1、引用格式：龚标，陈爱云，杨亮，等基于沟谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价安全与环境工程，（）：，（）：基于沟谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价龚标，陈爱云，杨亮，汪洋，彭辉雄（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 ；中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 ；中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 ）摘要：公路可行性研究阶段常常缺少较详细的地质资料和数据，能够基于有限资料条件下开展公路泥石流危险性的快速评价对公路选线和后期减灾防灾非常必要。以地貌演化理论为基础，探讨了泥石流发育阶段划分依据，构建了泥石流发育程度与泥石流沟谷信息熵之间的判断矩阵，并结合公路与泥石流沟的位置关系，提出了公路
2、泥石流危险性快速评价方法和实施方案，最后选取云南省勐绿高速公路 段沿线的条典型泥石流沟进行了实例验证分析。实例应用结果表明：选取的条典型的泥石流沟中，条泥石流沟的危险性等级为中等，条泥石流沟的危险性等级为小，该评价结果与现场调查结果完全吻合，验证了本文评价方法是可行、可靠的，该方法数据易于获取，评价非常快速方便，适用于公路可行性研究阶段的泥石流灾害危险性快速评价。关键词：公路；泥石流；危险性快速评价；沟谷信息熵中图分类号：文章编号：（）收稿日期：开放科学（资源服务）标识码（）：基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科学技术研究项目（）作者简介：龚标（），男，硕士，工程师，主要从事公路地基勘查
3、与地质灾害治理方面的工作。：通讯作者：汪洋（），男，教授，博士生导师，主要从事地质灾害预测与评价方面的研究。：，（，；，（），；，）：，第 卷第期 年月安 全 与 环 境 工 程 ：；公路泥石流是公路建设和运营过程中的重要灾害，每年的直接经济损失达数十亿元，而公路可行性研究阶段常常缺少较详细的基础地质资料、勘查资料和调查资料，并且与勘察设计施工阶段相比，该阶段时间要求紧、任务重，因此能够基于有限的资料条件开展公路泥石流危险性的快速评价对公路选线和后期防灾减灾非常重要。区域公路泥石流危险性评价多采用因子叠加分析法和地貌信息熵评价方法。在因子叠加分析法方面，王英杰等利用通径分析，将公路泥石流危险性
4、评价因子进行精简，选取了个影响因子，并结合可拓学方法对公路泥石流危险性进行了评价；马海荣等采用层次分析法对赛果高速公路沿线的泥石流危险性进行了评价；魏学利等则采用层次分析法对中巴公路奥布段泥石流危险性进行了评价；张明等针对我国高寒、高海拔、高烈度（“三高”）地区选取了个影响因子，采用层次分析法对“三高”地区高速公路泥石流危险性进行了评价。在地貌信息熵评价方法方面，一些学者们从地貌演化理论出发，从面积高程曲线积分函数和沟谷信息熵角度开展了泥石流沟谷发育阶段和危险性程度划分；张强等、陈远川等 运用信息熵理论，对川藏公路德达波戈溪沿线和横断山区美姑河流域公路泥石流灾害危险性进行了评价；刘丽娜等 采用
5、沟谷信息熵与滑坡物源结合的方法对芦山地震区泥石流危险性进行了评价；谢涛等 基于沟谷信息熵对天山公路冰川泥石流危险性进行了评价。总之，因子叠加分析法对因子进行定量化取值时，需要结合沟谷的野外调查来进行，比较适用于具体泥石流的危险性评价，而地貌信息熵评价方法可根据地形信息或遥感图件对区域泥石流的危险性进行评价。虽然公路泥石流危险性评价方面的研究成果甚多，但针对公路可行性研究阶段常常缺少较详细的地质资料和数据，能够基于有限的资料条件下开展公路泥石流危险性快速评价的研究成果较少。因此，本文以地貌演化理论为基础，探讨了泥石流发育阶段划分依据，构建了泥石流发育程度与泥石流沟谷信息熵之间的判断矩阵，并结合公
6、路与泥石流沟的位置关系，提出了公路泥石流危险性快速评价方法和 实 施 方 案，最 后 选 取 云 南 省 勐 绿 高 速 公 路 段沿线的条典型泥石流沟进行了实例应用分析与验证。基于沟谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价方法1.1沟谷信息熵依据侵蚀地貌理论，一个流域系统的侵蚀过程可以 用 沟 谷 地 貌 面 积高 程 曲 线 或 信 息 熵 来 表示，沟谷信息熵 可表示为沟谷地貌面积高程曲线积分值的函数：（）（）（）式中：为沟谷信息熵；（）为沟谷地貌面积高程积分曲线（见图），该曲线由直角坐标轴上一系列点（，）组成的拟合度最好曲线，其中为流域内某条等高线以上的面积（），为该等高线与流域内最低点的高
7、差（），为沟谷流域面积（），为流域最大高差（）。图沟谷地貌的面积高程积分曲线 在封闭系统中，随着沟谷流域面积高程积分值的减小，流域系统逐渐夷平，沟谷信息熵值将不断增加；而当流域系统夷平至准平原，沟谷信息熵值趋向于最大。1.2沟谷信息熵和泥石流发育阶段划分根据沟谷信息熵，可将沟谷发育阶段分为幼年期（）、壮年期（）、老年期（）；有学者将沟谷发育阶段壮年期进一步细分为壮年偏幼期和壮年偏老期，从而形成四分法，即幼年期（）、壮年偏幼期（）、壮年偏老期（）、老年期（）；也有学者将沟谷发育阶段壮年期细分为壮年偏幼期、壮年期和壮年偏老期，从而形成五分法，即幼年期（）、壮年偏幼期（）、壮年期（）、壮年偏老期（）
8、、老年期（）。本文基于沟谷信息熵和研究区泥石第期龚标等：基于沟谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价流的发育特点，并参考前人的研究成果，将泥石流的发育演化过程划分为个阶段，分别为发育期、旺盛期、衰退期和停歇期，见表。表泥石流发育阶段划分 沟谷发育阶段泥石流沟谷特征沟谷信息熵（值）泥石流发育阶段幼年期沟谷逐渐发育，沟谷泥石流逐渐发生，淤积速度递增，规模小（，）发育期壮年期泥石流 极 为 发 育，沟 坡 极 不 稳定，淤积速度稳定，规模大 ，）旺盛期老年期泥石流逐渐消减，较难发生，沟坡趋于稳定，以河床侵蚀为主，有淤有冲 ，）衰退期泥石流极难发生，沟槽稳定，植被恢复，逐渐发育为准平原 停歇期1.3泥石流
9、发育程度评价泥石流发育程度的评价不仅需要考虑泥石流的发育阶段，还需考虑泥石流的规模。根据泥石流发生后潜在堆积物的体积，可将泥石流规模分为类：堆积物体积大于或等于 万，为巨型泥石流；堆积物体积在 万 万 之间，为大型泥石流；堆积物体积在万 万 之间，为中型泥石流；堆积物体积小于万，为小型泥石流。处于一定沟谷发育阶段发育期的泥石流，规模越大，其发育程度越强。根据泥石流的发育阶段和规模，可对泥石流发育程度进行分级，具体分级详见表。表泥石流发育程度分级 泥石流发育阶段不同泥石流规模下泥石流发育程度巨型和大型泥石流中型泥石流小型泥石流旺盛期发育程度强发育程度强发育程度中等发育期发育程度强发育程度中等 发
10、育程度中等衰退停歇期发育程度中等发育程度弱发育程度弱1.4公路泥石流危险性分级公路与泥石流的位置关系是公路泥石流危险性评价的一个重要指标，沟谷型泥石流区域一般可分为物源区、流通区和堆积区，三个区对公路的影响有一定的差别，通过堆积区的公路路面和基础容易被淤埋，通过流通区的公路基础容易被冲击损毁，通过物源区的公路基础易发生局部淘蚀垮塌。考虑泥石流发育程度和公路与泥石流的位置关系，将公路泥石流灾害的危险性分为大、中等和小个等级，具体详见表。表公路泥石流危险性分级 公路与泥石流的位置关系不同泥石流发育程度下公路泥石流危险性等级发育程度强发育程度中等发育程度弱公路通过流通区危险性大危险性大危险性中等公路
11、通过堆积区和物源区危险性大危险性中等危险性小公路位于泥石流区域外危险性中等危险性小危险性小1.5公路泥石流危险性快速评价实施方案公路泥石流危险性可按以下步骤进行快速评价：（）基于研究区的地形等高线数据，或通过遥感数据快速获取 或地形地貌数据，利用 软件的空间分析功能，统计每条等高线以上的面积，并将对应的沟谷地貌面积和高程数据转化为以 能够识别的格式。（）利用 的拟合功能或其他拟合软件对所绘制的沟谷发育面积高程曲线进行趋势拟合，选取拟合效果最好的表达式，得出每条泥石流沟流域的沟谷发育面积高程曲线方程。（）利用 软件，分别对每条泥石流沟的沟谷地貌面积高程曲线方程在，区间内进行积分，计算出泥石流沟谷
12、流域的地貌信息熵值。（）依据表确定每条泥石流的发育阶段。（）利用 软件的空间分析功能，统计每条泥石流沟流域范围的面积，并依据可行性阶段初步调查确定每个流域范围内第四系覆盖层和基岩全强风化层的厚度，再根据面积和厚度估算泥石流发生后潜在堆积物体积。（）依据表确定每条泥石流的发育程度。（）依据表确定每条泥石流威胁下公路的危险性等级。该方法数据易于获取，评价非常快速，适用于公路可行性研究阶段的泥石流灾害危险性评价。实例应用分析与验证本文选取云南省勐绿高速公路 段沿线的条典型的泥石流沟（编号依次为 ）为研究对象，利用本文提出的基于沟谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价方法对该高速公路泥石流沟的危险性进行了
13、评价。研究区域出露的地层岩性较为单一，主要为一碗水组（）和高山寨组（）泥岩、页岩、泥质粉砂岩，上覆的坡残积层，局部为第四系冲洪安全与环境工程 ：第 卷积层。区内河谷沟岸侵蚀强烈，沟壑纵横，海拔高、多暴雨，均为山区沟谷型泥石流（见图），依据上述公路泥石流危险性快速评价步骤得到条泥石流沟的各参数见表。为了验证上述评价结果的可靠性，结合无人机航拍和现场调查对该高速公路 段沿线条泥石流沟危险性评价结果进行了检验。通过无人机航拍和现场调查发现：泥石流沟 两侧岸坡稳定，堆积扇厚度大、宽度广，为老堆积扇，植被覆盖率高，河道中基本无堆积物，泥石流后缘高程低、物源较少，泥石流暴发频率低，近年无泥石流暴发记录，目
14、前处于衰退期停歇期（见图），这三条泥石流沟规模均为中小型，发育程度弱，拟建高速公路通过这三条泥石流沟的堆积区，危险性小，建议采图云南勐绿高速公路 段沿线条典型泥石流沟地形和全貌图 表云南勐绿高速公路 段沿线条泥石流沟危险性快速评价结果 泥石流沟编号沟谷信息熵（值）泥石流发育阶段泥石流规模泥石流发育程度公路与泥石流的位置关系危险性等级 停歇期中型弱公路通过堆积区危险性小 衰退期中型弱公路通过堆积区危险性小 停歇期小型弱公路通过堆积区危险性小 旺盛期小型中等公路通过堆积区危险性中等 旺盛期小型中等公路位于泥石流区域外危险性小 旺盛期小型中等公路通过堆积区危险性中等第期龚标等：基于沟谷信息熵的公路泥
15、石流危险性快速评价用填方路基或桥梁跨越；泥石流沟 两侧岸坡不稳定，沟口堆积扇正在逐渐扩展，泥石流前缘河道中轴线明显被挤偏移，植被覆盖率低，河道中有大量的碎石堆积物，沟口可见大量冲积块石，泥石流暴发频率高，目前处于旺盛期（见图），这三条泥石流沟规模均为小型，发育程度中等，拟建高速公路位于 泥石流沟影响区以外，危险性小，无需专门针对泥石流沟 进行防护，但拟建高速公路通过泥石流沟 和 的堆积区，危险性中等，建议采用桥梁跨越，并在桥墩周围修建导流墙，避免泥石流对所修建桥墩造成影响，并定期对导流墙周围的泥石流堆积物进行清理。可见，拟建高速公路泥石流危险性现场验证结果与预测结果相一致，表明本文提出的基于沟
16、谷信息熵的公路泥石流危险性快速评价方法是可行、可靠的。结论本文以地貌演化理论为基础，建立了考虑沟谷信息熵、泥石流规模、公路与泥石流位置关系的公路泥石流危险性快速评价方法，并提出了基于地形等高线数据和泥石流体积规模数据，综合运用 软件的空间分析功能、软件的拟合功能、软件的计算功能的公路泥石流危险性快速评价实施方案。实例应用结果表明：选取的条泥石流沟中，条泥石流沟（、）的危险性等级为中等，条泥石流沟（、）的危险性等级为小，该评价结果与现场调查结果完全相符，从而验证了本文提出的评价方法是可行、可靠的。参考文献：蔺娅，李爱春，温海燕基于变权靶心贴近度模型的泥石流灾害影响下桥梁工程易损性评价 安全与环境工程，（）：，：王英杰，王磊，荣起国，等 基于通径分析与可拓学的公路泥石流危险性评价 吉林大学学报（工学版），（）：马海荣，程新文，陈联君，等基于 与层次分析法的公路泥石流危险性评价公路工程，（）：，：魏学利，陈宝成，李宾，等 中巴公路奥布段泥石流危险性评价与防治分析 公路，（）：张明，王章琼，白俊龙，等 基于 的“三高”地区高速公路泥石流危险性评价中国地质灾害与防治学报，（）：，（）：（），（）
