译文－华盛顿州Jones Creek（琼斯溪谷）泥石流灾害及其风险评价

摘要：本文对Jones Creek（琼斯溪谷）冲积扇上的泥石流灾害及其风险进行了量化研究。在冲积扇上的18条探槽中取有机材料样品测年表明：在过去的7000年里至少发生了6次大型泥石流（体积＞8.5万m3），平均每400—600年爆发1次。由于冲积扇上有大约100幢建筑物，地方市政当局要求掌握500年一遇的泥石流规模以利于土地利用区划。根据该数据绘制了频率-规模图，该数据同时被输入二维泥石流径流模型中。基于泛滥面积、峰值流深和峰值流速，该模型结果被用于灾害强度区划。量化的风险分析成果应用到确定模拟50、500和5000年一遇泥石流爆发事件中的个人或人群的死亡概率。F/N曲线上的数据点位置表明：社会目前难于承受Jones Creek地区泥石流导致的风险，需要实施减灾措施。

关键词：泥石流灾害 风险评价

1 引言

泥石流是世界范围最危险的地滑过程之一。最近几年，泥石流导致大约3万人死亡，数亿美元经济损失。高频泥石流的位置易于辨识，因而能够避开或减轻，但低频泥石流由于泥石流过程难于识别和潜在后果沿泥石流沟槽或溢流区发展，因而可能导致更大的威胁。

1.1 Jones Creek

1983年在Jones Creek发生的一次泥石流损失虽然较小，但提醒管理者：更大的事件可能给位于冲积扇上的Acme 镇带来巨大的损害。 这种现实迫使Whatcom县颁布一个详细的Jones Creek泥石流研究项目(Kerr Wood Leidal 2004)。该项研究目的包括：确定500年爆发期泥石流的规模，评价潜在的后果并提出减轻风险的措施。

广泛的调研已经开始，包括：开挖探槽、14C测年、泥石流模拟，本文总结了这些研究成果。基于这些在手边的信息，对于50、500和5000年一遇的泥石流事件进行模拟，旨在确定对于房屋和基础设施可能的影响及死亡概率。绘制了个人或人群死亡概率(N)与泥石流事件概率(F)关系图，并且与一般大众可承受的风险进行了比较。

1.2 区域相关性

Washington 州有数百个类似于Jones Creek的冲积扇，并且其中很多冲积扇在溢流区发展有泥石流(Weden && Associates 1983， Fox et al. 1992)。北美没有制定泥石流灾害及其风险量化的法规，而且咨询顾问和当地权威人士之间也没有普遍可接受的方法。不象洪灾研究采用100年（美国、欧洲）或200年（加拿大）一遇洪灾进行洪泛区设计和洪灾保险，泥石流的设计再现期没有标准。

除了满足灾害和风险量化的主要目的，该案例研究表明：需要下大力气运用科学的防护方法完成目标。该研究也强调需要建立统一的灾害和风险评估体系，以便在更大的地区、州或省、甚至整个国家应用。比选方案将为咨询顾问和政策制定者的工作质量产生天壤之别，特别是对灾害及其风险量化和风险承受度的决策。缺乏标准可能导致混乱和给将来立法带来困难。

2 研究区概况

Jones Creek流域面积为美国华盛顿州Whatcom县Cascade山麓6.8 km2的地区，该流域朝东向，位于Bellingham以东约35 km。流域高程范围从Stewart山南端的990 m降低到与South Fork Nooksack河的广阔漫滩交汇处的85 m。由于一系列泥石流活动，一个大的复合扇已在谷底形成，叠加在Nooksack河漫滩之上，而且深部与河床沉积交错。位于Jones Creek冲积扇上的Acme镇有大约居民250人和建筑物100幢。

Jones Creek有记载的泥石流包括1983年发生的方量25000m3的事件(Raines et al. 1983)以及1953年一次方量未知的小型泥石流。Creek泥石流沟长约5 km， 在冲积扇顶部沟槽平均梯度为18%。冲积扇梯度在靠近顶部的6%到与Sooth Fork 会合处的2%之间变化。

过去对流域的扰动包括野火、过度伐木及滑坡。由于1884年一场大火烧毁了Acme镇附近大量的森林(deLaChapelle 2000)，因而对该流域早期的开发很少。随着40年代在冲积扇上建设锯木厂，该流域内开始了大规模的伐木。伐木经历了几个轮回，其间毁坏了约99%的老森林。

图1标有地质边界和主要滑坡的Jones Creek流域中游地形图

图2 靠近Darrington滑坡脚下发育的大型地堑

Jones Creek流域发育两组岩层（见图1）。该流域上覆基岩由Chuckanut组组成，该岩组是始新世（统）时期(Johnson 1984)在华盛顿西部广泛沉积的河流相堆积体。该岩组的特点是由砂岩、细砾岩、泥岩、黑色页岩和煤层交替沉积而形成。

流域下部的40%覆盖有Darrington千枚岩，该岩层通过倾向北东的断层从Chuckanut组中分离出来。Darrington千枚岩是Shuksan变质岩套中形成最早的岩层，而Shuksan变质岩套组成了North Cascades山脉的部分变质岩核部(Brown 1987)。高度褶皱和断裂的千枚岩力学特性软弱，易于风化成富含粘土矿物的残积碎片。因而，该组岩层易遭受深部旋转破坏、蠕滑和块体滑移(Thorsen 1989)。图1显示了这些滑坡中的几个。这些滑坡的特点是发育有一系列垂直错位1－3 m的陡崖、地堑和地垒形迹、坡脚坍塌和靠近溪流的解体现象（见图2）。Darrington滑坡是这些滑坡联合体中最大的滑坡，沿着溪流北侧下滑400m，且延伸到上坡相似的距离。

千枚岩的不稳定性也可能与山谷的冰川史有关。更新世冰川作用末期(Fraser 冰川)从2万年前持续到1万年前，并在山谷底板中保留有很厚的冰水沉积物以及在山坡上保留有冰碛物覆盖层(Easterbrook 1971)。South Fork河的许多支流是

图3 Jones Creek冲积扇上的探槽位置

3 灾害分析

该研究的首要目的是量化Jones Creek地区的泥石流灾害。为了分析灾害，必须确定泥石流事件概率和事件规模。

3.1泥石流频率

Jones Creek地区泥石流频率或概率是通过开挖探槽揭示的。探槽方法可以进行个别泥石流沉积物的放射性碳测年，以及沉积物厚度测量，用来反演泥石流方量。

2003年7月在冲击扇上开挖了深度达5m的探槽18个。经过土地所有者许可，探槽的布置尽可能广泛地穿越冲积扇（参见图3）。

泥石流沉积物经常被古土壤分割，探槽揭示了泥石流沉积物的层序。图4提供了发育良好的土壤和泥石流沉积物序列的实例。对每一个探槽中的地层进行了编录，并在开挖孔回填前采集了有机质样品。23个有机质样品送往新西兰Waikato大学放射性碳同位素实验室进行放射性测年和AMS测年。校准的年代为编制过去7000年Jones Creek地区泥石流年代史(表1)奠定了基础。

假定重叠时代范围代表同一泥石流事件，表1对此做了简化。基于有机样品采集位置，确定了单个泥石流沉积物的年代最小值和最大值，得出了假定泥石流的时代为距今400、900、2100、3400、4200和7000年(表2)。

本文的分析意味着能够分辨出在过去的7000年里发生过八次泥石流活动，平均重现期为大约900年。其中的两次事件(1953，1983)的规模(<25000m3)比其他几次事件的小得多。由此只有六次大型泥石流计算在内(大型泥石流定义为方量超过75000m3，见下节)，其回归周期大约为1200年。

上面的分析基于如下假定，鉴定时代的事件是泥石流，而不是集中流，并且鉴定时代的事件准确地反映了Jones Creek地区发生过的所有大型泥石流。考虑到地层信息在开挖探槽过程做过编录，第一条假设是合理的。而且，即使一些事件或其流体残余塑性流动可能大致归类为集中流，但是这些术语之间的差异并不影响泥石流灾害及其风险分析。

第二条假设有可能是不完备的，因为泥石流频率的分辨率除了取决于采集样品中的放射性碳的时代，还取决于探槽的数量和深度。例如，如果没有开挖18条探槽（没有得到土地所有者许可），记录只可能追踪到距今4200年，其泥石流再现其为800年。因此，假定记录到的过去7000年以来大型泥石流活动发生过六次是一个最小的数字而不是精确的事件数目是合理的。而且时代更早的泥石流堆积物可能埋藏于开挖深度之下货地下水位以下。

基于上面讨论的限制，能够得出如下结论，Jones Creek地区大型泥石流的再现期大约为400-600年。

表1 探槽中的有机样品的¹⁴C年龄汇总表

表2 Jones Creek 地区确定时代的泥石流事件汇总表

3.1.1区域性研究

　　 Jones Creek地区的结果与Orme(1989，1990)和deLaChapelle(2000)做过的区域性泥石流的研究一致。Orme研究了Mills Creek地区（在Jones Creek南）和Smith Creek地区（Stewart山脉西坡）的泥石流频率，而deLaChapelle(2000)考察了Stewart山脉东坡Jones Creek地区北三个流域的泥石流频率。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)三者出现了有意义的重叠。

表3 Jones Creek地区及其附近泥石流和古土壤非校准¹⁴C年龄

注：斜体数值代表古土壤年龄，其他值代表泥石流沉积物中的有机质年龄

表4 Jones Creek冲积扇上的泥石流假定的年龄、体积和峰值流量（所有数值已取整）

3.2 泥石流规模

泥石流规模能表述为从一个感兴趣地区输运出物质的总体积或指定的某一地点的峰值流量。Mizuyama等(1992)与Jakob和Bovis(1996)等学者证实并经Rickenmann(1999，2005)归纳出，泥石流方量与峰值流量有相关关系。

泥石流的体积由每一探槽地层编录、泥石流物质和古土壤年龄定年和采用可比较时代的沉积物与其他探槽中的泥石流物质建立相关关系来确定。由于冲积扇中部区域开挖探槽没有得到许可，重要的误差来源于在该区缺少探槽。因此，一些泥石流堆积了连续的一大片泥石流物质或是流动到了分散的冰川舌中还未为可知。通过绘制冰川舌中的泥石流堆积物面积和连接探槽群的等值平行线，分析中包含这两种可能性，这种方法导致表4汇总的两种不同的体积。

泥石流峰值流量(Q_p)运用Jakob(1996)导出的粘性泥石流体积(V)和Q之间的经验关系式确定：

　　　　　　　　 (1)

　　 基于沟槽、滑坡和探槽中的堆积物的粒径分析假定发生的是粘性泥石流。粘土含量在解释泥石流的可流动性(Scott 1985， Jordan 1994)方面显示出重要性。粘土含量超过4%的泥石流能够从很低角度的沟槽中流出，并有可能抵抗水的排泄长期一段时间。Jones Creek的许多样品粘土含量超过4%，这与Jones Creek冲积扇较低的平均梯度(4%)相吻合。细粒泥石流堆积物常不能形成粗糙前锋边界，该粗糙边界通过基床摩擦减缓泥石流流速并促使泥石流物质过早沉积。

3.3 泥石流引发机制

Jones Creek地区的泥石流可能由几个不同的过程引发的。这些过程的识别因统计频率分析要求同源不相关的数据而显得重要起来。同源性只能通过相同类型的引发机制能够与一定回归周期的泥石流相联系来保证。

泥石流爆发最共有的过程是岩土体碎屑物质在主沟槽中滑动或崩塌产生的直接变形(Benda && Cundy 1990)。Jones Creek易于遭受这种过程，因为地势较低的3 km被陡峻的边坡围限，这也是发生过历史浅层滑坡的证据。地势较低的沟槽以存在可快速风化为厚层细粒物质的千枚岩为特点。这些泥石流的规模是没有引起泥石流发生的碎屑物质的体积和从泥石流引发区带到沟槽下游的碎屑物质的数量的函数。1983年发生的泥石流据估计体积是25000 m³，就是这类泥石流的一个例子。

但是，表4中汇总的大型泥石流不大可能是由碎屑物质崩塌产生的直接变形引发的。这些泥石流可能是地势较低流域埋深较大的岩石滑塌沉陷堵塞Jones Creek而引发的。两个论点支持这种假说。第一，冲积扇上的泥石流堆积物几乎都由单一的千枚岩组成，该千枚岩只发现于Jones Creek较低的一半。第二，重建的泥石流的最大体积为255000 m³。假定以体积计算的固体集度为60%到70%，相对应的水的体积至少为65000 m³。以100年一遇峰值流量8.5 m³/s计算，峰值瞬时排泄量必须延续至少2小时才能与使最大型泥石流运动的总水量相等。使大型泥石流发生的最合理的解释是，上游的大型滑坡堆积坝溃决时突然释放蓄存的水引发泥石流。这个过程已经被确认为西北太平洋地区的陡峻的山地流域普遍发生的事件(Coho && Burges 1994， Jakob && Jordan 2001)。Darrington滑坡在坡脚处有一个活动的陡崖，可以想象到深部岩体失稳可能阻塞Jones Creek到达超过15 m，这样至少可以蓄水45000 m³。

3.4 泥石流频率-规模关系

建立大型历史泥石流的存在序列，Whatcom县政府命令掌握500年重现周期的泥石流规模以便进行土地利用区划，并进行建筑物减灾措施的概念设计。作为第一步骤，用表4的数据完成了频率分析。1983年和1953年的发生的泥石流事件因来源于不同的数据母样本(观测与通过地层信息重建相对立)而从分析中剔出。更多的与1983或1953同样大小的泥石流事件很有可能在历史上发生过，但是在地层柱状图中没有充足的记录。

泥石流体积及其相应的重现期绘制在半对数坐标系中，并且用最佳拟合曲线来拟合这些数据点(图5)。图5基于面积范围上的似然误差分析，包含了已知的泥石流事件的最佳估计体积(V_med)和最大体积(V_max)。数据集的极限包络线用于计算500年重现期的泥石流的规模：体积为90000 m³，峰值流量为280 m³/s。

图5 Jones Creek泥石流频率-规模曲线

图5因为确定时代的泥石流事件可能没有反映所有Jones Creek上发生的大型泥石流事件，明显地带有一些误差。然而，本文的分析为约化设计泥石流规模提供充足的细节资料。

3.5 泥石流灾害强度

　　 为评价Jones Creek设计事件提出的泥石流灾害，水力学建模工具FLO-2D用于最大泥石流深度和流速的建模工作。FLO-2D是二维的洪水演算模型，分析非常规洪水，诸如复杂地形上的无侧限流，碎屑洪水和泥石流方面的问题非常有用。但该模型不太适用于西北太平洋地区的泥石流，Jones Creek的数据集能够容许对输入的参数给予较好的校准。

设计泥石流事件的建模结果用于定义和绘制4种灾害强度区划（表5）。

表5 500年重现期的泥石流的强度和量化结果等级

4 风险分析

　　 风险分析的目的是评价在所调研的灾害下保证人类生命和财产安全的措施是否到位。风险分析与灾害及其后果的衡量相结合，灾害的定义是事件的概率和规模的组合，这个概念已经在前面的章节中建立起来。最常用的衡量灾害后果的方法是人类生命的损失。

4.1 定性的风险

　　 定性风险有多种方法。其中的一类方法运用灾害及其后果的严重程度的专门分类，再与一个风险矩阵结合。在Jones Creek地区，基于泥石流灾害强度、灾害后果、泥石流发生概率(高：重现期&<20年；中等：重现期为20-100年；低：重现期&<500年)建立了风险矩阵，风险等级划分见表6。

表6 Jones Creek的泥石流定性风险矩阵

4.2 定量的风险

　　 一种更客观的风险定量分析方法是F/N曲线，即单个灾害事件的死亡人数(N)与灾害概率(P)建立函数关系。绘制几个事件概率的N获得F/N图上的一条曲线，并能与普遍接受的风险对比。

　　 第一步，用FLO-2D模拟重现期分别为50、500和5000年的泥石流事件。灾害强度区划用于估算潜在死亡率。假定高强度地区死亡概率为1，中等强度和低强度地区的死亡概率为0。表7汇总了定量风险分析的输入参数。

表7 Jones Creek地区泥石流灾害定量风险分析输入参数

注：T_DF为泥石流的重现期；N_H是可能遭受结构破坏导致人身伤亡的家庭数量；N_R是在红色和棕色灾害区划之外无居民家庭数量；P(T_H)是泥石流发生时间内居民在家的概率；P(T_O)是泥石流发生时间内一个人出门在外的概率；N_P是泥石流发生期间可能的死亡人数；；P(T_HT_O)是年死亡概率，

上面的分析表明重现期为500年的泥石流的死亡人数为7人，个人死亡概率大约为1.4%。图6显示了ANCOLD(1997)建立起来的可接受的风险水平。因此，尽管上述计算的假设条件简单(例如，没有考虑每天每栋建筑物有多少小时多少人居住)，Jones Creek的泥石流的风险现今为西方社会难于接受。

图6 Jones Creek地区泥石流的F/N曲线(风险定义据ANCOLD，1997)