橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的動態(tài)危險性評價*

徐瑞池，李秀珍，胡凱衡，聶銀瓶

(1. 中國科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

橫斷山區(qū)地處我國西南的藏東、川西和滇西北一帶，在行政區(qū)域上包括西藏自治區(qū)的昌都，四川省的阿壩、甘孜、涼山、攀枝花及云南省的麗江、迪慶、怒江和大理地 (州) 區(qū)[1]。該區(qū)地域遼闊，地形地貌、水文、氣象等自然環(huán)境條件十分復(fù)雜，是我國崩塌、滑坡、泥石流等山地災(zāi)害頻發(fā)且危害最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。國內(nèi)學(xué)者對橫斷山區(qū)山地災(zāi)害已開展了許多相關(guān)研究。蘭恒星等[2]基于統(tǒng)計分析模型對橫斷山區(qū)小江流域內(nèi)影響滑坡災(zāi)害形成的關(guān)鍵因子進(jìn)行了深入分析；黃靖[3]、白永健[4]、陶媛[5]和曹楠[6]對橫斷山區(qū)內(nèi)山地災(zāi)害的空間分布特征進(jìn)行了深入探討；李秀珍等[7]在橫斷山區(qū)安寧河流域進(jìn)行了以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為單元的小區(qū)域泥石流危險性評價。目前該區(qū)域山地災(zāi)害的危險性評價大多以靜態(tài)評價結(jié)果為主，實際上由于降雨、地震等促進(jìn)、加速山地災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素是動態(tài)變化的，山地災(zāi)害的危險性也會隨之發(fā)生動態(tài)變化?？茖W(xué)評估山地災(zāi)害的動態(tài)危險性，對準(zhǔn)確地預(yù)測和精準(zhǔn)規(guī)避山地災(zāi)害具有重要的意義。部分學(xué)者在動態(tài)評價中也做了相關(guān)研究。如胡凱衡等[8]初步建立了考慮地震和降雨影響的災(zāi)害易發(fā)性動態(tài)評估方法和模型，并對橫斷山區(qū)泥石流災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性評估；徐興華等[9]采用模糊數(shù)學(xué)理論和構(gòu)建預(yù)警關(guān)系矩陣，進(jìn)行降雨誘發(fā)突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的動態(tài)危險性評價；戴悅等[10]用信息量模型考慮降雨，蓄水水位變化和植被的動態(tài)影響，對三峽庫區(qū)滑坡危險性進(jìn)行了動態(tài)預(yù)測；張永雙等[11]將年最大72 h雨量作為主要觸發(fā)災(zāi)害的動態(tài)因子，對龍門山地區(qū)泥石流災(zāi)害進(jìn)行了動態(tài)危險性預(yù)測評價。

目前對于橫斷山區(qū)山地災(zāi)害方面的研究主要是山地災(zāi)害分布規(guī)律和小流域的靜態(tài)危險性評價，對于整個橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的動態(tài)危險性評價研究較少。在變化環(huán)境下對大區(qū)域進(jìn)行山地災(zāi)害的動態(tài)危險性研究，則能更科學(xué)地把握災(zāi)害的時空分布規(guī)律并分析危險性的動態(tài)變化，從而為防災(zāi)減災(zāi)工作提供更準(zhǔn)確更科學(xué)的依據(jù)。本文以橫斷山區(qū)為研究區(qū)域，在分析靜態(tài)因子影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合動態(tài)降雨因子對山地災(zāi)害進(jìn)行動態(tài)危險性評價，以期豐富山地災(zāi)害的動態(tài)評價研究，并為橫斷山區(qū)發(fā)展規(guī)劃以及山地災(zāi)害防控防治管理對策提供科學(xué)依據(jù)。

1 橫斷山區(qū)自然環(huán)境條件及山地災(zāi)害基本概況

橫斷山區(qū)位于中國青藏高原東部、四川盆地西部和云貴高原西北部，是中國地勢第一、第二階梯的過渡地帶[12]。區(qū)內(nèi)山間盆地、湖泊眾多，古冰川侵蝕與堆積地貌廣布，且因現(xiàn)代冰川作用發(fā)育、重力地貌作用，崩塌、滑坡和泥石流等山地災(zāi)害屢見[13]。橫斷山區(qū)發(fā)育一系列南北走向的平行山脈和河流，具有突出的縱向嶺谷地貌，且河谷地貌明顯受地質(zhì)構(gòu)造控制。該區(qū)在地勢上西北高東南低，具有山高谷深、相對高差大的地勢特征，區(qū)內(nèi)最高海拔為7 447 m，最低僅為290 m。

本區(qū)處于亞歐板塊、印度板塊和太平洋板塊之間，受三大板塊碰撞擠壓的影響，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運動和地震活動強(qiáng)烈，復(fù)雜的深大斷裂帶極為發(fā)育，主要呈南北分布，如金沙江斷裂帶，龍門山斷裂帶、鮮水河斷裂帶、安寧河斷裂帶和小江斷裂帶等(圖1)。受深大斷裂帶下切作用，區(qū)內(nèi)發(fā)育了眾多大江大河，主要為金沙江、瀾滄江、怒江、大渡河、雅礱江和岷江六大水系。橫斷山區(qū)地層巖性由下元古界至三疊系，以碎屑巖、碳酸鹽巖等海相沉積為主，侏羅白堊系開始以礫巖和泥巖等陸相沉積，第三系至第四系為零星之山間盆地堆積，其中第四紀(jì)沉積發(fā)育廣泛，不論在山間盆地或山前地帶，都可見到不同成因的河湖相、湖沼相、洪積相、坡積相等沉積物的出露[14]。根據(jù)巖體的工程地質(zhì)特性，可將研究區(qū)巖體分為硬巖、中軟硬巖、中硬軟巖、軟巖和松散巖組五個類型(圖2)。

圖1 斷裂帶分布圖

圖2 巖組分布圖

橫斷山區(qū)全年受東南季風(fēng)、西南季風(fēng)和南支西風(fēng)急流組成的冬夏季風(fēng)環(huán)流所控制，降水量在區(qū)域上和時間上有明顯的差異[1]，據(jù)1961-2012年氣象站降雨數(shù)據(jù)，橫斷山區(qū)年平均降雨量高達(dá)1 137mm,降雨主要集中在南部和東北部地區(qū)和每年的5-10月，占全年 90% 以上，且多為大雨、暴雨和夜雨。

橫斷山區(qū)山地災(zāi)害數(shù)量多、分布廣，主要分布于橫斷山區(qū)南部和東北部，根據(jù)實地調(diào)查及全國地質(zhì)災(zāi)害通報等相關(guān)資料粗略統(tǒng)計，自2006-2015年以來，橫斷山區(qū)共發(fā)育大型、特大型山地災(zāi)害約980處(圖3)，并呈現(xiàn)出逐年增多的趨勢[15]。災(zāi)害主要由降雨、地震、人類工程活動等因素誘發(fā)，據(jù)不完全統(tǒng)計由降雨觸發(fā)的山地災(zāi)害占到80%左右。山地災(zāi)害一旦發(fā)生，往往會造成重大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，如2010年8月18日，云南省貢山縣普拉底鄉(xiāng)東月谷河谷因局部強(qiáng)降雨誘發(fā)特大泥石流災(zāi)害，造成37人死亡、55人失蹤、39人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1.4億元。

綜上，橫斷山區(qū)多樣的地貌類型、復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造、發(fā)育的河流水系和集中降雨等自然環(huán)境條件，對山地災(zāi)害的形成和發(fā)生都十分有利，導(dǎo)致該區(qū)山地災(zāi)害發(fā)生頻繁、危害嚴(yán)重，應(yīng)當(dāng)引起人們高度重視。

圖3 橫斷山區(qū)山地災(zāi)害分布圖

2 山地災(zāi)害動態(tài)危險性評價

區(qū)域災(zāi)害的危險性評價目前已有多種方法，但其大部分是靜態(tài)評價而忽視動態(tài)因素的變化性。本研究的評價方法主要依據(jù)災(zāi)害發(fā)生的條件相似假設(shè)和概率統(tǒng)計學(xué)理論，選取坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、斷裂帶密度和河網(wǎng)密度作為該區(qū)域山地災(zāi)害靜態(tài)危險性的評價因子，采用頻率比法計算橫斷山區(qū)山地災(zāi)害靜態(tài)危險度。然后將靜態(tài)危險度、降雨因子和災(zāi)害點密度進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，定量對靜態(tài)危險度和動態(tài)降雨因子進(jìn)行權(quán)重賦值。最后采用因子疊加法加權(quán)疊加靜態(tài)危險度和動態(tài)降雨因子，實現(xiàn)變化降雨條件下山地災(zāi)害的動態(tài)危險性評價。

2.1 靜態(tài)危險性評價

山地災(zāi)害的靜態(tài)危險性評價一般選取研究區(qū)內(nèi)相對長期不變或緩變的本底因子進(jìn)行靜態(tài)影響分析。采用GIS空間分析與數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合的方法分析該區(qū)山地災(zāi)害與地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等環(huán)境背景因子之間的相關(guān)關(guān)系[15]，并最終選取坡度、坡向、曲率、相對高差、巖性、斷裂帶密度和河網(wǎng)密度作為該區(qū)域山地災(zāi)害靜態(tài)危險性的評價因子。

表1 因子頻率比

基于前期災(zāi)害調(diào)查工作，將已采集到的980個山地災(zāi)害數(shù)據(jù)作為樣本，采用頻率比法評價橫斷山區(qū)在空間上的山地災(zāi)害靜態(tài)危險性。頻率比法是一種定量的概率統(tǒng)計分析方法，其主要指數(shù)頻率比通過對所提取的災(zāi)害點信息和與災(zāi)害相關(guān)的影響因子之間的關(guān)系運用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計算求得。相較于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、物理模型和?shù)值模擬，頻率比法簡單直觀且意義明確[16]，避免了權(quán)重賦值的主觀性、克服了對詳細(xì)地質(zhì)物理數(shù)據(jù)的需求和模擬參數(shù)難設(shè)定等問題，適用于區(qū)域尺度比較大的地質(zhì)災(zāi)害危險性定量評價的工作。

頻率比法首先根據(jù)一定規(guī)則將因子X劃分為i種類型或i種等級[16-17]，每類因子的頻率比FRi定義為：

(1)

式中:P(HiXi)表示Hi(災(zāi)害)中Xi的頻率，P(Xi)表示研究區(qū)中Xi的頻率，NP(Hi)表示因子Xi中Hi的個數(shù)或面積，∑iNP(Hi)表示Hi的總個數(shù)或總面積，NP(Xi)表示Ni的總面積，∑iNP(Xi)表示研究區(qū)的總面積。對于特定災(zāi)種Hi，P(Xi)由地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，為定值。因此，F(xiàn)Ri實際上與Xi發(fā)生時，Hi發(fā)生的條件概率等效。因子Xi的條件概率P(Hi│Xi)越大，則說明在第i類型或第i分級的區(qū)域災(zāi)害Hi發(fā)生的概率就越大。如果FRi>1，說明P(Hi│Xi)>P(Hi)，也即Xi有利于災(zāi)害Hi的發(fā)生，反之不利于災(zāi)害Hi的發(fā)生。

對于整個研究區(qū)的特定空間位置的危險性，需要考慮不同災(zāi)害影響因子X。首先計算各個因子分級后頻率比，然后對于第j個影響因子，將分級后因子的FRi分別賦值給相應(yīng)的位置定為FRi(j)，最后將特定空間位置的不同因子的頻率比相加，得到該空間位置災(zāi)害的危險性h：

(2)

圖4 橫斷山區(qū)山地災(zāi)害危險性靜態(tài)評價因子圖

由于本次災(zāi)害危險性評價研究區(qū)范圍大、比例尺小，災(zāi)害數(shù)據(jù)集只有災(zāi)害點數(shù)據(jù)，沒有災(zāi)害覆蓋范圍的面積數(shù)據(jù)，因此在這種情況下，頻率比的計算使用災(zāi)害數(shù)量代替面積。計算的頻率比結(jié)果如表1所示。

根據(jù)表1和公式(2)算出基于以下7個本底因子(圖4)的靜態(tài)危險度值，得到橫斷山區(qū)的靜態(tài)危險性評估圖(圖5)。

圖5 橫斷山區(qū)山地災(zāi)害危險性靜態(tài)評估結(jié)果

在未考慮降雨因子的情況下，橫斷山區(qū)的靜態(tài)高危險區(qū)總體沿斷裂帶及河流分布，主要分布在川藏交界的三江并流區(qū)域、四川的龍門山地區(qū)、四川南部的安寧河流域、川滇交界的小江流域和云南西北部的瀾滄江、紅河斷裂帶等區(qū)域。

2.2 動態(tài)危險性評價

區(qū)域災(zāi)害的動態(tài)危險性是由靜態(tài)因素和動態(tài)因素共同作用的。橫斷山區(qū)山地災(zāi)害大部分由大雨或暴雨激發(fā)，本文重點考慮降雨因子對山地災(zāi)害危險性動態(tài)變化的影響，選取降雨因子作為動態(tài)因素進(jìn)行評價。為實現(xiàn)動態(tài)危險性評價，將靜態(tài)危險度和降雨因子有效疊加，采用因子疊加法計算動態(tài)危險性：

H=wh×h+wr×R。

(3)

式中：H為災(zāi)害逐年的危險性；h和R為歸一化的靜態(tài)危險性和降雨因子；wh和wr為靜態(tài)危險性和降雨因子的權(quán)重。

研究中搜集了橫斷山區(qū)的TRMM衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)(1998-2015年)和98個氣象站點的降雨數(shù)據(jù)(1951-2016年)。根據(jù)氣象站衛(wèi)星降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計了橫斷山區(qū)不同空間部位的強(qiáng)降雨次數(shù)，即一年中24 h降雨量大于25 mm的次數(shù)。氣象站點的年降雨量數(shù)據(jù)是基于GIS平臺采用反距離插值法獲取研究區(qū)降雨量的空間分布柵格數(shù)據(jù)。

采用灰色關(guān)聯(lián)度分析法，以研究區(qū)災(zāi)害數(shù)量的點密度為參考數(shù)列，將強(qiáng)降雨次數(shù)、TRMM年降雨量、氣象站點的年降雨量數(shù)據(jù)作為比較數(shù)列，取分辨系數(shù)ρ=0.5[18]，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，分別計算出災(zāi)害數(shù)量的點密度與強(qiáng)降雨次數(shù)、TRMM年降雨量、氣象站年降雨量之間的灰色關(guān)聯(lián)度分別為r1=0.926、r2=0.923、r3=0.919，對于三個降雨因子：r1>r2>r3，說明災(zāi)害數(shù)量的點密度與強(qiáng)降雨次數(shù)之間的相關(guān)性更大，利用強(qiáng)降雨次數(shù)能相對更好地表征降雨因子與山地災(zāi)害之間的關(guān)系。然后再次采用灰色關(guān)聯(lián)度法,以研究區(qū)山地災(zāi)害的點密度為對比序列，以山地災(zāi)害靜態(tài)危險度和強(qiáng)降雨次數(shù)為比較序列，計算得到靜態(tài)危險性和動態(tài)降雨因子對山地災(zāi)害動態(tài)危險性的影響權(quán)重各為0.50。

3 評價結(jié)果及驗證

綜合橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的靜態(tài)危險性、降雨因子及其權(quán)重的計算結(jié)果，用公式(3)計算2000年、2005年、2010年和2015年橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的危險性，并將危險性按照自然斷點法劃分為極高、高、中和低四個等級。強(qiáng)降雨次數(shù)分布和危險性區(qū)劃見圖6和圖7。

從以上四年的危險性分區(qū)圖可以得出：高和極高危險區(qū)主要分布在橫斷山區(qū)強(qiáng)降雨次數(shù)較多的南部及東北部，危險性呈現(xiàn)出西北低東南高的整體態(tài)勢。由于每年降雨差異，各年災(zāi)害危險性在空間分布上有明顯的不同，如2010年強(qiáng)降雨次數(shù)最高，較高次數(shù)主要分布在研究區(qū)西南及東南方向，受此影響，從危險性分區(qū)圖可以明顯看出危險性也主要分布于研究區(qū)西南和東南部，而2015年的強(qiáng)降雨次數(shù)則主要分布在研究區(qū)東南部，該年的極高和高危險區(qū)也主要分布在東南方向。從四年的分區(qū)結(jié)果來看，山地災(zāi)害的危險性主要隨著強(qiáng)降雨次數(shù)分布的變化而變化，體現(xiàn)出動態(tài)變化過程。

圖6 橫斷山區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年強(qiáng)降雨次數(shù)分區(qū)圖

圖7 橫斷山區(qū)2000年、2005年、2010年和2015年山地災(zāi)害危險性分區(qū)圖

圖8 橫斷山區(qū)2010年和 2015年危險性分區(qū)和災(zāi)害分布圖

年份高、極高危險區(qū)山地災(zāi)害個數(shù)山地災(zāi)害總個數(shù)災(zāi)害占比/%高、極高危險區(qū)面積/萬km2面積占比/%2010518659.3018.897242.20201511315572.9021.406747.81

由于所搜集到的災(zāi)害數(shù)據(jù)的不完備，4年中僅有2010年和2015年的山地災(zāi)害數(shù)據(jù)。為檢驗本文方法結(jié)果的合理性，選取2010年和2015年的危險性區(qū)劃圖進(jìn)行驗證，將調(diào)查收集到的2010年和2015年災(zāi)害事件分別和對應(yīng)年份的危險分區(qū)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)：兩年的危險性區(qū)劃有明顯差異，2010年災(zāi)害主要發(fā)生在滇西北的瀾滄江流域、四川南部的安寧河流域、川滇藏交界的金沙江流域和四川龍門山等區(qū)域附近；2015年災(zāi)害主要發(fā)生在云南西北部的紅河斷裂帶和小金河-麗江斷裂帶、四川南部的安寧河流域、川滇交界的小江流域和四川龍門山等區(qū)域附近，兩年災(zāi)害實際分布和分區(qū)結(jié)果基本吻合(圖8)。提取災(zāi)害的動態(tài)危險度值進(jìn)行定量驗證分析，如(表2)，從災(zāi)害數(shù)量和區(qū)劃結(jié)果面積的變化趨勢來看，2015年山地災(zāi)害發(fā)育的數(shù)量明顯較2010年多，2015年處于山地災(zāi)害高、極高危險區(qū)的面積也相應(yīng)越大。

4 結(jié)論及討論

山地災(zāi)害的動態(tài)危險性是由靜態(tài)因素和動態(tài)因素共同作用的。本文基于ArcGIS平臺，將山地災(zāi)害的危險性分為靜態(tài)和動態(tài)兩個層次，重點考慮動態(tài)降雨變化的影響，分別計算了橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的靜態(tài)危險性和2000年、2005年、2010年和2015年逐年的動態(tài)危險性，繼而獲得橫斷山區(qū)山地災(zāi)害的動態(tài)危險性區(qū)劃圖。

在對TRMM降雨量、強(qiáng)降雨次數(shù)和氣象站年降雨量三類動態(tài)降雨因子進(jìn)行分析的過程中，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)降雨次數(shù)對山地災(zāi)害的危險性影響較大，用該因子得出的動態(tài)危險性結(jié)果顯示各年高和極高危險區(qū)主要分布于橫斷山區(qū)南部及東北部，與實際山地災(zāi)害分布情況基本一致。在山地災(zāi)害的危險性評價中，強(qiáng)降雨次數(shù)能相對更好地表征降雨對與山地災(zāi)害影響。橫斷山區(qū)山地災(zāi)害受強(qiáng)降雨次數(shù)的分布變化的影響，各年危險性在空間分布上具有比較明顯的差異，體現(xiàn)出動態(tài)變化過程。根據(jù)已有的2010年和2015年災(zāi)害數(shù)據(jù)，兩年的山地災(zāi)害分布實際與動態(tài)危險性分區(qū)結(jié)果吻合較好。

由于現(xiàn)階段針對橫斷山區(qū)的山地災(zāi)害統(tǒng)計數(shù)據(jù)還不完善，許多實際發(fā)生的災(zāi)害事件并未被統(tǒng)計，以及降雨氣象數(shù)據(jù)等其他數(shù)據(jù)在處理過程中存在誤差等問題，可能會導(dǎo)致評價結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差及在驗證等方面存在一定的局限性；此外，本研究在動態(tài)因子中僅考慮降雨因素，未考慮植被、地震和人類工程活動等相對復(fù)雜的動態(tài)因子對山地災(zāi)害的影響，如何綜合確定這些因素對山地災(zāi)害的定量影響關(guān)系，還需要在今后的研究工作中進(jìn)一步深入分析和探討。

致謝：感謝國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)“典型山地水土要素時空耦合特征、效應(yīng)及其調(diào)控”項目組戴爾阜研究員、熊東紅研究員和劉斌濤博士在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集方面提供的幫助和支持。