貴州畢節(jié)地區(qū)泥石流危險性評價

岳溪柳，黃 玫，全 斌，王昭生，谷曉平

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南湘潭 411201;2.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101;3.湖南科技大學(xué) 地理空間信息工程實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭 411201;4.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州貴陽 550002)

泥石流是我國西南山區(qū)多發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害之一，由于其突發(fā)性強(qiáng)，影響范圍廣等特點(diǎn)，每年導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡在各類山地災(zāi)害中比例較大。迄今為止，泥石流評價的研究主要分為單溝泥石流機(jī)理分析［1-4］和區(qū)域泥石流危險性總體評價［5-8］兩類;部分學(xué)者也針對個別誘發(fā)因子做了一些深入研究［9-13］。在我國，唐川和劉希林等對區(qū)域泥石流的研究相對較有代表性［14-16］。然而，以往的研究多以歷史泥石流點(diǎn)為主要評價因子，以縣為評價單元，評價結(jié)果缺少驗(yàn)證，對具體的減災(zāi)防災(zāi)及生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)作用不明顯。因此，本文從引發(fā)泥石流災(zāi)害的地質(zhì)、地形、水文、植被等自然環(huán)境和人類活動等因素出發(fā)，建立精度為0.000833°(赤道100m)格網(wǎng)單元的泥石流危險性評價模型;以歷史泥石流點(diǎn)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)參與模型的驗(yàn)證，用以考證評價模型的準(zhǔn)確性。格網(wǎng)單元的區(qū)域泥石流危險性評價可以為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)決策及具體的城鄉(xiāng)規(guī)劃提供較為直接的參考建議。

1 研究區(qū)概況

畢節(jié)地區(qū)(圖 1)位于東經(jīng) 105°36'～106°43'，北緯26°21'～27°46'之間，地處貴州高原西部，地勢由西向東傾斜，山高坡陡，全區(qū)總面積26844.5km2，高原山地占93.3%，最高海拔2901m，最低海拔457m，境內(nèi)溝壑縱橫，土地破碎。大部分地區(qū)屬亞熱帶溫涼濕潤季風(fēng)氣候，年平均降水在848.6～1394.4mm之間，5～9月雨量集中，多為暴雨和大暴雨。境內(nèi)地層出露較齊全，從元古界震旦系至新生界的第四系地層均有分布，出露的巖石以沉積巖為主，碳酸鹽巖類居多;地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈，褶皺斷裂交錯發(fā)育，山體邊坡穩(wěn)定性差，地質(zhì)災(zāi)害頻繁，泥石流災(zāi)害較為嚴(yán)重。

圖1 畢節(jié)地區(qū)行政區(qū)域圖Fig.1 Bijie district boundary map

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

為獲得相關(guān)地形、地質(zhì)構(gòu)造、水文、植被及人類活動等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本研究搜集了畢節(jié)地區(qū)數(shù)字高層(DEM)數(shù)據(jù)(分辨率為100m)，畢節(jié)地區(qū)地質(zhì)圖(1∶50萬)，畢節(jié)地區(qū)土壤侵蝕數(shù)據(jù)(1∶10萬)，畢節(jié)地區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)(1∶10萬)，畢節(jié)地區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)(分辨率為1km)，畢節(jié)地區(qū)植被覆蓋圖(1∶100萬)，以上數(shù)據(jù)均來源于中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源所數(shù)據(jù)中心;搜集了畢節(jié)地區(qū)多年降水?dāng)?shù)據(jù)和歷史泥石流災(zāi)害記錄數(shù)據(jù)，降水?dāng)?shù)據(jù)和泥石流災(zāi)害數(shù)據(jù)分別由貴州省氣象局和貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院獲得。

為獲取相關(guān)的指標(biāo)信息，文章從數(shù)字高層(DEM)圖提取了坡度、坡向、相對高差及溝谷數(shù)據(jù);從地質(zhì)圖獲取了巖性、斷層數(shù)據(jù)及層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);從土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫、土地利用方式數(shù)據(jù)庫、歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)庫、植被覆蓋圖分別直接獲取土壤侵蝕等級、土地利用方式類型、NDVI值及植被覆蓋率;大于50mm降水日數(shù)、大于25mm降水日數(shù)則由降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計獲得。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用GCS_Krasovsky_1940坐標(biāo)系統(tǒng)和Albers投影。為方便模擬計算，數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為分辨率為0.0008333°(相當(dāng)于赤道100m)的柵格形式，氣象站數(shù)據(jù)插值為空間數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標(biāo)的選取

泥石流活動是地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候水文、植被覆蓋、人類活動等眾多因素共同作用的結(jié)果。在參考前人區(qū)域泥石流評價研究的基礎(chǔ)上［9，14-21］，本文首先選取土壤侵蝕、坡度、坡向、暴雨日數(shù)、大于25mm降水日數(shù)、相對高差、巖性、土地利用方式、NDVI、到斷層的距離、到溝谷的距離，層級結(jié)構(gòu)、森林覆蓋率等13個因子與歷史災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行extract value to points分析，分析發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕、坡度、暴雨日數(shù)、巖性、土地利用方式、NDVI、到斷層的距離、到溝谷的距離8個因子與災(zāi)害點(diǎn)的關(guān)聯(lián)性相對較高且彼此相似度低，故選作本研究的評價指標(biāo)。因子介紹如下:

土壤侵蝕是地貌、土壤、水文、植被等自然因素與人類活動綜合作用的結(jié)果，土壤侵蝕嚴(yán)重的地方往往地表破碎，容易誘發(fā)崩滑流等自然災(zāi)害［23］。坡度是地形狀況的直接表現(xiàn)，小于45°的坡度利于坡積物的堆積，大于25°以上的坡度是泥石流多發(fā)的坡度范圍，坡度越小，泥石流發(fā)生概率越低［11］。暴雨和大暴雨是畢節(jié)市泥石流災(zāi)害的主要誘因［24］，泥石流的發(fā)生主要受突發(fā)性降水影響［21］;我國氣象上將24h降水量為50mm或以上的降雨稱為“暴雨”，因此，＞50mm的暴雨日數(shù)作為誘發(fā)泥石流的主要水文因子參與危險性評價。該三項(xiàng)因子反映了誘發(fā)泥石流的固體碎屑物、坡度，突發(fā)性水源三大主要條件。

土地利用方式是人類活動對地表干預(yù)的直接體現(xiàn)，旱地、耕地坡體土壤松散，容易發(fā)生泥石流［21］，居民地、工礦地、城鎮(zhèn)用地是泥石流的易發(fā)區(qū)，植被覆蓋域?qū)δ嗍骶哂休^好的抑制作用［10，13］。巖石性質(zhì)是地質(zhì)條件的一個反射，在同等的水熱條件下，不同巖石類型風(fēng)化程度不一樣，泥巖、碎屑巖的坡體相對頁巖、白云巖坡體而言，更容易發(fā)生泥石流［25］。生長較好的植被具有較強(qiáng)的根莖固土作用和雨水?dāng)r截作用，利于緩解坡面的徑流，提高坡體的穩(wěn)定性，因此選擇能反映植被生長狀況的NDVI作為植被因子參與評價。斷層是地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈的結(jié)果，斷層區(qū)域巖體破壞，易于巖石風(fēng)化和松散碎屑物質(zhì)堆積，與泥石流的發(fā)生關(guān)聯(lián)性較大［21］，離斷層越近的地方，泥石流發(fā)生的概率越大，因此到斷層的距離作為評價因子之一。離溝谷越近的地方匯集的水量越多，利于巖石孔隙水的囤積，對地表泥沙的沖刷和攜帶能力也越強(qiáng)，坡體的脆弱性降低，發(fā)生泥石流的概率高［12］，因此到溝谷的距離作為地形和水文因子的輔助參與泥石流危險性評價。

2.2.2 指標(biāo)量化分級

根據(jù)各指標(biāo)對誘發(fā)泥石流的貢獻(xiàn)程度的大小將每個因子劃分為輕微危險度、一般危險度、中等危險度、較高危險度、極高危險度5個等級，分別對應(yīng)賦值1～5(表1)，以實(shí)現(xiàn)各網(wǎng)格點(diǎn)內(nèi)各因子不同危險度等級的加權(quán)求和。分級依據(jù)如表1中的各科研成果及經(jīng)驗(yàn)方法所示。

2.2.3 評價因子權(quán)重判定

由于評價因子對泥石流發(fā)生的貢獻(xiàn)度不一樣，因此確定各因子對泥石流危險性貢獻(xiàn)度的大小是泥石流評價過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析法，其基本原理是將待評價的復(fù)雜問題分解成若干層次，由專家或決策者對所列指標(biāo)通過重要程度的兩兩比較逐層進(jìn)行判斷評分，通過計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標(biāo)對上層指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度或權(quán)重，從而得到基層指標(biāo)對于總體目標(biāo)的重要性權(quán)重排序，適合于多目標(biāo)、多因素復(fù)雜系統(tǒng)的分析決策。本文采用AHP決策法，在Excel軟件中構(gòu)建判斷矩陣進(jìn)行分析，得出判斷矩陣的最大特征根為λmax=8.0169，一致性指標(biāo)CI=(λmax-n)/(n-1)=0.0024，檢驗(yàn)指標(biāo) CR=CI/RI=0.0017＜0.1，判斷矩陣具有良好的一致性，通過檢驗(yàn)。評價矩陣與權(quán)重如表2所示。

表1 畢節(jié)市泥石流災(zāi)害危險性評價指標(biāo)量化分級Table 1 The classification of debris flow hazard factors in Bijie

表2 評價指標(biāo)的權(quán)重Table 2 The weights of evaluation factors

2.2.4 危險性評價模型

根據(jù)上述研究分析得到泥石流評價因子及各因子的權(quán)重系數(shù)，通過加權(quán)計算構(gòu)建泥石流危險性的評價模型，其計算公式為:

其中:

H——表示泥石流的危險性值;

i——取值為1 ～8;

x1-x8——表2中的各項(xiàng)因子;

k1-k8——相應(yīng)因子的權(quán)重值。

3 危險性評價結(jié)果

對各因子進(jìn)行加權(quán)計算，得出每個柵格的危險性值。泥石流危險性是一個相對的概念，到目前為止還沒有一個特定的劃分標(biāo)準(zhǔn)。自然斷點(diǎn)法是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分布規(guī)律分級和分類的統(tǒng)計方法，它能使類與類之間的不同最大化。因此，文章采用自然斷點(diǎn)法把畢節(jié)地區(qū)的泥石流危險性情況劃分為微度危險區(qū)、輕度危險區(qū)、中度危險區(qū)、重度危險區(qū)、極重度危險區(qū)五個等級，用1～5表示危險程度，數(shù)值越高，危險性越大。利用ARCGIS9.3的空間分析得到畢節(jié)地區(qū)危險等級圖(圖2)。

3.1 評價結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證泥石流危險性評價結(jié)果的合理性，本文將歷史泥石流分布數(shù)據(jù)與評價得出的危險等級圖進(jìn)行疊加，提取每個泥石流點(diǎn)經(jīng)緯度對應(yīng)的柵格危險度值，統(tǒng)計得到不同危險性等級上的歷史泥石流的個數(shù)(表3)。

結(jié)果顯示，87.1%的歷史泥石流點(diǎn)位于中度危險度以上危險區(qū)域，其中58.07%的泥石流點(diǎn)落在重度以上危險區(qū)。泥石流危險度評價結(jié)果與野外調(diào)查數(shù)據(jù)吻合度較高，符合畢節(jié)地區(qū)歷史泥石流發(fā)生的實(shí)際情況。因此，數(shù)據(jù)驗(yàn)證的方法能夠更好的反映評估結(jié)果的準(zhǔn)確性，此種方法具有良好的適用性。

3.2 危險性評價結(jié)果分析

由圖2可以看出，畢節(jié)地區(qū)整個東南部區(qū)域泥石流危險性較高。極重度危險區(qū)主要分布在織金縣、納雍縣、大方縣中南部及赫章縣東北部等中高山地區(qū)。威寧自治縣、赫章縣西部與南部、大方縣北部地區(qū)危險性相對較低。

圖2 泥石流點(diǎn)Fig.2 The risk of debris-flow

經(jīng)統(tǒng)計可得，畢節(jié)地區(qū)極重度危險區(qū)與重度危險區(qū)分別占區(qū)域面積的為6.57%和18.33%，中度以下危險區(qū)占區(qū)域面積的75.1%。(表4)。

表4 不同級別泥石流危險區(qū)面積占研究區(qū)域面積百分比Table 4 Statistic of debris flow hazard assessment results in the study area

4 結(jié)論

本研究基于空間GIS技術(shù)，利用層次分析法對畢節(jié)地區(qū)泥石流災(zāi)害的危險性進(jìn)行了評價，得出如下結(jié)論:

(1)畢節(jié)地區(qū)泥石流危險性最大的區(qū)域主要分布在南部的納雍縣，織金縣，赫章縣中部山區(qū)及大方、金沙、畢節(jié)三市縣交匯的大婁山附近區(qū)域。

(2)坡度、土壤侵蝕、巖性、斷層分布等自然因素是影響泥石流發(fā)生的重要因子。泥石流高發(fā)區(qū)的主要特征是:地勢起伏明顯，坡度多為20°以上斜坡地貌，溝谷發(fā)育強(qiáng)烈，土壤侵蝕較為嚴(yán)重，斷層分布密集，地質(zhì)構(gòu)造強(qiáng)烈。降水作為泥石流發(fā)生的誘發(fā)因素，與泥石流危險性的高低相關(guān)性不十分明顯。

(3)人類活動對泥石流的發(fā)生具有一定程度的影響。金沙縣、黔西縣、大方縣中南部旱地耕地分布較多，人類活動頻繁，因而地表破壞嚴(yán)重，坡體不穩(wěn)定性增強(qiáng)，成為泥石流的多發(fā)區(qū)。

對于地質(zhì)災(zāi)害評價而言，評價指標(biāo)的選取與評價模型的建立以及評價因子的準(zhǔn)確性是影響評價結(jié)果的關(guān)鍵因素。本研究結(jié)果雖然與歷史泥石流災(zāi)害的發(fā)生點(diǎn)比較吻合，但在氣象數(shù)據(jù)空間化，評價指標(biāo)空間匹配等方面具有一定的不確定性，在評價指標(biāo)的選取方面也不可避免地存在一定的主觀性，探索一種更科學(xué)和完善的泥石流危險性評價方法是今后的發(fā)展方向。

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