徐慶方,何開壽,胡勵(lì)耘,謝配紅,張 輝
(1.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○六地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563000;2.貴州省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局一○二地質(zhì)大隊(duì),貴州 遵義 563003;3.中南勘察基礎(chǔ)工程有限公司,湖北 武漢 430081)
地質(zhì)災(zāi)害是地球內(nèi)外動(dòng)力與人類活動(dòng)共同作用下的地質(zhì)環(huán)境過程[1]。近年來,在全球氣候變化的背景下,包括崩塌、滑坡和泥石流在內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻率不斷增加[2-3]。目前,地處我國(guó)西南部的云貴高原是各類地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)地區(qū)之一,特別是貴州省西北部近四川盆地的盆山過渡帶。由于受復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件和構(gòu)造活動(dòng)的影響,該地區(qū)破壞性地質(zhì)災(zāi)害時(shí)有發(fā)生,嚴(yán)重威脅著當(dāng)?shù)鼐用竦纳拓?cái)產(chǎn)安全[4]。因此,有必要開展該地區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究,排除致災(zāi)隱患[5-6]。
地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是國(guó)際提倡的防災(zāi)減災(zāi)手段,同樣也是本領(lǐng)域的前沿問題和研究熱點(diǎn)。早期研究對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的概念未做統(tǒng)一闡述,其中風(fēng)險(xiǎn)被定義為自然災(zāi)害發(fā)生的概率及其造成的損失或表示為發(fā)生概率和危害規(guī)模[7-8]。然而,風(fēng)險(xiǎn)既不等同于損失,也不是對(duì)危害的概率和結(jié)果及其大小的簡(jiǎn)單概括,因此上述關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)的陳述仍然不完整。1992年,聯(lián)合國(guó)人道主義事務(wù)部提出了一種更廣為接受的表述,將風(fēng)險(xiǎn)視為在特定區(qū)域和特定時(shí)間段內(nèi)自然災(zāi)害對(duì)人類生命、財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)造成損失的預(yù)期價(jià)值[9]?;谠摳拍?風(fēng)險(xiǎn)可表示為危險(xiǎn)性(hazard,H)和易損性(vulnerability,V)的乘積,并一直沿用至今[10-12]。上述關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)的描述表明,風(fēng)險(xiǎn)以人為核心,以生命損失和社會(huì)活動(dòng)為衡量標(biāo)準(zhǔn)[7],如果某個(gè)地區(qū)的災(zāi)害事件能夠造成生命和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的損失,則該地區(qū)將處于風(fēng)險(xiǎn)之中。
地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)通過識(shí)別容易受到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)威脅的區(qū)域來預(yù)防和減緩災(zāi)害損失[7,11-12]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要涉及易發(fā)性、危險(xiǎn)性和易損性3個(gè)要素[13-16]。其中,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)側(cè)重于對(duì)評(píng)價(jià)地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的空間概率預(yù)測(cè);地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)涉及地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間概率和影響范圍,強(qiáng)調(diào)災(zāi)害的自然屬性;地質(zhì)災(zāi)害易損性評(píng)價(jià)主要是評(píng)估承災(zāi)體對(duì)災(zāi)害的抵抗能力。從相關(guān)研究成果來看,盡管風(fēng)險(xiǎn)框架表達(dá)了一個(gè)全面的概念,但學(xué)者更傾向于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)各個(gè)組成部分的分析和討論。如,張軍以等[17]以重慶武隆區(qū)為例,采用XGBoost模型分析了滑坡取樣比例和模型參數(shù)對(duì)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)精度的影響;劉博文等[18]基于SINMAP水文-力學(xué)耦合模型,定量分析不同降雨強(qiáng)度下廣東省茂名市小流域滑坡災(zāi)害群發(fā)危險(xiǎn)性;杜娟[19]在考慮滑坡作用強(qiáng)度和承災(zāi)體脆弱性的基礎(chǔ)上,建立了單體滑坡變形和失穩(wěn)階段的易損性評(píng)價(jià)模型??傊?現(xiàn)有的研究更傾向于從定量化的角度對(duì)構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的單個(gè)要素進(jìn)行評(píng)估,而綜合評(píng)價(jià)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的研究略顯不足,鮮有大比例尺或鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度可行的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法和案例研究。
國(guó)內(nèi)部分學(xué)者雖然開展了一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究,但評(píng)價(jià)方法仍然遵循小比例尺的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)流程,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的精細(xì)化程度有待提高。特別是鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的考慮過于簡(jiǎn)單,認(rèn)為危險(xiǎn)性是地質(zhì)災(zāi)害空間概率和簡(jiǎn)化時(shí)間概率的乘積[20-21],未開展地質(zhì)災(zāi)害的“失穩(wěn)-啟滑-運(yùn)動(dòng)”距離分析(即run-out分析)和影響范圍預(yù)測(cè)。由于在我國(guó)西南山區(qū)等地形高陡區(qū)域,地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失是巨大的,而且該地區(qū)開展的地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)普查工作在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的精細(xì)化程度上還未達(dá)到政府風(fēng)險(xiǎn)防控的需求,為此,本文以貴州省茅臺(tái)鎮(zhèn)為研究區(qū),基于水文-地貌斜坡單元,對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性、危險(xiǎn)性、易損性和風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)研究。首先分災(zāi)種(滑坡、崩塌)選取評(píng)價(jià)指標(biāo)因子,通過層次分析法確定研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的空間概率,并基于條件概率理論評(píng)估不同降雨重現(xiàn)期下研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性,結(jié)合詳細(xì)的承災(zāi)體價(jià)值調(diào)查數(shù)據(jù),完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)的量化評(píng)價(jià);然后通過確定研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性臨界閾值識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源,分析其運(yùn)動(dòng)特征和影響范圍,建立了一套適合山區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源識(shí)別及run-out定量分析方法,并據(jù)此對(duì)斜坡單元的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正。該研究結(jié)果可為政府防災(zāi)減災(zāi)和土地利用空間規(guī)劃提供依據(jù)。
本文提出的基于斜坡單元的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法包括易發(fā)性評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)源識(shí)別與run-out定量分析、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)4部分,如圖1所示。
圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)技術(shù)路線Fig.1 Flow chart for quantified risk assessment of geological hazards of the study area
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性主要反映地質(zhì)災(zāi)害空間上的易發(fā)程度,旨在解決滑坡發(fā)生的空間概率問題。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的主要內(nèi)容包括評(píng)價(jià)單元選擇、評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇和模型方法選取等。基于斜坡單元的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)尤其適用于小區(qū)域、大比例尺的范圍[22],故本研究選用水文-地貌斜坡評(píng)價(jià)單元,根據(jù)滑坡、崩塌的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與地質(zhì)災(zāi)害特征建立地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,并利用層次分析法分別完成各種地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評(píng)價(jià)。
地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源,特指潛在的地質(zhì)災(zāi)害隱患與歷史地質(zhì)災(zāi)害[1-3,11],其特征是具有威脅人類生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。雖然可以通過野外調(diào)查定性確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源,但該過程的主觀性較強(qiáng),因此本研究提出了基于地質(zhì)災(zāi)害空間概率的危險(xiǎn)源識(shí)別方法。本研究使用地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性臨界閾值確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源,即將實(shí)際誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害斜坡單元的易發(fā)性指數(shù)最小值作為臨界值,認(rèn)為易發(fā)性指數(shù)高于此臨界值的斜坡單元發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率極大,可視為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源。因此,地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源中包含所有歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)和少數(shù)地質(zhì)災(zāi)害隱患(地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中易發(fā)性指數(shù)較高的非地質(zhì)災(zāi)害斜坡單元)。從風(fēng)險(xiǎn)管理層面上,將易發(fā)性指數(shù)最小值作為臨界值,意義明確,可操作性強(qiáng),十分便于風(fēng)險(xiǎn)管理。
同時(shí),地質(zhì)災(zāi)害不只會(huì)在源區(qū)造成風(fēng)險(xiǎn),還會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)區(qū)和堆積區(qū)產(chǎn)生威脅。目前地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究大多未考慮地質(zhì)災(zāi)害運(yùn)動(dòng)的影響[23]。本文采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和數(shù)值模擬技術(shù)等手段對(duì)所有的危險(xiǎn)斜坡單元進(jìn)行了run-out定量分析,確定地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的運(yùn)動(dòng)距離,圈定其致災(zāi)影響范圍。
地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是指在某種誘發(fā)條件下,一定區(qū)域在特定時(shí)間發(fā)生特定地質(zhì)災(zāi)害的概率。降雨是地質(zhì)災(zāi)害的主要誘因,學(xué)者們一般認(rèn)為滑坡的空間發(fā)生概率和其在特定降雨重現(xiàn)期下發(fā)生的概率相互獨(dú)立[24],因此滑坡危險(xiǎn)性計(jì)算公式如下:
H=P(T)×P(S|T)
(1)
式中:H為滑坡危險(xiǎn)性;P(T)為滑坡時(shí)間概率,滑坡時(shí)間概率一般采用降雨重現(xiàn)期表示,不同重現(xiàn)期下降雨極值模型包括Gumbel分布模型[25]、Weibull分布模型[26]和Pearson分布模型[27];P(S|T)為特定時(shí)間概率下滑坡發(fā)生的概率。
通過run-out定量分析修正地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,提升風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的精細(xì)化程度。
地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體是指研究區(qū)內(nèi)可能受地質(zhì)災(zāi)害威脅的經(jīng)濟(jì)物體或生命,其調(diào)查精度決定了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果的應(yīng)用范圍。根據(jù)Li等[28]和杜娟[19]的研究,地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體易損性由地質(zhì)災(zāi)害作用強(qiáng)度和承災(zāi)體抗災(zāi)能力共同決定,具體計(jì)算公式如下:
(2)
式中:V為地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體易損性;I為地質(zhì)災(zāi)害作用強(qiáng)度;S為承災(zāi)體抗災(zāi)能力,取值均介于0~1。
地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體易損性確定后,可根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性、承災(zāi)體易損性和承災(zāi)體價(jià)值,按下式定量計(jì)算地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)R:
R=H·V·E
(3)
式中:R為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn);H為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性;E為承災(zāi)體價(jià)值(或人口數(shù)量)。
研究區(qū)位于貴州省懷仁市茅臺(tái)鎮(zhèn),面積為55 km2,是貴州省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)調(diào)查區(qū),地理位置為東經(jīng)106°18′24″~106°22′36″,北緯27°54′46″~ 28°03′38″。研究區(qū)地處黔北高原北緣的婁山山脈向四川盆地過渡的斜坡山地,受赤水河強(qiáng)烈切割作用的影響,形成溝谷縱橫的山地河谷地貌,海拔高度在380~920 m之間,整體地勢(shì)東部和西部高、中部低(圖2)。區(qū)內(nèi)主要出露三疊系與侏羅系的沉積巖,構(gòu)造較簡(jiǎn)單,由于受季節(jié)性降雨和人工切坡的影響,區(qū)內(nèi)自然災(zāi)害頻發(fā)。
圖2 研究區(qū)地理位置及斜坡單元分析圖Fig.2 Location and the slope unit zonation of the study area
本研究以“貴州省仁懷市茅臺(tái)鎮(zhèn)、合馬鎮(zhèn)、二合鎮(zhèn)重點(diǎn)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)”項(xiàng)目為依托,采用InSAR地表形變點(diǎn)探測(cè)、機(jī)載LiDAR變形點(diǎn)排查以及現(xiàn)場(chǎng)隱患點(diǎn)核查的方法開展了研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,目前已查明的研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害包括滑坡和崩塌兩類,其中滑坡19處,崩塌6處,這兩類地質(zhì)災(zāi)害對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活已造成了嚴(yán)重的威脅。因此,本研究的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要是針對(duì)滑坡和崩塌這兩種地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行的。
3.1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取與分級(jí)
地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)一般包括地形因子、地質(zhì)因子、水文因子、人類工程活動(dòng)因子、變形因子等,基于貴州省已有的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)研究[29],結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,最終選取了常用的斜坡高差、斜坡坡度、地層巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、人類工程活動(dòng)和斜坡變形情況和崩塌發(fā)生概率與規(guī)模7個(gè)因子作為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)(表1和表2、圖3和圖4)。其中,地形因子數(shù)據(jù)(斜坡高差和斜坡坡度)來源于1∶10 000地形圖,通過1∶10 000區(qū)域地質(zhì)圖獲得地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、斜坡結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù);人類工程活動(dòng)、斜坡變形情況由現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)所得。以斜坡單元作為基本評(píng)價(jià)單元,具體使用ArcGIS軟件劃分水文-地貌單元[30-31],研究區(qū)共計(jì)有228個(gè)斜坡單元(圖2)。
表1 研究區(qū)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)及其分級(jí)表
圖3 研究區(qū)滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)圖Fig.3 Evaluation index classification of geological hazard susceptibility assessment
圖4 研究區(qū)崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)圖Fig.4 Evaluation index classification of geological hazard susceptibility assessment
1) 斜坡高差。高程對(duì)地質(zhì)災(zāi)害分布的影響主要表現(xiàn)在不同高程范圍的斜坡臨空條件、人類工程活動(dòng)強(qiáng)度、植被類型和大氣降雨量等存在差異[32]。對(duì)于斜坡單元而言,內(nèi)部斜坡高差越大則更易發(fā)生變形,因此通過計(jì)算滑坡發(fā)生頻率比,可將斜坡高差劃分為[0,50)、[50,100)、[100,200)、[200,300)、≥300五級(jí);同理,通過計(jì)算崩塌的發(fā)生頻率比,可得到崩塌災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)中斜坡高差的分級(jí)區(qū)間,見表1和表2。
2) 斜坡坡度。斜坡坡度的幾何特征一定程度上決定了坡體物質(zhì)運(yùn)移的速度。此外,斜坡坡度不僅影響地質(zhì)災(zāi)害體內(nèi)的應(yīng)力分布,還對(duì)地表水徑流、地下水補(bǔ)給與排泄等起著控制作用[33],是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的重要控制因素。本研究按照滑坡和崩塌的發(fā)生頻率比,將斜坡坡度劃分為5級(jí),具體見表1和表2。
3) 地層巖性。地層巖性與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育密切相關(guān)。不同地層在地質(zhì)歷史過程中會(huì)產(chǎn)生礦物組分、結(jié)構(gòu)等的差異,導(dǎo)致地質(zhì)體的物理力學(xué)特征區(qū)別明顯,因此對(duì)斜坡穩(wěn)定性有很大的影響,可能直接決定地質(zhì)災(zāi)害的類型及規(guī)模[22]。對(duì)于滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)而言,可將地層巖性分為5類(表1),并根據(jù)地層的強(qiáng)度特征,將研究區(qū)地層巖性分為硬質(zhì)巖、軟硬相間巖、軟質(zhì)巖3類,如圖3(c)所示,研究區(qū)以軟質(zhì)巖為主,主要為J2sh的砂頁巖、泥巖等,僅在東北與西南部零星出露有硬質(zhì)巖(T1-2j)和軟硬相間巖(J1-2z)。對(duì)于崩塌易發(fā)性評(píng)價(jià)而言,巖體結(jié)構(gòu)對(duì)崩塌穩(wěn)定性也有影響,據(jù)此將研究區(qū)地層巖性劃分為5類,分別為巖體破碎的塊狀硬質(zhì)巖、巖體破碎的厚層狀硬質(zhì)巖、巖體破碎的層狀軟硬相間巖、巖體結(jié)構(gòu)完整的片狀軟質(zhì)巖和巖體結(jié)構(gòu)完整的厚層狀硬質(zhì)巖[圖4(c)]。
4) 斜坡結(jié)構(gòu)。斜坡結(jié)構(gòu)反映了斜坡臨空面與地層之間的交互關(guān)系,控制了滑坡災(zāi)害的發(fā)育強(qiáng)度。一般來說,順向坡受巖土界面和軟弱夾層的控制,易于發(fā)生滑坡災(zāi)害;逆向坡則易于形成小至中型的堆積層滑坡;當(dāng)斜向坡中存在多組節(jié)理時(shí)易產(chǎn)生巖質(zhì)滑坡;橫向坡相較于其他斜坡結(jié)構(gòu)類型較穩(wěn)定。根據(jù)野外調(diào)查,將研究區(qū)斜坡結(jié)構(gòu)劃分為5類,具體見表1。
5) 地質(zhì)構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造反映了區(qū)域內(nèi)動(dòng)力條件,主要影響巖體結(jié)構(gòu)面的分布,對(duì)崩塌穩(wěn)定性的影響巨大。不同構(gòu)造交接復(fù)合地段、褶皺軸部及其轉(zhuǎn)折部位、向斜翹起端、構(gòu)造斷層帶及其附近一定范圍內(nèi)的巖體結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,在降雨和地下水的綜合作用下將會(huì)加速變形。本研究在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造與斜坡位置的關(guān)系,將地質(zhì)構(gòu)造劃分為5類,具體為斷層控制、褶皺控制、構(gòu)造影響強(qiáng)、構(gòu)造影響弱和構(gòu)造不發(fā)育(表2)。
6) 人類工程活動(dòng)。斜坡穩(wěn)定性與人類工程活動(dòng)的強(qiáng)烈程度密切相關(guān)。在修建公路、采石、露天開礦等工程中,斜坡開挖極其普遍,常使自然邊坡的坡度變陡,不利于其穩(wěn)定性。如工程設(shè)計(jì)不合理、施工措施不當(dāng)或開挖施工中采用爆破等更易使斜坡產(chǎn)生破壞的施工方式,對(duì)斜坡穩(wěn)定性將會(huì)造成很大的影響。本研究將人類工程活動(dòng)劃分為強(qiáng)烈、較強(qiáng)烈、一般、較輕、輕微5類,見表1和表2。根據(jù)野外調(diào)查可知,研究區(qū)地處西南山區(qū),人類工程活動(dòng)強(qiáng)度輕微,目前并未進(jìn)行大規(guī)模的開發(fā)建設(shè),僅在4個(gè)斜坡單元存在礦區(qū)開采,因此將其定為人類工程活動(dòng)一般區(qū)域,見圖3(e)和圖4(e)。
7) 斜坡變形情況。斜坡變形直觀反映了斜坡穩(wěn)定性的現(xiàn)狀,該指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過野外定性判斷或區(qū)域遙感解譯等手段獲得[3]。斜坡變形越明顯,則發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的概率越大。為了便于展開野外工作,結(jié)合滑坡與崩塌特點(diǎn),分別采用“斜坡變形破壞情況”和“崩塌發(fā)生頻率與規(guī)模”來表示。本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)研究區(qū)滑坡和崩塌的變形特征進(jìn)行了細(xì)分,具體見表1、表2、圖3(f)和圖4(f)。
3.1.2 評(píng)價(jià)方法選擇
評(píng)價(jià)方法的選擇是影響地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)可靠性和精度的關(guān)鍵。前人研究經(jīng)驗(yàn)表明,數(shù)理統(tǒng)計(jì)及機(jī)器學(xué)習(xí)模型適用于多災(zāi)害樣本的區(qū)域易發(fā)性評(píng)價(jià)[34]。本研究為鄉(xiāng)鎮(zhèn)范圍的大比例尺地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,由于地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)較少,故采用不受樣本數(shù)據(jù)影響的層次分析法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)多目標(biāo)決策[35]。層次分析法評(píng)價(jià)步驟主要包括確定模型指標(biāo)、構(gòu)建判斷矩陣、計(jì)算指標(biāo)權(quán)向量(最大特征值λ和一致性CI檢驗(yàn))和一致性檢驗(yàn)。
本研究基于研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特點(diǎn),分滑坡和崩塌計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,其見表1和表2。先按照表1和表2的評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)建層次分析模型,并基于建立的判斷矩陣,對(duì)兩兩因素進(jìn)行重要度判斷;然后按照表3所示的重要度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值,取值范圍為1~9,并通過判斷矩陣量化評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。此外,還需計(jì)算判斷矩陣的權(quán)重向量來衡量其合理性。本研究中,滑坡判斷矩陣的最大特征值λ=6.051,一致性指標(biāo)CR=0.008;崩塌判斷矩陣的最大特征值λ=6.242,一致性指標(biāo)CR=0.038,均通過了一致性檢驗(yàn)(CR<0.1)。
表3 判斷矩陣重要性標(biāo)度值
在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查并分析地質(zhì)災(zāi)害的形成機(jī)理的基礎(chǔ)上,結(jié)合調(diào)查過程中對(duì)各個(gè)因素的專家打分情況,對(duì)每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化賦值(表1和2),并借助ArcGIS軟件完成易發(fā)性指數(shù)計(jì)算,具體計(jì)算公式如下:
(4)
式中:Ej指斜坡單元j的易發(fā)性指數(shù);aij指斜坡單元j第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;Aij指斜坡單元j第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的環(huán)境變量得分。
3.1.3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析
根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),利用公式(4)分別計(jì)算出研究區(qū)滑坡和崩塌的易發(fā)性指數(shù),并采用自然斷點(diǎn)法將研究區(qū)分為低、中、高、極高易發(fā)區(qū),斷點(diǎn)分別為0.4、0.6、0.8,從而得到研究區(qū)滑坡和崩塌的易發(fā)性分區(qū)[圖5(a)和5(b)],通過合并獲得研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖[圖5(c)]。
圖5 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.5 Susceptibility maps of geological hazards of the study area
由圖5(c)可知,研究區(qū)處于極高易發(fā)區(qū)的斜坡單元有21個(gè)(3.45 km2),而處于高易發(fā)區(qū)的斜坡單元有25個(gè)(5.52 km2),高-極高易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的17.3%。進(jìn)一步分析可知,極高易發(fā)區(qū)有地質(zhì)災(zāi)害的斜坡單元有20個(gè),高易發(fā)區(qū)有3個(gè),中易發(fā)區(qū)有1個(gè),低易發(fā)區(qū)有1個(gè),共計(jì)80%的歷史地質(zhì)災(zāi)害落在極高易發(fā)性區(qū)。若定義處于高-極高易發(fā)區(qū)滑坡的數(shù)量比為預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,則本研究采用層次分析法建立的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型獲得的研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高達(dá)92%。
此外,本研究還使用受試者工作特征(ROC)曲線對(duì)模型預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估,以真陽性率為垂直坐標(biāo),假陽性率為水平坐標(biāo)繪制ROC曲線,通過不同的閾值來計(jì)算模型預(yù)測(cè)的擬合優(yōu)度,結(jié)果顯示ROC曲線面積(AUC)達(dá)0.969 7(圖6),說明本文建立的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)模型具有良好的預(yù)測(cè)性能。
圖6 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性ROC曲線預(yù)測(cè)精度評(píng)價(jià)Fig.6 Prediction accuracy evaluation of ROC curve of geological hazards susceptibility
根據(jù)前述臨界閾值法,確定研究區(qū)滑坡的易發(fā)性臨界閾值為0.6,崩塌的易發(fā)性臨界閾值為0.8,共識(shí)別出高于臨界閾值的研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源有35處,其中28處為滑坡危險(xiǎn)源,7處為崩塌危險(xiǎn)源(圖7)。在識(shí)別出地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步確定其運(yùn)動(dòng)范圍,用于圈定其致災(zāi)影響范圍?;聻?zāi)害隱患運(yùn)動(dòng)距離預(yù)測(cè)主要利用野外調(diào)查的歷史地質(zhì)災(zāi)害運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型,并采用全局優(yōu)化算法進(jìn)行擬合,擬合公式如下(擬合度為0.85,擬合效果良好):
圖7 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源分布及運(yùn)動(dòng)距離Fig.7 Distribution of geological hazard sources and their run-out distance of Maotai Town
L=226.42+1.1×10-5V-5.81S+1.1H
(5)
式中:L為滑體滑移距離(m);V為滑坡體積(m3);S為斜坡坡度(°);H為斜坡前、后緣高程差(m)。
此外,通過地質(zhì)建模,采用RockFall軟件對(duì)研究區(qū)崩塌災(zāi)害運(yùn)動(dòng)距離進(jìn)行了預(yù)測(cè),與崩塌體的落石大致對(duì)應(yīng)。如圖8所示,選取研究區(qū)XP194崩塌的典型坡面,對(duì)危巖落石運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,XP194地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的落石水平運(yùn)移距離為750 m,在位置1 000 m處由于地形原因落石達(dá)到最大的彈跳高度為26 m,落石影響范圍為1.04 km2。根據(jù)落石主要沿坡表低洼地形運(yùn)動(dòng)的特征,在對(duì)危巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面發(fā)育分布情況、坡體表面植被、覆蓋層特征以及地形地貌進(jìn)行野外調(diào)查的基礎(chǔ)上,綜合危巖體失穩(wěn)后運(yùn)動(dòng)軌跡模擬結(jié)果,確定危巖體兩側(cè)及前緣的影響范圍。
圖8 研究區(qū)典型地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源剖面和運(yùn)動(dòng)軌跡 模擬結(jié)果Fig.8 Profile and track simulation result of hazard source of typical geological hazards
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果,結(jié)合崩塌災(zāi)害運(yùn)動(dòng)距離預(yù)測(cè)模型與模擬技術(shù),確定了研究區(qū)35個(gè)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源run-out特征(圖8),并考慮地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的影響范圍,進(jìn)一步修正斜坡單元的危險(xiǎn)性分析結(jié)果,使得地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)更加精細(xì)。
張志才等[36]采用Gumbel分布擬合模型,根據(jù)日降雨量極值的概率分布特征值,利用最大似然法進(jìn)行參數(shù)分布估計(jì),得到貴州省50年一遇的降雨分布。由于研究區(qū)內(nèi)缺少完整的氣象資料,故而參考張志才等的研究成果,得到茅臺(tái)鎮(zhèn)的50年日降雨極值為100 mm。本研究的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)均考慮50年一遇日降雨工況。
以100 mm的日降雨極大值作為誘發(fā)事件對(duì)研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià),根據(jù)歷史地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫中歷史地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的面積和降雨量,統(tǒng)計(jì)100 mm日降雨量下研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各個(gè)易發(fā)性分區(qū)下的滑坡和崩塌面積,地質(zhì)災(zāi)害面積與易發(fā)性區(qū)劃面積的比值即為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的空間概率,其對(duì)應(yīng)的時(shí)間概率為0.02。通過式(1),可以定量化計(jì)算研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各易發(fā)區(qū)的危險(xiǎn)性值,見表4。由表4可知:研究區(qū)低、中、高、極高易發(fā)區(qū)的危險(xiǎn)性值分別為1.29×10-6、1.79×10-5、2.23×10-3、2.48×10-3,并根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源run-out定量分析預(yù)測(cè)的斜坡影響范圍修正該評(píng)價(jià)結(jié)果,得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖,見圖9。
表4 研究區(qū)50年一遇日降雨工況下地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果
圖9 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃圖Fig.9 Hazard zonation of geological hazards of the study area
地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體調(diào)查是地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要一環(huán),根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù),對(duì)研究區(qū)域內(nèi)易損性進(jìn)行定量分析與價(jià)值統(tǒng)計(jì),最終獲得研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果。但需要注意的是,本研究主要考慮人口和建筑兩種承災(zāi)體。
3.4.1 承災(zāi)體易損性
易損性,即特定地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度下承災(zāi)體可能受到的損失程度,其包含了地質(zhì)災(zāi)害的強(qiáng)度與承災(zāi)體的脆弱性。假設(shè)地質(zhì)災(zāi)害的作用強(qiáng)度與地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)性一致,通過對(duì)研究區(qū)內(nèi)人口與建筑物的脆弱性進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,參考肖婷[12]在西南地區(qū)對(duì)滑坡易損性的研究,并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害強(qiáng)度和現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)筑物的變形特征,對(duì)地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體易損性值進(jìn)行了微調(diào),得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體人口和建筑物的易損性值,見表5。
表5 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體人口和建筑物的易損性值參考表
3.4.2 承災(zāi)體價(jià)值
地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體分布采取網(wǎng)格化調(diào)查,按照網(wǎng)格劃分進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查和訪問,全區(qū)共計(jì)人口為8 593戶41 281人,人口密度為751人/km2;建筑物價(jià)值計(jì)算根據(jù)當(dāng)?shù)匚飪r(jià)折算,全區(qū)共計(jì)財(cái)產(chǎn)為1 102 658.7萬元,財(cái)產(chǎn)密度為20 048萬元/km2。研究區(qū)域人口密度和建筑物財(cái)產(chǎn)密度分布,見圖10。
圖10 研究區(qū)人口密度和建筑物財(cái)產(chǎn)密度分布Fig.10 Density distribution of population and building property in the study area
由圖10可見,人口主要分布在研究區(qū)北部茅臺(tái)鎮(zhèn)所在地,建筑物財(cái)產(chǎn)與人口分布較為一致,且沿赤水河兩岸也有建筑物財(cái)產(chǎn)分布,主要為農(nóng)村住宅基地。
3.4.3 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算
根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量計(jì)算公式(3)可計(jì)算得到研究區(qū)基于水文-地貌斜坡單元的風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果,并最終得到研究區(qū)人口傷亡和建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖(圖11)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表(表6、表7)。
表6 研究區(qū)人口傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
表7 研究區(qū)建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表
圖11 研究區(qū)人口傷亡風(fēng)險(xiǎn)和建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖Fig.11 Visualization maps of casualty and building property loss risk degree
通過分析圖11(a)和表6可知:在研究區(qū)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖中,有10個(gè)斜坡單元(1.22 km2)處于極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害9處,地質(zhì)災(zāi)害密度達(dá)到7.4個(gè)/km2;有22個(gè)斜坡單元(4.73 km2)處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害6處,地質(zhì)災(zāi)害密度達(dá)到1.3個(gè)/km2;高-極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的11%,剩余89%的區(qū)域處于中-低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。通過分析圖11(b)和表7可知:建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)圖中,有10個(gè)斜坡單元(1.94 km2)處于極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害8處,地質(zhì)災(zāi)害密度達(dá)到4.1個(gè)/km2;有20個(gè)斜坡單元(5.23 km2)處于高風(fēng)險(xiǎn)區(qū),發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害9處,地質(zhì)災(zāi)害密度達(dá)到1.7個(gè)/km2;高-極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的14%,86%的區(qū)域處于中-低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。從研究區(qū)人口傷亡風(fēng)險(xiǎn)和建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)的分布來看,高-極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要分布在赤水河兩岸及北部山區(qū)。
研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的ROC曲線AUC值為0.97,并且92%的歷史地質(zhì)災(zāi)害落在高-極高易發(fā)區(qū),這為后續(xù)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。此外,從研究區(qū)各個(gè)等級(jí)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量、地質(zhì)災(zāi)害分布密度等多個(gè)方面的評(píng)價(jià)結(jié)果均說明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型具有準(zhǔn)確性與可靠性(表6和表7)。而人口傷亡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與建筑財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果具有相似的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,其中地質(zhì)災(zāi)害率(各級(jí)地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占比)和地質(zhì)災(zāi)害分布密度從低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)到極高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)總體保持增長(zhǎng)趨勢(shì),但分區(qū)面積占比從51%逐漸降低到2%。總體而言,研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果較為可靠,可為后續(xù)大比例尺或鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供參考。
本文所構(gòu)建的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法與傳統(tǒng)小比例尺評(píng)價(jià)方法在評(píng)價(jià)單元、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法、易發(fā)性評(píng)價(jià)精度等方面存在諸多不同,如表8所示。本研究提出了辨識(shí)潛在地質(zhì)災(zāi)害隱患的方法,并在危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中通過關(guān)系曲線擬合確定了地質(zhì)災(zāi)害隱患的致災(zāi)范圍,該方法意義明確,具有可操作性,對(duì)城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)劃具有一定的指導(dǎo)意見,可為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來較大的效益??梢灶A(yù)見的是,研究區(qū)的北部羅村與柏楊村之間一帶地勢(shì)較為平緩且以農(nóng)村宅基地為主,地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性和風(fēng)險(xiǎn)性較低,可以作為茅臺(tái)鎮(zhèn)未來城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)劃的首選區(qū)域。
表8 不同比例尺地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法比較
本研究以水文-地貌斜坡單元為基本評(píng)價(jià)單元,完成了適合于山區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)案例研究,得到的主要結(jié)論如下:
1) 系統(tǒng)地將地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框架R=H×V×E運(yùn)用到鄉(xiāng)鎮(zhèn)尺度地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的受試者工作特征曲線(ROC)的面積高達(dá)0.969 7;人口傷亡風(fēng)險(xiǎn)和建筑物財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果中地質(zhì)災(zāi)害率、分區(qū)面積和地質(zhì)災(zāi)害分布密度等指標(biāo)均表明此次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)取得了良好效果;研究區(qū)赤水河兩岸及北部山區(qū)為地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。
2) 建立了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源識(shí)別與定量化run-out分析方法。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)理統(tǒng)計(jì)或者數(shù)值模擬等手段圈定了研究區(qū)35處地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)源的潛在威脅范圍,修正了水文斜坡單元,進(jìn)而完善了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算,補(bǔ)充了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)內(nèi)容,細(xì)化了地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程。
3) 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)定量評(píng)價(jià)結(jié)果可為當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)災(zāi)害管控與城鎮(zhèn)開發(fā)規(guī)劃選址提供理論支撐。從地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防角度,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注高-極高易發(fā)區(qū)的46個(gè)斜坡單元;從風(fēng)險(xiǎn)管理的角度上,重點(diǎn)關(guān)注研究區(qū)內(nèi)高-極高易風(fēng)險(xiǎn)區(qū),這些地區(qū)一旦發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,可能對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生重大的威脅。未來城鎮(zhèn)開發(fā)時(shí),可選地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較低的茅臺(tái)鎮(zhèn)北部羅村與柏楊村之間一帶作為主要場(chǎng)址。