張若琳,孟 暉,連建發(fā)
(中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,北京100081)
中國山區(qū)面積廣大,山區(qū)是泥石流活動(dòng)的主要區(qū)域。根據(jù)1∶50萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(以地質(zhì)災(zāi)害為主)和700個(gè)縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查,泥石流在中國分布較廣,29個(gè)?。ㄊ?、區(qū))都有分布,共發(fā)生泥石流14 913起。泥石流是一種突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害,因其暴發(fā)迅猛、危害嚴(yán)重而備受關(guān)注。泥石流易發(fā)性評價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的前提,通過泥石流形成條件或形成條件組合的分析評價(jià),預(yù)測區(qū)域上將來產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性[1-5]。開展區(qū)域泥石流易發(fā)性評價(jià)對于防災(zāi)減災(zāi)具有重要意義。國內(nèi)已有多位學(xué)者開展了泥石流的易發(fā)性、危險(xiǎn)性或風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)和區(qū)劃研究,但這些研究多局限于局部地區(qū),涉及全國范圍的評價(jià)較少[6-11]。本文以中國內(nèi)地(未包含香港、澳門和臺灣)為研究區(qū),在1∶50萬地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查數(shù)據(jù)庫、700個(gè)縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查信息集成數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,嘗試采用“概率比率模型”,對整個(gè)研究區(qū)進(jìn)行泥石流易發(fā)性評價(jià)分級,并編制了泥石流易發(fā)程度區(qū)劃圖,表示地區(qū)之間地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度的差異,為全國地質(zhì)災(zāi)害防治規(guī)劃、宏觀層面國土空間布局等提供依據(jù)。
泥石流易發(fā)性評價(jià)主要依據(jù)泥石流的活動(dòng)規(guī)律和形成因素,即泥石流的易發(fā)性主要由歷史可能性和地質(zhì)環(huán)境可能性確定。歷史可能性由泥石流分布特點(diǎn)來表征;地質(zhì)環(huán)境條件可能性指泥石流發(fā)育的地形條件,即地形條件、地質(zhì)背景條件、環(huán)境影響因素。泥石流易發(fā)評價(jià)因子選取客觀、長期、相對穩(wěn)定的因子,還要考慮其評價(jià)結(jié)果不僅反映已有泥石流區(qū)域,也反映與發(fā)生泥石流區(qū)域具有相似的易發(fā)條件的無泥石流區(qū)域的預(yù)測。還要考慮宏觀評價(jià)尺度、數(shù)據(jù)可獲得情況,選擇地貌類型、地形起伏度、工程地質(zhì)巖組(性)、活動(dòng)斷裂距離、年平均≥50mm暴雨日數(shù)、土地利用程度等6項(xiàng)評價(jià)因子作為本次泥石流易發(fā)性評價(jià)因子。經(jīng)數(shù)據(jù)整理后形成泥石流分布和評價(jià)因子7個(gè)圖層。
a.泥石流分布圖層。以30個(gè)省1∶50萬環(huán)境地質(zhì)調(diào)查(以地質(zhì)災(zāi)害為主)數(shù)據(jù)庫、700個(gè)縣(市)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查信息集成數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ),依據(jù)泥石流點(diǎn)的地理坐標(biāo)等信息整理后,形成1∶50萬全國泥石流分布圖層和縣(市)全國泥石流分布圖層,每條數(shù)據(jù)附有編號、類型、規(guī)模和面積等屬性。易發(fā)性評價(jià)時(shí),采用縣(市)全國泥石流數(shù)據(jù)。1∶50萬全國泥石流數(shù)據(jù)留作易發(fā)性分區(qū)結(jié)果檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。
b.地貌類型圖層。將1994年中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所編制的1∶400萬中國地貌圖(E00格式數(shù)據(jù))屬性合并得到山地、黃土塬、黃土梁峁、平原、丘陵、臺地、湖泊、現(xiàn)代冰川、黃土臺塬、沖積扇平原、低河漫灘、風(fēng)蝕地貌等12種類型,將這12種類型作為泥石流易發(fā)性評價(jià)因子的屬性。
c.地形起伏度圖層。由于此次評價(jià)尺度較大,基于DEM或者地形圖提取的坡度不能滿足要求,所以選取地形起伏度作為評價(jià)因子。地形起伏度是地貌學(xué)中描述地貌形態(tài)的一個(gè)重要參數(shù),指某一確定面積內(nèi)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)海拔高度之差。采用SRTM3-DEM數(shù)據(jù),分辨率為90m,經(jīng)分析,能夠滿足區(qū)域地形起伏度提取的精度要求。地形起伏度的提取是在ArcInfo的GRID模塊支持下,確定統(tǒng)計(jì)單元為1km×1km,利用移動(dòng)窗口分析法來實(shí)現(xiàn)的[12]。最終形成1km×1 km全國地形起伏度圖作為易發(fā)因子圖層。
d.工程地質(zhì)巖組(性)圖層。本次采用1∶400萬中國工程地質(zhì)圖[13],經(jīng)過圖形數(shù)字化、增加屬性表等數(shù)字化處理,進(jìn)行屬性、拓?fù)錂z查,數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,共分為19種巖組(表1),把這19種巖組作為泥石流易發(fā)性評價(jià)因子的屬性。
e.活動(dòng)斷裂距離圖層。本次采用1∶400萬中國活動(dòng)構(gòu)造圖[14],對活動(dòng)斷裂進(jìn)行提取處理,數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換,利用buffer工具建立緩沖區(qū)。依據(jù)統(tǒng)計(jì)資料及評價(jià)尺度,確定影響范圍分別為250 m、500m、750m、1250m、1500m、1750m、2000 m,并作為評價(jià)因子的屬性。
f.年平均≥50mm暴雨日數(shù)圖層。采用國家氣候中心的1961—2006年中國年平均≥50mm暴雨日數(shù)(t/d)分布圖,分為t<0.2、0.2≤t<1、1≤t<3、3≤t<5、5≤t<7、t≥7d,并作為評價(jià)因子的屬性。
g.土地利用程度圖層。土地利用程度綜合指數(shù)[15]是把土地利用類型按人類活動(dòng)的強(qiáng)弱進(jìn)行分級,成為一個(gè)從100~400的連續(xù)變化的指標(biāo),反映土地利用程度的高低。利用土地利用類型圖計(jì)算土地利用程度綜合指數(shù)圖[15]。利用全國土地利用數(shù)據(jù)庫中2000年的土地利用類型1km×1km柵格數(shù)據(jù),在ArcGIS平臺下計(jì)算土地利用程度綜合指數(shù),得到全國土地利用程度圖層。
本次易發(fā)性評價(jià)采用概率統(tǒng)計(jì)方法——概率比率模型[16-19]分析泥石流易發(fā)性的空間分布。該模型的假設(shè)條件是地質(zhì)環(huán)境條件相似,則發(fā)生泥石流的概率相似。
泥石流和易發(fā)因子的相關(guān)關(guān)系用概率比率值表征,即在給定條件下,由發(fā)生泥石流概率與未發(fā)生泥石流概率之比計(jì)算得到。在考慮單因子與泥石流的空間關(guān)系時(shí),概率比率即為條件概率。各個(gè)因子的概率比率值之和即為泥石流易發(fā)性評價(jià)指數(shù)(IDS)。易發(fā)性評價(jià)指數(shù)值越大,易發(fā)程度越高。其適用的區(qū)域單元為網(wǎng)格單元或條件均一的自然單元。
概率比率模型計(jì)算公式
式中:IDS為泥石流易發(fā)性評價(jià)指數(shù);Fr為評價(jià)因子概率比率值(易發(fā)指數(shù));A為因子屬性中泥石流的面積;A總為整個(gè)研究區(qū)中泥石流總面積;S為因子屬性中沒有發(fā)生泥石流的面積;S總為整個(gè)研究區(qū)內(nèi)沒有泥石流的總面積。
評價(jià)因子易發(fā)指數(shù)值取值范圍(0,∞)。如果其值>1,說明泥石流和這個(gè)因子屬性的相關(guān)性強(qiáng)。該值越大,因子屬性與泥石流的相關(guān)性越強(qiáng);反之,值越小,相關(guān)性越弱。
概率比率模型在分析過程中既考慮充分性也考慮必要性,評價(jià)結(jié)果具有客觀性。前人曾在中小區(qū)域內(nèi)應(yīng)用該模型進(jìn)行易發(fā)性評價(jià),均取得了較好的效果[16-18]。由于該模型計(jì)算簡便而且精度較高,本次探索將其用于小比例尺大區(qū)域的泥石流易發(fā)性評價(jià)。
根據(jù)選取的數(shù)據(jù)精度和模型要求,經(jīng)過分析最終確定本次易發(fā)性評價(jià)的區(qū)域單元為1km×1 km的柵格單元。
?
把每個(gè)易發(fā)因子圖層分別與縣(市)全國泥石流分布圖層疊加分析,得到易發(fā)性因子的各個(gè)屬性中泥石流的面積和未發(fā)生泥石流的面積,根據(jù)模型計(jì)算因子屬性的概率比率,得到各個(gè)評價(jià)因子易發(fā)指數(shù)(Fr,表1)。
地形起伏度。隨著地形起伏度變高,泥石流易發(fā)指數(shù)逐漸增大。地形起伏度<40m時(shí),泥石流易發(fā)指數(shù)為0.1,說明泥石流發(fā)生的可能性很低。地形起伏度在40~180m,易發(fā)指數(shù)<1,說明泥石流發(fā)生的可能性也較小。地形起伏度≥180m,易發(fā)指數(shù)>1,說明發(fā)生泥石流的可能性大。隨著起伏度變高,泥石流發(fā)生的概率也隨之變大。當(dāng)?shù)匦纹鸱忍幱?60~1420m區(qū)間,泥石流易發(fā)指數(shù)最高,為3.77,說明泥石流發(fā)生的可能性最大。低起伏度,說明地形高低變化不大,泥石流發(fā)生的可能性比較?。桓咂鸱?,說明地形高低變化大,斜坡坡度大,發(fā)生泥石流的可能性大。
活動(dòng)斷裂。隨著與斷裂距離的增大,泥石流易發(fā)指數(shù)逐漸減小。斷裂影響距為0~250m時(shí)泥石流易發(fā)指數(shù)最大,為1.78,泥石流發(fā)生的可能性很大。斷裂距離<750m時(shí),易發(fā)指數(shù)均大于1,泥石流發(fā)生的可能性很大。當(dāng)斷裂距離≥750m,易發(fā)因子比率變?。ǎ?),泥石流發(fā)生的可能性變小。
其他因子的影響同樣可以通過易發(fā)指數(shù)值分析得到,見表1。當(dāng)易發(fā)指數(shù)值>1時(shí),泥石流和這個(gè)因子屬性的相關(guān)性強(qiáng);指數(shù)<1,泥石流和這個(gè)因子屬性的相關(guān)性弱。
3.2.1 易發(fā)性評價(jià)指數(shù)圖計(jì)算
將易發(fā)指數(shù)作為因子屬性的量化值,分別賦值到對應(yīng)的易發(fā)因子圖層,作為柵格單元的像素值。形成地貌類型柵格圖、地形起伏度柵格圖、工程地質(zhì)巖組(性)柵格圖、活動(dòng)斷裂距離柵格圖、年平均≥50mm暴雨日數(shù)柵格圖、土地利用程度柵格圖等6個(gè)權(quán)重圖層。利用ArcGIS的Raster calculator功能,把各圖層疊加,計(jì)算得到全國泥石流易發(fā)性評價(jià)指數(shù)分布圖。工作區(qū)內(nèi)最大的像元值為18.58,值越大,易發(fā)程度越高。
在分區(qū)之前,先對易發(fā)性評價(jià)指數(shù)分布圖進(jìn)行檢驗(yàn),分析其與實(shí)際情況的吻合程度。首先,將指數(shù)分布圖按柵格值從大到小進(jìn)行重分級,分為100個(gè)等級,得到易發(fā)性指數(shù)重分類圖。然后,分別統(tǒng)計(jì)重分類圖各等級中泥石流的點(diǎn)數(shù),得到泥石流易發(fā)性評價(jià)指數(shù)分級累計(jì)比例和對應(yīng)的泥石流累計(jì)個(gè)數(shù)比例之間的關(guān)系(圖1)。
圖1 泥石流易發(fā)性指數(shù)檢驗(yàn)曲線Fig.1 Illustration of cumulative frequency diagram showing debris flow susceptibility index rank(y-axis)occurring in cumulative percent of debris flow occurrence(x-axis)
易發(fā)性指數(shù)最高10%的區(qū)域內(nèi),包括32.7%的縣市調(diào)查泥石流,32.3%的1∶50萬調(diào)查泥石流;易發(fā)性指數(shù)最高20%的區(qū)域內(nèi),包括55.7%的縣市調(diào)查泥石流,58.5%的1∶50萬調(diào)查泥石流;易發(fā)性指數(shù)最高30%的區(qū)域內(nèi),包括71.0%的縣市調(diào)查泥石流,72.7%的1∶50萬調(diào)查泥石流??h市調(diào)查檢驗(yàn)曲線下的面積和總面積之比為0.770,即采用縣市調(diào)查泥石流檢驗(yàn)易發(fā)性指數(shù)的預(yù)測精度為77.0%。1∶50萬調(diào)查檢驗(yàn)曲線下的面積和總面積之比為0.784,即采用1∶50萬調(diào)查泥石流檢驗(yàn)的預(yù)測精度為78.4%??梢娫u價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。
3.2.2 易發(fā)性分區(qū)
結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)采用變點(diǎn)法選取泥石流分區(qū)最佳分界點(diǎn),把全國分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、不易發(fā)區(qū)4個(gè)不同等級的區(qū)域(圖2)。全國各省的高、中易發(fā)區(qū)面積分布情況列于表2。
泥石流高易發(fā)區(qū)面積68×104km2,占全國面積的7%。主要分布在川滇山地、云貴高原、秦巴山地、隴中南山地等地區(qū),包括云南、貴州西部、四川西部和北部、西藏南部、陜南等地。高易發(fā)區(qū)地貌形態(tài)多為中高山,地勢陡峭,地形起伏度在500~5120m,發(fā)育有賀蘭-川滇南北向斷裂帶、青藏和喜馬拉雅山弧形斷裂帶、昆侖-秦嶺斷裂帶等斷裂構(gòu)造,巖土體以變質(zhì)巖、碎屑巖和黃土為主,巖體破碎,在暴雨作用下,易于產(chǎn)生泥石流。
圖2 全國泥石流易發(fā)程度分區(qū)圖Fig.2 Debris flow susceptibility map based on frequency ratio[審圖號:GS(2013)681號]
泥石流中易發(fā)區(qū)面積266×104km2,占全國面積的28%。主要分布在藏東地區(qū)、西北山地、華中及東南低山丘陵、東北山地等地區(qū),包括重慶、福建、廣東、廣西、湖北西部和北部、湖南、山西、陜西、四川、西藏東部等地。地貌形態(tài)多為中低山和丘陵,地形起伏度在200~1300m,發(fā)育有太行山山前斷裂帶、汾渭斷陷帶、東南沿海斷裂帶等北東向、北北東向斷裂構(gòu)造,巖土體以變質(zhì)巖、碎屑巖、火山巖和黃土為主,巖體破碎,在暴雨和持續(xù)降雨作用下,較易于產(chǎn)生泥石流。
泥石流低易發(fā)區(qū)面積261×104km2,占全國面積的28%。主要分布在高、中易發(fā)區(qū)以外的其他山區(qū)。地貌主要為丘陵、盆地,或者是人跡罕至的西部高原山地,巖土體類型以第四紀(jì)松散堆積物和堅(jiān)硬巖為主。
泥石流不易發(fā)區(qū)面積351×104km2,占全國面積的37%。主要分布在三江平原、松遼平原、黃淮海平原、呼倫貝爾高原、準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯高原等。區(qū)內(nèi)主要為平原、盆地,總體上看缺少形成地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)環(huán)境條件,泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性很小。
本次共有泥石流樣本14 931起,其中高易發(fā)區(qū)內(nèi)7839起,占泥石流總數(shù)的52.5%;中易發(fā)區(qū)內(nèi)5003起,中高易發(fā)區(qū)內(nèi)泥石流占總數(shù)的86.0%;低易發(fā)區(qū)內(nèi)1790起,不易發(fā)區(qū)內(nèi)380起。分析可知,泥石流災(zāi)害點(diǎn)分布與易發(fā)分區(qū)評價(jià)結(jié)果的程度較好,符合泥石流實(shí)際發(fā)生的客觀情況(表3)。
表2 泥石流易發(fā)區(qū)在各省的分布面積(A/104 km2)Table2 The high-prone and mid-prone to debris flow areas in each province
表3 泥石流災(zāi)害數(shù)量與易發(fā)區(qū)等級關(guān)系Table3 The relationship between debris flow disaster quantity and susceptibility hierarchy
a.根據(jù)泥石流的成因,選取起伏度、地貌類型、活動(dòng)斷裂距離、巖組(性)、年平均≥50mm暴雨日數(shù)、土地利用程度6個(gè)易發(fā)性評價(jià)因子的數(shù)據(jù)圖層,運(yùn)用概率比率模型,將各易發(fā)因子圖層與泥石流分布圖層疊加分析,并綜合計(jì)算得到了全國泥石流易發(fā)因子評價(jià)指數(shù)圖。對評價(jià)指數(shù)圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),預(yù)測精度>77%,說明能夠較好地反映泥石流易發(fā)性的實(shí)際情況。概率比率模型計(jì)算簡便,精度較高,適用于數(shù)據(jù)量較大的大區(qū)域范圍內(nèi)泥石流易發(fā)性評價(jià)。
b.結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)采用突變點(diǎn)進(jìn)行了泥石流易發(fā)程度分區(qū),把全國分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和不易發(fā)區(qū),得到了全國泥石流易發(fā)程度分區(qū)圖。其中高易發(fā)區(qū)68×104km2,占全國的7%;中易發(fā)區(qū)266×104km2,占全國的28%;低易發(fā)區(qū)261×104km2,占的28%;不易發(fā)區(qū)351×104km2,占全國的37%。經(jīng)檢驗(yàn),中高易發(fā)區(qū)內(nèi)分布的泥石流占總數(shù)的86.0%,分區(qū)結(jié)果基本符合實(shí)際。
c.由于冰川泥石流成因的特殊性,本次只考慮了短時(shí)強(qiáng)降水因素引起的冰川泥石流,對于溫度變化引起的冰川泥石流未予考慮。對于冰川泥石流的易發(fā)性評價(jià)可以專門作為今后的一個(gè)研究方向。
本文的土地利用數(shù)據(jù)來源于國家科學(xué)數(shù)據(jù)共享工程——地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://www.geodata.cn)。
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