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风险评价是灾害防治最有效的软措施之一,也是实现灾害风险管控的重要基础,对于指导灾区建设规划与防灾对策制定具有很强的实践意义。近年来,随着大量物理模型和数值模拟的成熟运用,定量风险评价已成为当今国际地质灾害研究领域最前沿的课题之一。然而,我国由于地质灾害成因复杂、承灾体类型多样、且研究起步较晚,故目前尚未形成一套有效的地质灾害定量风险评价技术体系。本研究以强震区大型泥石流为研究对象,从泥石流的自然地质过程与重要承灾体的成灾响应入手,建立了适用于汶川震区泥石流定量风险评价的有效方法,该成果既对灾区防灾减灾工作的推进具有实践意义,也对其他类型自然灾害风险评价研究提供科学借鉴。本论文的主要思想核心、结论与创新点体现在以下几个方面:(1)构建了基于实时雨量数据的泥石流临界浓度起动判别模型。首先,综合运用雨场分割标准、改进型Jury-Horton渗流模型和Arc Hydro汇流模型,定量描述了流域的产、汇流过程,获取流域水体总量;其次,基于无限边坡理论、遥感解译与现场调查,得到了泥石流起动区的固体物质量;再次,根据Takahashi临界浓度模型,实现起动区重要特征参数的计算,包括起动时间、起动流体总量、固体体积浓度等,进而为泥石流运动机制分析提供基础。(2)建立了基于静力平衡的泥石流沟床侵蚀模型。以泥石流流深为契合点,从应力增加、强度衰减和物质基础3个角度入手,综合考虑沟床基质在泥石流的流动剪应力、自重静力、孔隙水压力变化和基质减容的影响下,发生失稳进而参与泥石流活动的机制,对阐明强震区泥石流形成与流通特征具有积极的意义。并以美国USGS的水槽实验验证该模型,结果显示,模型计算值与实验值较为接近,能够较为准确地反映沟床侵蚀特征。(3)利用BREACH模型定量刻画了沟道堰塞体的溃决机制。利用模型获取溃口流量过程线,分析了溃决过程导致的流量放大效应,并结合上述的沟床侵蚀模型,较为全面地揭示了强震区泥石流的动力机制,为其重要特征参数的获取提供了理论依据。(4)准确厘定了FLO-2D模拟的关键控制参数。包括3个方面:1)确定沟道侵蚀/堆积分界点为模型起算点(入流点);2)以溃口流量过程线为原型,构建了全流域的泥石流流量过程线;3)基于泥石流起动与运动过程分析,综合考量全流域参与泥石流的固体物质量,以求准确计算泥石流的固体体积浓度值。(5)基于数值模拟定量描述了强震区泥石流的冲出—堆积特征。首先,利用综合精度指数Ω,同时考虑堆积面积与体积2大因素,评价数值模拟结果的准确性;其次,引入泥石流强度指数IDF(v2d),以综合表征泥石流的破坏能力,为后续泥石流易损性和定量风险评价研究奠定了基础。(6)构建了强震区泥石流建筑物和道路易损性评价模型。首先,以汶川震区泥石流典型案例为调查样本,利用经验统计模型,在经过典型建筑定义、损失类型划分及曲线(函数)拟合等3个步骤后,建立了基于强度指数IDF与超越损失概率的建筑物易损性模型,该模型成功地避开了建筑物损失定价的困难性和不确定性,更加适合于我国的实际国情;其次,利用Winter道路易损性评价模型,定量描述强震区内道路对泥石流过程的负面响应机制,并且建立了适用于研究区的道路等级及损失类型划分标准。(7)实现了强震区泥石流重要承灾体的风险量化。本研究建立了一套较为完整的泥石流风险量化理论体系与技术流程,针对强震区泥石流动力特性与工程防治规划,设置了基于不同降雨频率与有/无治理工程的泥石流灾害情境,结合数值模拟、承灾体数据库和易损性评价模型,定量获取了不同泥石流条件下,典型建筑物与道路的预期损失值。以羊岭沟流域为案例示范,分别计算了10、20、50、100年一遇降雨和有/无治理工程的泥石流情境,并将从4个层面具体量化风险值:1)威胁区内建筑物的总体损失类型、数量及其价值;2)以78#建筑物为例,表达单体建筑物的损失类型及概率;3)某建设规划地的损失类型及概率;4)道路的总体损失类型及其数量。最后,通过对比是否考虑治理工程的损失预测值,实现对该治理工程经济效益的定量估算。以上研究成果与结论适用于汶川强震区,应用于其他地区或其他类型泥石流尚待进一步考证。由于研究水平与调查样本数量的限制,论文所构建的泥石流风险量化体系,在实践运用中可能会出现某些误差。尽管如此,本研究成果以期能为自然灾害风险评价研究与防灾减灾工程应用提供参考。