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1引言

泥石流是世界范圍最危險的地滑過程之一。最近幾年，泥石流導致大約3萬人死亡，數億美元經濟損失。高頻泥石流的位置易于辨識，因而能夠避開或減輕，但低頻泥石流由于泥石流過程難于識別和潛在后果沿泥石流溝槽或溢流區發展，因而可能導致更大的威脅。

1.1JonesCreek

1983年在JonesCreek發生的一次泥石流損失雖然較小，但提醒管理者：更大的事件可能給位于沖積扇上的Acme鎮帶來巨大的損害。這種現實迫使Whatcom縣頒布一個詳細的JonesCreek泥石流研究項目(KerrWoodLeidal2004)。該項研究目的包括：確定500年爆發期泥石流的規模，評價潛在的后果并提出減輕風險的措施。

廣泛的調研已經開始，包括：開挖探槽、14C測年、泥石流模擬，本文總結了這些研究成果。基于這些在手邊的信息，對于50、500和5000年一遇的泥石流事件進行模擬，旨在確定對于房屋和基礎設施可能的影響及死亡概率。繪制了個人或人群死亡概率(N)與泥石流事件概率(F)關系圖，并且與一般大眾可承受的風險進行了比較。

1.2區域相關性

Washington州有數百個類似于JonesCreek的沖積扇，并且其中很多沖積扇在溢流區發展有泥石流(Weden&Associates1983,Foxetal.1992)。北美沒有制定泥石流災害及其風險量化的法規，而且咨詢顧問和當地權威人士之間也沒有普遍可接受的方法。不象洪災研究采用100年（美國、歐洲）或200年（加拿大）一遇洪災進行洪泛區設計和洪災保險，泥石流的設計再現期沒有標準。

除了滿足災害和風險量化的主要目的，該案例研究表明：需要下大力氣運用科學的防護方法完成目標。該研究也強調需要建立統一的災害和風險評估體系，以便在更大的地區、州或省、甚至整個國家應用。比選方案將為咨詢顧問和政策制定者的工作質量產生天壤之別，特別是對災害及其風險量化和風險承受度的決策。缺乏標準可能導致混亂和給將來立法帶來困難。

2研究區概況

JonesCreek流域面積為美國華盛頓州Whatcom縣Cascade山麓6.8km2的地區，該流域朝東向，位于Bellingham以東約35km。流域高程范圍從Stewart山南端的990m降低到與SouthForkNooksack河的廣闊漫灘交匯處的85m。由于一系列泥石流活動，一個大的復合扇已在谷底形成，疊加在Nooksack河漫灘之上，而且深部與河床沉積交錯。位于JonesCreek沖積扇上的Acme鎮有大約居民250人和建筑物100幢。

JonesCreek有記載的泥石流包括1983年發生的方量25000m3的事件(Rainesetal.1983)以及1953年一次方量未知的小型泥石流。Creek泥石流溝長約5km,在沖積扇頂部溝槽平均梯度為18%。沖積扇梯度在靠近頂部的6%到與SoothFork會合處的2%之間變化。

過去對流域的擾動包括野火、過度伐木及滑坡。由于1884年一場大火燒毀了Acme鎮附近大量的森林(deLaChapelle2000)，因而對該流域早期的開發很少。隨著40年代在沖積扇上建設鋸木廠，該流域內開始了大規模的伐木。伐木經歷了幾個輪回，其間毀壞了約99%的老森林。

圖1標有地質邊界和主要滑坡的JonesCreek流域中游地形圖

圖2靠近Darrington滑坡腳下發育的大型地塹

JonesCreek流域發育兩組巖層（見圖1）。該流域上覆基巖由Chuckanut組組成，該巖組是始新世（統）時期(Johnson1984)在華盛頓西部廣泛沉積的河流相堆積體。該巖組的特點是由砂巖、細礫巖、泥巖、黑色頁巖和煤層交替沉積而形成。

流域下部的40%覆蓋有Darrington千枚巖，該巖層通過傾向北東的斷層從Chuckanut組中分離出來。Darrington千枚巖是Shuksan變質巖套中形成最早的巖層，而Shuksan變質巖套組成了NorthCascades山脈的部分變質巖核部(Brown1987)。高度褶皺和斷裂的千枚巖力學特性軟弱，易于風化成富含粘土礦物的殘積碎片。因而，該組巖層易遭受深部旋轉破壞、蠕滑和塊體滑移(Thorsen1989)。圖1顯示了這些滑坡中的幾個。這些滑坡的特點是發育有一系列垂直錯位1－3m的陡崖、地塹和地壘形跡、坡腳坍塌和靠近溪流的解體現象（見圖2）。Darrington滑坡是這些滑坡聯合體中最大的滑坡，沿著溪流北側下滑400m，且延伸到上坡相似的距離。

千枚巖的不穩定性也可能與山谷的冰川史有關。更新世冰川作用末期(Fraser冰川)從2萬年前持續到1萬年前，并在山谷底板中保留有很厚的冰水沉積物以及在山坡上保留有冰磧物覆蓋層(Easterbrook1971)。SouthFork河的許多支流是

圖3JonesCreek沖積扇上的探槽位置

懸谷，這些懸谷很有可能是隨著支流山谷中的冰川消融作用排泄Nooksack山谷殘余冰水成為無冰干谷過程中而形成的。后來的冰川消融導致較低山谷的河流下切作用，由溪谷縱向剖面呈凸形與“V”字形過陡的岸坡表明至今還沒有發現一個均衡的山坡。在JonesCreek地區，這種過陡的山坡很可能引起Darrington千枚巖的蠕變最終導致滑坡，該過程與在溪谷中修筑臨時性的攔擋壩造成大規模的泥石流的發生有密切聯系，本文證實了該結論。

3災害分析

該研究的首要目的是量化JonesCreek地區的泥石流災害。為了分析災害，必須確定泥石流事件概率和事件規模。

3.1泥石流頻率

JonesCreek地區泥石流頻率或概率是通過開挖探槽揭示的。探槽方法可以進行個別泥石流沉積物的放射性碳測年，以及沉積物厚度測量，用來反演泥石流方量。

2003年7月在沖擊扇上開挖了深度達5m的探槽18個。經過土地所有者許可，探槽的布置盡可能廣泛地穿越沖積扇（參見圖3）。

泥石流沉積物經常被古土壤分割，探槽揭示了泥石流沉積物的層序。圖4提供了發育良好的土壤和泥石流沉積物序列的實例。對每一個探槽中的地層進行了編錄，并在開挖孔回填前采集了有機質樣品。23個有機質樣品送往新西蘭Waikato大學放射性碳同位素實驗室進行放射性測年和AMS測年。校準的年代為編制過去7000年JonesCreek地區泥石流年代史(表1)奠定了基礎。

假定重疊時代范圍代表同一泥石流事件，表1對此做了簡化。基于有機樣品采集位置，確定了單個泥石流沉積物的年代最小值和最大值，得出了假定泥石流的時代為距今400、900、2100、3400、4200和7000年(表2)。

本文的分析意味著能夠分辨出在過去的7000年里發生過八次泥石流活動，平均重現期為大約900年。其中的兩次事件(1953,1983)的規模(<25000m3)比其他幾次事件的小得多。由此只有六次大型泥石流計算在內(大型泥石流定義為方量超過75000m3，見下節)，其回歸周期大約為1200年。

上面的分析基于如下假定，鑒定時代的事件是泥石流，而不是集中流，并且鑒定時代的事件準確地反映了JonesCreek地區發生過的所有大型泥石流。考慮到地層信息在開挖探槽過程做過編錄，第一條假設是合理的。而且，即使一些事件或其流體殘余塑性流動可能大致歸類為集中流，但是這些術語之間的差異并不影響泥石流災害及其風險分析。

第二條假設有可能是不完備的，因為泥石流頻率的分辨率除了取決于采集樣品中的放射性碳的時代，還取決于探槽的數量和深度。例如，如果沒有開挖18條探槽（沒有得到土地所有者許可），記錄只可能追蹤到距今4200年，其泥石流再現其為800年。因此，假定記錄到的過去7000年以來大型泥石流活動發生過六次是一個最小的數字而不是精確的事件數目是合理的。而且時代更早的泥石流堆積物可能埋藏于開挖深度之下貨地下水位以下。

圖4發育良好的泥石流堆積物與古土壤互層序列

基于上面討論的限制，能夠得出如下結論，JonesCreek地區大型泥石流的再現期大約為400-600年。

表1探槽中的有機樣品的14C年齡匯總表

測定的年齡/年（距今）

樣品編號

定年物質

1350-1540

1B

土，有機質

790-1060

2B

土，有機質

550-740

3A

木頭

310-520

4A

木炭

3160-3470

4B

土，有機質

760-930

5A

木頭

3690-3990

7B

土，有機質，木炭

3360-3580

8A

土，有機質

3690-4080

8B

土，有機質

450-560

9A

木頭

300-480

9B

木頭

980-4360

9D

土，有機質，木炭

1890-2160

11A

土，有機質

-10-290

14A

木頭

-10-320

14B

木頭

3160-3450

15A

土，有機質，木炭

1950-2310

16B

土，有機質

290-470

17A

木頭

1510-1780

17B

土，有機質，木炭

現代

17C

木頭

6790-7230

18B

土，有機質，木炭

表2JonesCreek地區確定時代的泥石流事件匯總表

測定的年齡/年（距今）

假定的時代

樣品編號

0-320

1953或1983

14A,14A,17C

310-470

400

3A,4A,9A,9B,17A

790-830

900

1B,2B,5A,17A

1890-2160

2100

11A,16B

3360-3470

3400

4B,8A

3690-4360

4200

7B,8B,9D

6790-7230

7000

18B

3.1.1區域性研究

JonesCreek地區的結果與Orme(1989，1990)和deLaChapelle(2000)做過的區域性泥石流的研究一致。Orme研究了MillsCreek地區（在JonesCreek南）和SmithCreek地區（Stewart山脈西坡）的泥石流頻率，而deLaChapelle(2000)考察了Stewart山脈東坡JonesCreek地區北三個流域的泥石流頻率。表3表明泥石流放射性碳年代、deLaChapelle(2000)古土壤年代和Orme所做的研究(1989,1990)三者出現了有意義的重疊。

表3JonesCreek地區及其附近泥石流和古土壤非校準14C年齡

序號

deLaChapelle(2000)

Orme(1989,1990)

本研究

1

90

2

370

3

430

320，330，400

4

880，1055，1125

470，730

5

1150

940，1040

6

1305，1520

1720

7

1930，2015

1570，1720

8

2280

2070，2130

9

3045，3295

3370

10

3750，3750

3090，3110，3240

11

4270，4270

3570，3570，3790

12

4880

13

5225，5260

14

6120

注：斜體數值代表古土壤年齡，其他值代表泥石流沉積物中的有機質年齡

表4JonesCreek沖積扇上的泥石流假定的年齡、體積和峰值流量（所有數值已取整）

年齡/年（距今）

Vmed/m3

Vmax/m3

Qmed/m3•s-1

Qmax/m3•s-1

400

135000

205000

420

630

900

100000

150000

310

470

2100

170000

255000

530

790

3400

90000

135000

280

420

4200

170000

255000

530

790

7100

85000

125000

260

390

3.2泥石流規模

泥石流規模能表述為從一個感興趣地區輸運出物質的總體積或指定的某一地點的峰值流量。Mizuyama等(1992)與Jakob和Bovis(1996)等學者證實并經Rickenmann(1999,2005)歸納出，泥石流方量與峰值流量有相關關系。

泥石流的體積由每一探槽地層編錄、泥石流物質和古土壤年齡定年和采用可比較時代的沉積物與其他探槽中的泥石流物質建立相關關系來確定。由于沖積扇中部區域開挖探槽沒有得到許可，重要的誤差來源于在該區缺少探槽。因此，一些泥石流堆積了連續的一大片泥石流物質或是流動到了分散的冰川舌中還未為可知。通過繪制冰川舌中的泥石流堆積物面積和連接探槽群的等值平行線，分析中包含這兩種可能性，這種方法導致表4匯總的兩種不同的體積。

泥石流峰值流量(Qp)運用Jakob(1996)導出的粘性泥石流體積(V)和Q之間的經驗關系式確定：

(1)

基于溝槽、滑坡和探槽中的堆積物的粒徑分析假定發生的是粘性泥石流。粘土含量在解釋泥石流的可流動性(Scott1985,Jordan1994)方面顯示出重要性。粘土含量超過4%的泥石流能夠從很低角度的溝槽中流出，并有可能抵抗水的排泄長期一段時間。JonesCreek的許多樣品粘土含量超過4%，這與JonesCreek沖積扇較低的平均梯度(4%)相吻合。細粒泥石流堆積物常不能形成粗糙前鋒邊界，該粗糙邊界通過基床摩擦減緩泥石流流速并促使泥石流物質過早沉積。

3.3泥石流引發機制

JonesCreek地區的泥石流可能由幾個不同的過程引發的。這些過程的識別因統計頻率分析要求同源不相關的數據而顯得重要起來。同源性只能通過相同類型的引發機制能夠與一定回歸周期的泥石流相聯系來保證。

泥石流爆發最共有的過程是巖土體碎屑物質在主溝槽中滑動或崩塌產生的直接變形(Benda&Cundy1990)。JonesCreek易于遭受這種過程，因為地勢較低的3km被陡峻的邊坡圍限，這也是發生過歷史淺層滑坡的證據。地勢較低的溝槽以存在可快速風化為厚層細粒物質的千枚巖為特點。這些泥石流的規模是沒有引起泥石流發生的碎屑物質的體積和從泥石流引發區帶到溝槽下游的碎屑物質的數量的函數。1983年發生的泥石流據估計體積是25000m3，就是這類泥石流的一個例子。

但是，表4中匯總的大型泥石流不大可能是由碎屑物質崩塌產生的直接變形引發的。這些泥石流可能是地勢較低流域埋深較大的巖石滑塌沉陷堵塞JonesCreek而引發的。兩個論點支持這種假說。第一，沖積扇上的泥石流堆積物幾乎都由單一的千枚巖組成，該千枚巖只發現于JonesCreek較低的一半。第二，重建的泥石流的最大體積為255000m3。假定以體積計算的固體集度為60%到70%，相對應的水的體積至少為65000m3。以100年一遇峰值流量8.5m3/s計算，峰值瞬時排泄量必須延續至少2小時才能與使最大型泥石流運動的總水量相等。使大型泥石流發生的最合理的解釋是，上游的大型滑坡堆積壩潰決時突然釋放蓄存的水引發泥石流。這個過程已經被確認為西北太平洋地區的陡峻的山地流域普遍發生的事件(Coho&Burges1994,Jakob&Jordan2001)。Darrington滑坡在坡腳處有一個活動的陡崖，可以想象到深部巖體失穩可能阻塞JonesCreek到達超過15m，這樣至少可以蓄水45000m3。

3.4泥石流頻率-規模關系

建立大型歷史泥石流的存在序列，Whatcom縣政府命令掌握500年重現周期的泥石流規模以便進行土地利用區劃，并進行建筑物減災措施的概念設計。作為第一步驟，用表4的數據完成了頻率分析。1983年和1953年的發生的泥石流事件因來源于不同的數據母樣本(觀測與通過地層信息重建相對立)而從分析中剔出。更多的與1983或1953同樣大小的泥石流事件很有可能在歷史上發生過，但是在地層柱狀圖中沒有充足的記錄。

泥石流體積及其相應的重現期繪制在半對數坐標系中，并且用最佳擬合曲線來擬合這些數據點(圖5)。圖5基于面積范圍上的似然誤差分析，包含了已知的泥石流事件的最佳估計體積(Vmed)和最大體積(Vmax)。數據集的極限包絡線用于計算500年重現期的泥石流的規模：體積為90000m3，峰值流量為280m3/s。

圖5JonesCreek泥石流頻率-規模曲線

圖5因為確定時代的泥石流事件可能沒有反映所有JonesCreek上發生的大型泥石流事件，明顯地帶有一些誤差。然而，本文的分析為約化設計泥石流規模提供充足的細節資料。

3.5泥石流災害強度

為評價JonesCreek設計事件提出的泥石流災害，水力學建模工具FLO-2D用于最大泥石流深度和流速的建模工作。FLO-2D是二維的洪水演算模型，分析非常規洪水，諸如復雜地形上的無側限流，碎屑洪水和泥石流方面的問題非常有用。但該模型不太適用于西北太平洋地區的泥石流，JonesCreek的數據集能夠容許對輸入的參數給予較好的校準。

設計泥石流事件的建模結果用于定義和繪制4種災害強度區劃（表5）。

表5500年重現期的泥石流的強度和量化結果等級

后果/影響區

泥石流發展區的可能后果

強度參數

v(m/s)

z(m)

d(m)

極高

直接影響，大范圍的建筑物破壞

>7

>3

>1

高

有影響，給建筑物帶來潛在破壞，大范圍碎屑沉積和破壞

3-7

2-3

0.6-1

中等

建筑物不破壞，但是由于碎屑沉積和洪水給財產帶來公害

2-3

0.3-3

0.3-0.6

低

小規模惱人的洪災

<2

<0.3

<0.3

4風險分析

風險分析的目的是評價在所調研的災害下保證人類生命和財產安全的措施是否到位。風險分析與災害及其后果的衡量相結合，災害的定義是事件的概率和規模的組合，這個概念已經在前面的章節中建立起來。最常用的衡量災害后果的方法是人類生命的損失。

4.1定性的風險

定性風險有多種方法。其中的一類方法運用災害及其后果的嚴重程度的專門分類，再與一個風險矩陣結合。在JonesCreek地區，基于泥石流災害強度、災害后果、泥石流發生概率(高：重現期<20年；中等：重現期為20-100年；低：重現期<500年)建立了風險矩陣，風險等級劃分見表6。

表6JonesCreek的泥石流定性風險矩陣

后果

災害概率

高

中等

低

極高

極高

高

高

高

高

高

中等

中等

高

中等

中等

低

中等

中等

低

4.2定量的風險

一種更客觀的風險定量分析方法是F/N曲線，即單個災害事件的死亡人數(N)與災害概率(P)建立函數關系。繪制幾個事件概率的N獲得F/N圖上的一條曲線，并能與普遍接受的風險對比。

第一步，用FLO-2D模擬重現期分別為50、500和5000年的泥石流事件。災害強度區劃用于估算潛在死亡率。假定高強度地區死亡概率為1，中等強度和低強度地區的死亡概率為0。表7匯總了定量風險分析的輸入參數。

表7JonesCreek地區泥石流災害定量風險分析輸入參數

重現期TDF/年

NH

NR

P(TH)

P(TO)

NP

P(THTO)/%

50年

1

3

0.3

0.1

1.2

2.4

500年

5

18

0.3

0.1

7.2

1.4

5000年

10

36

0.3

0.1

14.4

0.3

注：TDF為泥石流的重現期；NH是可能遭受結構破壞導致人身傷亡的家庭數量；NR是在紅色和棕色災害區劃之外無居民家庭數量；P(TH)是泥石流發生時間內居民在家的概率；P(TO)是泥石流發生時間內一個人出門在外的概率；NP是泥石流發生期間可能的死亡人數；；P(THTO)是年死亡概率，

上面的分析表明重現期為500年的泥石流的死亡人數為7人，個人死亡概率大約為1.4%。圖6顯示了ANCOLD(1997)建立起來的可接受的風險水平。因此，盡管上述計算的假設條件簡單(例如，沒有考慮每天每棟建筑物有多少小時多少人居住)，JonesCreek的泥石流的風險現今為西方社會難于接受。

圖6JonesCreek地區泥石流的F/N曲線(風險定義據ANCOLD，1997)

5討論

運用F/N曲線進行定量的風險提供了一種可對比的可重復的泥石流風險分析方法，從而為生命和財產免受泥石流災害沖擊的保護措施提供客觀決策。實際上，公眾心理承受能力和政治環境能夠影響F/N風險分析結果的解釋。

美國政府對于2001年9月恐怖襲擊的反應就是一個重要的事例，在此次事件中紐約市世貿中心雙塔的倒塌導致3000人喪生。

過去的500年中美國本土死于恐怖活動的人數大約為3200，每年6.4人。2億6千萬美國公民現在生活在美國本土，美國個人在恐怖活動中的年死亡概率為2.5×10-8，與之相比JonesCreek沖積扇個人死亡概率為1.4×10-2。美國恐怖襲擊的死亡危險能夠歸為可接受的風險，如果應用于某一產業或基礎設施的所有者，很可能做出決策，災害不能夠辯解基金的花費。這個結果與最近開始的通過本土防衛計劃(HomelandDefense)對美國國內外的恐怖襲擊作斗爭花費的數十億美元形成鮮明對比。這個例子證實了即使F/N曲線作為風險的客觀衡量標準并支撐對于災害反應的決策，政治考慮和大眾的心理承受能力能夠壓倒科學的客觀性。

6結論

本文對JonesCreek沖擊扇上的泥石流災害及其風險進行了定量研究。通過測定有機質年齡和外推沖積扇上的泥石流沉積物厚度確定了重現期為500年的泥石流頻率和規模。通過與泥石流體積建立相關關系確定了峰值流量。估算出設計泥石流的方量為90000m3，相應峰值流量為320m3/s。接下來的泥石流建模工作，繪制年死亡概率和期望死亡人數關系曲線定量化災害的風險。F/N曲線表明現在存在的風險為現今西方社會所不能承受，并且應采取減災措施。盡管F/N曲線可用于客觀地評價風險是否值得花費基金，公眾心理或是政治環境能夠取代可接受的風險的概念。

盡管受到探槽的數量和深度以及放射性碳測年的限制，本研究證實了本次研究努力和方法能夠適用于評價由泥石流形成的沖積扇的災害及其風險。考慮到山區存在大量的有相似人口的沖積扇和泥石流可預報性差(與洪災相對)，發展災害及其風險定量化和制圖的統一體系迫在眉睫。希望本文能夠為此目標稍盡綿薄之力。

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