山丘区山洪灾害的生态环境效应

山丘区山洪灾害的生态环境效应

山间溪流是洪水的一种表现形式。由于是一场持续而艰难的风暴，因此被称为降雨和洪水灾害。山丘县也被称为洪水灾害。山洪灾害常给人类社会经济系统带来危害,但并不是所有的山洪都造成灾害,譬如发生在荒芜人烟的高山地区,无论规模多大,由于没有承灾体,并不形成灾害。因此许多发达国家为了避免山洪造成灾害,把人及其他承灾体从山区沟道中迁移出来,即使如此也仍然无法完全避免山洪灾害的发生。在我国,由于山区面积比重大,人口多,因此山洪造成的灾害损失往往十分严重,无疑给我国山区国民经济的持续发展造成严重影响。近年来,我国发生山洪灾害的频率愈来愈高。2003年7月上旬,全国各地暴雨不断,山洪灾害频发,各大流域防汛均处于告急状态,可以说山洪灾害已经成为当前我国防汛抗灾中的突出问题。1不可能形成洪水灾害的原因从一定意义上说,人类的历史也是一部与自然灾害作斗争的历史,在与这些灾害斗争中求生存和发展。一方面,山洪灾害在某种程度上而言是必然发生的,完全制止山洪的发生几乎是不可能的;另一方面,山洪灾害并不是人类改造自然能力不够所致,相反,当今的许多自然灾害,包括山洪灾害,是人类活动所加剧的。多年来,人类一直希望通过改造自然而减少甚至摆脱山洪等自然灾害,但现代人越来越清楚地认识到,还必须通过调整和改进人类自身的某些观念和做法,才能尽可能地减少危害我们的自然灾害,也就是说,必须正确认识自然客观规律,加深对自然现象的研究和认识。1.1水系密切,降低了河岸径流由于山洪灾害是由暴雨引起,同时山区地形地貌复杂,山高坡陡,溪河坡降大,山洪汇流快,降水损失小,径流系数大,导致河流径流汇集,河水陡涨,水流湍急,迅猛异常,造成河堤崩塌,山体滑坡,突发成灾,使人们措手不及,防不胜防。也就是说,形成山洪灾害的暴雨,大都是局地暴雨,很难报出,有时即使是比较大面积的暴雨,也很难预报准确。1.2降低了土体的滑动、修正了路径分析的稳定性山洪灾害易发区大多地势高差起伏大,岩性多以变质岩、石灰岩、花岗岩组成的山地为主体,岩石层风化严重,坡面碎石、砂粒聚积量大。在山洪作用下,巨大的水沙流体对地表产生强烈的水力侵蚀,其结果是侵蚀产沙,削弱了岩土体的抗剪强度,尤其降低了其结构面的抗滑强度,使岩土体发展为滑动面和崩塌界面,侵蚀泥沙的沿途堆积补给了土沙量,增加了岩土体的自重,也增大了地下水动水压力和静水压力,进而降低了斜坡面的稳定性。在水力与重力的复合作用下,陡坡上的松散土石块等开始向下滑动或崩塌,则形成了滑坡、崩塌,同时,一股股巨大的水沙流体与滑坡、崩塌后的土石块混为一体,迅速汇集于沟谷,使其储存土石量增加,形成沟谷泥石流。因此,在一次持续性的强降雨过程中容易形成山洪、滑坡、崩塌、泥石流灾害链,显然,此灾害链是以山洪这一催化剂形成的。另一方面,由山洪诱发的各种致灾因子在成链与群发过程中,通过各自的致灾能量一次又一次地在破坏资源、环境与人类社会财富积聚体(承灾体),致使山洪波及区域内的经济损失累积值增大,山洪灾情惨重。1.3洪水灾害的持续时间统计湘、资、沅、澧四水流域19501999年各等级洪涝灾害及其发生次数表明,近50年,四水流城发生不同等级的洪涝灾害共192次,其中特大和大洪涝灾害发生32次,特大洪涝灾害6年出现一次、大洪涝灾害平均2年发生一次。山洪灾害在时间上还表现出明显的连年性,在19541999年的17个典型年山洪灾害中,共出现5组连灾年,其连续时间短者2年,长者4年,其中以连续3年和4年的居多,这两点均意味着连灾年发生频率呈增大趋势。此外,从一年中发生的山洪灾害的时间分配上看,山洪灾害多发生在49月。受区域孕灾环境稳定性、致灾因子危险性与承灾体的脆弱性等因素制约,山洪灾害呈现显著的地域性差异。根据调查,历年洪涝灾情始终是以农村最严重,农村约占直接经济损失总值的60%~62%。其中以农林牧渔业损失值最大,其次是水利设施。这种农村承灾体的结构与类型、灾情表现形式就决定了洪涝直接经济损失值中必然以农村为最大。由此可见,区域承灾体的数量、质量与分布是造成区域洪涝灾情差异的主要原因,同时还与承灾体的承灾能力、致灾因子、孕灾环境亦有密切的关系。2成灾迅速,生态改变山洪灾害的危害主要表现在其对经济、社会、环境等方面所造成的损失。周卫泉、李经遗、李景保等通过对不同地区、不同时间发生山洪灾害的受灾面积、成灾面积、成灾人口、死亡人数、倒塌房屋、粮食损失、冲淹水库等进行了统计,发现山洪、涝溃致灾因子给人民生命财产造成的损失巨大。究其主要原因是我国人口众多,山区人口难以搬迁出来,再加上山洪成灾迅速,人们水患意识差,预报手段跟不上等,小山洪造成大损失时有发生。不仅如此,山洪灾害还可以改变河流形态和自然环境。对河流形态的改变表现在原始状态下,山洪在出沟口后,由于河道突然开阔,纵坡变小,流速减缓,携带的泥沙大量地淤积起来,逐渐形成山前冲积扇。由于冲积扇土质肥沃,地下水丰富,是发展农业的好地方,随着经济的发展,山前冲积扇大都被垦植为良田。为了防止山洪泛滥,人们在沿河两岸修堤筑坝拦水,这样一来洪水所挟带的泥沙只能沉积在河床之中,沉积物逐渐加厚,河堤相应加高,最后形成河床高于堤外地面的“悬河”,这不但加重了防汛任务,若山洪破堤而出,还将造成更大的危害,甚至造成河流改道,完全改变河流的形态。对自然环境的改变表现在山洪虽然会淹没农田,当年农作物必然受到损害甚至颗粒无收,而细沙淤泥连同山洪所携带的大量腐殖质沉积下来,能改变原来的土壤结构,会给以后的农业生产带来丰收。此外,在某些地区(如内蒙古沿黄河两岸的平原),本身地表水宣泄不畅,地下水比较高,山洪下来的水排不出去,这些洪水滞留在平原区内,不但抬高了地下水的水位,而且使土壤盐渍化,带来难以消除的后果。3自然灾害发生的地域因素杨勇、谢洪、彭对喜、蒋孔湘等通过对山洪灾害发生区的降雨、地质地貌、测报手段、防洪标准、水患意识、人为活动、水系等方面进行分析,认为山洪灾害大致是由以下5个方面的因素所致。第一,层状起伏的地形和扇状水系构成了孕育山洪灾害的地域基础;第二,多发的暴雨和饱和产流为山洪灾害发生提供了充足的水源;第三,水利工程设施的格局不平衡拦蓄洪水能力低,河道阻塞行洪能力差,防洪标准低难以抵挡大而来势迅猛的山洪;第四,部分地区没有水库及电站联合调度的优化方案,测报手段落后,减灾应变措施少;第五,人们水患意识差,滥垦滥伐、交通建设等活动导致森林破坏、水土流失严重,形成恶性循环的生态环境也是诱发山洪灾害的又一重要因子。4洪水灾害预报4.1危险区划分与农村基层结构安全管理的研究目前国际上公认的比较科学而实用的空间预报方法是奥地利H.奥里茨基提出的“荒溪分类及危险区制图指数法”,即通过在沟道里或沟口冲积锥上根据山洪危险性质与等级分出红色区、黄色区及白色区,从而达到预警预报的目的。瑞典M.T.Eldeen将灾害类型的判别和灾害规模的估计利用危险区图来表示,根据危险等级将洪水易发区分为4个不同的危险区,每个区又分1~5个亚区,从而确定洪水灾害的发生范围。虽然都是采取综合指数法进行危险区划分,但奥地利是具体到每一条荒溪,而且把每一条荒溪的危险区与非危险区区分开,而其他国家只是把山洪沟划分开来,或者把具有山洪的大范围区划分开。实际上并不是山洪沟全沟道一定都处在危险区,也不是有山洪沟的区域整个区域都会有山洪的发生,因此除奥地利外,其他国家的危险区制图(划分)只是宏观意义上的标定。尽管如此,危险区划分与制图在大尺度山洪灾害空间预测方面起着重要的作用,并已广泛用于灾害保险、灾害预防和灾害求援等方面。我国的刘洪江、周金星等从1985年就开始了山洪灾害危险区划分的工作,主要工作集中在山洪泥石流区划方面,并形成了一批具有代表性的研究成果。例如:1991年初版的中国泥石流灾害分布与危险区划图、中国泥石流危险区划的探讨、长江上游泥石流危险度区划研究、辽宁省泥石流灾害的危险性分析等。其研究方法有很多,但具代表性的方法只有3种:第一种是以判断泥石流沟与非泥石流沟为依据,以综合指数法确定泥石流沟的危险程度;第二种是通过对泥石流沟危险度评价和泥石流沟的分布进行危险区的划分;第三种是针对每一条溪沟(沟道)选取一定的指标进行荒溪分类,在荒溪分类的基础上,对各种溪沟(沟道)采用不同的危险区划分模型,把整条沟的危险区与非危险区划分开来。这3种方法最突出的特点是对山区山洪泥石流沟潜在易发区的每条沟道进行实地调查,保证沟道类型判别的科学性,并对不同类型荒溪进行危险区制图,对山洪泥石流的准确定位预报作用明显,但工作量都较大。目前有人通过建立荒溪分类与危险区制图信息管理系统以及利用数值模拟及神经网络技术进行泥石流沟道危险区划分,以减少工作量。4.2化产期调查和预测技术时间预报分为中长期预报和实时预报(临报)两种。中长期预报主要采用C.M.弗来施德的理论观点,确定山洪灾害的发生周期和频率,其作用主要预测山洪灾害的发展趋势。即通过对历史资料的统计分析,以某沟道内发生山洪泥石流的相邻两次时间间隔之和除以该沟道发生山洪灾害的总次数减1来确定该沟道发生山洪灾害的周期和活动程度。钟敦伦等人对四川境内成昆铁路沿线山洪灾害暴发的周期进行调查分类,把不同山洪灾害发育阶段分为发展期、活跃期和衰退期。长期预报的关键在于掌握的历史资料情况的多少和资料来源的准确程度,其意义对于宏观决策以及大型基础设施的建设具有重要作用。实时预报技术主要是通过运用水文气象、径流模型进行预报。目前对于暴雨山洪灾害的实时预报方法中,通过确定临界雨量和降雨分析法、人员观测和仪器监测的3种方法研究得较多。所运用的预报模型有统计回归模型和运动机理模型,运用的方法有数理统计、灰色系统理论、神经网络以及“3S”(GIS、RS、GPS)技术。我国的王礼先、陈景武及日本国的石川芳治等均试图对山洪灾害进行实时预报,但由于多种原因,预报的精度都很差。4.3洪水灾害预警预报系统国外关于山洪灾害预警系统的研究,主要是通过设立传感器感受山洪灾害幅频信号,再通过先进的传输手段建立预警系统。我国主要由铁道系统、中科院、长江水利委员会在山洪灾害预警预报方面做了大量的工作,其方法基本上与日本的预报预警系统近似,只是在传感器的选择和布设上有所差异。近年来,长江科学院在洪水预警预报研究方面有所突破,应用网络、“3S”技术、VisualFoxPro平台等开发洪水预报预警系统,成效显著。5基于信息技术的洪水灾害评估方法在我国山洪灾害风险度评估在我国研究的不多,赵士鹏对中国山洪灾害的危险度区划、山洪灾情评估方法、风险度评估的应用进行了研究。通过山洪灾害的强度和频度、承灾体的承灾能力及它们的相互作用,分析山洪灾害风险区的自然因素和人文原因,以山洪灾害的强频分析和灾变系数为指标进行山洪灾害的风险评估,但该方法不仅费工费时,而且受各种因素的限制,评估准确度较低。利用地理信息系统对山洪灾害进行评估,克服了山洪灾害速度快、冲击力大常规水文观测难以进行,以及山洪灾害历时时间短、影响空间尺度小、遥感方法难以取得足够的信息的难点。通过基于GIS的水沙行为模型,在计算机屏幕上再现洪水场景,输出洪水过程中流速、水深、含沙量等信息,结合承灾体承灾能力分析,使得山洪灾害灾情得到准确评估,效果较好。6监测仪器和计算机融合发展是预报复理的方向发展,其重点在于探索自动测报系统的应用,其符合解决两我国绝大多数研究者[1,2,3,4,5,8,9,10,11,22]认为,要想有效防治山洪灾害,首先要加强预报。在模型构建上,由传统的统计回归、自回归模型,逐步向采用灰色预测模型、神经网络预测、智能预测模型方向发展;由单纯预报临界降雨量或可能性预报,逐步变为能预报临界降雨、警戒避难雨量以及危害范围和危害程度等多功能模型;由过去只采用历史统计资料和实测资料,向采用高精度定点的气象预报数据相结合的方向发展。在监测预报上,由过去的人员观测和仪器监测相结合的方式,逐步发展为监测仪器和计算机相结合进行自动监测预报;监测仪器和传感器由过去通过别的仪器移用改进,逐渐向专用高精度方向发展。在研究手段上,由传统的对典型沟道的实地勘察,对某一范围区预报,逐步变为采用“3S”技术和计算机建档信息系统相结合的手段,对具体的每条沟道任一地方进行定点定时预测预报。在预警系统上,结合各国国情和山区实际资源情况,采用先进的数据传递方式和手段,形成集气象预报、雷达技术、预测模型、仪器监测、网络和卫星数据传输等高新技术为一体,向建立高效定位的预报预警系统方向发展。山洪虽然预报难度大,但随着科学技术的发展,气象卫星云团及雷达测雨为暴雨的准