朱吉祥，張禮中，周小元，王 乾，陸 琰

(中國地質(zhì)科學院 水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，河北 石家莊 050061)

1 滑坡易發(fā)性研究

滑坡是世界上危害最大的自然災(zāi)害之一，對人類的生存與經(jīng)濟的發(fā)展造成了嚴重威脅[1]，因此制定有效的滑坡災(zāi)害預(yù)防與治理措施是各國政府相關(guān)部門的重要工作內(nèi)容，而滑坡易發(fā)性區(qū)劃是其中的關(guān)鍵[2]?；乱装l(fā)性區(qū)劃是利用已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)對研究區(qū)滑坡發(fā)生的概率進行分析，以評估未來發(fā)生滑坡的風險性[3]。但是，由于滑坡演變機制的非線性[4]，使得目前無法對滑坡是否發(fā)生作出明確的判斷，因此基于風險分析的滑坡易發(fā)性區(qū)劃必然存在一定的不確定性。如何降低不確定性，使區(qū)劃結(jié)果能夠更準確地揭示滑坡發(fā)生的規(guī)律，是目前滑坡研究中一項十分困難且迫切的工作[5]。滑坡易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果的不確定性一方面是由于評價方法與滑坡本身的“非兼容性”(評價方法對數(shù)據(jù)的要求與滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的多樣性，評價方法約束條件與滑坡發(fā)生機制的開放性等)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、評價過程中產(chǎn)生的誤差等客觀因素造成的，另一方面則是由于滑坡本身的尺度特征引起的。

2 滑坡易發(fā)性研究的尺度效應(yīng)

尺度是自然過程抑或觀測研究在空間、時間或時空域上的特征量度[6-7]，凡是與地球參考位置有關(guān)的數(shù)據(jù)都具有尺度特性。作為一定時間和空間內(nèi)的自然現(xiàn)象，滑坡自身必然內(nèi)蘊尺度的相關(guān)性質(zhì)，同時滑坡的影響因素(地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造等)作為區(qū)域性的自然條件，其表征特性(面積、形態(tài)等)和演變過程等也會受到尺度的影響?；碌某叨忍卣魇瞧鋬?nèi)在固有屬性之一，而作為滑坡分析與評價的對象，滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的尺度特征必然會影響區(qū)劃結(jié)果的不確定性，因此研究滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的尺度特征對于分析滑坡易發(fā)性具有重要的實際意義。在區(qū)劃過程中，如果忽略監(jiān)測資料的時態(tài)分布特征，對所有監(jiān)測數(shù)據(jù)默認為同等重要程度參與評價，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累，滑坡影響因素的權(quán)重可能會出現(xiàn)“平均化”的現(xiàn)象。

3 國內(nèi)外利用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行滑坡易發(fā)性研究的現(xiàn)狀

滑坡易發(fā)性區(qū)劃是將研究區(qū)按照滑坡發(fā)生的概率進行等級劃分，具有相同等級的區(qū)域，滑坡發(fā)生的概率相等[7]。目前，滑坡易發(fā)性區(qū)劃普遍遵循過去與現(xiàn)在是認識未來的關(guān)鍵的原則。因此，滑坡易發(fā)性區(qū)劃是對歷史滑坡點的位置、類別、規(guī)模、活動特征、發(fā)生時間以及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析的結(jié)果[7]。

尺度是任何滑坡易發(fā)性區(qū)劃必然要涉及的一個問題[8]，F(xiàn)ell等[7]認為特定規(guī)模的滑坡易發(fā)性區(qū)劃必須在相應(yīng)的尺度下進行，以使評價所必需的信息可以顯示在相應(yīng)的比例尺圖層中。Cascini[9]的研究表明，參與區(qū)劃的數(shù)據(jù)必須具有合適的分辨率與質(zhì)量。Fell、Cascini等[7，9]從尺度的規(guī)模出發(fā)，將用于滑坡易發(fā)性區(qū)劃的方法分為三類：基于地形學、地貌學與地質(zhì)學數(shù)據(jù)的啟發(fā)式、經(jīng)驗類方法，適用于大尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃；基于概率統(tǒng)計的中間過渡類方法，適用于中尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃；利用水文地質(zhì)、巖土工程類數(shù)據(jù)的確定式方法，適用于小尺度的滑坡易發(fā)性區(qū)劃。結(jié)合目前國內(nèi)外滑坡易發(fā)性區(qū)劃在尺度方面的研究現(xiàn)狀，歸納出基于不同比例尺的滑坡易發(fā)性區(qū)劃對評價方法、區(qū)劃面積、應(yīng)用范圍與目標等的要求(表1)。

表1 不同比例尺下滑坡易發(fā)性區(qū)劃對應(yīng)的尺度、評價方法、面積與應(yīng)用范圍[9-10]

目前滑坡易發(fā)性區(qū)劃主要是采用離散化的區(qū)劃單元格進行易發(fā)性計算，區(qū)劃單元格大小的確定主要取決于滑坡的類型、研究的尺度、信息挖掘工具的性能以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的質(zhì)量、分辨率、尺度等[8]。文獻[11]提出了幾種確定區(qū)劃單元格的方法。Michele Calvello 等人的研究直接給出了不同尺度下地形區(qū)劃單元的大小[8](表2)。

表2 不同尺度下地形區(qū)劃單元的大小[8]

滑坡的尺度研究主要集中于監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間尺度特征，而時間尺度特征研究的重點在于對單個滑坡演變機制的物理模擬[12]；對于區(qū)域性的滑坡易發(fā)性區(qū)劃，目前國內(nèi)外相關(guān)研究成果較少，比較有代表性的是程謙恭等[13]利用多種時間尺度的方法對我國近5 000年滑坡群發(fā)周期進行相關(guān)分析。

4 滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的時序性特征分析

滑坡的監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅包括滑坡的位置、形態(tài)、失穩(wěn)機制、誘發(fā)因素、發(fā)生頻度以及規(guī)模等具有空間屬性的數(shù)據(jù)，同時也包括滑坡發(fā)生的時間、監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征等[1]。監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征是指監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間的變化過程與趨勢。分析現(xiàn)有的滑坡評價研究成果，對不確定性的研究除了克服由評價方法自身缺陷帶來的偏差之外，主要的研究方向是分析空間尺度效應(yīng)對評價不確定性的影響[14]；而在時間尺度方面，對于滑坡易發(fā)性區(qū)劃的研究主要還是以“靜態(tài)”為主，原因之一是相關(guān)滑坡影響因素演變的緩慢性，但是隨著全球極端自然現(xiàn)象的頻發(fā)[15]以及人類活動對環(huán)境影響的加劇[16]，滑坡的演變進程大大加快，時間尺度效應(yīng)對滑坡易發(fā)性區(qū)劃不確定性的影響逐漸凸顯。監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征是滑坡時間尺度特征的重要表現(xiàn)，能夠清楚地表征研究區(qū)滑坡的演變進程。分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征，對于研究時間尺度特征對滑坡易發(fā)性區(qū)劃不確定性的影響，具有比較重要的理論價值。

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征與研究區(qū)滑坡演變規(guī)律的相關(guān)性

滑坡是一個動態(tài)演變的非線性系統(tǒng)，是其背景條件相互作用的“極端結(jié)果”，包含一定的必然性，這種必然性不僅是指滑坡發(fā)生的位置、規(guī)模，同時也包括滑坡發(fā)生的時間。因此，作為滑坡信息載體的監(jiān)測數(shù)據(jù)在時間上的非平穩(wěn)性分布特征也應(yīng)當包含一定的必然性，這種必然性是由研究區(qū)滑坡的演變進程決定的。由于控制滑坡演變與發(fā)生的影響因素存有規(guī)律性，所以這種必然性對于特定區(qū)域的滑坡演變進程而言，最終會導致監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征呈現(xiàn)出與之對應(yīng)的規(guī)律性特征。因此，監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征是研究區(qū)滑坡演變進程的重要表征之一。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)集的選擇對滑坡易發(fā)性評價的影響

不同時期的滑坡監(jiān)測數(shù)據(jù)反映的是當時研究區(qū)的滑坡演變情況。根據(jù)滑坡演變的非線性特征，從理論上講，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的區(qū)域地質(zhì)評價應(yīng)當是實時的，但是由于實時獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)往往因數(shù)據(jù)量不足而無法反映研究區(qū)的滑坡信息，因此這種實時的區(qū)域滑坡評價思路目前在技術(shù)上無法實現(xiàn)。同時由于滑坡演變的緩慢性與繼承性，特定時間段內(nèi)的具有相同地質(zhì)環(huán)境背景的滑坡的發(fā)生往往具有一定的相關(guān)性，因此這種基于實時數(shù)據(jù)的評價方式?jīng)]有太大的實際意義。目前主流的評價思路均是對一定時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)集進行分析，但在選取監(jiān)測數(shù)據(jù)進行評價時并不是越多越好，因為對于同一研究區(qū)而言，監(jiān)測數(shù)據(jù)越多意味著監(jiān)測時間越長，利用大時間尺度的監(jiān)測數(shù)據(jù)參與評價有可能使評價的不確定性積累放大，更為嚴重的是，控制研究區(qū)滑坡發(fā)生的主因素可能已經(jīng)在如此長的時間段內(nèi)發(fā)生改變，利用主因素變化前后的監(jiān)測數(shù)據(jù)參與評價可能導致評價結(jié)果產(chǎn)生重大的偏差。

4.3 影響因素權(quán)重確定的滯后性

權(quán)重的大小表征影響因素在整個滑坡演變進程中的重要程度，權(quán)重的確定是整個評價過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。影響因素權(quán)重的確定要依據(jù)一定時間段的歷史資料作出判斷，這種歷史資料包含的是當時的滑坡演變信息。由于區(qū)域滑坡演變的非線性，導致不同時期的滑坡演變機制必然存在差異，因此基于這類監(jiān)測數(shù)據(jù)的權(quán)重確定方式獲取的是該監(jiān)測時段內(nèi)過去與現(xiàn)在的“均值”。對于研究最新的區(qū)域滑坡演變進程而言，這種權(quán)重的確定方式具有一定的滯后性，這也是導致目前滑坡易發(fā)性評價存在不確定性的因素之一。

5 我國典型滑坡演變類型的劃分

滑坡演變類型是指滑坡在自然與人為動力因素作用下隨時間的演變過程與趨勢。利用全國主要城市環(huán)境地質(zhì)綜合評價項目的相關(guān)成果數(shù)據(jù)，運用時序性分析理論，對具有不同地質(zhì)環(huán)境條件的滑坡演變進行比較分析，初步確定了穩(wěn)定型、生長型、衰弱型以及隨機型等4種演變類型(圖1)。

5.1 穩(wěn)定型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測數(shù)隨時間變化不大，即滑坡監(jiān)測數(shù)Z(t)隨時間t變化很小[圖1(a)]，對于任意時段t1與t1+k而言，有Z(t1) =Z(t1+k)。確定該類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準時態(tài)分布曲線為

Z(t)=μt

(1)

穩(wěn)定型演變類型主要受演變較慢的背景因素控制，如地層巖性、地形地貌等，主要發(fā)生于地層穩(wěn)定、巖性變化緩慢、降水較少的地區(qū)。

5.2 生長型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測數(shù)隨時間變化呈趨勢性上升，即滑坡監(jiān)測數(shù)Z(t)隨時間t波動增加[圖1(b)]。生長型演變類型是一種典型的非平穩(wěn)性過程，利用確定性趨勢模型確定該類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準時態(tài)分布函數(shù)為

Z(t)=α1t+at0(a1>0)

(2)

式中：α1為滑坡數(shù)隨時間t的增長率；at0為初始監(jiān)測時間點的歷史滑坡數(shù)。

圖1 我國4種典型的滑坡演變類型

生長型演變類型是一種發(fā)育中的滑坡發(fā)生機制，表明區(qū)域范圍內(nèi)影響滑坡演變與發(fā)生的某個或某幾個因素的活動性增強，例如大型水庫修建導致區(qū)域范圍內(nèi)的巖體內(nèi)部應(yīng)力集中而產(chǎn)生的滑坡,震后位于斷裂帶地區(qū)的土體、巖體失穩(wěn)而產(chǎn)生的滑坡等。

5.3 衰弱型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測數(shù)隨時間變化呈趨勢性下降，即滑坡監(jiān)測數(shù)Z(t)隨時間t波動減少[圖1(c)]。衰弱型演變類型也是一種典型的非平穩(wěn)性過程，利用確定性趨勢模型確定該類型監(jiān)測數(shù)據(jù)的標準時態(tài)分布函數(shù)為

Z(t)=α2t+at0(a2<0)

(3)

式中：α2為滑坡數(shù)隨時間t的減少率。

衰弱型演變類型是區(qū)域范圍內(nèi)滑坡的動力源與物質(zhì)源逐步減少，影響因素的活動性趨于平穩(wěn)，這類演變類型廣泛分布于社會化程度較高的城市及其周邊地區(qū)，這些地區(qū)一般地質(zhì)構(gòu)造比較穩(wěn)定、人為治理程度較高。

5.4 隨機型

該演變類型是指滑坡監(jiān)測數(shù)隨時間呈現(xiàn)出沒有規(guī)律的變化過程[圖1(d)]。隨機型演變類型是一種由誘發(fā)因素控制的滑坡發(fā)生機制，常見的誘發(fā)因素包括降水、地震等。這類演變類型沒有統(tǒng)一的標準函數(shù)，往往與誘發(fā)因素的時序性特征具有很好的相關(guān)性。

需要說明的是，由于自然條件的復(fù)雜性，導致滑坡發(fā)生的內(nèi)動力與外動力可能同時存在，因此區(qū)域范圍內(nèi)往往不止存在一種滑坡演變類型，更普遍的是多種演變類型組合存在，常見的組合類型包括穩(wěn)定型與降水隨機型組合、生長型與降水隨機型組合等。

6 結(jié) 語

(1)滑坡的演變與發(fā)生依賴于特定的時空尺度，但是由于滑坡演變的非線性與空間介質(zhì)的非均質(zhì)性，導致區(qū)域滑坡易發(fā)性分析與評價必然包含有尺度效應(yīng)產(chǎn)生的不確定性。監(jiān)測數(shù)據(jù)作為滑坡的信息載體，不僅包含滑坡的空間分布信息，而且一定時間序列的監(jiān)測數(shù)據(jù)也包含滑坡在時間上的演變信息。

(2)由于人類活動與自然界極端事件頻繁，導致各滑坡影響因素的演變進程大大加快，使得時間效應(yīng)對滑坡易發(fā)性評價的影響凸顯，原有的靜態(tài)評價思路可能會產(chǎn)生一定的誤差，而利用監(jiān)測數(shù)據(jù)的時態(tài)分布特征可以獲取滑坡的演變進程，以修正評價過程的“靜態(tài)性”缺陷，有助于提高評價結(jié)果的精度。

(3)通過對我國不同地形地貌單元與地質(zhì)構(gòu)造下的滑坡演變過程進行比較性分析，總結(jié)了穩(wěn)定型、生長型、衰弱型與隨機型等4種典型的滑坡演變類型。不同滑坡演變類型的主控因素、作用機制等不同，這對于修正滑坡易發(fā)性的評價方法與思路、提高評價結(jié)果具有比較重要的意義。

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