施紫越, 辛存林, 焦志鵬, 劉海博,2, 劉 昕
(1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070;2.中國(guó)地震局 地震預(yù)測(cè)研究所, 北京 100036; 3.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000)
“崩滑—碎屑流”是我國(guó)典型的鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害,作為一種特殊的地表過(guò)程,其形成條件受到區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、多相介質(zhì)融合等復(fù)雜因素的影響,通常具有速度快、滑程遠(yuǎn)、常轉(zhuǎn)向等特征,在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中若遇到江、河、湖,極有可能出現(xiàn)水體被堵塞形成堰塞湖的情況,對(duì)下游地區(qū)的生命財(cái)產(chǎn)安全往往構(gòu)成潰決威脅[1]。在高陡的坡度條件下,崩滑體的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,不僅使其解體碰撞碎屑化,還形成了碎屑流運(yùn)動(dòng)的初始速度,在后續(xù)的滑動(dòng)過(guò)程中,碎屑流可歷經(jīng)多級(jí)地形陡坎,再次將部分勢(shì)能迅速轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,極具沖擊性與摧毀性[2]。
目前,國(guó)內(nèi)外關(guān)于崩滑—碎屑流的研究主要集中于遙感解譯、室內(nèi)試驗(yàn)、滑動(dòng)距離分析等方面:夏式偉分析了西藏易貢高速遠(yuǎn)程滑坡特征,建立了堰塞壩潰決的三維數(shù)值模擬模型[3];Keith Delaney等利用DEM數(shù)據(jù)、Landsat影像和動(dòng)態(tài)滑坡建模方法對(duì)西藏易貢大型滑坡—碎屑流事件進(jìn)行了回顧,對(duì)易貢堰塞湖的體積進(jìn)行確認(rèn)[4];鄭鴻超等對(duì)崩滑—碎屑流的堵江模式及相關(guān)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了總結(jié)與探討[5];Jeffrey Kargel等對(duì)2015年尼泊爾戈?duì)柨?.8級(jí)地震進(jìn)行分析,認(rèn)為區(qū)域地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性對(duì)地震引起的崩滑—碎屑流災(zāi)害鏈起到了控制作用[6];夏式偉等對(duì)蘆山地震誘發(fā)的湯家溝碎屑流事件進(jìn)行了滑坡全過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬[7];李從容等對(duì)在汶川地震后記錄了2008—2016年降雨期間發(fā)生的滑坡—碎屑流事件,提出了在強(qiáng)降雨條件下高海拔地區(qū)更易發(fā)生新的滑坡和巖土體膨脹過(guò)程,為碎屑流提供了松散物源[8]。尤其是在2000年西藏易貢藏布滑坡—碎屑流和2008年汶川地震發(fā)生后,我國(guó)山區(qū)崩滑—碎屑流形成模式及其環(huán)境效應(yīng)逐漸成為地質(zhì)災(zāi)害鏈的研究熱點(diǎn)[9-11],基于數(shù)值模擬的動(dòng)力學(xué)特征分析也有所側(cè)重,但針對(duì)崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)內(nèi)容仍相對(duì)缺乏。
冶力關(guān)國(guó)家地質(zhì)公園的崩滑—碎屑流發(fā)育史在我國(guó)西部十分罕見(jiàn),雖尚未對(duì)園區(qū)建設(shè)與旅游安全產(chǎn)生影響,但相關(guān)危險(xiǎn)性研究還未見(jiàn)具體報(bào)道,評(píng)價(jià)工作迫切需要進(jìn)行。maxEnt模型是基于機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法的預(yù)測(cè)物種地理分布的生態(tài)位模型[12],即探尋與物種“已知分布位置點(diǎn)”環(huán)境變量特征相同的評(píng)價(jià)單元[13],現(xiàn)已逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)測(cè)[14]、物種生境分析[15]、滑坡易發(fā)性評(píng)價(jià)等[16]方面。鑒于此,本文利用ArcGIS與maxEnt進(jìn)行園區(qū)的崩滑—碎屑流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),探討不同因素對(duì)崩滑—碎屑流的影響,以期為同類型地質(zhì)公園的防災(zāi)減災(zāi)提供新的認(rèn)識(shí)。
研究區(qū)內(nèi)共查明中小規(guī)模的崩滑—碎屑流災(zāi)害點(diǎn)65處,初步確定地形因素、地質(zhì)條件、地震活動(dòng)和氣候條件是崩滑—碎屑流的孕災(zāi)環(huán)境,并提取高程、坡度、地表粗糙度、地層巖性、距斷裂距離、地震動(dòng)峰值加速度、距水系距離、5—9月平均降水量、植被覆蓋度、地表溫度、季節(jié)性凍土凍結(jié)深度為影響因素(表1)。
maxEnt模型的特征函數(shù)f(x,y)可描述x,y的某種定性關(guān)系,當(dāng)x,y滿足特定條件時(shí),特征函數(shù)賦值為1;不滿足特定條件時(shí),特征函數(shù)賦值為0。給定一個(gè)約束條件,將訓(xùn)練數(shù)據(jù)視為隨機(jī)變量(X,Y)產(chǎn)生,用Ep(f)表示特征函數(shù)f(x,y)關(guān)于經(jīng)驗(yàn)分布P(X,Y)的期望,如下式:
(1)
若滿足約束條件,則P(Y|X)關(guān)于函數(shù)f的期望,與經(jīng)驗(yàn)分布關(guān)于f(x,y)的期望相等:
(2)
再轉(zhuǎn)化為求解附帶約束條件的最優(yōu)化問(wèn)題,引入拉格朗日算子x、歸一化指數(shù)exp(1-w),令Zw(x)表示exp(1-w)[18],有:
(3)
表1 影響因素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源
3.1.1 高 程 將研究區(qū)的高程劃分為2 110~2 400 m,2 400~2 600 m,2 600~2 800 m,2 800~3 000 m,3 000~3 900 m共5個(gè)級(jí)別,由圖1A可知,崩滑—碎屑流發(fā)生最多的高程位于2 400~2 800 m,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)37個(gè)km2。
3.1.2 坡 度 坡度反映了地表單元的陡緩程度,是分析崩滑—碎屑流形成條件、危險(xiǎn)性的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將研究區(qū)的坡度劃分為0°~15°,15°~30°,30°~45°,45°~74°,由圖1B可知,崩滑—碎屑流發(fā)生最多的坡度位于15°~30°,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)19個(gè)/km2。
3.1.3 地表粗糙度 地表粗糙度是地球表面粗糙程度的示量,在一定程度上體現(xiàn)了地形起伏的特征,是構(gòu)成崩滑—碎屑流微地貌的重要條件之一。計(jì)算公式如下:
在公司激勵(lì)機(jī)制運(yùn)作中,心理學(xué)是連接激勵(lì)措施與激勵(lì)效果的關(guān)鍵紐帶,也是為員工與公司建立良好關(guān)系的重要橋梁。第一,在公司實(shí)施激勵(lì)的過(guò)程中,需要對(duì)激勵(lì)措施所產(chǎn)生的效果進(jìn)行反饋,修正偏差。隨著激勵(lì)措施所產(chǎn)生的效果,員工的心理會(huì)發(fā)生改變,對(duì)所處崗位產(chǎn)生感知與評(píng)價(jià),從而調(diào)整心理。因此,在調(diào)整激勵(lì)措施時(shí),企業(yè)需要參照員工的心理變化,以使企業(yè)能夠有效地運(yùn)作其激勵(lì)機(jī)制。第二,建立激勵(lì)主體和激勵(lì)客體兩者關(guān)系的橋梁是心理學(xué)。兩者關(guān)系的強(qiáng)化也由心理學(xué)提供媒介,且激勵(lì)主體和激勵(lì)客體兩者心理學(xué)的履約能夠加強(qiáng)彼此之間的溝通,從而強(qiáng)化兩者之間的關(guān)系。
(4)
式中:Fsr為某一點(diǎn)的地表粗糙度;FSlope為某一點(diǎn)的坡度。將研究區(qū)的地表粗糙度劃分為1~1.08,1.08~1.21,1.21~1.46,1.46~2.06,2.06~3.9,由圖1C可知,地表粗糙度為1~1.08時(shí),崩滑—碎屑流分布密度最高,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)25個(gè)/km2。
3.1.4 地層巖性 在一個(gè)區(qū)域內(nèi),可供崩塌、滑坡等形成的固體物質(zhì)量首先取決于地質(zhì)因素,軟弱或軟硬均有分布的巖層易遭到破壞與侵蝕[19],是影響崩滑—碎屑流暴發(fā)的重要地質(zhì)因素。研究區(qū)石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較為破碎,其中崩滑—碎屑流發(fā)育于石炭紀(jì)地層的比例最高,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)41個(gè)/100/km2,其次為二疊紀(jì)地層,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)3個(gè)/km2(圖1D)。
3.1.5 距斷裂距離 研究區(qū)內(nèi)發(fā)育北西向斷裂,其延伸方向是地表巖體的破碎集中帶,斷裂活動(dòng)及其對(duì)地下水的控制作用往往影響著山體危巖區(qū)域的穩(wěn)定程度。將研究區(qū)的距斷裂距離劃分為<1 km,1~2 km,2~3 km,3~5 km,>5 km,65處災(zāi)害點(diǎn)全部分布于距斷裂距離2 km之內(nèi),而距斷裂1 km之內(nèi)發(fā)生了41.5%以上的崩滑—碎屑流,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)18個(gè)/km2(圖1E)。
3.1.6 地震動(dòng)峰值加速度 研究區(qū)屬西秦嶺北緣構(gòu)造區(qū),頻繁的地震活動(dòng)通常使得巖體的破碎程度加劇。65處災(zāi)害點(diǎn)全部分布于地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g的區(qū)域內(nèi),地震引起崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性極高(圖1F)。
3.1.7 距水系距離 現(xiàn)代河流的侵蝕切割作用與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生密切相關(guān),主要水系通常沿河谷分布,河谷下切時(shí)剝蝕形成臨空面,因此水系兩岸多成為地質(zhì)災(zāi)害的形成部位[20]。研究區(qū)的崩滑—碎屑流點(diǎn)多分布于石門河、后山河附近,將距水系距離劃分為<250 m,250~500 m,500~800 m,800~1 000 m,>1 000 m共5個(gè)級(jí)別。從總體上看,距水系500 m之內(nèi)發(fā)育的災(zāi)害點(diǎn)最多,密度達(dá)8個(gè)/km2(圖1G)。
3.1.8 5—9月平均降水量 降水可使得邊坡潛在滑動(dòng)面上的有效應(yīng)力與抗剪強(qiáng)度下降,是誘發(fā)崩滑—碎屑流的水動(dòng)力因素。將研究區(qū)5—9月平均降水量劃分為62~72 mm,72~82 mm兩個(gè)級(jí)別,災(zāi)害點(diǎn)密度分別為15個(gè)/100/km2,28個(gè)/km2(圖1H)。
3.1.9 植被覆蓋度 植被覆蓋度與NDVI之間存在極為顯著的線性相關(guān)關(guān)系,通常根據(jù)兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可提取植被覆蓋信息[21-22],NDVI值的高或低都可能對(duì)崩滑—碎屑流產(chǎn)生不同的影響。NDVI的計(jì)算公式為:
(5)
式中:IR為紅外波段的像素值;R為紅光波段的像素值。以寒生植物為優(yōu)勢(shì)種的草原植被、以粗葉云杉為優(yōu)勢(shì)種的森林植被是研究區(qū)的兩大植被類型。將研究區(qū)的NDVI劃分為0.68~0.81,0.81~0.88兩個(gè)級(jí)別,由圖1I可知,植被覆蓋度為0.68~0.81時(shí),崩滑—碎屑流的分布密度最高,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)28個(gè)/km2。
3.1.10 地表溫度 研究區(qū)位于青藏高原東北緣的高寒區(qū),年均氣溫約3℃,年均地表溫度不超過(guò)11℃,在此氣候條件下物理風(fēng)化作用較為強(qiáng)烈,加速了巖體的風(fēng)化剝蝕。將研究區(qū)的地表溫度劃分為4.74~6.83℃,6.83~7.96℃,7.96~8.84℃,8.84~9.67℃,9.67~11℃共5個(gè)級(jí)別,由圖1J可知,地表溫度在7.96~8.84℃時(shí),崩滑—碎屑流的分布密度最高,災(zāi)害點(diǎn)密度達(dá)21個(gè)/km2。
3.1.11 季節(jié)性凍土凍結(jié)深度 研究區(qū)凍土類型屬淺季節(jié)性凍土,最大季節(jié)凍結(jié)深度不超過(guò)1 m,是高寒區(qū)氣候作用下反復(fù)凍融的顯著特征之一。由圖1K可知,65處災(zāi)害點(diǎn)均分布于淺季節(jié)性凍土區(qū)域之中,引起崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性可能較高。
多重共線性是一個(gè)模型中預(yù)測(cè)變量與其他預(yù)測(cè)變量相關(guān)時(shí)所發(fā)生的條件,為檢驗(yàn)所選取影響因素的獨(dú)立性,需要對(duì)因素的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行多重共線性分析,避免出現(xiàn)因素的高度相關(guān)性而使模型結(jié)果失真[23]。從崩滑—碎屑流災(zāi)害點(diǎn)中隨機(jī)選取80%的樣本點(diǎn)作為maxEnt模型的測(cè)試數(shù)據(jù),并提取每個(gè)樣本所對(duì)應(yīng)的11類影響因素分級(jí)值。方差膨脹系數(shù)(VIF)可用于預(yù)測(cè)變量的相關(guān)性時(shí),度量回歸系數(shù)方差增加的幅度,通常以10作為其判斷邊界,若VIF<10,不存在多重共線性;若10≤VIF<100,存在較強(qiáng)的多重共線性;若VIF≥100,則存在嚴(yán)重的多重共線性。在SPSS軟件中進(jìn)行多重共線性診斷,統(tǒng)計(jì)其方差膨脹系數(shù)與容忍度,根據(jù)分析結(jié)果,所有影響因素的方差膨脹系數(shù)均小于5,容差均小于1,說(shuō)明因素間出現(xiàn)多重共線性的可能性極低(表2)。
根據(jù)maxEnt對(duì)柵格圖層變量與坐標(biāo)數(shù)據(jù)的讀取要求,11類影響因素的柵格數(shù)據(jù)通過(guò)ArcGIS轉(zhuǎn)換為ASCII格式文件,將經(jīng)緯度屬性的崩滑—碎屑流點(diǎn)轉(zhuǎn)換為CSV格式文件。同時(shí)為了消除運(yùn)算隨機(jī)性所帶來(lái)的影響,將maxEnt運(yùn)行次數(shù)設(shè)置為50次,將輸出的ASCII格式數(shù)據(jù)在ArcGIS中轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的GRID格式數(shù)據(jù),輸出類型為FLOAT。研究區(qū)崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性值域?yàn)閇0,1],利用自然斷點(diǎn)法對(duì)結(jié)果進(jìn)行重分類(圖2),將其分為極高危險(xiǎn)區(qū)(0.6~1)、高危險(xiǎn)區(qū)(0.32~0.6)、中危險(xiǎn)區(qū)(0.1~0.32)和極低危險(xiǎn)區(qū)(0~0.1)。
同時(shí),在maxEnt中以“JACKKNIFE”方式輸出11類影響因素對(duì)崩滑—碎屑流危險(xiǎn)性的相對(duì)貢獻(xiàn)率,其中白色柱代表某影響因素單獨(dú)作用下崩滑—碎屑流發(fā)生的概率,白色柱越長(zhǎng),該因素對(duì)崩滑—碎屑流的影響越顯著;網(wǎng)狀柱表示該因素之外的其他變量相對(duì)貢獻(xiàn)率的總和;單斜狀柱表示所有影響因素的相對(duì)貢獻(xiàn)率總和。由圖3可知,在地震動(dòng)峰值加速度、地層巖性、距斷裂距離的單獨(dú)影響下,崩滑—碎屑流的發(fā)生概率均超過(guò)0.75;在高程、距水系距離和坡度的單獨(dú)影響下,崩滑—碎屑流的發(fā)生概率均超過(guò)于0.65。而在11類影響因素的綜合作用下,崩滑—碎屑流的發(fā)生概率超過(guò)0.95。
極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)集中分布于天池冶海景區(qū)、赤壁幽谷景區(qū)、冶木峽景區(qū)和親昵溝景區(qū),區(qū)內(nèi)巖層風(fēng)化程度較高,高程在2 500 m以上,坡度在30°~45°,受地震活動(dòng)影響強(qiáng)烈。極低危險(xiǎn)區(qū)占研究區(qū)面積的83.98%,無(wú)災(zāi)害點(diǎn)分布,而極高危險(xiǎn)區(qū)占比3.75%,分布有42處災(zāi)害點(diǎn),表明隨著崩滑—碎屑流危險(xiǎn)性的升高,災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量與點(diǎn)密度隨之增大,二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表3),與危險(xiǎn)性劃分等級(jí)相一致。
通過(guò)生成影響因素的響應(yīng)曲線,可獲得研究區(qū)崩滑—碎屑流的發(fā)生概率與影響因素之間的規(guī)律(圖4),其中橫坐標(biāo)表示各影響因素的屬性,縱坐標(biāo)表示崩滑—碎屑流的發(fā)生概率。在11類影響因素中,高程、地表溫度與植被覆蓋度的響應(yīng)曲線呈“拋物線”狀,整體為先增大后減小的趨勢(shì),在曲線達(dá)到峰值前,崩滑—碎屑流的發(fā)生概率隨高程、地表溫度與植被覆蓋度的增加而上升;坡度、地層巖性、距斷裂距離、5—9月平均降水量與崩滑—碎屑流的發(fā)生概率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表現(xiàn)為坡度在0°~30°、地層巖性為石炭系灰?guī)r、距斷裂距離2 km之內(nèi)、5—9月平均降水量為72 mm時(shí),崩滑—碎屑流的發(fā)生概率較高;由于地震動(dòng)峰值加速度和季節(jié)性凍土凍結(jié)深度為單一值,故其響應(yīng)曲線為一條水平線,地震動(dòng)峰值加速度對(duì)崩滑—碎屑流的影響最高,而季節(jié)性凍土凍結(jié)深度對(duì)崩滑—碎屑流的影響相對(duì)較低,但在高寒區(qū)氣候條件下,不可忽略反復(fù)凍融時(shí)的凍土凍脹力改變表層巖土體的結(jié)構(gòu)或促使巖體裂隙擴(kuò)大的影響。
圖1 影響因素分級(jí)及災(zāi)害點(diǎn)密度
表2 影響因素方差膨脹系數(shù)及容忍度值
圖2 基于maxEnt的崩滑—碎屑流危險(xiǎn)性分區(qū)
圖3 影響因素的相對(duì)貢獻(xiàn)率
表3 基于maxEnt的崩滑—碎屑流危險(xiǎn)區(qū)統(tǒng)計(jì)
評(píng)價(jià)結(jié)果的精度可通過(guò)ROC曲線進(jìn)行檢驗(yàn),可反映maxEnt在不同閾值時(shí)的敏感性和精確性的趨勢(shì)走向,目前已廣泛、成熟地運(yùn)用于地質(zhì)災(zāi)害分級(jí)評(píng)價(jià)中[24-26]。隨機(jī)選取崩滑—碎屑流點(diǎn)中的80%為訓(xùn)練數(shù)據(jù),20%為測(cè)試數(shù)據(jù),用以評(píng)價(jià)maxEnt運(yùn)行的準(zhǔn)確度。根據(jù)ROC檢驗(yàn)結(jié)果,訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值為0.982,測(cè)試數(shù)據(jù)集的AUC值為0.964(圖5),表明maxEnt運(yùn)行結(jié)果具有很高的精度,適用于研究區(qū)崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
本文初步確定了冶力關(guān)國(guó)家地質(zhì)公園的崩滑—碎屑流孕災(zāi)環(huán)境,梳理了典型崩滑—碎屑流的發(fā)育特征,基于ArcGIS與maxEnt探討了崩滑—碎屑流的危險(xiǎn)性分布,得到如下結(jié)論及認(rèn)識(shí):
(1) 崩滑—碎屑流共發(fā)育65處,集中分布于天池冶海景區(qū)和親昵溝景區(qū),崩滑物源類型以巖質(zhì)為主,發(fā)育地層為石炭系與二疊系,基巖表面多裸露、破碎。部分崩源區(qū)可見(jiàn)零星掉塊與崩塌落石,危巖區(qū)周圍巖體未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象。
(2) 通過(guò)量化11類影響因素對(duì)崩滑—碎屑流的相對(duì)貢獻(xiàn)率,認(rèn)為地震動(dòng)峰值加速度、地層巖性、距斷裂距離是主導(dǎo)因素,高程、距水系距離、坡度和植被覆蓋度對(duì)崩滑—碎屑流也產(chǎn)生較大影響。在高寒區(qū)氣候條件下,極低的地表溫度與反復(fù)凍融的凍脹力不直接誘發(fā)崩滑—碎屑流,但晝夜溫差與季節(jié)性溫差可能加速了巖土體的崩解變形與裂隙的擴(kuò)大。
(3) 極高危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)占研究區(qū)面積的8.71%,災(zāi)害點(diǎn)占比87.69%,災(zāi)害點(diǎn)密度隨危險(xiǎn)性等級(jí)的升高而增加,與危險(xiǎn)性等級(jí)的劃分原則相符、與實(shí)際情況吻合。根據(jù)ROC檢驗(yàn)結(jié)果,訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值為0.982,測(cè)試數(shù)據(jù)集的AUC值為0.964,表明maxEnt適用于研究區(qū)的崩滑—碎屑流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。
(4) 鑒于園區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性,地質(zhì)公園管理部門應(yīng)詳細(xì)評(píng)估崩滑—碎屑流對(duì)旅游線路規(guī)劃及工程建設(shè)的潛在影響,建議以逐點(diǎn)、逐段的方式來(lái)排查相關(guān)隱患,使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具有可操作性。
圖4 崩滑-碎屑流發(fā)生概率與各影響因素的關(guān)系曲線
圖5 基于maxEnt的ROC曲線
致謝:感謝甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院段凱工程師、郭林業(yè)工程師在野外調(diào)查時(shí)提供的協(xié)助;感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部博士生王浩在數(shù)據(jù)處理時(shí)給予的指導(dǎo)。