劉 婷，譚建民，郭 飛，潘宇晨，王 力

(1.三峽庫區(qū)滑坡災害教育部重點實驗室 三峽大學，湖北 宜昌 443000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心 中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430205)

中國近70%的國土為山地，頻發(fā)的滑坡災害使人民的生命安全和財產(chǎn)受到了極大的威脅。僅2019年，全國共發(fā)生地質(zhì)災害6 181起，共造成211人死亡、13人失蹤、75人受傷，直接經(jīng)濟損失27.7億元[1]。江西省贛州市位于大別-羅霄山地區(qū)，地勢復雜，構(gòu)造發(fā)育，且受人工切坡和降雨的影響地質(zhì)災害頻發(fā)，是我國地質(zhì)災害的多發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)。贛州當?shù)匾驗闹仑氉璧K人民經(jīng)濟發(fā)展，成為脫貧攻堅戰(zhàn)的一大壁壘。因此積極開展滑坡災害易發(fā)性評價已成為防災減災、振興經(jīng)濟的重要工作部署，其中權(quán)重值的合理界定對評價結(jié)果的準確性起關(guān)鍵作用。

目前，滑坡災害易發(fā)性評價主要是基于統(tǒng)計分析理論，國內(nèi)外很多學者都提出各種不同的評價模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)[2]、信息量[3]、支持向量機[4]等。但這些模型在使用時對評價指標權(quán)重的確定多依賴于主觀判斷。

合理的指標權(quán)重直接影響易發(fā)性評價結(jié)果的準確性，有不少學者對此進行了探討，有的通過Pearson積矩相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗[5]來驗證指標相互獨立；或是通過指標狀態(tài)的相關(guān)性分析[6]，去除與多個指標相關(guān)性都較大的指標[7]，以此避免重復計算部分因素影響。同時也有學者借助層次分析法[8-10]、灰色關(guān)聯(lián)法[11]、頻率比算法或模型[12-14]來計算指標的權(quán)重值；而有的引入粒子群法[15]或信息增益率優(yōu)化模型[16]，計算權(quán)重值。但是多種算法的復合使用不僅加深了建模的難度，在引入的算法中還存在參數(shù)確定受主觀影響較大和計算過程繁瑣等問題，在有限的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上難以實現(xiàn)；同時這些算法都是基于統(tǒng)計規(guī)律[17]對內(nèi)部因素的指標權(quán)重值進行探討，對于受人類工程活動影響大的滑坡不能有效的考慮外界誘發(fā)因素。

因此，本文從如何更合理的確定指標權(quán)重出發(fā)，先通過探測指標的空間分異性來確定初步權(quán)重值，并通過調(diào)查、搜集的資料建立地質(zhì)模型，再運用Geo-studio軟件得到不同切坡和降雨組合工況下，邊坡穩(wěn)定性對切坡和降雨指標的響應關(guān)系；利用模擬結(jié)果將人工切坡的影響引入到權(quán)重的界定中，修正指標權(quán)重；并依照《地質(zhì)災害風險調(diào)查評價技術(shù)要求(1∶50 000)》選擇高效、快捷的信息量模型，以贛州市沙地鎮(zhèn)為例進行易發(fā)性分區(qū)，并為防災減災工作提供依據(jù)和建議。

1 指標權(quán)重計算理論分析

1.1 權(quán)重值確定

空間分異性[18]是指某一屬性值在不同類型或區(qū)域之間存在差異。地理數(shù)據(jù)中的類型量廣泛存在，研究區(qū)中不同的影響因子分為不同的層考慮，它體現(xiàn)了地理對象的空間分異性，表現(xiàn)為層內(nèi)方差小于層間方差[19]。

空間分異性是地理現(xiàn)象的基本特征之一，在各因子的影響強度中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，本文通過探測因子的空間分異性來研究因子X對Y的影響程度，并用權(quán)重q度量，原理如下：

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(1)

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(2)

圖1 空間分異性原理(據(jù)王勁峰等，2017[19])Fig.1 Principle of spatial differentiation (from Wang Jinfeng, et al[19])

1.2 權(quán)重值修正

直接通過GIS軟件提取的統(tǒng)計數(shù)據(jù)探測因子的空間分異性得到的權(quán)重值只能從宏觀角度分析指標的影響強度，忽略了滑坡災害的誘發(fā)因素。因此本研究借助Geo-studio軟件模擬邊坡在誘發(fā)因素作用下，即不同工況下的穩(wěn)定性，將試驗結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，再次對部分基本評價指標的權(quán)重值進行修正。

對研究區(qū)的滑坡災害情況、降雨情況、地形地貌等情況進行統(tǒng)計分析，可知研究區(qū)滑坡災害的坡高、坡度、風化層厚度、切坡高度、切坡坡角及降雨強度的范圍。借助Geo-studio軟件建立模型，模擬不同巖性的邊坡在不同因素組合的四種工況下(不降雨開挖、不降雨不開挖、降雨開挖、降雨不開挖)的穩(wěn)定性?；谡辉囼灧ㄌ崛∽罹哂写硇缘慕M合來代表所有因子組合的整體情況，數(shù)值模擬試驗應選用水平正交試驗方案。比如，在各指標范圍內(nèi)將上述6種因素全部劃分為5級，再由SPSS軟件分析得到的6因素5水平正交試驗。數(shù)值模擬得到的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，再根據(jù)公式(1)即可探測出6種因素和巖組對邊坡穩(wěn)定性的貢獻度。通過這7個指標的貢獻度即可對易發(fā)性評價的部分指標權(quán)重再次優(yōu)化，對應關(guān)系為：巖組-巖組，原始坡高-地形起伏度，原始坡度-坡度，切坡高度-道路。

數(shù)值模擬提供的樣本數(shù)據(jù)中，穩(wěn)定性系數(shù)作為探測指標權(quán)重時的Y，即Y值由滑坡災害發(fā)生與否的二值變量(0或1)變?yōu)榉€(wěn)定性系數(shù)決定的多值變量。通過這種轉(zhuǎn)換可提高各指標權(quán)重精度。

2 方法應用

2.1 研究區(qū)背景

贛州市位于江南丘陵與嶺南山地的交匯處，四周有武夷山、諸廣山及南嶺的九連山等，眾多山脈向中部及北部逶迤伸展、形成周高中低、南高北低地勢(如圖2)。沙地鎮(zhèn)位于贛州南部，地貌以山地、丘陵為主要格局。區(qū)內(nèi)一定規(guī)模出露有震旦系、寒武系、第四系地層，巖組主要為巖漿巖、變質(zhì)巖和第四系松散堆積物。該區(qū)域位于南嶺東西復雜構(gòu)造帶，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育。根據(jù)地下水存儲條件，水文特征，將其劃分為松散巖內(nèi)孔隙水和基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)主要工程活動為公路建設和城鄉(xiāng)建設與居民建房。研究區(qū)內(nèi)人類工程活動對自然地質(zhì)環(huán)境改造強烈，因此選擇地形地貌，如地形起伏度、坡度等，以及區(qū)內(nèi)主要的工程建設-道路，和巖組等基本因素作為滑坡災害易發(fā)性評價的指標。

圖2 研究區(qū)地貌圖Fig.2 Geomorphic map of the study area

2.2 易發(fā)性評價體系建立

根據(jù)已有的高精度地形圖、地質(zhì)圖，本文選擇適用于大比例尺的柵格單元作為研究區(qū)滑坡災害易發(fā)性評價單元。

(1)評價模型

信息量模型是以信息論為理論基礎(chǔ)，其基本觀點為將已有地質(zhì)災害影響指標分類并轉(zhuǎn)化為影響大小的信息量值，進而利用信息量的值來評價各指標與研究對象的相關(guān)程度，信息量值越大，則代表越有可能引發(fā)滑坡等地質(zhì)災害，信息量原理如下:

(3)

(2)評價指標

江西省贛州市的滑坡災害主要是不合理的切坡修路、建房造成，發(fā)生滑坡災害的斜坡大多都是高陡邊坡，因此本文選擇坡度、曲率、粗糙度、地表切割深度、地形起伏度、高程變異系數(shù)，道路影響范圍和巖組八個評價指標，并利用GIS的圖像處理功能提取指標(如圖3)。

圖3 評價指標圖Fig.3 Evaluation index chart

2.3 指標權(quán)重計算與修正

利用GIS對提取上述八個評價指標，通過探測這些指標的空間分異性(公式1)，可初步確定指標的權(quán)重值(見表1)。再通過數(shù)值模擬修正部分權(quán)重值。

表1 評價指標初步權(quán)重值Table 1 Initial weight value of evaluation index

上述方法計算指標權(quán)重時，將各指標值在研究區(qū)域內(nèi)分級后對應的災害響應關(guān)系(發(fā)生與否)作為探測空間分異性的統(tǒng)計樣本，針對區(qū)域內(nèi)災害易發(fā)性的一般宏觀分析。然而贛州地區(qū)受人工切坡影響強烈，人工切坡指標中切坡高度和切坡角度作為重要參照因素，其影響效果在宏觀上難以實現(xiàn)同其他指標值一樣的區(qū)域范圍內(nèi)分級，因此將人工切坡指標概化為與道路的距離來量化分級，以此實現(xiàn)人工切坡和其他指標的同一緯度，探究各自初步權(quán)重，得出的結(jié)果道路權(quán)重遠高于其他指標，預測結(jié)果也會集中在道路附近，預測效果欠佳。在此基礎(chǔ)上，本文提出通過數(shù)值計算，可以探討不同組合的切坡角度和切坡高度下邊坡穩(wěn)定性響應關(guān)系(穩(wěn)定系數(shù))，再利用計算結(jié)果探究各因素貢獻度，并由此對初步計算出的道路、巖性等部分指標權(quán)重進行修正，使各指標權(quán)重更合理，提高預測效果。

通過對研究區(qū)幾類巖土樣進行基本物理力學實驗和滲透實驗得到基本物理力學指標(見表2)。根據(jù)對贛州市沙地鎮(zhèn)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，可知區(qū)內(nèi)滑坡的坡高、坡度、風化層厚度、切坡高度、切坡坡角及降雨強度的范圍。并在各要素范圍內(nèi)將其分為5類(見表3)進行水平正交試驗，共25種邊坡模型，每一種幾何模型又分為不開挖不降雨、開挖不降雨、降雨不開挖和降雨開挖4種不同的工況。

表2 基本物理力學指標Table 2 Basic physical-mechanical index

表3 6種要素分類Table 3 Six categories of factors

基于水平正交試驗方案對贛南地區(qū)花崗巖、變質(zhì)巖、第四紀松散堆積土3種巖組邊坡的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬，由于研究目的是為了探究獲得各種因子對邊坡穩(wěn)定性的敏感性排序，需要保證6種要素外的其他因素一致，故將邊坡的25種原始模型概化為統(tǒng)一長寬(如圖4)，通過改變基本物理力學參數(shù)和水文參數(shù)等指標來考慮巖組的敏感度。故一共有300種不同因素組合下的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果(見圖5)。

圖4 數(shù)值分析模型圖(圖中數(shù)字為邊坡穩(wěn)定系數(shù))Fig.4 Numerical analysis model diagram(The figure is the slope stability coefficient)

圖5 4種工況試驗結(jié)果曲線圖Fig.5 Curves of test results under four working conditions

將300種組合條件下的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，通過公式1探究數(shù)值分析中坡度、坡高、全風化層厚度、切坡高度、切坡坡角、降雨強度和巖組對邊坡穩(wěn)定性的貢獻度(如表4)。數(shù)值模擬計算中的指標與統(tǒng)計數(shù)據(jù)求解指標的對應關(guān)系分別為：巖組——巖組；原始坡高——地形起伏度；切坡——道路；原始坡度——坡度。通過對上述指標權(quán)重進行優(yōu)化后的最終結(jié)果見表5。

表4 數(shù)值分析指標貢獻值Table 4 Numerical analysis index contribution value

表5 最終評價指標權(quán)重值Table 5 Final evaluation index weight value

2.4 易發(fā)性評價結(jié)果

用公式(3)對每個單因子指標用信息量模型進行分步計算，再利用GIS按各指標修正前的權(quán)重和修正后的權(quán)重分別綜合疊加分析，最后根據(jù)自然間斷法把贛州沙地易發(fā)性分為四個區(qū)：低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)。將修正權(quán)重前的評價結(jié)果(如圖6)和修正權(quán)重后的評價結(jié)果(如圖7)相對比，修正權(quán)重前的評價結(jié)果高易發(fā)區(qū)和道路圖高度重合，對防治減災工作難以起到實質(zhì)性幫助。

圖6 修正權(quán)重前易發(fā)性分區(qū)圖 圖7 修正權(quán)重后易發(fā)性分區(qū)圖Fig.6 Fixed weight predisposition partition chart Fig.7 After correcting the weight, the susceptibility partition chart

正確率檢驗：本研究遵循“實際滑坡災害是檢驗滑坡災害易發(fā)性評價結(jié)果準確性的最好標準”這一原則，根據(jù)許沖等[20-21]提出的易發(fā)性評價結(jié)果檢驗方法，即繪制滑坡災害面積累積百分比-易發(fā)區(qū)面積百分比曲線(如圖8)，計算曲線下面積AUC大小來衡量評價結(jié)果的正確率大小。修正權(quán)重后的AUC值為83.1%，修正權(quán)重前的AUC值為76.3%，可知修正權(quán)重后正確率明顯更高。

圖8 正確率檢驗曲線對比圖Fig.8 Contrast graph of accuracy test curve

根據(jù)最終的評價結(jié)果，高易發(fā)區(qū)集中在研究區(qū)的中部和西北角，是防災減災工作的重點區(qū)域。其次，道路附近為較高易發(fā)區(qū)符合區(qū)內(nèi)因人類工程活動改造自然環(huán)境強烈而留下隱患的特征，如切坡建房和修路形成的高陡邊坡。

3 討論

由指標初步權(quán)重結(jié)果(表1)可知，道路較其他指標的權(quán)重值高出不少，計算時僅是將與道路的距離作為人工切坡的影響表現(xiàn)形式，雖然體現(xiàn)出研究區(qū)地質(zhì)滑坡災害受人工切坡影響重大，但是若完全依照此宏觀統(tǒng)計結(jié)果計算出的權(quán)重值進行后續(xù)災害易發(fā)區(qū)評價，高易發(fā)區(qū)幾乎完全集中在道路附近(如圖8)，難以實現(xiàn)預測效果，可見人工切坡影響的表現(xiàn)形式并不合理。并且由表1可得，巖組的權(quán)重值最低，但實地調(diào)查結(jié)果顯示研究區(qū)災害發(fā)生的數(shù)量在不同巖性區(qū)有明顯區(qū)別，主要是花崗巖區(qū)較多。由此可見計算所得的權(quán)重值并沒有反應出巖性原本的重要性，分析造成此結(jié)果的原因可能是在對巖性這一評價指標進行分級的時候，僅是通過適普的工程特征簡單劃分了巖組，為對其力學特征為做進一步討論，這也是宏觀統(tǒng)計分析的弊端，通過而數(shù)值模擬可以彌補這一弊端。利用數(shù)值模擬修正權(quán)重值，可見降雨的權(quán)重值相對較高(表4)，降雨對第四系松散堆積物邊坡的影響較大，在單體滑坡[22]中更易詳細分析降雨的影響。然而易發(fā)性評價時降雨表現(xiàn)形式為等值線圖，本文研究區(qū)范圍小，降雨監(jiān)測設備有限，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)表現(xiàn)不出區(qū)內(nèi)降雨明顯差值特征的等值線圖，評價結(jié)果體現(xiàn)不出降雨的影響，由此在后續(xù)評價時未將降雨作為指標(表5)。

綜上所述，通過統(tǒng)計規(guī)律得到影響因素的權(quán)重值，在遇到人工切坡等外部因素影響強烈時，體現(xiàn)不出人工切坡誘發(fā)滑坡的真實貢獻，數(shù)值模擬時可通過設定具體的切坡高度、切坡角度及巖性力學參數(shù)等可以進一步探究指標的貢獻度，因此結(jié)合統(tǒng)計分析和數(shù)值模擬可對指標權(quán)重進行更合理的探討，實現(xiàn)有效的預測評價。

4 結(jié)論

通過對比權(quán)重修正前后的易發(fā)性分區(qū)圖和ROC曲線圖可得出如下結(jié)論：

(1)充分考慮了人工切坡的影響，坡度、地形起伏度、巖組、道路的權(quán)重值得到了修正，提高了各評價指標貢獻度的合理性；

(2)由修正權(quán)重前和修正權(quán)重后的ROC曲線對比可知，權(quán)重修正后的滑坡災害易發(fā)性評價精度得到了有效的提高，能夠在后續(xù)風險評價和防災減災工作中發(fā)揮重要作用；

(3)通過數(shù)值模擬來修正后的權(quán)重比僅通過統(tǒng)計學方法確定的權(quán)重更客觀合理，評價結(jié)果精度更高，更適用于受人類工程活動影響強烈的滑坡災害，如水庫誘發(fā)滑坡的易發(fā)性評價可考慮使用。