南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)想

程冬兵, 張平倉

(長江科學(xué)院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010)

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南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)想

程冬兵, 張平倉

(長江科學(xué)院 水土保持研究所, 湖北 武漢 430010)

[目的] 探討南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)架，為崩崗防治規(guī)劃及分期治理提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 通過引入風(fēng)險評估的理念和方法，結(jié)合崩崗發(fā)育研究進展，參照生態(tài)環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險評估流程。 [結(jié)果] 界定了崩崗侵蝕風(fēng)險內(nèi)涵，擬定了崩崗侵蝕風(fēng)險評估方法，構(gòu)建了崩崗侵蝕風(fēng)險評估指標體系，并提出了崩崗侵蝕風(fēng)險評估程序。 [結(jié)論] 風(fēng)險評估為崩崗侵蝕乃至土壤侵蝕研究領(lǐng)域提供了一種新的理念和方法。

崩崗侵蝕; 風(fēng)險評估; 評估指標; 中國南方

文獻參數(shù)： 程冬兵, 張平倉.南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)想[J].水土保持通報，2016,36(4)：346-350.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.059

崩崗侵蝕是中國南方水土流失的一種特殊類型，盡管崩崗在水土流失面積中所占的比例不大，但侵蝕模數(shù)巨大，平均土壤侵蝕模數(shù)高達5.90×104t/(km2·a)，是劇烈侵蝕的4倍，且發(fā)展速度快，具有突發(fā)生、長期性等特點，危害十分嚴重[1-2]。由于崩崗侵蝕具有一定的地域性，國外沒有此類侵蝕，極少見到國外與崩崗相關(guān)的研究報導(dǎo)。中國對崩崗侵蝕的研究始于20世紀60年代，主要在崩崗分類、發(fā)展過程、形成機理和治理措施等方面開展了一些科研工作[3-11]，為崩崗的防治提供了一定的理論指導(dǎo)。盡管近年來崩崗侵蝕受到社會廣泛關(guān)注，相關(guān)科研單位與學(xué)者也投入大量精力[12-19]，但由于崩崗成因復(fù)雜，研究手段有限，崩崗侵蝕過程與機理亟待深入剖析，崩崗治理缺乏分類系統(tǒng)的科學(xué)指導(dǎo)，治理措施單一零散，治理進程緩慢，在有些地方甚至仍呈加劇發(fā)展的狀態(tài)，迫切需要創(chuàng)新理念。風(fēng)險評估起源于20世紀30年代，20世紀80年代發(fā)展較快，歷經(jīng)約30 a的發(fā)展，在評估內(nèi)容、評價范圍和評價方法等方面均有了極大的發(fā)展，風(fēng)險評估理論與方法日趨成熟，在金融、能源、交通、防災(zāi)減災(zāi)等諸多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[20-21]。風(fēng)險評估為崩崗侵蝕乃至土壤侵蝕研究領(lǐng)域提供了一種新的理念和方法。20世紀末，國外有學(xué)者開始根據(jù)影響因子的重要程度，分別賦予不同權(quán)重，通過因子加權(quán)或加權(quán)平均，根據(jù)風(fēng)險值大小來判斷區(qū)域土壤侵蝕風(fēng)險。如Vrieling等[22]在評估哥倫比亞東部平原上侵蝕風(fēng)險時，在專家打分基礎(chǔ)上確定地質(zhì)、土壤、地貌、氣候4個因子權(quán)重，最后通過加權(quán)平均得出各點位的潛在侵蝕風(fēng)險。Angima，Lu等[23-24]借助GIS和RS技術(shù)基于RUSLE分別評價了肯尼亞中部高原、巴西亞馬遜地區(qū)的土壤侵蝕風(fēng)險。Cohen等利用USLE中5個因子在流域中的平均值將每個因子的原始值轉(zhuǎn)化為相對危險度值，當(dāng)此值小于1時表明低危險，大于1時則為高危險，然后運用對數(shù)回歸模型來計算各因子權(quán)重，從而根據(jù)綜合評分值將土壤侵蝕危險程度分為了3個等級，并繪制出整個研究區(qū)侵蝕危險度分布圖[25]。

中國將風(fēng)險評估技術(shù)引入土壤侵蝕領(lǐng)域相對較晚，且只有一些零星的報導(dǎo)。萬軍等[26]提出一種通過求取石漠化擴展速度，從而得到土壤抗蝕年限，對土壤侵蝕進行風(fēng)險評價的方法。胡寶清等[27]引入地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險計算模式，認為喀斯特石漠化地區(qū)的土壤侵蝕災(zāi)害風(fēng)險可通過建立4級風(fēng)險評估指標體系，在利用層次分析法確定其權(quán)重的方法予以計算。也有學(xué)者采用水利部土壤侵蝕潛在危險度的分級方法，分別對土地利用方式、植被覆蓋度和地形坡度等要素進行分級，進而計算研究區(qū)域的土壤侵蝕強度分級，以該分級結(jié)果來估計土壤侵蝕風(fēng)險[28-32]。潘樹林等[33]使用人口環(huán)境容量失衡度、年降雨量、植被覆蓋度等8個指標對金沙江宜賓段進行計算土壤侵蝕風(fēng)險。李曉松等[34]借鑒USLE的因子選擇及綜合方法，在遙感和GIS的支撐下對海河流域的水土流失風(fēng)險進行評估，戴露瑩[35]也采用類似的方法對東苕溪典型小流域的土壤侵蝕強度進行了估算評價，識別出土壤侵蝕的關(guān)鍵源區(qū)。張志國等[36]定義了區(qū)域水土流失生態(tài)風(fēng)臉評價的概念，提出了評價的方法與步驟，構(gòu)建了區(qū)域水土流失生態(tài)風(fēng)險評價模型框架，并以延河流域為例進行了應(yīng)用。王文娟等[37]選擇東北典型黑土區(qū)作為研究區(qū)，以SPOT 5影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源獲取了侵蝕溝分布數(shù)據(jù)，基于地形圖數(shù)據(jù)提取了與溝蝕形成相關(guān)的11個地形因子，并構(gòu)建Logistic模型，據(jù)此對研究區(qū)溝蝕發(fā)生風(fēng)險進行了評價，進而進行了溝蝕發(fā)生風(fēng)險分級評價研究?？傮w而言，風(fēng)險評估技術(shù)在土壤侵蝕領(lǐng)域應(yīng)用較少，且未見在崩崗侵蝕領(lǐng)域的應(yīng)用報道。因此，本研究擬引入風(fēng)險評估的理念和方法，探討南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)架，以期能達到拋磚引玉之效果，從而為崩崗防治規(guī)劃及分期治理提供科學(xué)依據(jù)。

1　崩崗侵蝕風(fēng)險內(nèi)涵

關(guān)于“風(fēng)險”的定義，不同的行業(yè)有不同的解釋。一般說來，風(fēng)險是不確定性結(jié)果的一種度量[38]。參考現(xiàn)有的生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險評估研究[39-44]，崩崗侵蝕風(fēng)險內(nèi)涵可分為狹義和廣義兩種，狹義的崩崗侵蝕風(fēng)險僅指某一特定區(qū)域某一時段發(fā)生崩崗侵蝕的概率，簡單說就是崩崗侵蝕發(fā)生的風(fēng)險；而廣義的崩崗侵蝕風(fēng)險指某一特定區(qū)域某一時段發(fā)生崩崗侵蝕及造成危害的可能性，包括發(fā)生風(fēng)險和危害風(fēng)險。綜合崩崗侵蝕研究現(xiàn)狀及數(shù)據(jù)獲取難易程度，本研究所指崩崗侵蝕風(fēng)險側(cè)重于發(fā)生風(fēng)險，適當(dāng)兼顧危害風(fēng)險。

2　崩崗侵蝕風(fēng)險評估原理

風(fēng)險評估是指通過客觀地認識到事物(或系統(tǒng))存在的風(fēng)險因素，評估這些因素導(dǎo)致的危險程度大小的過程，為采取合適的措施降低風(fēng)險概率提供科學(xué)依據(jù)[38]。根據(jù)崩崗侵蝕風(fēng)險內(nèi)涵，崩崗侵蝕風(fēng)險度量表示為：

Pi=Pf,i+Pf,i·Wi

(1)

式中：Pi——某個柵格崩崗侵蝕風(fēng)險值；Pf,i——某個柵格發(fā)生崩崗的概率；Wi——某個柵格崩崗侵蝕可能造成的危害風(fēng)險權(quán)重。

參考目前國內(nèi)外風(fēng)險評估方法[39-44]，Pf,i擬采用Logistic 模型，Logistic模型是一種對二分類因變量(因變量取值有1或0兩種可能)進行回歸分析時經(jīng)常采用的非線性分類統(tǒng)計方法[45]，該模型能對二值響應(yīng)的因變量和分類自變量進行回歸建模，根據(jù)建立的模式可對未知的每個柵格崩崗侵蝕可能發(fā)生的概率進行預(yù)測，進而依據(jù)發(fā)生概率大小進行風(fēng)險評價，計算公式為：

(2)

式中：Pf,i——每個柵格出現(xiàn)崩崗侵蝕的概率(Pf,i在0～1之間)，即出現(xiàn)崩崗侵蝕的地方為1，不出現(xiàn)崩崗侵蝕的地方為0； x1,i，x2,i，…，xn,i——崩崗侵蝕發(fā)生的n個影響因子； α——常數(shù)項； bi——Logistic的偏回歸系數(shù)。

Wi擬采用專家打分法，對某個柵格崩崗侵蝕可能對周邊不同土地利用類型造成的危害風(fēng)險賦予權(quán)重，界定0～1之間，總權(quán)重不大于1。計算公式為：

(3)

式中：Wi——某個柵格崩崗侵蝕可能造成的危害風(fēng)險權(quán)重(0～1之間，總權(quán)重不大于1)；Sj——某個柵格中某種土地利用類型的面積比重；j——土地利用類型編號。

3　崩崗侵蝕風(fēng)險評估程序

參考現(xiàn)有的生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險評估流程[39-44]，同時結(jié)合崩崗侵蝕自身的特點，崩崗侵蝕風(fēng)險評估可分為以下4個過程： (1) 問題提出。明確存在的問題、風(fēng)險評估目標、評估范圍等； (2) 風(fēng)險分析。包括風(fēng)險源識別，篩選風(fēng)險評估指標； (3) 風(fēng)險表征。即風(fēng)險評估，包括計算風(fēng)險值，風(fēng)險分級及區(qū)劃，描述風(fēng)險特征； (4) 風(fēng)險管理。針對風(fēng)險評估結(jié)果，提出降低風(fēng)險對策。其評估程序如圖1所示。

圖1　崩崗侵蝕風(fēng)險評價框架圖

3.1問題提出

崩崗侵蝕我國南方水土流失的一種特殊類型，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展造成嚴重威脅，急需開展防治工作。通過開展崩崗侵蝕風(fēng)險評估，為國家實施崩崗防治提供決策依據(jù)。評估范圍為南方崩崗區(qū)，即《南方崩崗防治規(guī)劃(2008—2020年)》所涉及的規(guī)劃范圍，涉及湖北、湖南、江西、安徽、福建、廣東、廣西等7省(自治區(qū))，土地總面積4.84×105km2。

3.2風(fēng)險分析

針對崩崗侵蝕，風(fēng)險源識別即為崩崗侵蝕發(fā)生的影響因子。史德明[4]將崩崗歸為水蝕范圍，張淑光等[5]認為應(yīng)該屬重力侵蝕范疇。更多學(xué)者認為崩崗既有重力侵蝕，又有水蝕，兩者缺一不可[12]。在崩崗侵蝕過程中，大量碎屑物質(zhì)隨重力作用或徑流作用發(fā)生高強度的遷移、重定位或由于后續(xù)外營力作用再遷移。目前，研究崩崗侵蝕機理大多從影響崩崗發(fā)育的因素著手。丘世均認為影響崩崗發(fā)育的因子很多，各因子所起的作用及相互之問的關(guān)系也非常復(fù)雜[7]。牛德奎[12]提出崩崗的發(fā)生發(fā)展是諸如土壤、地質(zhì)、植被、水文、人類活動等多種因素影響的結(jié)果，尤其是土壤、地質(zhì)因素做起的作用更大。其后有更多學(xué)者先后總結(jié)出巖性、地形地貌、氣候、植被、人為活動等因素與崩崗的形成和發(fā)展均密切相關(guān)[6-19]。劉瑞華等[46]在前人大量研究的基礎(chǔ)上，總結(jié)出了崩崗形成的3個基本條件：① 具有深厚的風(fēng)化殼。風(fēng)化殼一般石英砂粒含量高，結(jié)構(gòu)松散，孔隙度大，有機質(zhì)含量甚微，滲透力強，降雨時土壤水分極易達到飽和，抗剪強度迅速減小。因此在地表徑流和重力作用下，土體極易崩塌形成崩崗[47]。南方地區(qū)高溫多雨，而且受季節(jié)性氣候和晝夜溫差的影響，使巖體產(chǎn)生熱脹冷縮作用。隨著風(fēng)化深度增大，風(fēng)化結(jié)構(gòu)疏松，難以抵抗暴雨暴流的侵蝕[46]。② 豐富的降水為崩崗侵蝕發(fā)育提供了源動力。自然降水是崩崗?fù)寥浪值淖钪饕膩碓?，南方崩崗區(qū)處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，該區(qū)降水充沛，且多以大雨、暴雨的形式出現(xiàn)。雨量多、強度大、降雨集中，產(chǎn)生了強大的降雨侵蝕動力，有利于促進巖體本身機械崩解[47]。而且相對于降雨強度，降雨量對于崩崗的侵蝕量的影響要更大。另外，松散的母質(zhì)層中地下水運動，會帶走許多土壤細顆粒，進而使得母質(zhì)層變得進一步疏松。③ 植被及有機質(zhì)層次遭到破壞。植被對防止土壤侵蝕和崩崗發(fā)育起著重要的作用，幾乎任何條件下，都有緩和流水侵蝕和風(fēng)蝕的作用。侵蝕地貌的發(fā)育與植被條件的好壞是密切相關(guān)的[46]。《南方崩崗防治規(guī)劃(2008—2020年)》中，認為第4個條件必須有氣溫條件，促進巖體本身機械崩解，降低抗蝕力、減少土體內(nèi)聚力創(chuàng)造了必要的前提。自然因素，主要涵蓋土壤、地質(zhì)、地形、氣候、植被等；人為因素，包括濫砍亂伐、開礦采礦、陡坡開荒、過度放牧、辟山建房、開山修路等。自然因素是崩崗發(fā)生、發(fā)展的潛在條件和外部因素，人類活動也是加劇崩崗發(fā)生與發(fā)展的重要原因。人類活動對崩崗的發(fā)育起到誘發(fā)和促進作用，是崩崗形成的重要因素。近現(xiàn)代人類對土地資源的不合理開發(fā)、掠奪性開礦、水庫選址不當(dāng)、基建圍墾取土不當(dāng)?shù)榷技铀倭吮缻徢治g的發(fā)展[1]。

根據(jù)以上崩崗侵蝕機理及影響因子研究成果，崩崗侵蝕風(fēng)險源可以確定為地質(zhì)、土壤(母質(zhì))、地形、植被、氣候、人為活動等。風(fēng)險受體可以確定為耕地、房屋、交通道路、水域等。因此，崩崗侵蝕風(fēng)險評估指標體系詳見表1。

崩崗侵蝕風(fēng)險評估指標體系分為3層，第1層指標包括發(fā)生風(fēng)險和危害風(fēng)險2個方面。第2層指標為專題指標，即為第一層指標的風(fēng)險分解指標。發(fā)生風(fēng)險根據(jù)影響因子分解為地質(zhì)、土壤(母質(zhì))、地形、植被、氣候等5類專題，危害風(fēng)險根據(jù)土地利用類型分解為耕地、房屋、交通道路、水域等4類專題。第3層指標為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)指標，即為第2層指標的風(fēng)險表征指標。發(fā)生風(fēng)險地質(zhì)專題表征指標包括斷裂、巖土類型及性質(zhì)、巖土體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)、巖土體力學(xué)參數(shù)、巖體風(fēng)化強度與風(fēng)化深度、新構(gòu)造運動特征、地層巖性組合、水文地質(zhì)條件等，土壤(母質(zhì))專題表征指標包括土壤(母質(zhì))類型、土層(母質(zhì))厚度、顆粒組成、滲透性、孔隙度、土力學(xué)參數(shù)等，地形專題表征指標包括地形起伏度、坡度、坡向、高程等，植被專題表征指標包括植被覆蓋度、植被類型、NDVI等，氣候?qū)ｎ}表征指標包括年平均降雨量、年平均氣溫等，人為活動專題表征指標包括開挖取土、削坡攔擋等防護措施。危害風(fēng)險表征指標為面積比重。

表1　崩崗侵蝕風(fēng)險評估指標體系

3.3風(fēng)險表征

首先在南方崩崗區(qū)選取若干個崩崗侵蝕評價單元(如縣域單元)，根據(jù)擬定的風(fēng)險評估指標，收集獲取相關(guān)數(shù)據(jù)和專題圖件，通過擬定的評估方法，建立評估指標與崩崗發(fā)生(0或1)的Logistic模型。根據(jù)Logistic 模型，收集獲取南方崩崗區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)和專題圖件，計算風(fēng)險值，生成崩崗侵蝕風(fēng)險分布圖，采用隨機抽樣方法，對風(fēng)險分布圖進行驗證。達到精度要求后，采用聚類分析法，對崩崗侵蝕風(fēng)險進行分級，并對不同風(fēng)險等級崩崗侵蝕描述具體的風(fēng)險特征。

3.4風(fēng)險管理

根據(jù)崩崗風(fēng)險評估結(jié)果，針對不同等級風(fēng)險崩崗侵蝕提出相應(yīng)的降低風(fēng)險的對策。主要包括管理措施和技術(shù)措施。管理措施涉及行政管理、規(guī)章制度、宣傳教育等，而技術(shù)措施包括崩崗發(fā)育環(huán)境背景整治理技術(shù)，崩崗不同部位治理關(guān)鍵技術(shù)，崩崗治理模式等。

4　結(jié) 論

本研究參考現(xiàn)有的生態(tài)、環(huán)境、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險評估成果，提出了南方崩崗侵蝕風(fēng)險評估構(gòu)想，包括界定了崩崗侵蝕風(fēng)險內(nèi)涵，擬定了崩崗侵蝕風(fēng)險評估方法，構(gòu)建了崩崗侵蝕風(fēng)險評估指標體系，及提出了崩崗侵蝕風(fēng)險評估程序，以期能達到拋磚引玉之效果。筆者也將在后續(xù)工作中，通過在南方崩崗區(qū)選取若干典型縣作為評價單位，進行探索應(yīng)用，以提出更加完善、具有可操作的崩崗侵蝕風(fēng)險評估方法、指標體系及評估程序。

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Conception of Risk Assessment of Collapse Gully Erosion in South China

CHENG Dongbing, ZHANG Pingcang

(InstituteofSoilandWaterConservation,ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan，Hubei430010,China)

[Objective] Through exploring the framework of collapsed gully erosion risk assessment, to provide a scientific basis for prevention planning and staging control of collapse gully erosion in the South China. [Methods] The concept and methods of risk assessment, in combination with the research progress on the developing process of collapsed gully erosion were reviewed. Methods of risk assessment process was put forward with reference to the assessments of risk-liable ecological environment and geological disaster. [Results] Results in this paper included defining the connotation of risk of collapsed gully erosion, proposing the risk assessment method of collapsed gully erosion, establishing the risk assessment index system of collapsed gully erosion, and putting forward the risk assessment procedures of collapsed gully erosion. [Conclusion] Risk assessment provided a new idea and method for the study on collapse gully erosion and soil erosion.

collapse gully erosion; risk assessment; assessment index; the South China

2015-08-13

2015-09-06

水利部公益性行業(yè)科研專項“崩崗侵蝕風(fēng)險評估及分類防控關(guān)鍵技術(shù)研究”(201501047)

程冬兵(1979—),男(漢族),江西省樂平人市，博士,高級工程師,主要從事水土保持、土壤水動力學(xué)研究。E-mail:xiao2005zhu@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0346-05

S157.1