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        基于兩種方法的攀西泥石流易發(fā)性評價對比分析

        2018-04-11 07:18:00徐艷琴白淑英徐永明
        水土保持研究 2018年3期
        關(guān)鍵詞:評價模型

        徐艷琴, 白淑英,2, 徐永明

        (1.南京信息工程大學(xué) 地理與遙感學(xué)院, 南京 210044; 2.環(huán)境保護(hù)部 南京環(huán)境科學(xué)研究所, 南京 210042)

        泥石流是發(fā)生在山區(qū)的包含有水、泥土、巖石的一種特殊洪流,具有流動速度快、沖擊力大、運(yùn)行距離遠(yuǎn)、破壞力強(qiáng)等特點(diǎn),通常會對發(fā)生區(qū)造成巨大損失[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì),1950—2011年全球共發(fā)生大型、特大型泥石流災(zāi)害213次,造成7.8萬人死亡[2]。由全國地質(zhì)災(zāi)害通報可知,2006—2016年中國共發(fā)生1.1萬起泥石流災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全,同時對生態(tài)環(huán)境造成巨大破壞。選取影響形成泥石流的自然地理因子指標(biāo)進(jìn)行泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價具有現(xiàn)實(shí)意義,能為研究區(qū)泥石流災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報及防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

        泥石流易發(fā)性評價常用的因子權(quán)重確定方法有專家打分法、層次分析法、模糊綜合評判法、加權(quán)信息熵法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和多元回歸方法等[3-9]。從因子權(quán)重確定角度上可以歸為兩類,一類是依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)知識對因子賦予權(quán)重,另一類是將專家經(jīng)驗(yàn)知識結(jié)合數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法得到因子權(quán)重。兩種方法對比而言,第一種方法主觀成分大,使得決策不具有普適性,第二種方法結(jié)合了主觀經(jīng)驗(yàn)和客觀數(shù)據(jù),在確定權(quán)重上更為合理,但也存在計(jì)算過程復(fù)雜、受主觀性影響的缺陷。貢獻(xiàn)權(quán)重疊加模型(CWS)和基于確定性系數(shù)(CF)的確定權(quán)重模型結(jié)構(gòu)簡單,應(yīng)用方便,避免了主觀因素的影響,能客觀定量的確定評價因子內(nèi)及因子間對泥石流災(zāi)害的影響權(quán)重。本文結(jié)合實(shí)際選取地質(zhì)、地形、水系等因素的7個因子,采用這兩種方法得到攀西地區(qū)泥石流災(zāi)害易發(fā)性及分區(qū),并對模型結(jié)果進(jìn)行精度評價,對比分析兩種方法的評價結(jié)果,以期為攀西地區(qū)泥石流災(zāi)害易發(fā)性評價提供技術(shù)支撐。

        1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

        1.1 研究區(qū)概況

        攀西位于四川西南部,包括涼山彝族自治州和攀枝花市,轄區(qū)面積6.7萬km2。研究區(qū)地處橫斷山脈東北緣,地勢上由西北向東南傾斜,地形起伏大;地貌以低中山、中山為主,山地占全區(qū)總面積的70%;地質(zhì)構(gòu)造錯綜復(fù)雜,多條大斷裂縱橫其間,地震頻發(fā),巖體結(jié)構(gòu)松散;水系發(fā)達(dá),金沙江、雅礱江及其支流密布;氣候類型屬于南亞熱帶氣候,雨旱季分明,夏季降雨集中且多暴雨。區(qū)內(nèi)水能資源、礦產(chǎn)資源、旅游資源、農(nóng)業(yè)資源、生物資源豐富,經(jīng)濟(jì)發(fā)展以資源開發(fā)為主,是我國西部大開發(fā)的戰(zhàn)略基地,是長江上游重要的生態(tài)屏障。

        受地形地貌、地質(zhì)水文、氣候等多方面影響,攀西地區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā),是長江上游泥石流災(zāi)害高度危險區(qū),特別是喜德、德昌、冕寧、鹽邊、鹽源、攀枝花等區(qū)縣泥石流危害尤為嚴(yán)重,重大泥石流災(zāi)害事件有:德昌縣群發(fā)性泥石流、寧南縣群發(fā)性泥石流、攀枝花市大田鎮(zhèn)泥石流[10]。

        1.2 數(shù)據(jù)源

        研究數(shù)據(jù)包括地形、地質(zhì)、地震、泥石流災(zāi)害相關(guān)數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http:∥www.gscloud.cn/)免費(fèi)發(fā)布的30 m空間分辨率ASTER GDEM的數(shù)字高程數(shù)據(jù)(DEM),坡度、坡向、河網(wǎng)數(shù)據(jù)由DEM數(shù)據(jù)衍生而來;地層巖性和斷層因子通過1∶250萬中國地質(zhì)圖獲?。荒嗍鳛?zāi)害數(shù)據(jù)來自地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)西南山地分中心;地震數(shù)據(jù)來自中國地震信息網(wǎng)(http:∥www.csi.ac.cn/publish/main/837/1077/index.html)的1∶400萬中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖。所有數(shù)據(jù)都經(jīng)相同的投影變換且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和分辨率統(tǒng)一。

        2 研究方法

        2.1 評價因子選取

        影響泥石流形成的因素多且雜,歷史泥石流發(fā)生的分布范圍、數(shù)量等都直接反映了其發(fā)育環(huán)境的地層巖性、地形地貌、地震動力環(huán)境對泥石流的影響和控制作用[11]。此外在攀西地區(qū),河流水系也對泥石流形成具有重要影響。本文在分析研究區(qū)歷史實(shí)際泥石流災(zāi)害發(fā)育特征和形成原因的基礎(chǔ)上,選取7個自然地理因子探討攀西地區(qū)泥石流發(fā)生的潛在可能性。

        地形在一定程度上決定泥石流災(zāi)害發(fā)育的空間規(guī)律。其中高程與泥石流松散堆積物的分布、降水分布、人類活動強(qiáng)度密切相關(guān),從而間接影響泥石流的發(fā)生;坡向不同會導(dǎo)致斜坡體巖石所受物理、風(fēng)化作用差異較大;坡度是影響泥石流固體物質(zhì)補(bǔ)給方式、數(shù)量和泥石流發(fā)生規(guī)模的主要因素。

        地質(zhì)構(gòu)造因素對泥石流發(fā)育的控制作用十分明顯。其中斷裂活動會加劇巖體破壞,同時,崩塌、滑坡也多沿?cái)嗔褞Х植?,形成大量松散固體物質(zhì),為泥石流活動提供了豐富的物質(zhì)來源;不同地層巖性成分和結(jié)構(gòu)影響其遭受風(fēng)化等破壞的難易程度,巖土體是泥石流災(zāi)害發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

        泥石流災(zāi)害一般集中在河流溝谷附近,距離河流的遠(yuǎn)近決定了巖石土體受水體侵蝕作用的強(qiáng)烈,水系的側(cè)蝕作用會導(dǎo)致沿岸坡體失穩(wěn),進(jìn)而容易發(fā)生泥石流。地震活動會導(dǎo)致巖石崩裂,直接激發(fā)崩塌、滑坡等次生災(zāi)害的發(fā)生,增加了松散物質(zhì)來源。

        評價因子的原始數(shù)據(jù)類型既有定性也有定量的,且變化范圍不一致,為方便對泥石流易發(fā)性進(jìn)行評價,根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況結(jié)合相關(guān)專家的研究經(jīng)驗(yàn)[12-14]設(shè)置分級標(biāo)準(zhǔn)對評價因子原始數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化分級,詳見表1。

        表1 泥石流評價因子分級標(biāo)準(zhǔn)

        2.2 確定權(quán)重方法

        2.2.1貢獻(xiàn)權(quán)重模型貢獻(xiàn)權(quán)重疊加(Contribution Weight Superposition,CWS)模型已經(jīng)被多次應(yīng)用于滑坡危險性、滑坡因子敏感性分析上[15-16],該模型是喬建平等[17-18]提出的基于統(tǒng)計(jì)已發(fā)生歷史災(zāi)害的因子貢獻(xiàn)率,進(jìn)而計(jì)算因子等級自權(quán)重和因子間互權(quán)重求出泥石流敏感性指數(shù)。

        構(gòu)建模型的過程包括:(1) 通過分析歷史泥石流災(zāi)害與因子等級之間的關(guān)系,依據(jù)公式計(jì)算貢獻(xiàn)率;(2) 對貢獻(xiàn)率重分類,通過合并和均值化得到自權(quán)重;(3) 通過對貢獻(xiàn)率等級分級求和并標(biāo)準(zhǔn)化,再對標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果均一化得到因子互權(quán)重。

        貢獻(xiàn)率是用來表示因子與泥石流發(fā)生概率的關(guān)系,貢獻(xiàn)率越大表示因子在該條件下發(fā)生泥石流的可能性越大?;仑暙I(xiàn)率計(jì)算需要考慮到滑坡面積、體積、數(shù)量,而本文參照mingtao Ding等[19]改進(jìn)后的泥石流貢獻(xiàn)權(quán)重模型,采取如下公式計(jì)算因子的貢獻(xiàn)率,自權(quán)重及互權(quán)重:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        (6)

        2.2.2基于確定性系數(shù)的確定權(quán)重模型基于確定性系數(shù)(Certainty Factor,CF)的確定權(quán)重模型是通過確定性系數(shù)方法計(jì)算因子的確定性系數(shù)值,進(jìn)而通過各因子確定性系數(shù)值疊加相減的方法確定因子權(quán)重[20-21]。

        模型建立過程包括三部分,(1) 運(yùn)用確定性系數(shù)模型計(jì)算各因子的確定性系數(shù)值,如公式(7)所示:

        (7)

        式中:CF為因子的確定性系數(shù)值,確定性理論是一種用于隨機(jī)不確定性的推理模型,確定性系數(shù)是一個概率函數(shù),稱為可信度,用來分析影響某一事件發(fā)生的各單指標(biāo)的敏感性[14,22]。取值區(qū)間為[-1,1],正值代表泥石流災(zāi)害發(fā)生的確定性高,負(fù)值代表泥石流災(zāi)害發(fā)生的確定性低,接近于0值代表不確定泥石流災(zāi)害是否發(fā)生;PPa為因子a等級中發(fā)生的泥石流災(zāi)害個數(shù)與等級a的面積之比;PPs為整體研究區(qū)內(nèi)泥石流災(zāi)害個數(shù)與研究區(qū)總面積之比。

        (2) 所有影響因子逐級疊加合并CF值,計(jì)算所有因子的相對貢獻(xiàn)值;合并除某因子外其他所有影響因子的CF值,得到除某因子外的其他所有因子的相對貢獻(xiàn)值。

        (8)

        式中:Z為因子疊加合并后的結(jié)果;x,y表示因子的CF值。

        (3) 通過相減的方法得到某計(jì)算因子的相對貢獻(xiàn)值,最后均一化得到各因子相對權(quán)重。

        (9)

        代表所有因子合并后的分段百分比, 表示除某因子外所有因子合并的分段百分比,l(l=1,2,3,4,5)為合并后重分類的等級,均一化后得到因子權(quán)重 。

        2.3 泥石流易發(fā)性模型

        運(yùn)用GIS疊加分析工具,通過疊加相乘求和求出兩種方法計(jì)算得到的泥石流災(zāi)害易發(fā)度S,計(jì)算公式如下:

        (10)

        (11)

        2.4 頻率比模型

        災(zāi)害頻率比是某級別內(nèi)泥石流災(zāi)害所占總災(zāi)害的百分比除以某級別的存在面積比,能夠評價區(qū)劃級別與實(shí)際泥石流點(diǎn)分布的精度。高易發(fā)區(qū)的頻率比值越大,低易發(fā)區(qū)的頻率比值越小,表示評價結(jié)果越合理。

        3 結(jié)果與分析

        研究區(qū)1949—2008年實(shí)際發(fā)生過泥石流災(zāi)害的點(diǎn)有1 519處,利用隨機(jī)抽樣方法抽取總數(shù)據(jù)的80%(1 215處)泥石流數(shù)據(jù)作為分析樣本,運(yùn)用貢獻(xiàn)率權(quán)重疊加模型和確定性系數(shù)模型對研究區(qū)泥石流影響因子進(jìn)行分析,確定各影響因子最有利于泥石流災(zāi)害發(fā)生的數(shù)值區(qū)間,結(jié)果見圖1。最后利用泥石流易發(fā)度模型得到研究區(qū)泥石流易發(fā)度,基于貢獻(xiàn)權(quán)重模型得到的泥石流易發(fā)度值范圍為0.281 7~0.715 0,基于確定性系數(shù)確定權(quán)重模型得到的泥石流易發(fā)度值范圍為0.007 6~0.133 3。利用自然間斷點(diǎn)分級法重分類得到基于兩種方法的泥石流易發(fā)性分區(qū),分為極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)和極低易發(fā)區(qū)(圖2,圖3)。為了檢驗(yàn)評價效果,將泥石流易發(fā)性區(qū)劃圖與304個泥石流檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集疊加,分別統(tǒng)計(jì)各易發(fā)性分區(qū)面積及其覆蓋的泥石流個數(shù),并計(jì)算各級別的頻率比,結(jié)果見表2。

        3.1 影響因子對泥石流災(zāi)害的貢獻(xiàn)分析

        分析因子等級的貢獻(xiàn)率可知,攀西地區(qū)泥石流災(zāi)害頻發(fā)高程范圍在1 ~2.5 km,其中1 ~2 km對泥石流災(zāi)害的貢獻(xiàn)率最高;而通過因子CF值則發(fā)現(xiàn)低于2.5 km的高程范圍對泥石流災(zāi)害發(fā)生的確定性高。高貢獻(xiàn)率區(qū)間范圍內(nèi)的坡向?yàn)闁|北、西南、東、南向;其CF值表明泥石流易發(fā)坡向?yàn)闁|北、南、西南、西坡坡向,而北坡和西北坡發(fā)生泥石流的概率較低。兩種方法都表明坡度小于15°或介于25°~30°的山地更易于導(dǎo)致泥石流災(zāi)害發(fā)生,而坡度大于40°的區(qū)域發(fā)生泥石流災(zāi)害的可能性極低。

        通過斷層因子貢獻(xiàn)率值和CF值可知,對泥石流的主要影響范圍為距斷層0~2 km,距斷裂帶距離大于2 km外,其CF值均為負(fù)值,表明發(fā)生泥石流的確定性很小。兩種方法所得到的地層巖性分類對泥石流災(zāi)害的影響有很大差異,因子貢獻(xiàn)率表明中生界時期的地層巖性更易于發(fā)生泥石流災(zāi)害,CF值則表明泥石流災(zāi)害主要發(fā)生在第四系和下元古界的地層。從巖石性質(zhì)上來講,這3種地層巖性都易于發(fā)生泥石流。

        最易于發(fā)生泥石流災(zāi)害的區(qū)域?yàn)榫嗪恿?~0.5 km范圍內(nèi),距河流越遠(yuǎn)對泥石流的貢獻(xiàn)作用越小,距河流2.5 km外,發(fā)生泥石流的可能性很小。地震動峰值加速度表示地震時地面運(yùn)動的加速度,可以作為確定烈度的依據(jù),其值越大表明地震烈度越強(qiáng)。地震因子CF值表明地震動峰值加速度值大于等于0.2 g時,發(fā)生泥石流的確定性大,且地震動峰值加速度值越大,越易于發(fā)生泥石流災(zāi)害。

        3.2 基于貢獻(xiàn)權(quán)重模型的泥石流易發(fā)性評價結(jié)果與分析

        極高易發(fā)區(qū)的面積(8 623.99 km2)僅占研究區(qū)總面積的12.80%,覆蓋泥石流點(diǎn)個數(shù)最多,占檢驗(yàn)?zāi)嗍鼽c(diǎn)總數(shù)的31.25%;高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)內(nèi)泥石流個數(shù)一致,占泥石流點(diǎn)總數(shù)的26.97%;低易發(fā)區(qū)內(nèi)覆蓋的泥石流點(diǎn)個數(shù)占泥石流總個數(shù)的11.51%;而極低易發(fā)區(qū)內(nèi)分布的泥石流比例僅為3.29%,58.22%的歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)分布在極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)內(nèi)。頻率比能夠評價區(qū)劃級別與實(shí)際泥石流點(diǎn)分布的精度,頻率比值越大,表示評價結(jié)果越合理。易發(fā)性級別從低到高的頻率比依次為:0.20,0.56,0.93,1.27,2.44,從各級別頻率比分布來看,易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果合理(表2)。

        從空間分布來看,極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)主要分布于斷裂帶兩側(cè),中易發(fā)區(qū)主要集中分布于木里縣、鹽源縣、喜德縣內(nèi)的距斷裂帶距離較遠(yuǎn)的地區(qū),低易發(fā)區(qū)和極低易發(fā)區(qū)分散分布于無斷層區(qū)域。

        圖1 各評價因子不同級別的貢獻(xiàn)率及確定性系數(shù)值

        3.3 基于CF確定權(quán)重模型的泥石流易發(fā)性評價結(jié)果與分析

        極高易發(fā)區(qū)面積最小,只占研究區(qū)總面積的13.20%,高易發(fā)區(qū)面積為12 455.63 km2,占總面積的18.49%,極高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)覆蓋的泥石流點(diǎn)數(shù)占檢驗(yàn)?zāi)嗍鼽c(diǎn)總數(shù)的59.54%,27.96%,頻率比分別為4.51,1.51;而中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、極低易發(fā)區(qū)內(nèi)泥石流點(diǎn)個數(shù)分別占總檢驗(yàn)?zāi)嗍鼽c(diǎn)個數(shù)的百分比為7.89%,3.62%,0.99%,頻率比依次為0.36,0.15,0.05,中易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)總面積的21.94%,低易發(fā)區(qū)面積占研究區(qū)面積比例最大,極低易發(fā)區(qū)占研究區(qū)總面積的比例為21.73%(表3)。

        泥石流極高易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)主要分布于攀西中部、南部和東部的雅礱江干流、金沙江干流及其支流安寧河,牛日河一黑水河流域,普雄河一越西河一尼日河流域,昭覺河一西溪河流域,美姑河一留筒河流域的兩側(cè)支溝山地及河谷低山區(qū)、中低山區(qū)。

        中易發(fā)區(qū)大多數(shù)分布在木里藏族自治縣、喜德縣、昭覺縣的中高山區(qū)且距離斷層分布較遠(yuǎn)的區(qū)域。低易發(fā)區(qū)和極地易發(fā)區(qū)主要分布于攀西西北的太陽山,安寧河和金沙江之間的大涼山、魯南山等高山區(qū)。

        表2 基于CWS模型的易發(fā)性區(qū)劃統(tǒng)計(jì)

        圖2 基于CWS的泥石流易發(fā)性區(qū)劃

        圖3 基于CF確定權(quán)重模型的泥石流易發(fā)性區(qū)劃

        易發(fā)等級面積/km2面積百分比/%泥石流點(diǎn)數(shù)/個泥石流百分比/%頻率比極低易發(fā)區(qū)14639.3221.7330.990.05低易發(fā)區(qū)16610.0824.65113.620.15中易發(fā)區(qū)14782.9321.94247.890.36高易發(fā)區(qū)12455.6318.498527.961.51極高易發(fā)區(qū)8893.0213.2018159.544.51

        4 結(jié)論與討論

        通過分析自然地理因子對泥石流災(zāi)害的貢獻(xiàn)性發(fā)現(xiàn)泥石流高易發(fā)區(qū)的影響因子數(shù)值區(qū)間為:高程在1 000~2 000 m;坡度小于40°;第四系、中生界、下元古界地層;坡向?yàn)镹E,SW,E,S;距斷層和河流0~2 000 m范圍內(nèi);地震動峰值加速度大于等于0.2 g。

        兩種方法所得出的泥石流易發(fā)性區(qū)劃結(jié)果具有空間分布上的一致性和局部的差異性,整體與攀西實(shí)際泥石流分布相似。依據(jù)易發(fā)性分區(qū)及各分區(qū)內(nèi)包含的歷史泥石流災(zāi)害點(diǎn)個數(shù)來看,基于CF的確定權(quán)重模型考慮了因子等級面積與泥石流災(zāi)害發(fā)生的個數(shù),所得到的易發(fā)性評價成果很好的體現(xiàn)了泥石流分布情況,更符合實(shí)際結(jié)果。基于貢獻(xiàn)權(quán)重模型所得到的易發(fā)性分區(qū)面積梯度較好,但中易發(fā)區(qū)內(nèi)所含泥石流災(zāi)害點(diǎn)個數(shù)與較高易發(fā)區(qū)內(nèi)所含泥石流點(diǎn)個數(shù)一致,沒有得到很好的區(qū)分。

        基于CF確定權(quán)重模型得到的泥石流極高、高易發(fā)區(qū)沿攀西中部、南部和東部的斷裂帶兩側(cè)和雅礱江、金沙江及其支流沿岸分布,中易發(fā)區(qū)大多分布在海拔高且距河流較遠(yuǎn)地區(qū),低易發(fā)區(qū)和極低易發(fā)區(qū)則分布于太陽山、大涼山、魯南山等高山區(qū),可確定為最終評價結(jié)果。

        利用兩種方法對攀西地區(qū)進(jìn)行泥石流易發(fā)性評價,高易發(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)分布廣泛,低易發(fā)區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)則分布較少,能夠綜合反映研究區(qū)的泥石流災(zāi)害分布發(fā)育規(guī)律,對區(qū)域宏觀經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和災(zāi)害防治提供依據(jù)。本文主要探討形成松散堆積物質(zhì)的自然地理因子對泥石流易發(fā)性的影響,未考慮降雨、土地利用等對泥石流易發(fā)性的影響,且搜集到的研究區(qū)的地質(zhì)圖、地震圖等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分辨率較低,影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性,有待進(jìn)一步的數(shù)據(jù)收集以提高評價精度。

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