岳溪柳，黃 玫，全 斌，王昭生，谷曉平

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411201;2.中國科學院 地理科學與資源研究所，北京 100101;3.湖南科技大學 地理空間信息工程實驗室，湖南湘潭 411201;4.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州貴陽 550002)

泥石流是我國西南山區(qū)多發(fā)的地質(zhì)災害之一，由于其突發(fā)性強，影響范圍廣等特點，每年導致的直接經(jīng)濟損失和人員傷亡在各類山地災害中比例較大。迄今為止，泥石流評價的研究主要分為單溝泥石流機理分析［1-4］和區(qū)域泥石流危險性總體評價［5-8］兩類;部分學者也針對個別誘發(fā)因子做了一些深入研究［9-13］。在我國，唐川和劉希林等對區(qū)域泥石流的研究相對較有代表性［14-16］。然而，以往的研究多以歷史泥石流點為主要評價因子，以縣為評價單元，評價結(jié)果缺少驗證，對具體的減災防災及生產(chǎn)實踐指導作用不明顯。因此，本文從引發(fā)泥石流災害的地質(zhì)、地形、水文、植被等自然環(huán)境和人類活動等因素出發(fā)，建立精度為0.000833°(赤道100m)格網(wǎng)單元的泥石流危險性評價模型;以歷史泥石流點作為驗證數(shù)據(jù)參與模型的驗證，用以考證評價模型的準確性。格網(wǎng)單元的區(qū)域泥石流危險性評價可以為當?shù)胤罏臏p災決策及具體的城鄉(xiāng)規(guī)劃提供較為直接的參考建議。

1 研究區(qū)概況

畢節(jié)地區(qū)(圖 1)位于東經(jīng) 105°36'～106°43'，北緯26°21'～27°46'之間，地處貴州高原西部，地勢由西向東傾斜，山高坡陡，全區(qū)總面積26844.5km2，高原山地占93.3%，最高海拔2901m，最低海拔457m，境內(nèi)溝壑縱橫，土地破碎。大部分地區(qū)屬亞熱帶溫涼濕潤季風氣候，年平均降水在848.6～1394.4mm之間，5～9月雨量集中，多為暴雨和大暴雨。境內(nèi)地層出露較齊全，從元古界震旦系至新生界的第四系地層均有分布，出露的巖石以沉積巖為主，碳酸鹽巖類居多;地質(zhì)構(gòu)造強烈，褶皺斷裂交錯發(fā)育，山體邊坡穩(wěn)定性差，地質(zhì)災害頻繁，泥石流災害較為嚴重。

圖1 畢節(jié)地區(qū)行政區(qū)域圖Fig.1 Bijie district boundary map

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預處理

為獲得相關(guān)地形、地質(zhì)構(gòu)造、水文、植被及人類活動等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，本研究搜集了畢節(jié)地區(qū)數(shù)字高層(DEM)數(shù)據(jù)(分辨率為100m)，畢節(jié)地區(qū)地質(zhì)圖(1∶50萬)，畢節(jié)地區(qū)土壤侵蝕數(shù)據(jù)(1∶10萬)，畢節(jié)地區(qū)土地利用類型數(shù)據(jù)(1∶10萬)，畢節(jié)地區(qū)歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)(分辨率為1km)，畢節(jié)地區(qū)植被覆蓋圖(1∶100萬)，以上數(shù)據(jù)均來源于中國科學院地理科學與資源所數(shù)據(jù)中心;搜集了畢節(jié)地區(qū)多年降水數(shù)據(jù)和歷史泥石流災害記錄數(shù)據(jù)，降水數(shù)據(jù)和泥石流災害數(shù)據(jù)分別由貴州省氣象局和貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院獲得。

為獲取相關(guān)的指標信息，文章從數(shù)字高層(DEM)圖提取了坡度、坡向、相對高差及溝谷數(shù)據(jù);從地質(zhì)圖獲取了巖性、斷層數(shù)據(jù)及層級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);從土壤侵蝕數(shù)據(jù)庫、土地利用方式數(shù)據(jù)庫、歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)庫、植被覆蓋圖分別直接獲取土壤侵蝕等級、土地利用方式類型、NDVI值及植被覆蓋率;大于50mm降水日數(shù)、大于25mm降水日數(shù)則由降水數(shù)據(jù)統(tǒng)計獲得。

在數(shù)據(jù)預處理過程中，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一使用GCS_Krasovsky_1940坐標系統(tǒng)和Albers投影。為方便模擬計算，數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)化為分辨率為0.0008333°(相當于赤道100m)的柵格形式，氣象站數(shù)據(jù)插值為空間數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標的選取

泥石流活動是地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候水文、植被覆蓋、人類活動等眾多因素共同作用的結(jié)果。在參考前人區(qū)域泥石流評價研究的基礎(chǔ)上［9，14-21］，本文首先選取土壤侵蝕、坡度、坡向、暴雨日數(shù)、大于25mm降水日數(shù)、相對高差、巖性、土地利用方式、NDVI、到斷層的距離、到溝谷的距離，層級結(jié)構(gòu)、森林覆蓋率等13個因子與歷史災害點進行extract value to points分析，分析發(fā)現(xiàn)土壤侵蝕、坡度、暴雨日數(shù)、巖性、土地利用方式、NDVI、到斷層的距離、到溝谷的距離8個因子與災害點的關(guān)聯(lián)性相對較高且彼此相似度低，故選作本研究的評價指標。因子介紹如下:

土壤侵蝕是地貌、土壤、水文、植被等自然因素與人類活動綜合作用的結(jié)果，土壤侵蝕嚴重的地方往往地表破碎，容易誘發(fā)崩滑流等自然災害［23］。坡度是地形狀況的直接表現(xiàn)，小于45°的坡度利于坡積物的堆積，大于25°以上的坡度是泥石流多發(fā)的坡度范圍，坡度越小，泥石流發(fā)生概率越低［11］。暴雨和大暴雨是畢節(jié)市泥石流災害的主要誘因［24］，泥石流的發(fā)生主要受突發(fā)性降水影響［21］;我國氣象上將24h降水量為50mm或以上的降雨稱為“暴雨”，因此，＞50mm的暴雨日數(shù)作為誘發(fā)泥石流的主要水文因子參與危險性評價。該三項因子反映了誘發(fā)泥石流的固體碎屑物、坡度，突發(fā)性水源三大主要條件。

土地利用方式是人類活動對地表干預的直接體現(xiàn)，旱地、耕地坡體土壤松散，容易發(fā)生泥石流［21］，居民地、工礦地、城鎮(zhèn)用地是泥石流的易發(fā)區(qū)，植被覆蓋域?qū)δ嗍骶哂休^好的抑制作用［10，13］。巖石性質(zhì)是地質(zhì)條件的一個反射，在同等的水熱條件下，不同巖石類型風化程度不一樣，泥巖、碎屑巖的坡體相對頁巖、白云巖坡體而言，更容易發(fā)生泥石流［25］。生長較好的植被具有較強的根莖固土作用和雨水攔截作用，利于緩解坡面的徑流，提高坡體的穩(wěn)定性，因此選擇能反映植被生長狀況的NDVI作為植被因子參與評價。斷層是地質(zhì)構(gòu)造運動強烈的結(jié)果，斷層區(qū)域巖體破壞，易于巖石風化和松散碎屑物質(zhì)堆積，與泥石流的發(fā)生關(guān)聯(lián)性較大［21］，離斷層越近的地方，泥石流發(fā)生的概率越大，因此到斷層的距離作為評價因子之一。離溝谷越近的地方匯集的水量越多，利于巖石孔隙水的囤積，對地表泥沙的沖刷和攜帶能力也越強，坡體的脆弱性降低，發(fā)生泥石流的概率高［12］，因此到溝谷的距離作為地形和水文因子的輔助參與泥石流危險性評價。

2.2.2 指標量化分級

根據(jù)各指標對誘發(fā)泥石流的貢獻程度的大小將每個因子劃分為輕微危險度、一般危險度、中等危險度、較高危險度、極高危險度5個等級，分別對應賦值1～5(表1)，以實現(xiàn)各網(wǎng)格點內(nèi)各因子不同危險度等級的加權(quán)求和。分級依據(jù)如表1中的各科研成果及經(jīng)驗方法所示。

2.2.3 評價因子權(quán)重判定

由于評價因子對泥石流發(fā)生的貢獻度不一樣，因此確定各因子對泥石流危險性貢獻度的大小是泥石流評價過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP)是一種定性與定量相結(jié)合的多目標決策分析法，其基本原理是將待評價的復雜問題分解成若干層次，由專家或決策者對所列指標通過重要程度的兩兩比較逐層進行判斷評分，通過計算判斷矩陣的特征向量確定下層指標對上層指標的貢獻程度或權(quán)重，從而得到基層指標對于總體目標的重要性權(quán)重排序，適合于多目標、多因素復雜系統(tǒng)的分析決策。本文采用AHP決策法，在Excel軟件中構(gòu)建判斷矩陣進行分析，得出判斷矩陣的最大特征根為λmax=8.0169，一致性指標CI=(λmax-n)/(n-1)=0.0024，檢驗指標 CR=CI/RI=0.0017＜0.1，判斷矩陣具有良好的一致性，通過檢驗。評價矩陣與權(quán)重如表2所示。

表1 畢節(jié)市泥石流災害危險性評價指標量化分級Table 1 The classification of debris flow hazard factors in Bijie

表2 評價指標的權(quán)重Table 2 The weights of evaluation factors

2.2.4 危險性評價模型

根據(jù)上述研究分析得到泥石流評價因子及各因子的權(quán)重系數(shù)，通過加權(quán)計算構(gòu)建泥石流危險性的評價模型，其計算公式為:

其中:

H——表示泥石流的危險性值;

i——取值為1 ～8;

x1-x8——表2中的各項因子;

k1-k8——相應因子的權(quán)重值。

3 危險性評價結(jié)果

對各因子進行加權(quán)計算，得出每個柵格的危險性值。泥石流危險性是一個相對的概念，到目前為止還沒有一個特定的劃分標準。自然斷點法是一種根據(jù)數(shù)值統(tǒng)計分布規(guī)律分級和分類的統(tǒng)計方法，它能使類與類之間的不同最大化。因此，文章采用自然斷點法把畢節(jié)地區(qū)的泥石流危險性情況劃分為微度危險區(qū)、輕度危險區(qū)、中度危險區(qū)、重度危險區(qū)、極重度危險區(qū)五個等級，用1～5表示危險程度，數(shù)值越高，危險性越大。利用ARCGIS9.3的空間分析得到畢節(jié)地區(qū)危險等級圖(圖2)。

3.1 評價結(jié)果驗證

為驗證泥石流危險性評價結(jié)果的合理性，本文將歷史泥石流分布數(shù)據(jù)與評價得出的危險等級圖進行疊加，提取每個泥石流點經(jīng)緯度對應的柵格危險度值，統(tǒng)計得到不同危險性等級上的歷史泥石流的個數(shù)(表3)。

結(jié)果顯示，87.1%的歷史泥石流點位于中度危險度以上危險區(qū)域，其中58.07%的泥石流點落在重度以上危險區(qū)。泥石流危險度評價結(jié)果與野外調(diào)查數(shù)據(jù)吻合度較高，符合畢節(jié)地區(qū)歷史泥石流發(fā)生的實際情況。因此，數(shù)據(jù)驗證的方法能夠更好的反映評估結(jié)果的準確性，此種方法具有良好的適用性。

3.2 危險性評價結(jié)果分析

由圖2可以看出，畢節(jié)地區(qū)整個東南部區(qū)域泥石流危險性較高。極重度危險區(qū)主要分布在織金縣、納雍縣、大方縣中南部及赫章縣東北部等中高山地區(qū)。威寧自治縣、赫章縣西部與南部、大方縣北部地區(qū)危險性相對較低。

圖2 泥石流點Fig.2 The risk of debris-flow

經(jīng)統(tǒng)計可得，畢節(jié)地區(qū)極重度危險區(qū)與重度危險區(qū)分別占區(qū)域面積的為6.57%和18.33%，中度以下危險區(qū)占區(qū)域面積的75.1%。(表4)。

表4 不同級別泥石流危險區(qū)面積占研究區(qū)域面積百分比Table 4 Statistic of debris flow hazard assessment results in the study area

4 結(jié)論

本研究基于空間GIS技術(shù)，利用層次分析法對畢節(jié)地區(qū)泥石流災害的危險性進行了評價，得出如下結(jié)論:

(1)畢節(jié)地區(qū)泥石流危險性最大的區(qū)域主要分布在南部的納雍縣，織金縣，赫章縣中部山區(qū)及大方、金沙、畢節(jié)三市縣交匯的大婁山附近區(qū)域。

(2)坡度、土壤侵蝕、巖性、斷層分布等自然因素是影響泥石流發(fā)生的重要因子。泥石流高發(fā)區(qū)的主要特征是:地勢起伏明顯，坡度多為20°以上斜坡地貌，溝谷發(fā)育強烈，土壤侵蝕較為嚴重，斷層分布密集，地質(zhì)構(gòu)造強烈。降水作為泥石流發(fā)生的誘發(fā)因素，與泥石流危險性的高低相關(guān)性不十分明顯。

(3)人類活動對泥石流的發(fā)生具有一定程度的影響。金沙縣、黔西縣、大方縣中南部旱地耕地分布較多，人類活動頻繁，因而地表破壞嚴重，坡體不穩(wěn)定性增強，成為泥石流的多發(fā)區(qū)。

對于地質(zhì)災害評價而言，評價指標的選取與評價模型的建立以及評價因子的準確性是影響評價結(jié)果的關(guān)鍵因素。本研究結(jié)果雖然與歷史泥石流災害的發(fā)生點比較吻合，但在氣象數(shù)據(jù)空間化，評價指標空間匹配等方面具有一定的不確定性，在評價指標的選取方面也不可避免地存在一定的主觀性，探索一種更科學和完善的泥石流危險性評價方法是今后的發(fā)展方向。

［1］鐵永波，唐川.層次分析法在單溝泥石流危險度評價中的應用［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2006，17(4):79-84.TIE Yongbo，TANG Chuan.Application of AHP in single debris flow risk assessment［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17(4):79-84.

［2］鐵永波，唐川，周春花.基于信息熵理論的泥石流溝谷危險度評價［J］.災害學，2005，20(4):7-12.TIE Yongbo， TANG Chuan， ZHOU Chunhua.Information entropy-based hazard assessment of debris flow gully［J］.Journal of Catastrophology 2005，20(4):7-12.

［3］蘇小琴，朱靜，等.四川省瀘定縣深家溝泥石流特征及危險度評價［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2008，19(2):27-31.SU Xiaoqin，ZHU Jing，et al.A characteristics and hazard assessment of debris flow in Shenjia gully of Luding county，Sichuan province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2008，19(2):27-31.

［4］LIYong， LIU Jingjing， HU Kaiheng.Probability distribution of measured debris-flow velocity in Jiangjia Gully，Yunnan Province，China［J］.Natural Hazards，2011，59(1):209-236.

［5］JIANG Xiaobo， CUIPeng.Hazardsassessmentof regional debris flows based in geographic information science［J］.Wuhan University JournalofNatural sciences，2007，12(4):651-656.

［6］原立峰，基于SVM的泥石流危險度評價研究［J］.地理科學，2008，28(2):296-300.YUAN Lifeng.Debris flow hazard assessment based on SVM［J］.Scientia Geographica Sinica，2008，28(2):296-300.

［7］LIU Y，GUO H C，ZOU R，WANG L J.Neural network modeling for regional hazard assessment of debris flow in lakeQionghaiwatershed， china［J］.Environment Geology，2006，49(7):968-976.

［8］HE Y P，XIE H，CUI P.GIS based hazard mapping and zonation of debris flows in Xiaojiang basin，southwestern China［J］.Environmental Geology，2003，45:286-293.

［9］WEI F Q，GAO K C，HU K H，LI Y，Gandner J S.Relationships between debris flows and earth surface factors in Southwest China［J］.Environmental Geology，2008，55:619-627.

［10］羅林.畢節(jié)地區(qū)植被對泥石流控制作用的關(guān)聯(lián)度評價［J］.農(nóng)業(yè)系統(tǒng)科學與綜合研究，1997，13(1):31-33.LUO Lin.Relationalevaluation ofthe function of vegetation cover to control debris flow in Bijie region［J］.System Sciemces and Comprehensive Studies in Agriculture，1997，13(1):31-33.

［11］曾凡偉，徐剛，等.坡面泥石流發(fā)生的坡度閾值研究［J］.地理科學，2005，25(2):244-247.ZENG Fanwei，XU Gang，et al.Critical gradient and debris flow on mountain slope［J］.Scientia Geographica Sinica，2005，25(2):244-247.

［12］LIN Gwofong，Luhsien chen，Junnan lai.Assessment of risk due to debris flow events:a case study in central Taiwan［J］.Natural Hazards，2006，39:1-14.

［13］施雷雷，陳寧生，楊成林，等.娃娃溝流域泥石流活動與植被關(guān)系探討［J］.水土保持研究，2008，15(3):96-99.SHI Leilei，CHEN Ningsheng，YANG Chenglin，et al.Relationships between vegetation and debris flow in wellvegetated Wawagou valley［J］.Research of Soil and Water Conservation，2008，15(3):96-99.

［14］唐川，朱大奎.基于GIS技術(shù)的泥石流風險評價研究［J］.地理科學，2002，22(3):300-304.TANG Chuan，ZHU Dakui.Assessment of debris flow risk of Yunnan province by using GIS［J］.Scientia Geographica Sinica，2002，22(3):300-304.

［15］劉希林.區(qū)域泥石流危險度評價研究進展［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2002，13(4):2-9.LIU Xilin.Advance in research on assessment for degree of regional debris flow hazard［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2002，13(4):2-9.

［16］LIU Xilin.Empirical assessment of debris flow risk on a regional scale in Yunnan province，southwestern China［J］.Environmental Management，2002，30(2):249-264.

［17］劉加龍，等.模糊綜合評判法在泥石流災度評價中的應用［J］.地質(zhì)科技情報，2001，24(2):86-88.LIU Jialong，et al.Fuzzy comprehensive evaluation method to evaluate debris-flows hazard degree［J］.Geological Science and Technology Information，2001，24(2):86-88.

［18］周春花，等.金沙江流域云南段泥石流危險度評價［J］.中國水土保持科學，2006，4(1):65-69.ZHOU Chunhua，et al.Evaluation of debris flow risk of Jinsha river basin in Yunnan province［J］.Science of Soil and Water Conservation，2006，4(1):65-69.

［19］張春山.北京北山地區(qū)泥石流災害危險性評價［J］.北京地質(zhì)，1996，2:11-19.ZHANG Chunshan.Dangerous character assessment of mud-rock flow disaster in the northern mountain of Beijing［J］.Beijing Geology，1996，2:11-19.

［20］李新坡，等.應用GIS和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行泥石流危險度評價的研究——以云南省為例［J］.水土保持學報，2005，12(4):7-9.LI Xinpo，et al.Application of GIS and ANN technology to evaluate the hazard degree of debris:taking Yunnan province as an example［J］.Research of Soil and Water Conservation，2005，12(4):7-9.

［21］方世越，等.城鎮(zhèn)泥石流災害危險度評價方法研究［J］. 甘肅科學學報，2005，17(3):46-48.FANG Shiyue，et al.A method of assessment to study the dangerous degrees of debris flows［J］.Journal of Gansu Sciences，2005，17(3):46-48.

［22］蘇鵬程，倪長健，等.區(qū)域泥石流危險度評價的影響因子識別［J］.水土保持通報，2009，1:128-132.SU Pengcheng，NI Changjian，et al.Factor identification for regional danger degree of debris flow［J］.Bulletin of Soil and Water Conservation，2009，1:128-132.

［23］李景保，梁成軍，等.論土壤侵蝕對山地致災因子鏈的復合效應——以湖南四水流域中上游地區(qū)為例［J］.自然災害學報，2002，11(4):101-105.LI Jingbao，LIANG Chengjun，et al.Compound effect of soil erosion on mountain hazard chain:taking middle and upper drainage area of Four rivers in Hunan province as an example［J］.Journal of Natural Disasters，2002，11(4):101-105.

［24］郭振春.貴州地質(zhì)災害的主要類型和誘因及其預防建議［J］.貴州地質(zhì)，2003，20(2):103-105.GUO Zhenchun.Major types of geological hazards and predisposition in Guizhou and its preventive suggestion［J］.Guizhou Geology，2003，20(2):103-105.

［25］麻秋景，黃會.貴州省銅仁市地質(zhì)災害發(fā)育分布特征及形成條件淺析［J］.貴州地質(zhì)，2009，26(2):154-159.MA Qiujing，HUANG Hui.Distribution characters and causation conditions of geological disaster in Tongren city，Guizhou province［J］.Guizhou Geology，2009，26(2):154-159.