區(qū)域滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的時(shí)間尺度特征分析

朱吉祥，張禮中，周小元，王 乾，陸 琰

(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

1 滑坡易發(fā)性研究

滑坡是世界上危害最大的自然災(zāi)害之一，對(duì)人類的生存與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展造成了嚴(yán)重威脅[1]，因此制定有效的滑坡災(zāi)害預(yù)防與治理措施是各國(guó)政府相關(guān)部門的重要工作內(nèi)容，而滑坡易發(fā)性區(qū)劃是其中的關(guān)鍵[2]。滑坡易發(fā)性區(qū)劃是利用已有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)滑坡發(fā)生的概率進(jìn)行分析，以評(píng)估未來發(fā)生滑坡的風(fēng)險(xiǎn)性[3]。但是，由于滑坡演變機(jī)制的非線性[4]，使得目前無法對(duì)滑坡是否發(fā)生作出明確的判斷，因此基于風(fēng)險(xiǎn)分析的滑坡易發(fā)性區(qū)劃必然存在一定的不確定性。如何降低不確定性，使區(qū)劃結(jié)果能夠更準(zhǔn)確地揭示滑坡發(fā)生的規(guī)律，是目前滑坡研究中一項(xiàng)十分困難且迫切的工作[5]?；乱装l(fā)性區(qū)劃結(jié)果的不確定性一方面是由于評(píng)價(jià)方法與滑坡本身的“非兼容性”(評(píng)價(jià)方法對(duì)數(shù)據(jù)的要求與滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多樣性，評(píng)價(jià)方法約束條件與滑坡發(fā)生機(jī)制的開放性等)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、評(píng)價(jià)過程中產(chǎn)生的誤差等客觀因素造成的，另一方面則是由于滑坡本身的尺度特征引起的。

2 滑坡易發(fā)性研究的尺度效應(yīng)

尺度是自然過程抑或觀測(cè)研究在空間、時(shí)間或時(shí)空域上的特征量度[6-7]，凡是與地球參考位置有關(guān)的數(shù)據(jù)都具有尺度特性。作為一定時(shí)間和空間內(nèi)的自然現(xiàn)象，滑坡自身必然內(nèi)蘊(yùn)尺度的相關(guān)性質(zhì)，同時(shí)滑坡的影響因素(地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等)作為區(qū)域性的自然條件，其表征特性(面積、形態(tài)等)和演變過程等也會(huì)受到尺度的影響?；碌某叨忍卣魇瞧鋬?nèi)在固有屬性之一，而作為滑坡分析與評(píng)價(jià)的對(duì)象，滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的尺度特征必然會(huì)影響區(qū)劃結(jié)果的不確定性，因此研究滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的尺度特征對(duì)于分析滑坡易發(fā)性具有重要的實(shí)際意義。在區(qū)劃過程中，如果忽略監(jiān)測(cè)資料的時(shí)態(tài)分布特征，對(duì)所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)默認(rèn)為同等重要程度參與評(píng)價(jià)，隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的積累，滑坡影響因素的權(quán)重可能會(huì)出現(xiàn)“平均化”的現(xiàn)象。

3 國(guó)內(nèi)外利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行滑坡易發(fā)性研究的現(xiàn)狀

滑坡易發(fā)性區(qū)劃是將研究區(qū)按照滑坡發(fā)生的概率進(jìn)行等級(jí)劃分，具有相同等級(jí)的區(qū)域，滑坡發(fā)生的概率相等[7]。目前，滑坡易發(fā)性區(qū)劃普遍遵循過去與現(xiàn)在是認(rèn)識(shí)未來的關(guān)鍵的原則。因此，滑坡易發(fā)性區(qū)劃是對(duì)歷史滑坡點(diǎn)的位置、類別、規(guī)模、活動(dòng)特征、發(fā)生時(shí)間以及其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的結(jié)果[7]。

尺度是任何滑坡易發(fā)性區(qū)劃必然要涉及的一個(gè)問題[8]，F(xiàn)ell等[7]認(rèn)為特定規(guī)模的滑坡易發(fā)性區(qū)劃必須在相應(yīng)的尺度下進(jìn)行，以使評(píng)價(jià)所必需的信息可以顯示在相應(yīng)的比例尺圖層中。Cascini[9]的研究表明，參與區(qū)劃的數(shù)據(jù)必須具有合適的分辨率與質(zhì)量。Fell、Cascini等[7，9]從尺度的規(guī)模出發(fā)，將用于滑坡易發(fā)性區(qū)劃的方法分為三類：基于地形學(xué)、地貌學(xué)與地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)的啟發(fā)式、經(jīng)驗(yàn)類方法，適用于大尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃；基于概率統(tǒng)計(jì)的中間過渡類方法，適用于中尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃；利用水文地質(zhì)、巖土工程類數(shù)據(jù)的確定式方法，適用于小尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外滑坡易發(fā)性區(qū)劃在尺度方面的研究現(xiàn)狀，歸納出基于不同比例尺的滑坡易發(fā)性區(qū)劃對(duì)評(píng)價(jià)方法、區(qū)劃面積、應(yīng)用范圍與目標(biāo)等的要求(表1)。

表1 不同比例尺下滑坡易發(fā)性區(qū)劃對(duì)應(yīng)的尺度、評(píng)價(jià)方法、面積與應(yīng)用范圍[9-10]

目前滑坡易發(fā)性區(qū)劃主要是采用離散化的區(qū)劃單元格進(jìn)行易發(fā)性計(jì)算，區(qū)劃單元格大小的確定主要取決于滑坡的類型、研究的尺度、信息挖掘工具的性能以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的質(zhì)量、分辨率、尺度等[8]。文獻(xiàn)[11]提出了幾種確定區(qū)劃單元格的方法。Michele Calvello 等人的研究直接給出了不同尺度下地形區(qū)劃單元的大小[8](表2)。

表2 不同尺度下地形區(qū)劃單元的大小[8]

滑坡的尺度研究主要集中于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的空間尺度特征，而時(shí)間尺度特征研究的重點(diǎn)在于對(duì)單個(gè)滑坡演變機(jī)制的物理模擬[12]；對(duì)于區(qū)域性的滑坡易發(fā)性區(qū)劃，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果較少，比較有代表性的是程謙恭等[13]利用多種時(shí)間尺度的方法對(duì)我國(guó)近5 000年滑坡群發(fā)周期進(jìn)行相關(guān)分析。

4 滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)序性特征分析

滑坡的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不僅包括滑坡的位置、形態(tài)、失穩(wěn)機(jī)制、誘發(fā)因素、發(fā)生頻度以及規(guī)模等具有空間屬性的數(shù)據(jù)，同時(shí)也包括滑坡發(fā)生的時(shí)間、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征等[1]。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征是指監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化過程與趨勢(shì)。分析現(xiàn)有的滑坡評(píng)價(jià)研究成果，對(duì)不確定性的研究除了克服由評(píng)價(jià)方法自身缺陷帶來的偏差之外，主要的研究方向是分析空間尺度效應(yīng)對(duì)評(píng)價(jià)不確定性的影響[14]；而在時(shí)間尺度方面，對(duì)于滑坡易發(fā)性區(qū)劃的研究主要還是以“靜態(tài)”為主，原因之一是相關(guān)滑坡影響因素演變的緩慢性，但是隨著全球極端自然現(xiàn)象的頻發(fā)[15]以及人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境影響的加劇[16]，滑坡的演變進(jìn)程大大加快，時(shí)間尺度效應(yīng)對(duì)滑坡易發(fā)性區(qū)劃不確定性的影響逐漸凸顯。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征是滑坡時(shí)間尺度特征的重要表現(xiàn)，能夠清楚地表征研究區(qū)滑坡的演變進(jìn)程。分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征，對(duì)于研究時(shí)間尺度特征對(duì)滑坡易發(fā)性區(qū)劃不確定性的影響，具有比較重要的理論價(jià)值。

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征與研究區(qū)滑坡演變規(guī)律的相關(guān)性

滑坡是一個(gè)動(dòng)態(tài)演變的非線性系統(tǒng)，是其背景條件相互作用的“極端結(jié)果”，包含一定的必然性，這種必然性不僅是指滑坡發(fā)生的位置、規(guī)模，同時(shí)也包括滑坡發(fā)生的時(shí)間。因此，作為滑坡信息載體的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間上的非平穩(wěn)性分布特征也應(yīng)當(dāng)包含一定的必然性，這種必然性是由研究區(qū)滑坡的演變進(jìn)程決定的。由于控制滑坡演變與發(fā)生的影響因素存有規(guī)律性，所以這種必然性對(duì)于特定區(qū)域的滑坡演變進(jìn)程而言，最終會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征呈現(xiàn)出與之對(duì)應(yīng)的規(guī)律性特征。因此，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征是研究區(qū)滑坡演變進(jìn)程的重要表征之一。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的選擇對(duì)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的影響

不同時(shí)期的滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的是當(dāng)時(shí)研究區(qū)的滑坡演變情況。根據(jù)滑坡演變的非線性特征，從理論上講，基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的區(qū)域地質(zhì)評(píng)價(jià)應(yīng)當(dāng)是實(shí)時(shí)的，但是由于實(shí)時(shí)獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)往往因數(shù)據(jù)量不足而無法反映研究區(qū)的滑坡信息，因此這種實(shí)時(shí)的區(qū)域滑坡評(píng)價(jià)思路目前在技術(shù)上無法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于滑坡演變的緩慢性與繼承性，特定時(shí)間段內(nèi)的具有相同地質(zhì)環(huán)境背景的滑坡的發(fā)生往往具有一定的相關(guān)性，因此這種基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)方式?jīng)]有太大的實(shí)際意義。目前主流的評(píng)價(jià)思路均是對(duì)一定時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集進(jìn)行分析，但在選取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)并不是越多越好，因?yàn)閷?duì)于同一研究區(qū)而言，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越多意味著監(jiān)測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，利用大時(shí)間尺度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參與評(píng)價(jià)有可能使評(píng)價(jià)的不確定性積累放大，更為嚴(yán)重的是，控制研究區(qū)滑坡發(fā)生的主因素可能已經(jīng)在如此長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生改變，利用主因素變化前后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)參與評(píng)價(jià)可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生重大的偏差。

4.3 影響因素權(quán)重確定的滯后性

權(quán)重的大小表征影響因素在整個(gè)滑坡演變進(jìn)程中的重要程度，權(quán)重的確定是整個(gè)評(píng)價(jià)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響因素權(quán)重的確定要依據(jù)一定時(shí)間段的歷史資料作出判斷，這種歷史資料包含的是當(dāng)時(shí)的滑坡演變信息。由于區(qū)域滑坡演變的非線性，導(dǎo)致不同時(shí)期的滑坡演變機(jī)制必然存在差異，因此基于這類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的權(quán)重確定方式獲取的是該監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)過去與現(xiàn)在的“均值”。對(duì)于研究最新的區(qū)域滑坡演變進(jìn)程而言，這種權(quán)重的確定方式具有一定的滯后性，這也是導(dǎo)致目前滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)存在不確定性的因素之一。

5 我國(guó)典型滑坡演變類型的劃分

滑坡演變類型是指滑坡在自然與人為動(dòng)力因素作用下隨時(shí)間的演變過程與趨勢(shì)。利用全國(guó)主要城市環(huán)境地質(zhì)綜合評(píng)價(jià)項(xiàng)目的相關(guān)成果數(shù)據(jù)，運(yùn)用時(shí)序性分析理論，對(duì)具有不同地質(zhì)環(huán)境條件的滑坡演變進(jìn)行比較分析，初步確定了穩(wěn)定型、生長(zhǎng)型、衰弱型以及隨機(jī)型等4種演變類型(圖1)。

5.1 穩(wěn)定型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)隨時(shí)間變化不大，即滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)Z(t)隨時(shí)間t變化很小[圖1(a)]，對(duì)于任意時(shí)段t1與t1+k而言，有Z(t1) =Z(t1+k)。確定該類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)態(tài)分布曲線為

Z(t)=μt

(1)

穩(wěn)定型演變類型主要受演變較慢的背景因素控制，如地層巖性、地形地貌等，主要發(fā)生于地層穩(wěn)定、巖性變化緩慢、降水較少的地區(qū)。

5.2 生長(zhǎng)型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)隨時(shí)間變化呈趨勢(shì)性上升，即滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)Z(t)隨時(shí)間t波動(dòng)增加[圖1(b)]。生長(zhǎng)型演變類型是一種典型的非平穩(wěn)性過程，利用確定性趨勢(shì)模型確定該類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)態(tài)分布函數(shù)為

Z(t)=α1t+at0(a1>0)

(2)

式中：α1為滑坡數(shù)隨時(shí)間t的增長(zhǎng)率；at0為初始監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的歷史滑坡數(shù)。

圖1 我國(guó)4種典型的滑坡演變類型

生長(zhǎng)型演變類型是一種發(fā)育中的滑坡發(fā)生機(jī)制，表明區(qū)域范圍內(nèi)影響滑坡演變與發(fā)生的某個(gè)或某幾個(gè)因素的活動(dòng)性增強(qiáng)，例如大型水庫(kù)修建導(dǎo)致區(qū)域范圍內(nèi)的巖體內(nèi)部應(yīng)力集中而產(chǎn)生的滑坡,震后位于斷裂帶地區(qū)的土體、巖體失穩(wěn)而產(chǎn)生的滑坡等。

5.3 衰弱型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)隨時(shí)間變化呈趨勢(shì)性下降，即滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)Z(t)隨時(shí)間t波動(dòng)減少[圖1(c)]。衰弱型演變類型也是一種典型的非平穩(wěn)性過程，利用確定性趨勢(shì)模型確定該類型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)態(tài)分布函數(shù)為

Z(t)=α2t+at0(a2<0)

(3)

式中：α2為滑坡數(shù)隨時(shí)間t的減少率。

衰弱型演變類型是區(qū)域范圍內(nèi)滑坡的動(dòng)力源與物質(zhì)源逐步減少，影響因素的活動(dòng)性趨于平穩(wěn)，這類演變類型廣泛分布于社會(huì)化程度較高的城市及其周邊地區(qū)，這些地區(qū)一般地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定、人為治理程度較高。

5.4 隨機(jī)型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測(cè)數(shù)隨時(shí)間呈現(xiàn)出沒有規(guī)律的變化過程[圖1(d)]。隨機(jī)型演變類型是一種由誘發(fā)因素控制的滑坡發(fā)生機(jī)制，常見的誘發(fā)因素包括降水、地震等。這類演變類型沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，往往與誘發(fā)因素的時(shí)序性特征具有很好的相關(guān)性。

需要說明的是，由于自然條件的復(fù)雜性，導(dǎo)致滑坡發(fā)生的內(nèi)動(dòng)力與外動(dòng)力可能同時(shí)存在，因此區(qū)域范圍內(nèi)往往不止存在一種滑坡演變類型，更普遍的是多種演變類型組合存在，常見的組合類型包括穩(wěn)定型與降水隨機(jī)型組合、生長(zhǎng)型與降水隨機(jī)型組合等。

6 結(jié) 語

(1)滑坡的演變與發(fā)生依賴于特定的時(shí)空尺度，但是由于滑坡演變的非線性與空間介質(zhì)的非均質(zhì)性，導(dǎo)致區(qū)域滑坡易發(fā)性分析與評(píng)價(jià)必然包含有尺度效應(yīng)產(chǎn)生的不確定性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為滑坡的信息載體，不僅包含滑坡的空間分布信息，而且一定時(shí)間序列的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也包含滑坡在時(shí)間上的演變信息。

(2)由于人類活動(dòng)與自然界極端事件頻繁，導(dǎo)致各滑坡影響因素的演變進(jìn)程大大加快，使得時(shí)間效應(yīng)對(duì)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)的影響凸顯，原有的靜態(tài)評(píng)價(jià)思路可能會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，而利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)態(tài)分布特征可以獲取滑坡的演變進(jìn)程，以修正評(píng)價(jià)過程的“靜態(tài)性”缺陷，有助于提高評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。

(3)通過對(duì)我國(guó)不同地形地貌單元與地質(zhì)構(gòu)造下的滑坡演變過程進(jìn)行比較性分析，總結(jié)了穩(wěn)定型、生長(zhǎng)型、衰弱型與隨機(jī)型等4種典型的滑坡演變類型。不同滑坡演變類型的主控因素、作用機(jī)制等不同，這對(duì)于修正滑坡易發(fā)性的評(píng)價(jià)方法與思路、提高評(píng)價(jià)結(jié)果具有比較重要的意義。

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