張家界武陵源區(qū)降雨誘發(fā)地質(zhì)災害風險區(qū)劃

李學敏，鄧 玲

（1.湖南省氣象服務中心，長沙 410118；2.氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118）

引言

張家界武陵源區(qū)總面積3.97×104hm2，位于湖南省西北部張家界市中部，澧水中上游，屬武陵山脈。其境內(nèi)的武陵源風景名勝區(qū)是張家界市的核心景區(qū)，2019 年接待游客2653 萬人次、實現(xiàn)旅游總收入374 億元，相比上一年分別增長15%、23%。奇特的石英砂巖峰林地貌為其主要特征，共有石峰3103座，峰體分布在海拔500～1100m，高度由幾十米至四百米不等。近年來，受氣候變化的影響，武陵源降雨發(fā)生頻率及其強度有加大的趨勢，加之山丘區(qū)地質(zhì)構造復雜，地質(zhì)條件脆弱，連續(xù)性降水或暴雨天氣常常導致山洪并誘發(fā)崩塌、山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災害。據(jù)張家界國土資源局的地質(zhì)災害詳細調(diào)查表顯示，1982—2016 年武陵源區(qū)共發(fā)生地質(zhì)災害252次，其中滑坡和崩塌占比分別為50%和39.7%［1］。降雨引發(fā)的地質(zhì)災害對山岳型景區(qū)的威脅日益增大，對人民生命財產(chǎn)、社會經(jīng)濟發(fā)展造成的嚴重影響，迫切需要進行地質(zhì)災害的研究和預防。開展武陵源降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害風險區(qū)劃與評價，可有效指導山岳型景區(qū)氣象災害的監(jiān)測、預警和防御，減少旅游業(yè)損失，提升氣象防災減災的能力和增加氣象服務效益。

自然災害風險一直以來都是國內(nèi)外專家學者研究的熱點，為了量化評估一般從致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性及抗災能力等方面選取指標構建模型［2-3］。隨著GIS 技術的發(fā)展，不少學者開展了基于GIS 的暴雨洪澇、山洪、滑坡等風險評估與區(qū)劃研究［4］，包括四川省、浙江省、重慶市、北京市等大范圍區(qū)域［5-12］，以及黃山風景區(qū)、云南省怒江州、河池市、南寧市等較小區(qū)域［13-16］，并建立預報模型和基于GIS 的地質(zhì)災害預報預警系統(tǒng)［17-19］。針對湖南地區(qū)，有學者建立基于多源信息融合的湖南省地質(zhì)災害評估模型和山體滑坡影響因子［20-21］，基于GIS 技術和層次分析法（AHP）從危險性和易損性兩方面對湖南滑坡風險進行評估［22］，研究了降雨型地質(zhì)災害的致災雨量閾值［23］，而針對地質(zhì)災害重點防范區(qū)的綜合降水和環(huán)境因子的精細化區(qū)劃尚少。

以張家界武陵源區(qū)為研究對象，利用2010—2019 年張家界武陵源區(qū)16 個區(qū)域自動站的逐日降水量資料和中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集（CMFD），結(jié)合張家界武陵源區(qū)數(shù)字高程（DEM）和地質(zhì)災害詳細調(diào)查數(shù)據(jù)，主要從致災因子、孕災環(huán)境等方面研究基于GIS 的山岳型景區(qū)降雨誘發(fā)的地質(zhì)災害風險區(qū)劃。

1 資料與方法

1.1 資料來源

地理信息數(shù)據(jù)為張家界武陵源區(qū)30m 分辨率數(shù)字高程DEM，歷史災情資料來自1982—2016 年武陵源區(qū)1∶5 萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查數(shù)據(jù)。氣象觀測資料為2010—2019 年武陵源區(qū)16 個區(qū)域自動站的逐日降水量和1979—2018 年武陵源所處的張家界市3 個國家站（張家界、桑植、慈利）的年降水量。再分析資料為1979—2018 年中國區(qū)域地面氣象要素數(shù)據(jù)集（China Meteorological Forcing Dataset，CMFD）。CMFD 是中國科學院青藏高原研究所開發(fā)的一套近地面氣象與環(huán)境要素再分析數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集以國際上現(xiàn)有的Princeton 再分析資料、GLDAS資料、GEWEX－SRB 輻射資料與TRMM 降水資料為背景場、融合中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)制作而成［24］，空間分辨率0.1°×0.1°。對1979—2018 年CMFD降水資料與張家界3 個國家站實況資料進行相關分析，40a 的相關系數(shù)均在0.85 以上，并達到0.05 顯著性水平，說明該資料在張家界地區(qū)是可用的。

1.2 研究方法

根據(jù)風險區(qū)劃研究原則，自然災害風險是致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性、承災體易損性和災害發(fā)生地抗災能力4 個因子相互作用的綜合結(jié)果，取決于致災因子的強度與頻率、自然環(huán)境和社會經(jīng)濟環(huán)境?？紤]到研究范圍是一個相對封閉的較小區(qū)域，抗災能力可以認為是固定值，因此降水引發(fā)地質(zhì)災害風險評價指標主要從降水危險性、地形環(huán)境因子、承災體易損性3 個方面評估。其中致災因子危險性反映降水發(fā)生的頻率和強度；孕災環(huán)境敏感性反映地質(zhì)災害發(fā)生的環(huán)境因子；承載體易損性反映某區(qū)域?qū)Φ刭|(zhì)災害的暴露程度。

為了消除量綱差異，對指標進行歸一化處理，方法如下：

式（1）中Sj是j 站點的歸一化值，kj是j 站點的真實值。

通過高程和高程標準差的組合賦值得到地形因子指數(shù)，代表孕災環(huán)境敏感性。致災因子危險性指數(shù)通過專家打分法（Delphi）確定各量級降水的權重來綜合考慮降水致災因子的影響程度［1］。反查歷史資料發(fā)現(xiàn)，發(fā)生災害的當天和前期降水并不限于暴雨過程，而是在各個量級的降雨中都存在分布。本文使用的暴雨標準是日降水量≥50mm，為了綜合評估降水日數(shù)和降水強度的影響，分別計算各站小雨、中雨、大雨、暴雨日數(shù)，根據(jù)式（1）進行歸一化處理，統(tǒng)計各站各量級雨日在對應量級的降水序列中的占比代表降水危險性。降雨量越大，誘發(fā)地質(zhì)災害的機率越高，根據(jù)專家打分的結(jié)果，以上各量級降水因子權重分別按1∶2∶3∶4 計算。采用加權綜合評價法計算整個評價對象的影響：

式（2）中：DIj為j 站點致災因子危險性指數(shù)，表示歸一化的降水危險程度，值越大則致災風險越大；Sij（i＝1，2，3，4）分別代表歸一化的小雨危險性、中雨危險性、大雨危險性、暴雨危險性，ωi是相應的權重系數(shù)。

根據(jù)自然災害風險評價原理，鑒于景區(qū)承災體信息有限，建立降水引發(fā)地質(zhì)災害風險指數(shù)模型［25］：

式（3）中：RGRI 為降水引發(fā)地質(zhì)災害風險指數(shù)，DI、SI 分別代表致災因子危險性、孕災環(huán)境敏感性因子指數(shù)，ωd、ωs 是相應的權重系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 風險區(qū)劃及評估

2.1.1 致災因子的危險性

對于較小面積的研究區(qū)需要利用區(qū)域站降水資料。由于區(qū)域站存在缺測，且部分站資料記錄年限不足10a，需要通過處理來提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。將CMFD 再分析數(shù)據(jù)采用雙線性插值方法［26－27］，補齊得到16 個區(qū)域站2010—2019 年逐日降水序列。通過2010—2019 年武陵源區(qū)區(qū)域站和張家界市國家站降水量對比，發(fā)現(xiàn)3 個國家站降水量較接近，16 個區(qū)域自動站差異更顯著，其中12 個站的值大于所有國家站，3 個站處于國家站極值區(qū)間內(nèi)，1 個站低于所有國家站，更能代表武陵源區(qū)地域的降水空間分布不均的特征。

由式（2）進行加權疊加，利用GIS 自然斷點分級得到致災因子分布。面臨降水危險性最大的區(qū)域主要位于中東部（巖門、索溪水庫）、景區(qū)北側(cè)（天子山鎮(zhèn)、黃河）和景區(qū)西南側(cè)（黃石寨、龍尾巴），其中巖門的暴雨日數(shù)最多，達到48d。危險性最低的是景區(qū)西側(cè)（魚泉峪），暴雨日數(shù)只有30d。

2.1.2 孕災環(huán)境的敏感性

從地質(zhì)災害發(fā)生的特點來看，孕災環(huán)境的敏感性與地形分布關系密切。本研究使用高程和高程標準差來對地形因子進行組合賦值（表1）。高程表征海拔高度，直接從30m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)提??；高程標準差顯示外部環(huán)境的地形起伏程度，通過計算高程數(shù)據(jù)中某一格點與周圍8 個格點的標準差得到。對武陵源區(qū)地形因子指數(shù)按照0.3～0.4、0.5～0.6、0.7～0.9 進行三級（低、中、高）重分類得到孕災環(huán)境敏感性分布（圖1），其中低、中、高敏感區(qū)面積占比分別為：54.3%、40.4%、5.3%。高敏感區(qū)主要位于陡峭山坡和溪水沿岸，包括黃石寨、百龍?zhí)焯?、金鞭溪和索溪湖等景點；中等敏感區(qū)位于山脈中部、南部山腳，核心景區(qū)大部分面積屬于該區(qū)；低敏感區(qū)位于中湖鄉(xiāng)、索溪峪北部等地勢較平緩處。

圖1 武陵源區(qū)地質(zhì)災害孕災環(huán)境分布

表1 地形因子賦值表

根據(jù)1982—2016 年武陵源區(qū)1∶5 萬地質(zhì)災害詳細調(diào)查數(shù)據(jù)繪制地質(zhì)災害分布圖（圖2），通過與風險區(qū)劃圖對比可以看出，大部分災害點落入中、高敏感區(qū)，實際災情多發(fā)區(qū)與高敏感區(qū)基本對應一致。因此，對于相對封閉的較小區(qū)域，該方法具有較好的適用性和可靠性。

圖2 武陵源區(qū)地質(zhì)災害分布

2.1.3 風險區(qū)劃與分析

根據(jù)專家意見，認為地質(zhì)災害風險區(qū)劃中各因子的貢獻排序情況如下：孕災環(huán)境敏感性＞致災因子危險性＞承災體易損性。孕災環(huán)境敏感性指數(shù)分布區(qū)間為［0.3，0.9］，降雨致災因子危險性指數(shù)分布區(qū)間為［0.5599，0.6991］，表明由式（1）、式（2）計算的降水危險性因子指數(shù)不及由組合賦值得到的地形環(huán)境因子指數(shù)差異顯著，因此結(jié)合武陵源當?shù)貙嶋H情況，敏感性和危險性因子使用1：1 的權重。鑒于景區(qū)承災體信息有限，將兩者代入公式（3）計算得到災害風險系數(shù)，而承災體信息在綜合評估時給予關注。使用GIS 中自然斷點分級法將景區(qū)降雨誘發(fā)地質(zhì)災害風險劃分為低、中、高3 個風險等級，對應的RGRI分別為0.1706～0.2927，0.2927～0.4131，0.4131～0.6286（圖3）。

圖3 武陵源區(qū)降雨引發(fā)地質(zhì)災害風險區(qū)劃

高風險區(qū)占總面積的5.5%，呈分散分布，主要位于景區(qū)東側(cè)和西南部。這些地區(qū)地勢復雜，降水日數(shù)和強度均較大，其中東部的黃龍洞、紫霞山、索溪水庫，西南部的黃石寨、楊家界等景點更是游客流量集中，需要做好重點防范措施。中等風險區(qū)占比39.5%，位于中部唐家山、寶峰湖，南側(cè)協(xié)合鄉(xiāng)等，并且核心景區(qū)的大部分面積屬于中等風險區(qū)，需要對景區(qū)中的棧道、游步道、精華景點予以關注。低風險區(qū)占比55%，位于景區(qū)西側(cè)、東北側(cè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。景區(qū)西側(cè)風險較低，降水可能不是該處的地質(zhì)災害的主要誘發(fā)因素。

3 結(jié)論與討論

（1）使用最新發(fā)布、分辨率較高的CMFD 再分析資料訂正區(qū)域自動站資料，綜合分析了各量級降水的影響，能精細化地反映該區(qū)的降水危險性分布。通過與實際災情對比發(fā)現(xiàn)，使用高程和高程標準差的組合賦值代表孕災環(huán)境敏感性具有較好的適用性和可靠性。

（2）武陵源區(qū)降水危險性最大的區(qū)域主要位于景區(qū)中東部（巖門、索溪水庫）、景區(qū)北側(cè)（天子山鎮(zhèn)、黃河）和景區(qū)西南側(cè)（黃石寨、龍尾巴），最低的是景區(qū)西側(cè)（魚泉峪）。孕災環(huán)境的高脆弱區(qū)主要位于陡峭山坡和溪水沿岸，包括黃石寨、百龍?zhí)焯?、金鞭溪和索溪湖?/p>

（3）總體而言，武陵源區(qū)降雨引發(fā)地質(zhì)災害高風險區(qū)占總面積5.5%，主要位于景區(qū)東側(cè)和西南部，其中東部的黃龍洞、紫霞山和西南部的黃石寨、楊家界等景點需要做好重點防范；中等風險區(qū)占比39.5%，核心景區(qū)的大部分面積屬于該區(qū)；低風險區(qū)占比55%，主要位于景區(qū)西側(cè)、東北側(cè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

雖然研究區(qū)域較小，但精確分析孕災環(huán)境敏感性還需考慮斷層密度、巖土類型、水系、地震烈度、路網(wǎng)密度等多個影響因素。另外，由于景區(qū)承災體信息不充分，易損性只能定性分析，可能導致與實際情況存在偏差。