测。分析结果显示:从影响泥石流发生的主要影响因素看地质环境在进一步恶化;梅花沟泥石流处于发展活动期,活动性很强;该沟属于中等易发泥石流沟;随着当地经济的发展人口密度会增加、承灾对象会更多、更重要,如果不进行有效防治,一旦发生泥石流灾害,经济损失可能会比以往更大,灾情会更严重。
在分析泥石流发育特征、形成机制以及发展趋势的基础上提出梅花沟泥石流防治原则和治理方案,应根据泥石流沟危险度的不同等级,因地制宜地采取相应的综合防治对策。建议治理工程分三期进行:一期以排导工程、已有骨干工程的修建改造和局部生物工程为主;二期以支沟谷防工程的修复、集雨旱井和流通区的生物工程为主;三期以监测预警系统的建设与运行和生物工程为主。文章最后对泥石流的治理工程按排导工程、拦挡工程、生物工程、抽提蓄水工程、道路修复工程和监测预报工程等六个方面进行了初步设计。