基于遥感及数值模拟的强震区泥石流定量风险评价研究

摘要

四川省都江堰市属于“5.12”汶川地震后泥石流活动强烈区域。研究区位于都江堰市西北部龙池场镇龙溪河流域，该研究区受“5.12”汶川地震影响严重，在地形表面产生了多处滑坡等地质灾害体，导致大量松散物质堆积于斜坡及沟道中，极端条件下为泥石流的形成提供了良好的物源条件。2010年8月13日四川省都江堰市龙池镇普降大到暴雨，导致龙溪河流域发生群体性泥石流事件。这场泥石流堵塞龙溪河部分河段，整体抬升河床掩埋房屋道路，给灾后恢复重建带来诸多不便。由于该地区地形条件复杂，极易暴发大规模泥石流，因此开展研究区范围内重点泥石流的风险评价十分必要，通过实地野外现场调查“8.13”群发泥石流灾害，利用高精度遥感影像对地质灾害体进行解译，结合多种数学及基于FLO-2D的数值模拟方法，对强震区龙溪河流域重点泥石流进行定量风险评价。首先采用基于概率的数学方法进行研究区大范围泥石流敏感性评价，然后通过FLO_2D数值模拟手段进行研究区重点12条泥石流的危险性评价，再通过非线性回归的数学方法得到研究区泥石流危险范围内各种土地利用类型的易损性，最后开展研究区泥石流危险范围内的定量风险评价。
　　论文在收集阅读大量的参考文献、开展详尽的野外调查及进行复杂的室内演算后，开展以下的工作:
　　通过对研究区野外的实地考察，以及室内多期遥感数据解译，综合分析导致泥石流形成的地形、水文和地质三大要素，确定了研究区重点12条泥石流流域内所有崩塌滑坡体在地形要素（包括高程因子、坡度因子、坡向因子、沟床纵比降因子）、地质要素（包括地层岩性因子）和水文要素（包括沟壑密度因子）的不同分级条件下的概率综合判别值;根据确定的概率综合判别值对原本的分级条件进行重新整合分析，得到研究区内所有泥石流在6个评价因子下敏感性高低分级的特定区间，这样可以避免人为界定评价因子的敏感性区间边界，得到每个评价因子下敏感性高低的特定分级区间;根据确定的敏感性分级特定区间建立研究区内泥石流敏感性高低的打分标准;进而根据每条泥石流的特点开展单沟泥石流危险性评价，通过研究区内泥石流沟在地形、水文和地质三大要素的分布情况，参照打分标准得出其在6个评价因子上的得分值;最后结合灰色关联和主成分分析的数学方法确定评价因子权重，分别用2个无量纲因子代表泥石流在6个评价因子上的得分值及权重值，建立研究区所有泥石流的敏感性判别模型，进行敏感性评价，得到泥石流敏感性分布图。
　　进一步通过对研究区重点12条泥石流沟水文模型的分析，提出了基于积分数学思想的洪水流量过程线算法。本文采用典型洪水过程放大线的方法求解洪水流量过程线，首先由降雨推导出洪水总量，即通过降雨情况和流域面积确定相应暴雨的历时长短T，再根据降雨时间T和流域面积推导出流域范围内总的洪水流量WP，再由采用类似积分算法形式求取每一个洪水过程概化矩形的历时，最终得到该泥石流集水点流域面积内洪水过程线的坐标轴取值，值得注意的是若一条泥石流有多个的集水点，那么需要根据集水点所在区域将整条沟的流域范围划分为不同的流域面积。
　　通过FLO-2D软件对研究区12条重点泥石流进行危险性数值模拟，充分考虑了在不同降雨频率下（5年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇及200年一遇）进行数值模拟的泥石流暴发情况，根据模拟结果得到的流速、泥深与泥石流暴发频率相结合，建立研究区泥石流危险性等级划分标准，得到研究区泥石流危险分布图。
　　为了更好地有针对性的对研究区重点12条泥石流危险区域内所有的土地利用类型进行易损性评价，本文主要从泥石流本身的固有的特性和不同土地利用类型的承载强度两方面入手，选择了泥石流自身固有的属性泥深(h)和流速(v)作为易损性评价的因子，同时考虑到了不同土地利用类型的承载力(p)，也将其作为易损性评价的因子。在MATLAB软件中通过编写程序进行非线性回归易损性模型的建立，采用建筑物、道路、河道、绿地的易损值(Vvalue)与泥深(h)、流速(v)、承载力(p)进行回归显著性检验，通过对三个评价因子的非线性拟合求取一个能够反应研究区泥石流危险范围内的易损性的综合评价模型。
　　根据已经得到的研究区重点12条泥石流的危险性及易损性，充分考虑两者相互制约、相互耦合的关系，建立了研究区泥石流风险评价标准，得到研究区重点12条泥石流最终的风险分布图，为震后强震区受到泥石流威胁场镇的灾后重建、风险规避提供直接的依据。

目录

声明

摘要

第1章 前言

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外相关研究概述

1．2．1 国内外研究强震区泥石流基本特征综述

1．2．2 国内外研究泥石流危险性综述

1．2．3 国内外研究泥石流易损性综述

1．2．4 国内外研究泥石流风险综述

1．3 研究的主要内容与技术路线

1．3．1 基于概率数学方法的泥石流敏感性评价及技术路线

1．3．2 基于FLO_2D数值模拟的泥石流危险性评价及技术路线

1．3．3 基于非线性回归的泥石流易损性评价及技术路线

1．3．4 强震区泥石流定量风险评价及技术路线

1．4 论文主要创新

第2章 研究区概况及遥感解译分析

2．1 研究区综合概况

2．2 研究区气象水文条件

2．3 研究区地形地貌条件

2．4 研究区不同期遥感影像滑坡体解译

第3章 基于概率数学方法的泥石流敏感性评价

3．1 概率数学方法建立

3．2 评价因子选取及概率取值

3．2．1 坡度因子及概率值

3．2．2 坡向因子及概率值

3．2．3 高程因子及概率值

3．2．4 沟道纵坡降因子及概率值

3．2．5 地层岩性因子及概率值

3．2．6 沟壑密度因子及概率值

3．3 综合评判概率统计

3．4 灰色关联

3．5 模型建立及敏感性评价

3．6 模型验证

第4章 基于FLO-2D数值模拟的泥石流危险性评价

4．1 泥石流基本流变模型

4．2 FLO-2D基本理论

4．3 研究区泥石流参数选取

4．3．1 高精度数字地面模型(DTM)

4．3．2 降雨强度(Intensity-Duration)

4．3．3 集水点位(Starting point)

4．3．4 清水流量过程线(Discharge-Time)

4．3．5 体积浓度(volume concentration)

4．3．6 屈服应力及粘滞系数(yield and viscosity)

4．3．7 层流阻滞系数(K)

4．3．8 曼宁系数(nc)

4．4 研究区泥石流运动过程数值模拟

4．5 数值模拟结果验证

4．6 危险性评价

4．6．1 泥石流影响强度划分

4．6．2 泥石流危险性评价

第5章 基于非线性回归的泥石流易损性评价

5．1 易损性评价因子

5．1．1 承载力

5．1．2 泥深

5．1．3 流速

5．2 易损性评价

5．3 易损性验证

第6章 强震区泥石流定量风险评价

6．1 定量风险评价方法

6．2 强震区泥石流风险评价

结论与讨论

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果