基于災害鏈效應的小秦嶺亂石溝礦山泥石流風險評價

郭付三，周春梅，杜 娟

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.河南省地礦局第二地質礦產調查院，河南 鄭州 450001；3.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430073；4.中國地質大學（武漢）教育部長江三峽庫區地質災害研究中心，湖北 武漢，430074）

礦山泥石流是小秦嶺金礦區最主要的礦山地質環境問題，經過30多年的無序開采及堆放，區內現存礦渣堆數量巨大。在歷史上發生的泥石流災害及現存的泥石流災害隱患點中，約90%的物源來自于采礦礦渣。礦區內，在主要支溝上形成大量的“樓上樓”礦渣堆，礦渣堆均沿山坡及溝谷無序堆放，堆棄方式為自然傾倒，以其天然休止角穩定。在長時間降雨、暴雨、爆破、繼續堆載等外界誘發因素作用下，礦渣堆極易失穩，引發礦山泥石流，其較大的沖擊力對流程內的道路、民房等均會造成嚴重的破壞。此外，由于礦渣堆沿溝谷呈逐級鏈狀分布，上一級礦渣堆形成的泥石流對下一級坑口的礦工生活區及礦渣堆將造成直接的影響，同時下一級礦渣堆的失穩又會是再下一級礦渣堆的潛在威脅。這種礦山泥石流在空間上的逐級影響構成礦山地質環境問題特有的災害鏈效應。

礦山泥石流的概念由鐘敦倫等［1］提出，其后戴君義等［2］、楊成立［3］對礦山泥石流的形成條件、失穩機制及危險性分析進行了初步的論述。在危險性評價方面，毛新虎等［4］以太原西山礦區虎峪溝特大泥石流為例，應用模糊綜合評判法對研究區的泥石流溝進行了危險性評判；陳華清［5］采用線性評價模型，考慮溝谷物源總渣量、溝谷縱坡降比、溝谷河流彎曲程度等7個指標，對潼關“7.23”泥石流進行了礦山泥石流危險性評價。在易損性評價方面，唐川等［6］采用對地觀測技術解譯城市不同土地覆蓋類型，并在此基礎上構建了泥石流災害易損性評價模型，但該模型只進行了承災體價值的核算，并未考慮承災體遭受損失的程度及可能性；胡封兵等［7］根據人的價值理論改進了泥石流災害易損度評價體系，提出了社會易損度的定量化方法；蔣慶豐等［8］指出山坡泥石流的場地易損性主要由受災體遭受泥石流破壞的機會大小和受災體受泥石流破壞自身發生損毀的難易程度兩方面構成；陳華清等［5］在各單溝泥石流堆積距離計算的基礎上，對財產和人口開展易損性評價，得到各沖溝的易損度值。

總之，前人研究過程中，對礦山地質環境災害鏈效應考慮較少，在礦山泥石流災害風險評價過程中未考慮多級鏈狀災害的疊加作用。鑒于此，本文以小秦嶺棗香峪亂石溝礦山泥石流為例，在計算礦山泥石流失穩滑動距離的基礎上，分析了各礦山泥石流災害體之間潛在的鏈式觸發關系，開展了經濟類及人口類承災體易損性評價研究，進而結合文獻［9］中危險性評價結果對亂石溝礦山流石流災害進行了風險預測評價。

1 礦山泥石流災害危險性評價

秦嶺金礦區棗香峪亂石溝位于靈寶市故縣鎮正南棗鄉峪河右岸，總長度2 700m，采礦坑口分布密集，共25個坑口呈串珠狀分布在亂石溝主溝及三岔口以上的東壕、中壕及西壕三條支溝內。亂石溝礦渣堆的危險性評價已在文獻［9］中進行了詳細的分析研究，評價指標考慮礦渣堆高度、坡度、方量、是否堆載振動、底床坡度和降雨匯流累計量6項，得到亂石溝礦渣堆危險性評價結果，見圖1。在此基礎上，通過礦山泥石流滑移距離的計算和多級礦渣堆逐級鏈狀影響因素的考慮，得到災害鏈效應下亂石溝礦渣堆危險性評價結果，見圖2。

圖1 亂石溝礦渣堆危險性評價圖Fig.1 Hazard evaluation of slag heaps in Luanshi Valley

圖2 考慮災害鏈效應的亂石溝礦渣堆危險性評價圖Fig.2 Hazard evaluation of slag heaps in Luanshi Valley based on disaster chain effect

2 礦山泥石流災害易損性評價

2.1 承災體構成分析

棗香峪亂石溝內的礦山泥石流對在礦區生活的礦工、相關生活設施及溝內運輸道路等均會造成不同程度的破壞，產生一定的人員傷亡和經濟損失。損失類型可概括為：人員傷亡、礦工生活區房屋及室內設施的破壞、采礦設備的損壞和道路的破壞。因此，承災體調查對象主要為各采礦坑口人員集中居住點的建筑物、放置的采礦設備、人員分布情況、人員年齡及文化程度、人員健康狀況以及溝內道路位置的標定，調查結果見圖3和表1。

圖3 亂石溝承災體分布圖Fig.3 Distribution of vulnerable elements in Luanshi Valley

2.2 承災體價值評估

承災體價值的合理評估是易損性評價工作的基礎，包括經濟類承災體的價值De和人口類承災體的價值Da。

經濟類承災體的價值De主要包括亂石溝礦區內的民房、室內財產、采礦設備、簡易碎石路以及亂石溝口沿棗香峪河的礦山公路。根據承災體的現場調查，礦區內民房的結構類型主要為磚瓦結構、磚木結構和土木結構，其中土木結構即簡易搭建的礦工工棚是礦區內主要的房屋結構類型，根據當地的經濟發展水平及原材料的價格，確定磚瓦結構、磚木結構和土木結構房屋的單位造價為600 元／m2、350 元／m2和200元／m2，房屋面積為每間平均20m2，由此得到各坑口礦工生活區房屋總價值，見表1。礦工生活區的室內物品僅為簡單的生活用品，因此室內財產平均取值為2 000元／間。礦山設備主要包括空壓機、風鉆、鑿巖機、動力線、礦車、鐵锨以及變壓器等相關的電力設施，在調查的基礎上對各坑口設備數量及價值進行統計，其總價值最高達20萬元，最低為4萬元，見表1。此外根據調查評估，亂石溝內簡易碎石路造價約為6萬元／km，溝口沿棗香峪河的礦山公路主要提供重載運輸車輛通行，路面強度等級較高，按照單位造價為100萬元／km 進行計算。

亂石溝礦區生產生活的人員主要為礦工及其家屬，分布于各采礦坑口附近，溝內其他地段基本無人口居住，因此其人口類承災體分布較為分散、稀少。人口類承災體價值主要通過人口密度反映，在研究區易損性評價單元劃分的基礎上，各坑口人數除以相應的生活區分布面積即可獲取人口密度信息，見表1。

表1 亂石溝承災體價值統計表Table 1 Values of hazard-affected bodies in Luanshi Valley

2.3 承災體易損性評價

2.3.1 礦山泥石流失穩滑移距離計算

以亂石溝內每個礦渣堆作為一獨立的泥石流物源考慮，根據野外調查數據繪制各礦渣堆剖面圖，并計算其最危險滑動面，得到最危險狀況下的失穩方量作為初始破壞體積。在此基礎上，采用變體積法（UBCDFLOW）估算泥石流的失穩滑移距離［10-12］。通過計算，得到各礦渣堆可能形成泥石流的滑移距離，并繪制礦渣堆失穩影響范圍圖（見圖4）（具體計算過程見文獻［9］）。由圖4可知，DE1620號礦渣堆可能受到DW3、DW4和D884三個礦渣堆的影響，而DE1620號礦渣堆的失穩又將威脅1555號礦渣堆，即上級礦渣堆的失穩將誘發下一級礦渣堆的破壞，而這種誘發失穩作用可能延續至更下一級的礦渣堆。在易損性評價過程中，某承災體的破壞程度可能受多級災害體的影響，因此易損性評價需要考慮災害鏈效應。

圖4 亂石溝礦渣堆失穩影響范圍圖Fig.4 Influence range of mine debris in Luanshi Gully

2.3.2 經濟類承災體易損性評價

按照承災體的屬性、結構及功能特征，將棗香峪礦區的承災體分為房屋、室內財產、設備、簡易碎石路和礦山公路五種，其中磚瓦結構、磚木結構和土木結構房屋統一歸類為簡易結構房屋類型。經濟類承災體的易損性與承災體和災害體的空間位置關系、承災體的逃脫性和損害難易程度相關，其易損性評價模型為

式中：Ve為經濟類承災體易損性，取值為［0，1］，0表示承災體沒有遭到破壞，1表示完全破壞，0到1的其他數值表示經濟類承災體不同程度的破壞；n為經濟類承災體的總個數；L為承災體位置系數，描述承災體與災害體的相對位置對承災體破壞程度的影響，取值為［0，1］，0表示承災體在該位置處不會遭到破壞，1表示該位置處承災體的破壞程度最大，針對崩塌、滑坡和泥石流災害，根據災害體變形及失穩破壞的運動特征，承災體位置系數的取值參見表2；Vc為承災體易損系數，描述承災體材料、結構及自身特性差異引起的遭受相同地質災害所表現出的損害難易程度，取值為［0，1］，0表示承災體具備較強的結構而不會遭受破壞，1表示承災體不具備抵抗破壞的能力易損系數的取值見表3；E 為承災體逃脫系數，描述承災體被搬移而逃離災害影響范圍的難易程度，主要受其結構、重量和體積等因素的影響，可逃脫性越強，逃脫系數越大，承災體易損性越小，因此采用逃脫系數的倒數表征其易損特征，即1／E為0表示承災體極易被搬運出災害影響范圍，1／E 為1表示承災體無法被挪動，逃脫系數的取值見表4。

表2 承災體不同分布位置的位置系數賦值表Table 2 Position coefficient of hazard-affected bodies according to the relative position

表3 承災體易損性等級劃分及其易損系數賦值表Table 3 Vulnerable coefficient of hazard-affected bodies

表4 承災體逃脫性等級劃分及逃脫系數賦值表Table 4 Classification of escape characters of hazardaffected bodies and their escape coefficient values

對應表3和表4，研究區經濟類承災體的逃脫系數和易損系數的取值見表5。

表5 經濟類承災體逃脫系數和易損系數表Table 5 Escape coefficient and vulnerable coefficient of economic hazard-affected bodies

針對位置系數，由于礦山地質災害存在災害鏈效應，即某一承災體可能遭受多級災害體的破壞作用，因此其取值應綜合考慮承災體與對其造成威脅的多個災害體之間的相互位置關系。若承災體位于多個礦渣堆的影響范圍之內，則應“疊加”考慮各礦渣堆對承災體的破壞性，位置系數的計算公式如下：

式中：L 為某承災體的位置系數；n 為對該承災體具備潛在破壞可能性的災害體個數；Li為該承災體相對于第i個災害體的位置系數。

依據研究區礦渣堆分布圖、承災體分布圖（見圖3）及礦渣堆失穩影響范圍分布圖（見圖4），確定房屋、室內財產及礦山設備三類承災體的位置系數見表6。對于簡易碎石路和礦山公路而言，由于大部分路段不會受到礦渣堆失穩的威脅，僅小部分路段位于礦渣堆失穩影響范圍內，因此該部分路段的位置系數取值為0.55。

表6 經濟類承災體位置系數表Table 6 Position coefficient and vulnerable coefficient of economic hazard-affected bodies

利用公式（1），可計算得到亂石溝礦區內經濟類承災體房屋、室內財產和礦山設備的易損性見表7，簡易碎石路和礦山公路的易損性分別取值為0.55和0.33。

表7 經濟類承災體易損性表Table 7 Vulnerability of economic hazard-affected bodies

2.3.3 人口類承災體易損性評價

人口類承災體易損性評價主要考慮人口年齡結構、受教育程度、居民房屋結構類型、政府對地質災害的重視程度以及地質災害預警預報體系的完善程度五個方面，其易損性評價模型為

式中：Va為人口易損性，取值為［0，1］，0表示無人員傷亡，1表示所有人員在災害作用下喪生，0 到1的其他數值表示人員不同程度的傷亡；Wm為第m類評價因素的權重，根據評價區各因素所占比重的實際情況，采用層次分析法、灰色關聯分析法等方法進行計算確定，且為第m 類評價因素系數，Cm取值為［0，1］；Ca為人口年齡系數，由老人和兒童的人數與人口總數的比值確定；Cq為受教育程度系數，由沒有接受初等以上教育的人員數與人口總數的比值確定；Cs為居民房屋結構系數，將居民房屋類型劃分為簡易結構（磚結構、土木結構等）和鋼結構（鋼架結構、鋼混結構），由研究區簡易結構房屋數量與房屋總數量的比值確定；Cg為政府重視程度系數，0表示政府部門不重視研究區的地質災害防治工作，1表示政府非常重視；Cf為地質災害預警預報體系完善系數，0表示尚未建立預警預報體系，1 表示已建立了完善的預警預報體系。其中，Cg和Cf根據研究區的具體情況相應賦值。

亂石溝礦區內由于采礦區生活的人員基本為礦工及其家屬，因此其年齡情況均為13～60歲之間，健康狀況較好，文化程度多為小學及以下，根據調查數據計算得到人口年齡系數及受教育程度系數分別為0.1和0.7；亂石溝礦區內居民住房均為非鋼結構，房屋結構系數取值為1；亂石溝礦渣堆不合理堆棄、堆積規模過大并缺乏支擋治理措施，且沒有采取專業的監測措施，因此政府對地質災害的重視程度以及地質災害預警預報體系的完善程度均較低，Cg和Cf系數取值為0.1和0.1。結合目前亂石溝礦區內人口易損性各評價因素的重要程度，其權重取值見表8。

表8 人口類承災體評價因素系數及其權重取值Table 8 Evaluation factor coefficient and weight of population hazard-affected bodies

利用公式（3），可計算得到亂石溝礦區內人口類承災體易損性為0.51。

3 礦山泥石流災害風險評價

在對亂石溝礦渣堆泥石流災害進行危險性評價、承災體價值評估及易損性評價的基礎上，將承災體分為經濟類和人口類分別進行風險評價。

根據地質災害風險的計算方法，經濟風險值的計算公式為

式中：Re為研究區礦山地質災害經濟風險預測值；Pfi為第i個評價單元內礦山地質災害的危險性；Deij為第i個評價單元內第j類承災體的經濟價值總量；Veij為第i個評價單元內第j類承災體的易損性；m 為研究區評價單元個數；n為研究區承災體類型數。

人口風險值的計算公式為

式中：Rp為研究區礦山地質災害人口風險預測值；Pfi為第i個評價單元礦山地質災害發生的概率；Dai為第i個評價單元內的人口密度；Vai為第i 個評價單元內人口易損性。

3.1 未考慮災害鏈效應的礦山泥石流災害風險評價

依據公式（4）和（5），采用未考慮災害鏈效應的礦渣堆危險性評價結果（見圖1）對亂石溝礦山泥石流風險進行計算。針對亂石溝經濟類承災體風險計算結果，以100元／100m2、1 000元／100m2及10 000元／100m2為界線，將研究區分為高風險、中等風險、較低風險和低風險，見圖5。由圖5可見，亂石溝的經濟風險值普遍較低，其中DE1620號礦渣堆后部的礦工生活區由于位于高危險性范圍內，總經濟價值為41.6萬元，因而成為研究區范圍內僅有的高風險區；中等風險區主要分布在中壕、三岔口以及38號、1280號礦渣堆的后側；較低風險及低風險區主要分布在簡易碎石路、礦山公路以及1120號、1140號等礦渣堆的居民生活區。

針對亂石溝人口承災體風險計算結果，以1人／100m2、10 人／100m2和20 人／100m2為界線，將研究區分為高風險、中等風險、較低風險和低風險，見圖6。由圖6可見，與經濟類承災體風險分布相比，亂石溝人口高風險區同樣分布于DE1620號礦渣堆后部的礦工生活區內；人口中等風險區分布面積最小，僅分布于1280號礦渣堆后部的局部地段；人口較低風險區分布面積較大，包括中壕、東壕、三岔口以及1280 號、D385、DW2 號礦渣堆后部的居民生活區；人口低風險區主要分布在簡易碎石路、礦山公路以及1120 號、1140 號、DW4 號礦渣 堆居民生活區和三岔口的部分地段。

圖5 未考慮災害鏈效應的亂石溝經濟類承災體風險預測Fig.5 Risk assessment of economic hazard-affected bodies

圖6 未考慮災害鏈效應的亂石溝人口類承災體風險預測Fig.6 Risk assessment of population hazard-affected bodies

3.2 考慮災害鏈效應的礦山泥石流災害風險評價

考慮災害鏈效應后，亂石溝礦渣堆的危險性評價結果相應發生變化［9］。受上游礦渣堆失穩潛在影響的礦渣堆，失穩概率明顯增高，由此計算得到的風險值也相應增大。根據上述考慮災害鏈效應的亂石溝礦渣堆危險性評價結果（見圖2）和亂石溝承災體易損性分布情況，依據公式（4）和（5），對亂石溝經濟類及人口類承災體風險分別進行計算，其結果見圖7和圖8。

圖7 考慮災害鏈效應的亂石溝經濟類承災體風險預測Fig.7 Risk assessment of economic hazard-affected bodies considering disaster chain effect

圖8 考慮災害鏈效應的亂石溝人口類承災體風險預測Fig.8 Risk assessment of population hazard-affected bodies considering disaster chain effect

由圖7和圖8可知，與未考慮災害鏈效應作用相比，處于災害鏈作用中下游的1280號、D385號、38號、DE33號和DW4號礦渣堆分布位置處的經濟類承災體的風險等級有所提高，主要原因是受上游礦渣堆失穩滑動及沖擊擾動作用的影響，中下游礦渣堆危險性提高，造成了風險的增大；同樣，這些礦渣堆分布位置處的人口類承載體風險也有不同程度的提高。

綜上分析可見，在風險評價過程中，對災害致災機制考慮方式的差異直接影響地質災害的風險評價結果。對于存在災害鏈效應的研究區段，例如溝谷流域的礦渣堆災害，若忽視了多級災害體之間擾動或觸發等作用機制的災害鏈效應，則會導致災害風險預測結果偏保守，人為降低了災害可能造成的潛在風險。因此，在風險性評價的過程中，應重視對災害鏈效應的分析，使得評價結果能夠真實地反映研究區的災害風險作用機制。

4 結論

（1）在對小秦嶺棗香峪亂石溝礦山泥石流災害危險性及易損性評價的基礎上，開展了經濟類及人口類承災體的風險預測評價。評價結果顯示：DE1620號礦渣堆后部的礦工生活區是經濟及人口高風險的集中區域；經濟中等風險區主要分布在中壕、三岔口以及38 號、1280 號礦渣堆的后側；人口中等風險區分布面積較小，僅分布于1280號礦渣堆后部的局部地段。風險預測評價的結果可以為研究區泥石流災害防治工程的布設提供參考依據。

（2）在溝谷流域礦山泥石流災害風險評價的過程中，尤其應重視對災害鏈效應的分析，若忽視了多級災害體之間擾動或觸發等作用機制的災害鏈效應，則會導致災害風險預測結果偏保守，人為降低了災害可能造成的潛在風險。

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