強降水條件下喀斯特地貌地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃研究

黃天福 吳安坤 陳昌文 劉鵬

摘要? ? 選取六盤水市暴雨日數(shù)比例、地災(zāi)隱患指數(shù)、年均暴雨量、年均暴雨日數(shù)、年均降雨量、坡度6個指標(biāo)作為暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險的評價因子，采用投影尋蹤聚類模型對評價指標(biāo)進行客觀賦值，采用自然斷點分級法將暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃劃分為低風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)五級。結(jié)果表明，高風(fēng)險區(qū)大致分布在3個區(qū)域，東北部六枝的中寨、隴腳、折溪、箐口、新窯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南部的瑪依及西部的松河、斷江、盤江、柏果、灑基等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

關(guān)鍵詞? ? 暴雨;地質(zhì)災(zāi)害;投影尋蹤聚類模型;風(fēng)險區(qū)劃

中圖分類號? ? P694? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼? ? A

文章編號? ?1007-5739（2020）14-0162-03

Abstract? ? In this paper， six indexes were selected as the evaluation factors of geological disaster risk induced by rainstorm， including the ratio of rainstorm days， the index of geological disaster potential， the annual average rainstorm， the annual average rainstorm days， the annual rainfall average and the gradient. The projection pursuit clustering model was used to evaluate the evaluation indexes objectively， and the natural breakpoint classification method was used to divide the risk division of geological disaster induced by rainstorm into low-risk areas， sub low-risk areas risk area， medium risk area， sub high risk area and high risk area. The results showed that the high-risk areas were generally distributed in three areas： Zhongzhai， Longjiao， Zhexi， Qingkou， Xinyao and other towns in the northeast of Liuzhi， Mayi in the south and Songhe， Duanjiang， Panjiang， Baiguo， Saji and other towns in the west.

Key words? ? rainstorm; geological disaster; projection pursuit clustering model; risk zoning

國內(nèi)外學(xué)者都十分關(guān)注地質(zhì)災(zāi)害并進行了大量研究工作。許多研究認為，大多數(shù)滑坡是由于短期強降雨引起的，滑坡事件和暴雨峰值幾乎同時發(fā)生[1]。肖漢忠[2]分析了降雨對滑坡、泥石流發(fā)育的基本影響，認為前期降雨是滑坡和泥石流發(fā)展的充分條件，前期降雨量和降雨強度是滑坡及泥石流預(yù)報的主要預(yù)警指標(biāo)，降雨強度是形成泥石流的必要條件，是泥石流預(yù)報預(yù)警的關(guān)鍵參數(shù)。薛建軍等[3]基于國家地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警區(qū)的劃分以及歷史地質(zhì)災(zāi)害記錄和氣象數(shù)據(jù)，建立了全國范圍的區(qū)域氣象潛勢預(yù)測模型。國內(nèi)外關(guān)于暴雨與地質(zhì)之間關(guān)系的研究很多，但針對貴州特殊的喀斯特地貌因暴雨誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害研究少之甚少，特別是關(guān)于六盤水市這類特殊的工業(yè)城市暴雨與地質(zhì)災(zāi)害關(guān)系的研究基本沒有。

六盤水市位于貴州省的西部，全市總面積9 914 km2，總?cè)丝诮?00萬人，由于特殊的喀斯特地貌，地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，工程建設(shè)和礦產(chǎn)資源開采破壞了自然結(jié)構(gòu)。因此，研究喀斯背景下暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃很有必要，氣象監(jiān)測和預(yù)警可以為地質(zhì)災(zāi)害的防御提供理論依據(jù)。

1? ? 資料與方法

1.1? ? 區(qū)域概況

六盤水位于貴州省西部、云貴高原一、二級臺地斜坡上，地勢西高西低，北高南低。一般地區(qū)海拔在1 400～1 900 m。最高點在鐘山區(qū)大灣鎮(zhèn)，海拔2 845.7 m;最低點在六枝特區(qū)毛口鄉(xiāng)北盤江河谷，海拔586 m，相對高差2 259.7 m。地貌景觀以山地、丘陵為主，也有盆地、山原、高原、臺地等地貌類型。年降水量為1 200～1 500 mm。

1.2? ? 數(shù)據(jù)來源

2011—2019年六盤水市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)兩要素氣象觀測資料;六盤水市地質(zhì)災(zāi)害隱患點資料，來源于六盤水市國土資源局40年地質(zhì)災(zāi)害資料;DEM數(shù)據(jù)，來源于美國地質(zhì)調(diào)查局EROS數(shù)據(jù)中心的GTOP30數(shù)據(jù)集，分辨率達30 m;六盤水市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（含區(qū)縣邊界、水系分布等）以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)行政區(qū)域圖。

1.3? ? 分析方法

1.3.1? ? 風(fēng)險因子的確定及網(wǎng)格化。選取暴雨日數(shù)比例、地災(zāi)隱患指數(shù)、年均暴雨量、年均暴雨日數(shù)、年均降雨量、坡度作為風(fēng)險評價因子，由于篩選獲得的每個指標(biāo)因子數(shù)據(jù)格式和維數(shù)不同，因而無法直接進行分析和計算。在此基礎(chǔ)上，基于GIS平臺，對因子進行網(wǎng)格化處理，生成0.005°×0.005°柵格數(shù)據(jù)。風(fēng)險因素的網(wǎng)格處理在統(tǒng)一分析和計算的同時提高了分析的準(zhǔn)確性，并彌補了市縣級行政區(qū)域規(guī)模空間單元尺度大、分辨率低的缺陷。

1.3.2? ? 權(quán)重系數(shù)的確定。確定指標(biāo)權(quán)重旨在確定風(fēng)險結(jié)果與評價指標(biāo)之間的數(shù)值換算關(guān)系，是定量化分析多指標(biāo)多因素風(fēng)險評價的必要途徑。投影尋蹤是由Friedman等學(xué)者提出的基于探索性和確定性分析的聚類與分類方法，在一定程度上可解決多指標(biāo)分類等非線性問題，減少人為的主觀性操控[4-5]。建模過程包括以下4步。

1.3.3? ? 風(fēng)險等級劃分。風(fēng)險評價等級的確定采用自然斷點分級法，亦稱Jenks優(yōu)化方法。其原理是采用數(shù)據(jù)聚類方法，減少類的方差，最大限度地提高類之間的差異。計算采取重復(fù)迭代過程，通過重復(fù)計算不同的數(shù)據(jù)集，以確定最小的類方差，直到偏差的總和達到最小值為止[6-7]。其公式為：

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 強降水分析

強對流天氣降雨強度大、歷時短，不同強度不同地域的強降雨，可造成輕重不同的地質(zhì)災(zāi)害。將6 h之內(nèi)的雷陣雨歸結(jié)為強對流天氣，6 h之后雨強減弱雨量減小轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)性降水，24 h降雨>50 mm的歸納為暴雨。貴州省國土資源廳近40年的統(tǒng)計資料表明，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與強降水有很大的關(guān)系：2010年貴州省關(guān)嶺縣6.28特大山體滑坡、2019年貴州水城縣7.23特大山體滑坡造成了人員傷亡和大量財產(chǎn)損失，以上2次特大山體滑坡都與當(dāng)時區(qū)域連續(xù)強降水有很大的關(guān)聯(lián)。

對六盤水市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)近10年兩要素氣象降雨資料進行統(tǒng)計分析，年均暴雨量高值區(qū)主要分布在郎岱、隴腳、毛口等東部區(qū)域，暴雨量可達200 mm以上;次高值區(qū)域分布在南部、西南部的大部分區(qū)域。年均暴雨日數(shù)大致呈現(xiàn)3個高值區(qū)，主要分布在郎岱、隴腳、毛口等東部區(qū)域，均達到3 d以上，與年均暴雨量十分吻合（圖1）。圖2為暴雨量占比，日均降水≥50 mm的比例與年均暴雨量分布大致一致。年均降水量大致呈現(xiàn)由南向北逐步遞減的趨勢，高值區(qū)分布在南部及西南部的大部分區(qū)域。

2.2? ? 強降水條件地質(zhì)災(zāi)害隱患指數(shù)

喀斯特地貌以貴州省六盤水為例，根據(jù)貴州省國土資源局資料：六盤水市中部地質(zhì)構(gòu)造相對于其他區(qū)域更為復(fù)雜，地質(zhì)災(zāi)害主要有滑坡、泥石流、坍塌、地裂縫等類型，并以滑坡和泥石流為重中之重。而滑坡、泥石流災(zāi)害90%發(fā)生在4—10月，主要發(fā)生在汛期5—9月，7—8月達到高峰，汛期之外少有發(fā)生，這也說明此類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次與強降水時間具有很好的一致性。

結(jié)合六盤水國土資源局繪制的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)分區(qū)圖（圖3），用歸一化地災(zāi)隱患指數(shù)將地災(zāi)隱患點進行點密度分析后歸一化處理，結(jié)合強降水因子指標(biāo)進行逐一網(wǎng)格化處理，得出六盤市強降水條件下地質(zhì)災(zāi)害隱患指數(shù)，如圖4所示。高值區(qū)主要分布在水城縣雞場、都格一線，大灣、比德鄉(xiāng)點和盤縣的柏果、盤江、段江一帶。其強降水條件下誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害隱患指數(shù)達到0.75～1.00。其次是水城的木果至鐘山一線，六枝的木崗、新窯、折溪，盤縣的西沖、樂民，瑪依經(jīng)大山到響水一線，其強降水條件地質(zhì)災(zāi)害隱患指數(shù)為0.50～0.75。

2.3? ? 暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃分析

將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年均暴雨量、暴雨日數(shù)、暴雨比例、年均降水量、地災(zāi)隱患點、坡度作為樣本代入PPC模型。遺傳計算過程中選定父代初始種群規(guī)模為400，交叉概率為0.80，變異概率為0.20，變異方向所需要的隨機數(shù)為10，加速次數(shù)為7次，得到的最優(yōu)投影方向向量為=（0.271 6，0.202 8， 0.231 9，0.134 1，0.073 1，0.086 6），采用自然間距斷點法對風(fēng)險投影特征值進行等級劃分（表1），強降水條件下喀斯特地貌地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃圖如圖5所示。

將暴雨誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃劃分為低風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)五級，其中高風(fēng)險區(qū)大致分布在3個區(qū)域：東北部六枝的中寨、隴腳、折溪、箐口、新窯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南部的瑪依以及西部的松河、斷江、盤江、柏果、灑基等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

3? ? 結(jié)論

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生與強降水有很大的關(guān)系，且地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的頻次與強降水的時間具有很好的一致性。強降水條件下喀斯特地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險可劃分為低風(fēng)險區(qū)、次低風(fēng)險區(qū)、中風(fēng)險區(qū)、次高風(fēng)險區(qū)及高風(fēng)險區(qū)五級，高風(fēng)險區(qū)大致分布在3個區(qū)域，東北部六枝的中寨、隴腳、折溪、箐口、新窯等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，南部的瑪依及西部的松河、斷江、盤江、柏果、灑基等鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

4? ? 參考文獻

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