基于信息量模型的云南東川泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

孫 濱，祝傳兵，康曉波，葉 雷，劉 益

（1.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；2.自然資源部高原山地地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與生態(tài)保護(hù)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093；3.云南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，云南 昆明 650216；4.云南滇湘礦業(yè)咨詢有限公司，云南 昆明 650217）

0 引言

泥石流作為我國自然災(zāi)害重要類型之一，具有暴發(fā)突然、波及范圍廣、破壞性大等特點(diǎn)。泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)也從最早的定性分析發(fā)展到定量分析，一直以來是國內(nèi)外地學(xué)專家學(xué)者研究的熱點(diǎn)[1-2]，其評(píng)價(jià)質(zhì)量的好壞與評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、評(píng)價(jià)模型的確定有著密不可分的關(guān)系[3-8]。地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造及人類活動(dòng)等是泥石流易發(fā)性的主要影響因素，也成為其評(píng)價(jià)指標(biāo)選取的重要參考依據(jù)[9-10]。常用的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)模型有專家系統(tǒng)模型（層次分析、專家打分）、數(shù)理統(tǒng)計(jì)模型（信息量、證據(jù)權(quán)和邏輯回歸等）和機(jī)器學(xué)習(xí)模型（決策樹、隨機(jī)森林、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等）[11-18]，這些模型各有所長，同時(shí)也存在一定的缺陷。相對(duì)于專家系統(tǒng)模型受人為因素影響明顯、機(jī)器學(xué)習(xí)模型存在參數(shù)調(diào)試較難等問題，信息量模型作為《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求》（1∶50 000）（試行）推薦的方法具有操作簡單、應(yīng)用廣泛和客觀性好等優(yōu)勢，能夠科學(xué)的對(duì)各指標(biāo)區(qū)間分級(jí)[19]。

東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，尤以泥石流分布廣泛，危害最為嚴(yán)重，素有“世界泥石流天然博物館”之稱，是全國泥石流危害最嚴(yán)重的地區(qū)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，解放以來泥石流已造成人員傷亡300 余人，直接經(jīng)濟(jì)損失近4 億元，并且對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞明顯，嚴(yán)重制約了東川經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展。因此，在東川建立科學(xué)合理的泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，為泥石流精準(zhǔn)防控提供支撐，意義重大[20-21]。

文中在對(duì)東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查成果系統(tǒng)梳理基礎(chǔ)上，細(xì)致分析東川泥石流流域特征、動(dòng)力學(xué)特性與形成機(jī)理等，選取坡度、坡向、起伏度、曲率、工程巖組、距水系距離、距斷層距離和土地利用類型9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于信息量模型和GIS 平臺(tái)技術(shù)，以小流域?yàn)閱卧獙?duì)東川泥石流進(jìn)行了易發(fā)性評(píng)價(jià)，以期為東川防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

東川區(qū)位于云南省昆明市最北端，面積1 858.79 km2，屬侵蝕剝蝕構(gòu)造地貌，地勢呈東西高中間河谷低、南高北低的特征，最大相對(duì)高差達(dá)3 600 m。區(qū)域上屬金沙江流域，區(qū)域年降水量701～1 163 mm，降水量的85%以上集中在5—10月。區(qū)內(nèi)地層巖性以元古代昆陽群碎屑巖分布最廣，約占全區(qū)面積的43.68%，古生代碎屑巖夾碳酸鹽巖約占19.10%，古生代玄武巖、中生代碎屑巖約占32.36%，新生代黏土巖和松散碎石土等約占4.86%。區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主構(gòu)造線為南北向的小江斷裂帶。復(fù)雜的地形地貌、特殊的地質(zhì)背景及獨(dú)特的氣候條件導(dǎo)致了東川泥石流頻發(fā)。

通過收集東川區(qū)地質(zhì)災(zāi)害詳查、隱患排查和風(fēng)險(xiǎn)普查等數(shù)據(jù)，結(jié)合InSAR 地質(zhì)災(zāi)害隱患早期識(shí)別成果和精細(xì)化調(diào)查野外驗(yàn)證，系統(tǒng)梳理出研究區(qū)典型泥石流144 條（圖1），以此作為樣本數(shù)據(jù)，開展研究區(qū)泥石流易發(fā)性定量評(píng)價(jià)。

圖1 研究區(qū)泥石流災(zāi)害點(diǎn)分布Fig.1 Distribution of debris flow in study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

DEM 數(shù)據(jù)收集自阿拉斯加衛(wèi)星設(shè)備，制作高程、坡度、坡向、起伏度和曲率5 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)；水系數(shù)據(jù)收集自O(shè)SM 并與DEM 提取水系進(jìn)行比對(duì)制作距水系距離評(píng)價(jià)指標(biāo)；地質(zhì)數(shù)據(jù)收集自全國地質(zhì)資料館東川幅、會(huì)理幅、曲靖幅和武定幅20 萬地質(zhì)圖[22]制作工程巖組分類和距斷層距離2 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，土地類型數(shù)據(jù)收集自歐空局官網(wǎng)制作土地利用類型評(píng)級(jí)指標(biāo)（表1）。

表1 數(shù)據(jù)來源及類型Table 1 Data source and types

2 研究方法

2.1 流域單元?jiǎng)澐?/h3>

泥石流易發(fā)性常用柵格作為評(píng)價(jià)單元，雖易于劃分和模型計(jì)算，但忽略其流域特性，不能有效反映真實(shí)的泥石流情況，無法建立合理的評(píng)價(jià)模型，得出精準(zhǔn)的評(píng)價(jià)結(jié)果。文中以收集的12.5 m×12.5 m 的DEM 柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用ArcGIS10.8 模型構(gòu)建器將流域劃分過程（填洼→流向→流量→提取河流網(wǎng)絡(luò)→柵格河網(wǎng)矢量化→盆域分析→柵格轉(zhuǎn)面）模塊化，化繁為簡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生成流域，通過反復(fù)調(diào)整集水閾值，最終得到最符合實(shí)際的流域劃分結(jié)果。將研究區(qū)劃分為961 個(gè)流域，其中平均流域面積為1.94 km2，最大流域面積為10.62 km2，最小流域面積為0.44 km2。

2.2 信息量模型基本原理

信息量模型的理論基礎(chǔ)是信息論[23]，運(yùn)用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法以信息熵的概念來分析各種評(píng)價(jià)指標(biāo)作用下泥石流易發(fā)性的模型。通過各種評(píng)價(jià)指標(biāo)與泥石流災(zāi)害點(diǎn)空間疊加分析，依托GIS 平臺(tái)計(jì)算其單個(gè)指標(biāo)信息量，然后進(jìn)行多個(gè)指標(biāo)的加權(quán)疊加得到綜合信息量，從而建立泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)模型，其信息量值越大，表明易發(fā)性越高。

式中：I——各種評(píng)價(jià)指標(biāo)加權(quán)的總信息量，可作為泥石流易發(fā)性指數(shù)；

Nj——單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)特定分級(jí)區(qū)間內(nèi)含有泥石流的個(gè)數(shù)；

N——泥石流總數(shù)量；

Sj——單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)特定分級(jí)區(qū)間內(nèi)柵格數(shù)；

S——總柵格數(shù)。

3 研究區(qū)泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取原則

泥石流的形成影響因素眾多，其演化是一個(gè)復(fù)雜的多因素耦合作用的地質(zhì)過程。東川自1961年中科院建立野外觀測站至今，對(duì)東川泥石流動(dòng)力地貌過程與區(qū)域演化規(guī)律、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)特征、流體物理力學(xué)與流變特性等方面取得了一系列國際先進(jìn)水平成果。本文在系統(tǒng)分析東川泥石流觸發(fā)因素基礎(chǔ)上，結(jié)合大量專家學(xué)者泥石流易發(fā)性評(píng)價(jià)研究成果進(jìn)行了評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)選，選取坡度、坡向、起伏度、曲率、工程巖組、距水系距離、距斷層距離和土地利用類型9 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2 評(píng)價(jià)流程

首先通過GIS 平臺(tái)得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)分級(jí)[24-25]，然后對(duì)其分級(jí)區(qū)間進(jìn)行重分類，與泥石流災(zāi)害點(diǎn)圖層進(jìn)行空間疊加分析統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)圖層的信息量值；采用柵格轉(zhuǎn)面-空間連接-面轉(zhuǎn)柵格實(shí)現(xiàn)將各評(píng)價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)分級(jí)信息量值賦值到柵格圖層中，運(yùn)用空間分析工具疊加各評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息量柵格圖層獲取總信息量值，并按流域單元?jiǎng)澐挚傂畔⒘繓鸥駡D層，以子流域總信息量的平均值作為該子流域的信息量值，并按自然間斷法對(duì)其進(jìn)行重分類，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)的泥石流易發(fā)性分區(qū)。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)

因各評(píng)價(jià)指標(biāo)的狀態(tài)分級(jí)對(duì)信息量模型精度影響較大，科學(xué)合理劃分其狀態(tài)分級(jí)至關(guān)重要。文中在處理各評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)時(shí)首先采用自然間斷法一般將其細(xì)分為10～15 級(jí)，與泥石流災(zāi)害點(diǎn)圖層進(jìn)行疊加分析，得出其信息量值，然后優(yōu)先將信息量值為零的分級(jí)與相鄰分級(jí)合并，接著將信息量值相近的分級(jí)與相鄰分級(jí)合并，最后計(jì)算歸并后的分級(jí)信息值，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)各評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)（圖2、表2）。

表2 各因素狀態(tài)信息量表Table 2 Weighted information values of each factor

（1）高程

以研究區(qū)12.5 m 精度的DEM 柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，最高點(diǎn)為拱王山雪嶺，海拔4 344 m，最低點(diǎn)位于金沙江與小江交匯處，海拔660 m，高差大于3 600 m。以660～4 344 m 為區(qū)間，將高程分為5 級(jí)，見圖2（a）。泥石流主要分布在660～3 000 m，占泥石流總數(shù)量的84.34%，見圖3（a）。

（2）坡度

從0°起，以10°為間隔，將坡度分為5 級(jí)，見圖2（b）。泥石流點(diǎn)在坡度各分級(jí)均有分布，主要集中在20°～40°，見圖3（b）。

（3）坡向

將坡向劃為10 個(gè)分級(jí)，見圖2（c）。泥石流在南、西南、東南方向比例為34.57%，在北、北西、北東方向?yàn)?7.93%，可見泥石流在北坡比例大于南坡，見圖3（c）。

圖2 各評(píng)價(jià)因子狀態(tài)分級(jí)圖Fig.2 State classification of the factors

（4）地形起伏度

地形起伏度可以直觀的反映山體的相對(duì)高差，是劃分地貌類型的一個(gè)重要指標(biāo)，同時(shí)還能有效地體現(xiàn)人類活動(dòng)與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度的相關(guān)性。借助ArcGIS 平臺(tái)提取出研究區(qū)地形起伏度在0～441 m，分為0～20 m平坦起伏、20～40 m 微起伏、40～60 m 小起伏，＞60 m較大起伏4 個(gè)分級(jí)，見圖2（d）。泥石流在微起伏占比最高，為40.84%，見圖3（d）。

（5）曲率

曲率主要是用來反映地形彎曲程度的指標(biāo)，將曲率劃為4 個(gè)分級(jí)，見圖2（e）。泥石流主要分布在曲率-1～2，占泥石流總數(shù)量的69.52%，見圖3（e）。

（6）工程巖組分類

以研究區(qū)20 萬地質(zhì)圖為基礎(chǔ)，根據(jù)地層巖性的工程地質(zhì)特性，將研究區(qū)工程巖組劃分為4 大類，見圖2（f）。泥石流主要分布在較軟巖組內(nèi)，占泥石流總數(shù)量的56.47%，見圖3（f）。

（7）距水系距離

研究區(qū)水系發(fā)育，分布有小江流域和普渡河流域，均屬金沙江水系。以研究區(qū)內(nèi)河流為中心作200 m、400 m、＞400 m 緩沖區(qū)分析，見圖2（g）。結(jié)果表明，在距河流400 m 范圍內(nèi)泥石流點(diǎn)分布集中，占泥石流總數(shù)量的78.08%，見圖3（g）。

（8）距斷層距離

研究區(qū)位于川滇菱形塊體內(nèi)部小江斷裂與普渡河斷裂夾持地帶，斷層發(fā)育。以研究區(qū)1∶20 萬構(gòu)造綱要圖為基礎(chǔ)，以斷層為中心作1 km、2 km、3 km、＞3 km 緩沖區(qū)分析，見圖2（h）。分析表明泥石流主要位于斷層0～2 km 范圍內(nèi)，占比84.03%，見圖3（h）。

（9）土地利用類型

土地利用數(shù)據(jù)采用歐空局（ESA）發(fā)布的2020年10 m 分辨率的全球土地利用（World Cover）數(shù)據(jù)。研究區(qū)土地利用主要包括林地、灌木、草地、耕地、建筑用地、裸地/稀疏植被區(qū)和開闊水域7 類，見圖2（i）。泥石流主要集中分布在林地、草地和耕地內(nèi)，占比88.82%，見圖3（i）。

3.4 基于GIS 的信息量計(jì)算和易發(fā)性評(píng)價(jià)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立完成后，基于GIS 平臺(tái)將各評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)（圖2）與泥石流災(zāi)害點(diǎn)進(jìn)行空間疊加分析，得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)區(qū)間內(nèi)泥石流分布數(shù)量（圖3），根據(jù)信息量模型公式進(jìn)行各評(píng)價(jià)指標(biāo)信息量值計(jì)算，然后通過柵格疊加分析計(jì)算總信息量值，以自然間斷法將其劃分為4 個(gè)等級(jí)，得到研究區(qū)泥石流易發(fā)性分區(qū)圖，見圖4（a）。低易發(fā)區(qū)[-14.15，-5.60]、中易發(fā)區(qū)[-5.60，-2.72]、高易發(fā)區(qū)[-2.72，0.42]及極高易發(fā)區(qū)[0.42，8.10]，占東川區(qū)全域柵格比例為18.49%、32.43%、33.30%和15.78%，其災(zāi)點(diǎn)占柵格頻率比分別為0.038、0.150、0.542、4.843，極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)點(diǎn)頻率比最高，符合客觀事實(shí)。

圖3 各指標(biāo)分級(jí)分區(qū)面積和泥石流數(shù)量相關(guān)性統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 Statistical charts of correlation between the area of factor and the number of debris flow points

3.5 基于小流域的信息量法易發(fā)性評(píng)價(jià)

目前泥石流易發(fā)性定量評(píng)價(jià)多采用直接以柵格單元為評(píng)價(jià)單元，往往會(huì)出現(xiàn)單條泥石流流域內(nèi)存在不同的易發(fā)性分區(qū)，忽略了泥石流單元的整體性，與實(shí)際的環(huán)境不相符合，對(duì)指導(dǎo)泥石流的精準(zhǔn)防控不利。為真實(shí)反映泥石流的環(huán)境演變，解決單條泥石流流域內(nèi)分區(qū)差異性，文中將基于柵格單元計(jì)算得來的泥石流易發(fā)性總信息量值以流域?yàn)閱卧M(jìn)行劃分，然后統(tǒng)計(jì)每個(gè)子流域范圍內(nèi)信息量值的平均值，作為研究區(qū)子流域單元信息量值，通過自然間斷法將其劃分為4 個(gè)等級(jí)：低易發(fā)區(qū)[-7.85，-3.97]、中易發(fā)區(qū)[-3.97，-2.25]、高易發(fā)區(qū)[-2.25，-0.31]及極高易發(fā)區(qū)[-0.31，3.39]，得到研究區(qū)泥石流易發(fā)性分區(qū)圖，見圖4（b）。

圖4 泥石流易發(fā)性分區(qū)圖Fig.4 Zoning map of debris-flows susceptibility

4 結(jié)果分析與精度評(píng)價(jià)

4.1 易發(fā)性結(jié)果分析

研究區(qū)泥石流極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)主要集中在小江流域沿岸的阿旺鎮(zhèn)、銅都鎮(zhèn)、拖布卡鎮(zhèn)一帶分布，占全域面積的37.27%，其中著名的蔣家溝、大小白泥溝、大橋河溝以及城市后山4 條溝均位于極高易發(fā)區(qū)，與歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)吻合度較高。

極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境特征典型，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）位于小江活動(dòng)斷裂附近，構(gòu)造極為發(fā)育，地震頻發(fā)；（2）工程巖組以較軟巖組為主，受小江斷裂等影響巖石極為破碎，為泥石流發(fā)生提供了物質(zhì)來源；（3）地形陡峻，相對(duì)高差大，地貌以侵蝕剝蝕為主；（4）距離水系越近泥石流易發(fā)性越高；（5）主要集中在小江河谷一線，人類工程活動(dòng)強(qiáng)烈，對(duì)地形地貌破壞作用明顯。

4.2 易發(fā)性精度評(píng)價(jià)

文中采用深度學(xué)習(xí)二分類中常用評(píng)價(jià)模ROC 型曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，構(gòu)建以易發(fā)性分區(qū)累計(jì)百分比為橫軸，泥石流災(zāi)點(diǎn)數(shù)累計(jì)百分比為縱軸，曲線下面積（AUC）表示易發(fā)性預(yù)測成功率，其值越接近1，代表準(zhǔn)確率越高[26-28]。本次采用的信息量模型AUC為0.876，準(zhǔn)確度較高（圖5）。

圖5 ROC 曲線Fig.5 The curve of receiver operating characteristic

5 結(jié)論

（1）構(gòu)建了云南東川泥石流易發(fā)性定量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)狀態(tài)分級(jí)進(jìn)行優(yōu)化處理后發(fā)現(xiàn)：泥石流主要分布在高程660～3 000 m、坡度20°～40°，曲率-1～2，地形集中在微起伏地形，工程巖組主要以較軟巖組為主，距河流400 m 內(nèi)，斷層在0～2 km，土地利用類型以林地、草地和耕地為主，而坡向?qū)ζ溆绊懖淮蟆?/p>

（2）東川泥石流極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)主要集中在小江流域沿岸的阿旺鎮(zhèn)、銅都鎮(zhèn)、拖布卡鎮(zhèn)一帶分布，占全域面積的37.27%。

（3）通過信息量模型可以很好建立東川泥石流易發(fā)性定量預(yù)測模型，ROC 曲線檢驗(yàn)?zāi)Ｐ虯UC=0.876，準(zhǔn)確度較高，建模結(jié)果與歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)吻合度較高，較好地揭示了研究區(qū)泥石流易發(fā)性特征，為東川防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考。

文中在評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和狀態(tài)分級(jí)過程中仍存在一些不足之處。評(píng)價(jià)指標(biāo)選取和狀態(tài)分級(jí)合并主觀性較強(qiáng)，后續(xù)可引入類似ROC 曲線等驗(yàn)證模型進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)，提高其合理性和科學(xué)性。