基于證據(jù)權(quán)方法的玉樹地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)

許 沖 徐錫偉 于貴華

(中國地震局地質(zhì)研究所，活動構(gòu)造與火山重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029)

0 引言

2010年4月14日，青海省玉樹藏族自治州玉樹縣發(fā)生了MS7.1地震。震中位置為33.224°N，96.666°E，震源深度為 17km，震級 MW6.9(U.S.Geological Survey，2010)。據(jù)青海省抗震救災(zāi)指揮部通報(bào)，截至25日17時，青海玉樹7.1級地震已造成2 220人死亡，70人失蹤，12 135人受傷，其中重傷1 434人。地震觸發(fā)滑坡對災(zāi)區(qū)也產(chǎn)生了一定的危害①(殷躍平等，2010a，b;Zhang et al.，2010a)。作者前期主要基于野外考察與遙感影像解譯方法，對玉樹地震滑坡開展了空間分布調(diào)查，并制作了玉樹地震滑坡空間分布圖。本文擬以玉樹地震滑坡空間分布數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于GIS平臺，采用加法與減法2類證據(jù)權(quán)方法，考慮影響玉樹地震滑坡發(fā)生的12個因素，對玉樹地震災(zāi)區(qū)在類似地震條件下可能遭受的滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)，為災(zāi)區(qū)滑坡防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)研究是地震事件發(fā)生后，關(guān)于地震滑坡的一個重要研究方向(許沖等，2009，2010a，b，2011b;許沖等，2012a，b;Xu et al.，2012a，b，c，d)，它需要翔實(shí)可靠的滑坡空間分布數(shù)據(jù)與多種滑坡控制因素專題數(shù)據(jù)。作者的前期工作(許沖等，2011a，2012;Xu et al.，2012e)為開展本文的地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。證據(jù)權(quán)方法是一種較常見的滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)方法，該方法在國內(nèi)外得到了較多的應(yīng)用(van Westen et al.，2003;Lee et al.，2004;Thiery et al.，2004，2007;Zahiri et al.，2006;Neuhauser et al.，2007;Mathew et al.，2007;王志旺等，2007;Dahal et al.，2008a，b;Sharma et al.，2008;Song et al.，2008;van den Eeckhaut et al.，2009;許沖等，2011b;Xu et al.，2012d)。所以，本文基于GIS技術(shù)與2類證據(jù)權(quán)方法，開展玉樹地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)研究工作。

1 玉樹地震及誘發(fā)滑坡

青海玉樹MS7.1地震發(fā)生在印度板塊向歐亞大陸擠入形成喜馬拉雅碰撞帶以北的青藏高原。由于印度板塊向青藏高原的推擠作用而導(dǎo)致青藏高原縮短，同時內(nèi)部的塊體沿一些重要的塊體邊界斷裂帶發(fā)生側(cè)向滑移，造成青藏高原主體向東移動，并在青藏高原內(nèi)部和塊體邊界形成不同規(guī)模的走滑斷裂系與擠出塊體。在這種構(gòu)造背景下，巴顏喀拉(松潘－甘孜)地塊向SE方向運(yùn)動，塊體南部的金沙江－鮮水河斷裂帶全新世以來平均水平滑動速率達(dá)5～7mm/a;北部的喀喇昆侖－嘉黎斷裂帶平均水平滑動速率達(dá)10～11mm/a。這2條近EW向的斷裂帶依次向東推移，使其東部的川、滇地區(qū)由于受揚(yáng)子地塊的阻擋而產(chǎn)生復(fù)雜的斷裂形變與塊體轉(zhuǎn)動。玉樹地震就是在這種地質(zhì)背景下發(fā)生的，地震發(fā)生在鮮水河斷裂帶西段的甘孜－玉樹斷裂帶上，是甘孜－玉樹斷裂帶突發(fā)錯動的結(jié)果。甘孜－玉樹斷裂帶規(guī)模巨大，西起青海治多縣那王草曲塘，經(jīng)當(dāng)江、玉樹、鄧柯、玉隆，至四川甘孜縣城南，全長約500km。地震產(chǎn)生了走向約300°，65km長的地表破裂帶，左旋走滑性質(zhì)，地表破裂帶由一系列擠壓鼓包與張裂縫相間排列或雁列式裂縫組成，實(shí)測最大水平位錯約1.8m(聞學(xué)澤等，2003;Xu et al.，2010;Pan et al.，2010;Wu et al.，2010;Bartholomew et al.，2010;Zhang et al.，2010b;顧瑾萍，2010;陳立春等，2010;中國地震局地質(zhì)研究所，2010;孫鑫喆等，2010;張永雙等，2010;張建毅等，2010;張軍龍等，2010;石峰等，2010;馬寅生等，2010;殷躍平等，2010a;劉云華等，2010;熊探宇等，2010;沈強(qiáng)等，2010;錢曉東等，2010;任俊杰等，2010;李金臣等，2010;Tobita et al.，2011;Lin et al.，2011)。

作者以災(zāi)后航空相片與高分辨率遙感影像目視解譯為主，輔以野外調(diào)查的方法，建立了玉樹地震滑坡數(shù)據(jù)庫，庫中包含了2 036條用面要素表示的玉樹地震滑坡記錄(許沖等，2011a，2012;Xu et al.，2012e)，這些滑坡主要分布在一個沿地表斷裂帶的面積約1 455.3km2的矩形區(qū)域內(nèi)，本文就以這個矩形區(qū)域作為研究區(qū)。這些滑坡總面積為1.194km2，單體滑坡平均面積為586.4m2。研究區(qū)內(nèi)滑坡面積百分比為0.082%;滑坡點(diǎn)密度為1.4個/km2。圖1為玉樹地震滑坡與同震地表破裂空間分布圖。

2 滑坡影響因子專題圖層的制作

結(jié)合玉樹地震區(qū)的地震、地形、地質(zhì)與其他資料，綜合考慮對玉樹地震滑坡的多種影響因素，進(jìn)行滑坡影響因子的選擇。綜合考慮地震滑坡的外動力因子與內(nèi)動力因子綜合作用，選擇地震滑坡的影響因子，地震滑坡的外動力因子為地震因子，選擇同震地表破裂與PGA。內(nèi)動力因子綜合作用包括地形因子、地質(zhì)因子與其他因子，地形影響因子選擇高程、坡度、坡向、曲率、坡位、水系;地質(zhì)影響因子選擇地層巖性、與斷裂的距離;此外，還考慮了公路與植被對地震滑坡的影響作用，公路影響采用與公路的距離來衡量，植被的影響選擇NDVI來衡量。這樣，選擇了12個對地震滑坡有影響的因子，進(jìn)行地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)。

圖1 玉樹地震滑坡與同震地表破裂空間分布圖Fig.1 Spatial distribution of the 2010 Yushu earthquake triggered landslides and co-seismic surface ruptures.

2.1 地震因子

地震是地震滑坡的觸發(fā)因素，本文選擇地表破裂與PGA作為滑坡發(fā)生的地震影響因子。同震地表破裂對地震滑坡控制作用強(qiáng)烈，地震滑坡多沿同震地表破裂密集分布(許沖，2012;Xu et al.，2012)，因此，選擇地表破裂作為地震滑坡評價(jià)的一個因子，以與地表破裂的距離作為同震地表破裂對滑坡的影響衡量指標(biāo)。按500m的分級標(biāo)準(zhǔn)，將與地表破裂距離分為21類，分類標(biāo)準(zhǔn)依次為:1)0～500m;2)500～1 000m;3)1 000～1 500m;4)1 500～2 000m;5)2 000～2 500m;6)2 500～3 000m;7)3 000～3 500m;8)3 500～4 000m;9)4 000～4 500m;10)4 500～5 000m;11)5 000～5 500m;12)5 500～6 000m;13)6 000～6 500m;14)6 500～7 000m;15)7 000～7 500m;16)7 500～8 000m;17)8 000～8 500m;18)8 500～9 000m;19)9 000～9 500m;20)9 500～10 000m;21)＞10 000m。地震動峰值加速度(PGA)反映了地震中地面震動的強(qiáng)度，PGA越強(qiáng)，地震滑坡越容易發(fā)生，因此，選擇PGA作為玉樹地震滑坡的另一個外動力影響因子。PGA為來自于U.S.Geological Survey(2010)公布的PGA等值線圖，研究區(qū)內(nèi)PGA值的范圍是0.12～0.40g。設(shè)定PGA分級標(biāo)準(zhǔn)為1)＞0.38g;2)0.34～0.38g;3)0.30～0.34g;4)0.26～0.30g;5)0.22～0.26g;6)0.18～0.22g;7)0.14～0.18g;8)＜0.14g。在ArcGIS軟件中，將地表破裂緩沖區(qū)文件與PGA文件分別柵格化，空間分辨率均為5m×5m，這樣制作出地表破裂距離專題圖與PGA專題圖。

2.2 地形因子

地形影響因子包括高程、坡度、坡向、曲率、坡位、與水系距離這幾個因子。地震滑坡往往在一定的高程上較容易發(fā)生(許沖等，2009，2010c)，因此選擇高程作為地震滑坡的地形影響因子之一;坡度是影響地震滑坡發(fā)生的重要因素，坡度大的區(qū)域是地震滑坡的易發(fā)區(qū)域;坡向、曲率、坡位、與水系距離這些地形因子均對地震滑坡具有一定的影響作用(許沖等，2009)。根據(jù)1/5萬地形圖上的等高線、高程點(diǎn)、水系等信息，制作數(shù)字高程模型(DEM)，其空間分辨率為5m×5m。一般情況下，考慮到大部分等高線的水平間距在25m左右，因此1/5萬地形圖對應(yīng)著25m×25m分辨率的DEM，以保證不會丟失掉太多的地形信息，然而對于一些地形陡峭的地方，如等高線的水平間距＜25m的區(qū)域，會損失掉一些地形信息。而且，玉樹地震滑坡的規(guī)模一般較小，25m×25m分辨率的DEM難以進(jìn)行較客觀的統(tǒng)計(jì)。因此，我們將1/5萬比例尺的地形圖插值為5m×5m分辨率的DEM，使用ArcGIS中的“topo to raster”功能。這種增加DEM分辨率的方法對于相鄰等高線水平間距＞25m的地方，不會改變?nèi)魏蔚匦涡畔?，但是對于相鄰等高線水平間距＜25m的陡峭的地方會增加實(shí)際的地形信息。因此，制作了5m×5m分辨率的DEM來進(jìn)行后續(xù)的地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)。研究區(qū)內(nèi)高程范圍是3 589.7～5 181.4m。高程分類依據(jù)200m一個間隔進(jìn)行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)為:1)＜3 800m;2)3800～4 000m;3)4000～4 200m;4)4200～4 400m;5)4400～4 600m;6)4600～4 800m;7)4800～5 000m;8)＞5 000m。

坡度、坡向、曲率、坡位這4個因子圖層均是根據(jù)DEM在ArcGIS軟件中導(dǎo)出的，它們的分辨率與DEM一樣，都是5m×5m。坡度基于5°間隔進(jìn)行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)依次為:1)＜5°;2)5°～10°;3)10°～15°;4)15°～20°;5)20°～25°;6)25°～30°;7)30°～35°;8)35°～40°;9)＞40°。坡向分為9類，分類標(biāo)準(zhǔn)如下:1)Flat;2)N;3)NE;4)E;5)SE;6)S;7)SW;8)W;9)NW。將曲率分為12類，分別標(biāo)準(zhǔn)為:1)＜－1;2)－1～－0.1;3)－0.1～－0.05;4)－0.05～－0.01;5)－0.01～ －0.005;6)－0.005～ －0;7)0～0.005;8)0.005～0.01;9)0.01～0.05;10)0.05～0.1;11)0.1～1;12)＞1。坡位依據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)為山脊、上坡、中坡、平坡、下坡、谷底共6類(Weiss，2006)。水系提取自地形圖，將水系按照100m緩沖區(qū)進(jìn)行分類，分類級別為:1)0～100m;2)100～200m;3)200～300m;4)300～400m;5)400～500m;6)500～600m;7)600～700m;8)700～800m;9)800～900m;10)900～1 000m;11)＞1 000m。在ArcGIS軟件中將水系緩沖區(qū)圖層?xùn)鸥窕癁?m×5m分辨率的距離水系分級圖，這樣得到了水系影響因子專題圖層。

2.3 地質(zhì)因子

巖性與斷裂為地震滑坡的2個重要的地質(zhì)影響因子，巖性是地震滑坡發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，斷裂也與地震滑坡關(guān)系密切，斷裂穿越區(qū)的巖性一般較破碎，進(jìn)而影響著地震滑坡的發(fā)生，因此選擇巖性與斷裂作為地震滑坡評價(jià)的2個地質(zhì)因子。本文使用的巖性與斷裂因子均來自于1/20萬地質(zhì)圖。圖2為研究區(qū)地層巖性圖，研究區(qū)內(nèi)包括11類地層，依次為:1)Qh;2)Qhal-pl;3)N;4)T3bt;5)T3kn3;6)T3kn2;7)T3kn1;8)T2jl2;9)T2jl1;10)C—P;11)花崗巖。將巖性區(qū)文件柵格化為5m×5m的巖性專題柵格圖。將與斷裂距離按照如下分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類:1)0～50m;2)50～100m;3)100～150m;4)150～200m;5)200～250m;6)250～300m;7)300～350m;8)350～400m;9)400～450m;10)450～500m;11)＞500m。將斷裂緩沖區(qū)圖層?xùn)鸥窕癁?m×5m的圖層，這樣得到了斷裂影響因子專題圖層。

2.4 其他因子

圖2 研究區(qū)地層巖性圖Fig.2 Geological map of the study area.

除去地震、地質(zhì)、地形等影響因子外，公路與歸一化植被指數(shù)(NDVI)也是影響地震滑坡發(fā)生的2個因素。因?yàn)樵诠方ㄔO(shè)過程中，人工路基的開挖會導(dǎo)致公路上坡的臨空面較陡，進(jìn)而容易在地震條件下發(fā)生滑坡，NDVI是歸一化植被指數(shù)，反映植被覆蓋情況，而植被覆蓋對滑坡發(fā)生有一定的影響。將NDVI分為14類:1)＜0;2)0～0.05;3)0.05～0.1;4)0.1～0.15;5)0.15～0.2;6)0.2～0.25;7)0.25～0.3;8)0.3～0.35;9)0.35～0.4;10)0.4～0.45;11)0.45～0.5;12)0.5～0.55;13)0.55～0.6;14)＞0.6。公路圖層來自1/5萬地形圖與基于SPOT 5數(shù)據(jù)的解譯，將公路線狀圖按照100m緩沖區(qū)進(jìn)行分類，分類級別為:1)0～100m;2)100～200m;3)200～300m;4)300～400m;5)400～500m;6)500～600m;7)600～700m;8)700～800m;9)80～900m;10)900～1 000m;11)＞1 000m。將公路緩沖區(qū)圖層?xùn)鸥窕癁?m×5m的圖層，得到了公路影響因子專題圖層。這樣，制作了這12個影響因子的柵格格式的專題圖，它們的分辨率均是5m×5m。

3 證據(jù)權(quán)方法及證據(jù)權(quán)值的計(jì)算

證據(jù)權(quán)方法是一種較成熟的地震滑坡評價(jià)方法，該方法以貝葉斯概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)。該方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

根據(jù)玉樹地震滑坡數(shù)據(jù)，分別計(jì)算每個影響因子的滑坡危險(xiǎn)性權(quán)重。根據(jù)式(1)與式(2)，可得到

式中:Npix1表示該影響因子級別內(nèi)發(fā)生滑坡的柵格數(shù);Npix2表示該影響因子級別外發(fā)生滑坡的柵格數(shù);Npix3表示該影響因子級別內(nèi)未發(fā)生滑坡的柵格數(shù);Npix4表示該影響因子級別外未發(fā)生滑坡的柵格數(shù)。

如公式(3)所示，在求取最終權(quán)重的步驟中，當(dāng)前的研究有2種情況。一是將正權(quán)重與負(fù)權(quán)重相加，得到最終權(quán)重為

二是將兩者相減，得到的最終權(quán)重為

本文分別采用這2種證據(jù)權(quán)方法進(jìn)行滑坡評價(jià)，并對結(jié)果進(jìn)行定量對比，研究哪種最終權(quán)重計(jì)算方法更合適。圖3為12個因子的所有分級的權(quán)重計(jì)算結(jié)果圖?？梢钥闯鲈谒械挠绊懸蜃臃旨墐?nèi)，兩者表現(xiàn)出了幾乎相同的趨勢，只存在一些微小的差別?？倷?quán)重(Wadd與Wsubtract)表現(xiàn)了影響因子對滑坡的重要性，如果總權(quán)重為正，表明該級別利于滑坡的發(fā)生，如果其為負(fù)，表明其不利于滑坡的發(fā)生。例如，坡度＞30°的總權(quán)重值為正，表明該分級利于滑坡的發(fā)生，而0°～30°的坡度范圍不利于滑坡的發(fā)生。一些因子級別對滑坡的影響作用小，其取值在0附近。在證據(jù)權(quán)方法中，假設(shè)影響因子間是互相獨(dú)立，不受彼此干擾的。證據(jù)權(quán)方法與其他二元統(tǒng)計(jì)方法(如信息量法、確定性系數(shù)法)相比，其優(yōu)點(diǎn)是不但考慮了由滑坡發(fā)生的充分率得到的正權(quán)重，而且還考慮了由滑坡發(fā)生的必要率得到的負(fù)權(quán)重，最終權(quán)重的計(jì)算綜合考慮了二者。根據(jù)圖3的證據(jù)權(quán)值可以看出因子內(nèi)部哪些級別的滑坡危險(xiǎn)性高，距離地表破裂、水系、公路越近，滑坡危險(xiǎn)性越高;坡度越大，滑坡危險(xiǎn)性越高;4 000m以下是地震滑坡發(fā)生的危險(xiǎn)高程;凸凹坡比光滑的斜坡發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性更高;植被覆蓋越低，地震滑坡的危險(xiǎn)度越高。

4 2類滑坡索引圖的制作與結(jié)果評價(jià)

得到最終權(quán)重值之后，給每個影響因子的分級賦予相對應(yīng)的權(quán)重值，然后通過對各個影響因子層的疊加操作，來獲得研究區(qū)的地震滑坡危險(xiǎn)性索引(Landslide Hazard Index，LHI)圖。疊加公式如式(8):

圖3 權(quán)重計(jì)算結(jié)果圖Fig.3 Weight of evidence values of the twelve factors.

這樣，基于2種不同最終權(quán)重計(jì)算方法(Wadd與Wsubtract)，得到2個地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)索引圖。運(yùn)用Wadd方法得到的滑坡危險(xiǎn)指數(shù)(LSI)范圍為－15.805～7.614。運(yùn)用Wsubtract方法得到的滑坡危險(xiǎn)指數(shù)(LSI)范圍為－17.454～9.312。

運(yùn)用滑坡面積百分比累積－危險(xiǎn)性面積百分比累積曲線下面積方法(Conoscenti et al.，2008;Kamp et al.，2008;Zezere et al.，2008;許 沖 等，2009，2010b，2011b)對2種結(jié)果的正確率進(jìn)行定量檢驗(yàn)。將危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果按照1%的面積間隔從高到低分為100等分，分別求取這100個級別內(nèi)的滑坡發(fā)生的百分比，構(gòu)建危險(xiǎn)性結(jié)果百分比累加與滑坡百分比累積曲線，即結(jié)果評價(jià)曲線(圖4)?；?種證據(jù)權(quán)方法得到的結(jié)果評價(jià)曲線幾乎重合。Wadd方法對應(yīng)的曲線下面積(Area Under Curve，AUC)為80.32%，Wsubtract方法對應(yīng)的AUC值為80.19%。兩者相差很小，Wadd方法的正確率略大于Wsubtract方法，兩者得到的結(jié)果均用已有滑坡數(shù)據(jù)得到了很好的驗(yàn)證，表明2種方法得到的結(jié)果都是理想的。

分別取“－3，－1，1，3”為閾值，按照證據(jù)權(quán)值將評價(jià)結(jié)果分為5類，分別代表滑坡危險(xiǎn)性極低、低、中等、高、極高共5個等級，最終評價(jià)結(jié)果見圖5。2種證據(jù)權(quán)方法得到的結(jié)果表現(xiàn)出類似的特點(diǎn)，地震滑坡高危險(xiǎn)區(qū)分布在地表破裂的東端，這里為斷裂拐彎終止的位置，地震在此處釋放了大量的能量，造成了大量的坡體裂縫(許沖等，2012)，應(yīng)加強(qiáng)這些地震滑坡極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的震后雨季滑坡、泥石流的排查、預(yù)防工作。

圖4 滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果評價(jià)曲線Fig.4 Success rate for landslide hazard maps.

圖5 玉樹地震滑坡危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果圖Fig.5 Hazard maps of the 2010 Yushu earthquake triggered landslides.

5 結(jié)論

(1)根據(jù)2類證據(jù)權(quán)值結(jié)果可以初步判斷。距離地表破裂、水系、公路越近，滑坡危險(xiǎn)性越高;坡度越大，滑坡危險(xiǎn)性越高;4 000m以下是地震滑坡發(fā)生的危險(xiǎn)高程;凸凹坡比光滑的斜坡發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性更高;植被覆蓋越低，地震滑坡的危險(xiǎn)度越高。

(2)本文采取了加法與減法2種證據(jù)權(quán)計(jì)算方法，對玉樹地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了評價(jià)，加法證據(jù)權(quán)方法的正確率為80.32%，減法證據(jù)權(quán)方法的正確率為80.19%，2種方法得到的評價(jià)結(jié)果相差很小，均是理想的。

(3)研究表明地震滑坡極高危險(xiǎn)區(qū)多分布在地表破裂帶的東端，在地表破裂帶的附近，應(yīng)加強(qiáng)這些地震滑坡極高危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)的震后雨季滑坡、泥石流的排查、預(yù)防工作。