基于事件樹分析的GIS地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)評(píng)估

孫清娟，胡圣武，郝亞?wèn)|，杜廣峰

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004;2.河南理工大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，河南焦作454000;3.開封市祥和測(cè)繪大隊(duì)，河南開封475003)

0 引言

中國(guó)在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中已經(jīng)開展了大量卓有成效的工作并取得了豐碩的研究成果，如對(duì)區(qū)域洪澇災(zāi)害進(jìn)行的災(zāi)害等級(jí)劃分和評(píng)價(jià)［1-2］、對(duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的防治及其國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)［3-7］等。但目前對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是基于靜態(tài)過(guò)程，而地質(zhì)災(zāi)害是隨著時(shí)間的變化而變化的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也有一些學(xué)者進(jìn)行了研究，如杜振國(guó)等［8］、劉明華等［9］對(duì)地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)性評(píng)價(jià)進(jìn)行了研究。從研究成果來(lái)看，地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)還屬于探索階段，監(jiān)測(cè)體系與預(yù)警系統(tǒng)還不夠完善。概括起來(lái)，存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題。(1)地質(zhì)災(zāi)害是一個(gè)動(dòng)態(tài)的演化過(guò)程，隨著時(shí)間的推移以及影響因素的改變，地質(zhì)災(zāi)害的狀態(tài)是發(fā)生變化的，然而目前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型都是靜態(tài)的，難以反映地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，無(wú)法滿足地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急與處置的需要。(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取不一，多數(shù)評(píng)價(jià)模型力求各指標(biāo)是相互獨(dú)立的，尤其是缺少對(duì)指標(biāo)屬性及各指標(biāo)屬性關(guān)聯(lián)的標(biāo)定，導(dǎo)致指標(biāo)冗余，不具備可操作性。(3)承災(zāi)體數(shù)據(jù)由于調(diào)查成本過(guò)高，通常數(shù)據(jù)缺乏，如果進(jìn)行較大面積評(píng)價(jià)時(shí)以“點(diǎn)”擴(kuò)到“面”，將導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果失真。(4)常出現(xiàn)“監(jiān)測(cè)不滑，滑未監(jiān)測(cè)”現(xiàn)象，導(dǎo)致了本該監(jiān)測(cè)的沒(méi)有監(jiān)測(cè)和大量監(jiān)測(cè)資源的浪費(fèi)。因此，本研究探討用事件樹分析并結(jié)合GIS技術(shù)，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)評(píng)估，并以福建省泉州市德化縣潯中鎮(zhèn)為例，對(duì)2012年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇拉”發(fā)生期間的3個(gè)時(shí)刻進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)評(píng)估的分析。

1 事件樹分析法

1.1 事件樹模型基本原理

事件樹分析是一種邏輯演繹方法，由決策樹分析發(fā)展而來(lái)［7］。它由初始事件開始根據(jù)事件發(fā)展的時(shí)間順序?qū)Τ跏际录赡軐?dǎo)致的各種后果進(jìn)行分析。一般情況下，事件的發(fā)生是由多種原因(后續(xù)事件)共同作用的結(jié)果，而且這些后續(xù)事件是相互關(guān)聯(lián)的，存在因果關(guān)系。只有一些事件的發(fā)生才可能導(dǎo)致另一些事件的發(fā)生。通過(guò)逐步地分析各事件可能的后續(xù)事件狀態(tài)(成功、失敗、正常、故障、安全、危險(xiǎn)等)，直到系統(tǒng)故障或事故為止，最后形成水平放置的樹枝狀圖，即事件樹。事件樹分析法的步驟為:(1)確定初始事件。初始事件是事件樹中在一定條件下造成事故后果的最初原始事件;(2)找出與初始事件有關(guān)的環(huán)節(jié)事件。環(huán)節(jié)事件是指出現(xiàn)在初始事件后的一系列可能造成事故后果的其他原因事件;(3)畫事件樹;(4)說(shuō)明分析結(jié)果。

1.2 事件樹模型基本原理

承災(zāi)體狀態(tài)包括人員狀態(tài)與道路狀態(tài)。人員狀態(tài)與道路狀態(tài)可分為三類［6］(表1)。目前，在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)省份，國(guó)土部門在降雨預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上發(fā)布地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警，共分為5個(gè)等級(jí):5級(jí)預(yù)警區(qū)用紅色表示，4級(jí)預(yù)警區(qū)用橙色表示，3級(jí)預(yù)警區(qū)用黃色表示，2級(jí)預(yù)警區(qū)用綠色表示，1級(jí)預(yù)警區(qū)用藍(lán)色表示。3～5級(jí)向社會(huì)發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)(人員接警)，1～2級(jí)不予發(fā)布(人員待警)。4～5級(jí)要求隱患點(diǎn)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移，公路封閉，3級(jí)則提醒人員提高警惕，公路設(shè)立警示牌。

表1 承災(zāi)體狀態(tài)類型Tab.1 Type of hazard bearing body state

而現(xiàn)勢(shì)狀態(tài)下，承災(zāi)體狀態(tài)是實(shí)時(shí)變化的，與降雨、險(xiǎn)情、災(zāi)情、預(yù)警信息發(fā)布情況等因素相關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)險(xiǎn)情或?yàn)?zāi)情時(shí)，人們具有自我的防災(zāi)意識(shí)，或接到預(yù)警而進(jìn)行自動(dòng)的避災(zāi)轉(zhuǎn)移或警惕。

考慮降雨誘發(fā)滑坡災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)變化問(wèn)題，降雨為激發(fā)事件，得到人員狀態(tài)變化事件樹(圖1)和道路狀態(tài)變化事件樹(圖2)，由此可以清楚地看出降雨情況下可能發(fā)生的子事件。以人員狀態(tài)事件樹(圖1)為例分析，隨著降雨的持續(xù)，降雨可能達(dá)到臨界值，巖土體可能出現(xiàn)宏觀變形破壞跡象，即出現(xiàn)險(xiǎn)情。對(duì)于隱患點(diǎn)與非隱患點(diǎn)承災(zāi)體的狀態(tài)是不同的，隱患點(diǎn)一般具有應(yīng)急預(yù)案，在險(xiǎn)情達(dá)到一定程度的時(shí)候，人員將采取相應(yīng)的措施，轉(zhuǎn)移、警惕等。而非隱患點(diǎn)人員一般處于自然狀態(tài)，具有較高的災(zāi)害易發(fā)性。若出現(xiàn)災(zāi)情，災(zāi)情區(qū)域人員為轉(zhuǎn)移狀態(tài)。

圖1 人員狀態(tài)變化事件樹Fig.1 Event tree of personnel status changed

圖2 道路狀態(tài)變化事件樹Fig.2 Event tree of road state changed

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)特征

潯中鎮(zhèn)隸屬福建省泉州市德化縣管轄，位于德化縣南部，地理坐標(biāo)為北緯 25°26'～25°34'、東經(jīng) 118°11'～118°18'，總面積57.20 km2，為德化縣人民政府所在地，是全縣政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心。

潯中鎮(zhèn)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫15～19℃，年平均降雨量1 867.2 mm，日照量為1 769.6 h。降雨的年際變化大。全年分為3個(gè)降雨季節(jié):3～6月為雨季，多年平均降雨量為796.5 mm，占全年42.9%;7～9月為臺(tái)風(fēng)雷陣雨季，多年平均降雨量775.2 mm，占全年41.8%，表現(xiàn)為臺(tái)風(fēng)暴雨或大暴雨，雨量大而集中，強(qiáng)度高，也是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)期;10月至翌年2月為少雨季，多年平均281.4 mm，僅占全年15.2%。

2.2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)價(jià)因素主要考慮坡度、坡向、表土層厚度、坡型、降雨、人口密度、公路等因子［10-11］，并按照各指標(biāo)的特征進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分(表2)。

表2 潯中鎮(zhèn)崩滑災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criterion of landslide disaster dynamic risk assessment of Xunzhong Town

2.3 GIS實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.3.1 2012年8月2日15時(shí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與制圖。應(yīng)用ArcGIS中的Overlay功能，采用公式進(jìn)行疊加分析:災(zāi)害易發(fā)性得分=坡度 ×0.51+坡向 ×0.07+坡型 ×0.21+表土層厚度×0.21，得到災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖(圖3)和評(píng)估分區(qū)結(jié)果(表3)。

圖3 潯中鎮(zhèn)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃圖Fig.3 Liability zoning map of Xunzhong Town

從表3中可以看出，災(zāi)害高易發(fā)區(qū)包含了24個(gè)災(zāi)害點(diǎn)中的13個(gè)，占到了一半以上，較易發(fā)區(qū)包含6個(gè)，占1/4，證明易發(fā)區(qū)劃較為合理。

表3 潯中鎮(zhèn)各行政村災(zāi)害易發(fā)性評(píng)估分區(qū)結(jié)果Tab.3 Results of the vulnerability assessment partition of each administrative village in Xunzhong Town

2.3.2 2012年8月3日10時(shí)與23時(shí)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃與制圖。根據(jù)以上事件樹分析結(jié)果，3日10時(shí)降雨達(dá)到臨界值3，隱患點(diǎn)周邊區(qū)域人員處于轉(zhuǎn)移狀態(tài)，進(jìn)行人員狀態(tài)更新，得到即時(shí)更新的災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃圖(圖4a)。同時(shí)，進(jìn)行降雨數(shù)據(jù)更新，并采用相同的方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。3日23時(shí)發(fā)生災(zāi)害，首先進(jìn)行相似度計(jì)算，提取與災(zāi)情點(diǎn)相同地質(zhì)環(huán)境區(qū)域(圖4b)，然后進(jìn)行災(zāi)情點(diǎn)周邊區(qū)域人員狀態(tài)更新，得到即時(shí)更新的災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃圖(圖4c)。再次，進(jìn)行降雨數(shù)據(jù)更新及危險(xiǎn)區(qū)域圖更新，結(jié)合災(zāi)害易發(fā)區(qū)劃圖進(jìn)行運(yùn)算，得到3日23時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)區(qū)劃圖(圖5)。

圖4 評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results

圖5 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Results of the risk assessment of the three moments

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

3.1.1 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果(表3)為:①8月2日15時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)不高，沒(méi)有高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域分布，除鎮(zhèn)中心東北部、樂(lè)陶村小面積為較高風(fēng)險(xiǎn)外，其他地區(qū)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)都在一、二等級(jí)。主要由于15時(shí)降雨剛開始，除東南部樂(lè)陶村、鳳洋村、后所村降中雨，其他地區(qū)為小雨，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)較低。鎮(zhèn)東北部人口密集，災(zāi)害為較易發(fā)，風(fēng)險(xiǎn)為較高級(jí)。②8月3日10時(shí)，有4個(gè)等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)廣泛分布在石山村、仙境村、石鼓村、龍翰村、鳳池、富東大部分地區(qū)以及鳳洋南部、蒲坂村周邊地區(qū)。主要由于這些地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)，人口較密集，省道S206和省道S203樂(lè)陶段從此經(jīng)過(guò)，其中省道S206石鼓至石山段以及省道S203樂(lè)陶段為風(fēng)險(xiǎn)最高。較高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在鳳洋村、后所村、蒲坂村大部、石山村、世科村、祖厝村南部以及龍翰村東南部與西北部。主要由于地質(zhì)災(zāi)害較易發(fā)，人口相對(duì)較集中。中等風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在鳳洋村、石山村南部、縣道X346沿線。此地區(qū)在浐溪流域周邊，坡度較緩，地質(zhì)災(zāi)害中等易發(fā)。低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)分布在祖厝村北部大部分地區(qū)，世科村、后所村部分地區(qū)以及石鼓、后所2處隱患點(diǎn)區(qū)。祖厝村北部大部分地區(qū)海拔較高，人口較稀疏，人類工程活動(dòng)相對(duì)較少，地質(zhì)災(zāi)害較不易發(fā)，風(fēng)險(xiǎn)較低。石鼓、后所2處隱患點(diǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。③8月3日23時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)公布區(qū)域大體與8月3日15時(shí)相同。主要分布在S206省道、S203省道沿線和石山、仙境、石鼓、富東、后所等村莊以及樂(lè)陶村地區(qū)。石鼓、后所2處隱患點(diǎn)以及龍翰村9組滑坡區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比分析(表4)。①8月2日15時(shí)，由于降雨等級(jí)較低，雖然人員狀態(tài)與道路狀態(tài)為自然狀態(tài)，具有較高的易發(fā)性，然而危險(xiǎn)性等級(jí)低，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生可能性小，風(fēng)險(xiǎn)普遍偏低。②3日10時(shí)，全鎮(zhèn)范圍降雨從2日15時(shí)的小雨轉(zhuǎn)為暴雨，前期有效降雨達(dá)到臨界值1，風(fēng)險(xiǎn)普遍增高。根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，此時(shí)隱患點(diǎn)威脅區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，威脅區(qū)域外圍人員將處于警惕狀態(tài)。由于承災(zāi)對(duì)象不存在，因此，石鼓、后所2處隱患點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)由高風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)為低風(fēng)險(xiǎn)。③3日23時(shí)與10時(shí)相比，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大。雖然此時(shí)降雨已由暴雨轉(zhuǎn)為小雨，然而前期有效降雨量達(dá)到了臨界值3，為最高等級(jí)，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有滯后效應(yīng)，此時(shí)危險(xiǎn)等級(jí)仍然很高，因此風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與10時(shí)相近。此時(shí)石鼓、后所2處隱患點(diǎn)以及龍翰村滑坡區(qū)域人員已經(jīng)轉(zhuǎn)移，雖具有高危險(xiǎn)，但無(wú)承災(zāi)對(duì)象，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低。高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域面積擴(kuò)大是由于龍翰村9組發(fā)生滑坡災(zāi)害，與此滑坡相似的地質(zhì)環(huán)境區(qū)域?yàn)闃O易發(fā)區(qū)。其中高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)與極易發(fā)區(qū)重合區(qū)域應(yīng)為極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，主要分布在石鼓村、仙境村、潯中村以及龍翰村。

3.2 動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理

3.2.1 轉(zhuǎn)移避讓。轉(zhuǎn)移避讓是最經(jīng)濟(jì)、最有效的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)防措施。當(dāng)出現(xiàn)以下情況時(shí)將隱患點(diǎn)或威脅區(qū)域的人員進(jìn)行轉(zhuǎn)移避讓:①雨強(qiáng)達(dá)到8 mm/h或有效降雨量達(dá)90 mm時(shí);② 斜坡出現(xiàn)裂縫、隆起與沉陷、小型崩塌、冒渾水等險(xiǎn)情時(shí);③發(fā)生災(zāi)情時(shí)。

3.2.2 監(jiān)測(cè)預(yù)警。潯中鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害滑坡99%以上為淺層土質(zhì)小型滑坡。目前，多數(shù)高陡邊坡是由于切坡建房、人為開挖坡腳改變了斜坡的自然形態(tài)，降低了穩(wěn)定性，在強(qiáng)降雨作用下易誘發(fā)滑坡、崩塌災(zāi)害。災(zāi)害雖然規(guī)模較小，但災(zāi)害點(diǎn)多，較難全面治理，且在房前屋后，直接威脅居民的生命與財(cái)產(chǎn)安全。因此，建立健全地質(zhì)災(zāi)害群測(cè)群防網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)是進(jìn)行潯中鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害防治工作的重要措施。具體措施如下:①對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域安排責(zé)任人進(jìn)行險(xiǎn)情巡查、監(jiān)測(cè)、報(bào)警、速報(bào);② 對(duì)極高風(fēng)險(xiǎn)地區(qū)實(shí)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)與加密監(jiān)測(cè);③對(duì)處于高風(fēng)險(xiǎn)的重點(diǎn)區(qū)域(如學(xué)校、公路等)降雨期間設(shè)立警示標(biāo)志，警示或禁止人員與車輛通行。

表4 3個(gè)時(shí)刻風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比Tab.4 Comparison of three-time risk assessment results

3.2.3 應(yīng)急準(zhǔn)備。由于隱患點(diǎn)人員已經(jīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。此時(shí)應(yīng)將防災(zāi)重點(diǎn)放在高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，快速調(diào)度車輛、人員及物資，合理分配救援力量及救援物資，提前做好應(yīng)急準(zhǔn)備，并根據(jù)實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化調(diào)整方案。

4 結(jié)論

運(yùn)用事件樹分析，結(jié)合GIS技術(shù)，并通過(guò)建模的方式，對(duì)福建省德化縣潯中鎮(zhèn)2012年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)“蘇拉”影響期間地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得到3個(gè)時(shí)刻的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果。并通過(guò)對(duì)3個(gè)結(jié)果的比較，提出了更加科學(xué)的動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)管理建議，從而驗(yàn)證了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)模型的可行性。

由于地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)因素的不可預(yù)見(jiàn)性，地質(zhì)災(zāi)害動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)還有很多問(wèn)題需要解決，如數(shù)據(jù)的及時(shí)更新等［12-13］。希望通過(guò)本研究能夠促進(jìn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)的深入研究。

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