屈飛行，張 菁，湯明高

（1.廣東省地質(zhì)災(zāi)害應(yīng)急搶險技術(shù)中心，廣州510425；2.成都理工大學 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)災(zāi)害環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059）

0 引 言

地質(zhì)災(zāi)害是在自然或人為因素作用下形成的對人類生命財產(chǎn)和環(huán)境造成破壞的地質(zhì)作用或地質(zhì)現(xiàn)象［1］。據(jù)中國國家統(tǒng)計局統(tǒng)計，僅2013年中國就發(fā)生了15 374起地質(zhì)災(zāi)害，其中滑坡9 832起，崩塌3 288起，泥石流1 547起，共造成929人傷亡，傳統(tǒng)的地質(zhì)災(zāi)害防治工程措施已經(jīng)不能滿足實際安全需求［2］。地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是開放系統(tǒng)下的一個非線性過程，而危險性評價則是對地質(zhì)環(huán)境在自然或加速演化結(jié)果下的一個發(fā)生概率區(qū)間判斷，是一種有效的防災(zāi)減災(zāi)方法［3］。經(jīng)過多年的發(fā)展，地質(zhì)災(zāi)害危險性評價形成了由評價單元、評價指標體系、評價方法、危險性評價、評價結(jié)果有效性驗證和危險性區(qū)劃及應(yīng)用等六個部分構(gòu)成的較為完整的評價體系，且已有多位學者在不同時間對地質(zhì)災(zāi)害危險性評價現(xiàn)狀進行了總結(jié)概括［4-14］，但少有人詳細闡述整個流程及各步驟需注意事項。因此，現(xiàn)階段對前期學者的研究成果進行分析和歸納總結(jié)，對未來發(fā)展方向進行合理展望具有承前啟后的重要意義，也為后續(xù)新從事該領(lǐng)域研究的學者提供一個邏輯完整的基礎(chǔ)理論。

1 評價單元

評價單元指地質(zhì)災(zāi)害危險性評價中的最小基本單元，包含大小和形狀兩方面內(nèi)容，而在理論研究和實踐應(yīng)用中常默認選擇原始影像柵格單元作為評價單元，忽略了地質(zhì)災(zāi)害與評價單元的內(nèi)在關(guān)系。目前，評價單元常按其形狀分為規(guī)則單元和不規(guī)則單元，采用不同的評價單元時所構(gòu)架的危險性評價指標體系亦有所不同［4］。

1.1 規(guī)則單元

規(guī)則單元柵格形態(tài)多為正方形，每個單元內(nèi)含有該柵格圖層的屬性信息。此種評價單元雖有助于數(shù)據(jù)的計算和輸出管理，但割裂了地質(zhì)要素的整體性，導致整體計算量增大。目前，在對規(guī)則單元大小進行選擇確定時，常采用李軍、周成虎［15］所給出的經(jīng)驗公式：

其中：GS為適宜格網(wǎng)大??；S為原始等高線數(shù)據(jù)精度的分母。

1.2 不規(guī)則單元

不規(guī)則單元包括地域單元、斜坡單元、流域單元和行政單元四類［16-22］，使用時應(yīng)依據(jù)原始資料精度、災(zāi)害類型、評估組人員知識結(jié)構(gòu)和應(yīng)用領(lǐng)域等方面進行綜合選擇。

地域單元多為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害調(diào)繪工作基本單元，以地層巖性和地形地貌分界線為依據(jù)，對每個地域單元進行地質(zhì)災(zāi)害與孕災(zāi)因子相關(guān)性分析，進而完成各個地域單元的危險性評價工作。進行地域單元劃分時，可采用“地+空”雙重手段進行分化，這種方法對原始地質(zhì)資料詳細度和RS解譯人員的技術(shù)水平要求較高。

斜坡單元可用于區(qū)域滑坡或泥石流物源危險性評價。工程地質(zhì)原理分析和野外實際調(diào)查均證明了斜坡單元作為危險性評價單元是合理有效的［16］。斜坡單元的劃分方法有兩種，一是根據(jù)坡度、坡向、山脊線、山谷線、臺地邊界和寬谷邊界等作為指標完成劃分，二是將合理填洼后的集水流域和反向集水流域相融合，得到由匯水線與分水線所組成的斜坡單元［21］。斜坡單元具有完整的地學概念，更符合災(zāi)害的實際形態(tài)，劃分流程簡單，但要求研究區(qū)不能含有較大的凹陷盆地和開闊山谷等地形地貌。

流域單元常用于泥石流危險性評價，采用GIS的Rivertools工具對DEM圖進行自動提取，完成小流域剔除或合并后即可獲取［22］。以流域單元為評價單元時，側(cè)重地表水徑流對地質(zhì)災(zāi)害的誘發(fā)作用，同時常將植被覆蓋度作為影響因子之一，所構(gòu)建的評價指標體系與其他評價單元的評價指標體系差別較大［22］。

行政單元常作為省市級政府防災(zāi)減災(zāi)工作的規(guī)劃單元，以區(qū)（縣）、鎮(zhèn)和村為評價單元，針對各個行政區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害類別和時空分布規(guī)律進行，便于后期管理和應(yīng)急避難危險性評價，評價過程中側(cè)重人與自然的相互作用方式和后果評估［19］。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標體系

2.1 評價指標數(shù)據(jù)來源

地質(zhì)災(zāi)害編目是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中最為重要的數(shù)據(jù)，理想的編目數(shù)據(jù)庫應(yīng)包含時間、空間和屬性等三類指標，可利用多時相遙感影像解譯和野外調(diào)查資料分析構(gòu)建。區(qū)域地質(zhì)環(huán)境數(shù)據(jù)多以不同時期的遙感影像圖、地質(zhì)圖和野外地質(zhì)調(diào)查資料為主要數(shù)據(jù)來源，不同的地質(zhì)環(huán)境指標組合和精度對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害評價的適宜度不同（表1）。誘發(fā)因素具有強烈的時間性，不同時段下該指標對危險性評價影響度不同。

此外，我國已建立多個地質(zhì)數(shù)據(jù)平臺，如地球系統(tǒng)科學數(shù)據(jù)共享平臺、中國地質(zhì)科學院地質(zhì)科學數(shù)據(jù)共享網(wǎng)、地理空間數(shù)據(jù)云、地質(zhì)云門戶網(wǎng)等，從業(yè)人員可注冊登錄免費下載相關(guān)數(shù)據(jù)，而諸如行政區(qū)劃圖、河流水系、道路分布等圖件可從相關(guān)政府機關(guān)門戶網(wǎng)站下載，完成相關(guān)矢量化處理后即可在GIS平臺使用。

2.2 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析

數(shù)據(jù)質(zhì)量分析包括數(shù)據(jù)準確率、精密度、不確定性、誤差等四方面內(nèi)容。收集及處理數(shù)據(jù)時會對數(shù)據(jù)質(zhì)量造成不確定性影響，如基礎(chǔ)資料不完備、解譯結(jié)果未經(jīng)野外驗證、不同比例尺數(shù)據(jù)混合使用、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之間時間不連續(xù)等。依據(jù)數(shù)據(jù)來源和處理方法對常用的評價指標易受影響程度進行歸納，如表2所示。

2.3 評價指標體系類別

地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的基本假設(shè)是未來發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害形式和程度與已發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害形式和程度是基本一致［12-13］，而該假設(shè)成立的前提是評價時間是在同一個地質(zhì)災(zāi)害演化周期內(nèi)且區(qū)域地質(zhì)活動性基本穩(wěn)定［14，23］。因此，依據(jù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境指標體系所處演化階段和區(qū)域活動程度，可將評估指標體系分為常規(guī)評價指標體系和斜坡活動性狀態(tài)指標體系。

表1 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價相關(guān)資料收集方法及適宜度

表2 常用評價指標數(shù)據(jù)質(zhì)量易受影響度［14］

2.3.1 常規(guī)評價指標體系

地質(zhì)災(zāi)害危險性常規(guī)評價指標體系是地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)因子的有機組合，各個指標之間的相互影響、共同作用最終導致地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生［24-31］，具體分為地形地貌指標、區(qū)域地質(zhì)環(huán)境指標和外界誘發(fā)指標三類。

地形地貌指標包括坡度、坡向、坡形、地形起伏度、高程等指標，此類指標反映了自然態(tài)下區(qū)域地質(zhì)環(huán)境與外界的物質(zhì)、能量交換幅度，屬于三維空間形態(tài)指標；區(qū)域地質(zhì)指標包括工程地質(zhì)巖組、大地構(gòu)造發(fā)育指標、斜坡結(jié)構(gòu)等指標，反映的是三維空間物質(zhì)基礎(chǔ)及其及其組合形式；外界誘發(fā)指標包括地震、降雨、人類工程活動等指標，反映三維空間的運動形式和外界相互作用方式。以上三類指標雖較好的地涵蓋了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生所需的物質(zhì)、環(huán)境和動力，但本質(zhì)上和危險性評價的概念有所沖突，危險性評價是以現(xiàn)狀評價未來，評估的是現(xiàn)在到未來的一種連續(xù)狀態(tài)，而上述指標未能將考慮自然災(zāi)害從無到有的演化過程中不同階段的孕災(zāi)度和外部環(huán)境響應(yīng)度影響進行考慮，缺乏時間尺度上的延續(xù)。

2.3.2 斜坡活動性狀態(tài)評價指標體系

斜坡演化具有周期性，World Landslide Inventory依據(jù)活動性的時序性將斜坡的活動性分為活動狀態(tài)、暫停狀態(tài)、復活狀態(tài)和靜止狀態(tài)［32］4類。斜坡的變形可分為初始變形、勻速變形和加速變形階段3個階段（圖1），這與斜坡活動性狀態(tài)分級具有良好的一致性。不同活動性狀態(tài)的斜坡具有不同的變形曲線（圖2）。對不同變形階段的災(zāi)害進行野外調(diào)查和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，可將斜坡活動性分為以下4個階段［33-35］：① 活動性弱：暫停的、休眠的斜坡，變形趨于零，處于穩(wěn)定狀態(tài)；② 活動性較弱：活動的或復活的、初始變形的斜坡（變形-時間曲線緩慢增長，地表以水土流失、沖刷等表生改造為主），處于基本穩(wěn)定狀態(tài)；③活動性較強：活動的或復活的、等速變形的斜坡（變形-時間曲線勻速增長，地表以出現(xiàn)裂縫等時效變形為主），處于欠穩(wěn)定狀態(tài)；④活動性強：活動的或復活的、加速變形的斜坡（變形-時間曲線加速增長，地表以出現(xiàn)小崩小塌、塊石掉落、裂縫變寬加深趨于貫通等累進性破壞為主），處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 斜坡變形三階段示意圖

圖2 斜坡活動/復活狀態(tài)的變形-時間曲線

斜坡活動性判斷方法依據(jù)可分為以下3類［35］：（1）測量法：以測量法獲取形變值為依據(jù)；（2）綜合判斷法：以安全系數(shù)、變形速率、變形加速度等多指標為依據(jù)；（3）累計位移-時間曲線判斷法：依據(jù)變形曲線形態(tài)為依據(jù)（圖3）。結(jié)合上述斜坡活動性判斷方法，可以區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害密度作表征研究區(qū)整體活動性基礎(chǔ)，構(gòu)建斜坡活動性評價指標體系（圖4）。

圖3 斜坡活動性判斷方法

圖4 斜坡活動性狀態(tài)評價指標體系

3 評估模型與評估方法

依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)類型、分析過程和評估原理，地質(zhì)災(zāi)害危險性評價模型總體來說可分為知識驅(qū)動型、數(shù)據(jù)驅(qū)動型和確定性方法三類［6］，同時地質(zhì)災(zāi)害編目、地質(zhì)環(huán)境因子和誘發(fā)因素等不同指標與模型之間存在著適應(yīng)性關(guān)系，對于不同評估目的的評價指標應(yīng)作出適當調(diào)整［36］。

3.1 知識驅(qū)動型

以野外實際調(diào)查和專家先驗知識為基礎(chǔ)，假設(shè)地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生在時間序列上具備相似的特征和屬性，單獨考慮孕災(zāi)和致災(zāi)因子，結(jié)合歷史災(zāi)害發(fā)生規(guī)律為各因子進行分級和權(quán)重賦值，最后將各個評價因子疊加求和即可得到現(xiàn)況下的地質(zhì)災(zāi)害危險性值。使用該方法時，應(yīng)盡可能地收集研究區(qū)多時態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)，以便掌握其長期演化進度和規(guī)律。專家打分法［39］、層次分析法［31］等方法均屬于知識驅(qū)動型，屬定性評價方法，結(jié)果可能會因人而異，但也是一種快速有效的方法。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動型

以歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，依據(jù)成災(zāi)機理構(gòu)建地質(zhì)災(zāi)害危險性評價指標體系，采用多元統(tǒng)計方法篩選各因子貢獻率，構(gòu)建以不同評價因子為自變量的現(xiàn)狀或未來危險性預(yù)測評價模型。如邏輯回歸法［38］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法［39］、信息量法［31］、證據(jù)權(quán)法［40］等方法均屬于此類，為定量評價方法，對災(zāi)害數(shù)據(jù)庫屬性類別多樣性和值精確度要求高，具有客觀性和較高的評價精度，為目前的主流方法。

3.3 確定性方法

以地質(zhì)災(zāi)害體靜力參數(shù)（剪切強度參數(shù)、巖土物理參數(shù)等）和動力參數(shù)（水文動力參數(shù)、地震參數(shù)等）為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合典型地質(zhì)剖面圖和歷史災(zāi)害發(fā)生機理，通過已有物理模型或數(shù)學模型計算地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。具體的方法有SINMAP模型［41］、Newmark模型［42］等，為定量評價方法，常需對野外代表性采樣點進行數(shù)據(jù)插值分析，適用于區(qū)域地質(zhì)屬性均一條件，數(shù)據(jù)獲取難度較大，具有一定的局限性。

4 危險性評價

完成指標體系構(gòu)建和評價模型選擇之后，需要對評價指標進行分級和篩選，以保證各指標的有效性和獨立性。現(xiàn)有評價數(shù)據(jù)依據(jù)其表達形式可分為連續(xù)類指標和非連續(xù)類指標。連續(xù)類指標有坡度、坡高、曲率、線性距離緩沖距等，分級時常采用自然斷點法、拐點分級法和經(jīng)驗斷點法；非連續(xù)類指標如地層巖性、地質(zhì)年代指標，常結(jié)合相關(guān)國家規(guī)范和評價目的分級賦值［14，43］。地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫常被分為訓練數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)兩部分，前者用于危險性評價，后者用于驗證預(yù)測評價有效性，也有依據(jù)研究區(qū)地形特點將其分為兩部分進行評估模型的推廣驗證［14］。因子分級賦值后，需對各指標進行相關(guān)性和獨立性校檢。貢獻度校檢方法有邏輯回歸法和確定系數(shù)法，依據(jù)各方法判斷準則完成評價因子初步篩選。獨立性驗證常采用評價因子間相關(guān)系數(shù)矩陣法，剔除因子間關(guān)聯(lián)性較大的因子。此外，也可使用不同評價指標體系進行多次危險性評價，對各評價結(jié)果進行驗證，依據(jù)評價準確率和預(yù)測率最終篩選構(gòu)建最終評價指標體系［29］。

完成以上步驟后，在 GIS平臺上完成最后的危險性評價。目前，依據(jù)危險性評價指標體系和評價結(jié)果的后期可利用性，危險性評價分為靜態(tài)評價和動態(tài)評價。危險性靜態(tài)評價指本次評價只針對在本次收集資料的時間有效期內(nèi)和現(xiàn)區(qū)域活動性狀態(tài)不變的情況下，針對本次評價目的的一次評價，僅為后續(xù)其他的時間和目的提供參考性，不能直接再次利用，是只針對圖5中某一時間ti的單次評價，僅為后續(xù)其他的時間和目的提供參考，不能直接再次利用。危險性動態(tài)評價指本次評價結(jié)果在資料形成時間上具有連續(xù)性，能夠直接用于后期研究區(qū)該演化周期內(nèi)的其它評價目的，為圖5中時間尺度t上的持續(xù)性評價。目前危險性動態(tài)評價其可分為評價指標動態(tài)和權(quán)重動態(tài)兩類，前者是對不同時間或誘發(fā)因素下的個別指標調(diào)整進行評價，多為變形指標、降雨指標、植被覆蓋度和土地利用指標的改變，后者是對不同時間和誘發(fā)因素下的權(quán)重評價，多為改變指標在不同時間階段的權(quán)重。理想的危險性動態(tài)評價方法也許是兩者相結(jié)合，更新一個或多個活動指標，進而體現(xiàn)指標值和權(quán)重改變的雙重作用。兩者最終的評價結(jié)果均是以危險性區(qū)劃形式表示，危險性分級時多采用與指標分級相一致的方法，分級數(shù)量和級別表述則有多種選擇。

圖5 空間數(shù)據(jù)的基本特性［53］

5 評價結(jié)果與有效性驗證

地質(zhì)災(zāi)害危險性評價結(jié)果的有效性論證一直是困擾學者的一個問題。目前有歷史災(zāi)害數(shù)據(jù)論證法、成功率曲線與預(yù)測率曲線、Kappa系數(shù)和 Sridevi Jadi精度評估方法等四種方法，前兩種相互驗證為主流方法［17，44-48］。

5.1 歷史數(shù)據(jù)論證法

實際滑坡是滑坡危險性評價結(jié)果合理性檢驗最好的標準［45］。以歷史災(zāi)害分布為標準，將歷史災(zāi)害點（面）與危險性分區(qū)結(jié)果圖疊加分析，若高危險分區(qū)以越小的面積包含了越大的歷史災(zāi)害點（面）時，則評估結(jié)果越精確有效。此外，歷史地質(zhì)災(zāi)害密度和危險性評價結(jié)果匹配程度也是一種有效方法。

5.2 成功率曲線與預(yù)測率曲線

成功率曲線廣泛應(yīng)用于地質(zhì)危險性評價結(jié)果有效性驗證。實際操作時，對不同分區(qū)范圍內(nèi)訓練（測試）地質(zhì)災(zāi)害數(shù)或面積所占百分比的統(tǒng)計分析，以橫軸表示評價結(jié)果中危險性指數(shù)從高到低的面積百分比，以縱軸表示相應(yīng)危險性指數(shù)范圍內(nèi)的訓練（測試）地質(zhì)災(zāi)害數(shù)或面積所占百分比。成功率曲線的線下面積作為準確率（預(yù)測率）值，即線下面積值越大說明評估結(jié)果的準確性（預(yù)測率）效果越好，反之越差［46-48］。

5.3 Kappa系數(shù)

Kappa系數(shù)屬于受臨界值約束的準確性統(tǒng)計方法中常用的Heidke技術(shù)得分法［17］，驗證時設(shè)定一個易發(fā)性臨界值，將實測數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)進行二元分類，如表3所示。對評價結(jié)果進行正確和錯誤分類的陽性和陰性組合，按式（2）和式（3）計算即可得Kappa系數(shù)。但在實際應(yīng)用中，由于指標臨界值的約束和指標本身的缺陷，導致評價準確性有所下降，故常將其和ROC曲線聯(lián)合使用。

表3 地質(zhì)災(zāi)害模型評價列聯(lián)表

式中，T為單元數(shù)總和。當K＞0．60時，可認為評價模型精度較好，0．41≤K≤0．60為評價模型中等，K＜0.41評價模型精度較差。

5.4 Sridevi Jadi精度評估方法

基于危險性二分類準確性評價，Sridevi Jadi提出了以經(jīng)驗概率為表達方式的精度評估方法，如式（4）所示［23，28］：

式中：n是評價單元總數(shù)，s是存在歷史地質(zhì)災(zāi)害的單元數(shù)；k是評價結(jié)果中不穩(wěn)定性為前兩級單元數(shù)；ks是在不穩(wěn)定性為中、高等歷史地質(zhì)災(zāi)害的單元數(shù)，P值越高，評價精度越高。

6 危險性區(qū)劃與應(yīng)用

依據(jù)地質(zhì)災(zāi)害危險性值將研究區(qū)域劃分為不同危險等級的分布圖，即完成了一次完整的危險性評價流程，如圖6所示。借助此圖，可針對不同危險性級別的不同對象的提出防治措施，如對危險性級別高的區(qū)域應(yīng)針對不同的承災(zāi)體進行細致劃分［49］。同時，應(yīng)結(jié)合危險性區(qū)劃內(nèi)的家庭結(jié)構(gòu)和知識水平，以鄉(xiāng)鎮(zhèn)和社區(qū)為單位進行科普宣傳工作，充分發(fā)揮人的能動性［50］。此外，應(yīng)將評價結(jié)果進行成果應(yīng)用轉(zhuǎn)化，結(jié)合評價指標體系修改和完善研究區(qū)野外調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害表，提高野外調(diào)查的針對性和有效性。

圖6 區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險性評價流程圖

7 結(jié) 論

（1）地質(zhì)災(zāi)害危險性評價是一種有效的防災(zāi)避災(zāi)方法，包括評價單元選擇、評估指標體系構(gòu)建、評估模型與方法分析、危險性評價、評估結(jié)果有效性論證方法和危險性區(qū)劃和應(yīng)用六個步驟。

（2）評價單元選擇主要受地質(zhì)圖件比例尺、DEM精度、地質(zhì)災(zāi)害類型和評估目的影響。評價指標體系可分為常規(guī)評價指標體系和斜坡活動性狀態(tài)評價指標體系兩大類，其中，動態(tài)評價指標體系側(cè)重斜坡地形地貌演化狀態(tài)和形變速率方面的定性定量描述，各指標對區(qū)域尺度的適宜性不同。

（3）評價模型主要有知識驅(qū)動方法、數(shù)據(jù)驅(qū)動方法和確定性方法，模型的選擇主要受基礎(chǔ)資料影響。評價指標的有效性和獨立性驗證是評價流程的必要一步。評價結(jié)果有四種驗證方法，也可相互驗證。

（4）目前所進行的地質(zhì)災(zāi)害危險性評價結(jié)果具有“一次性”的特點，評估結(jié)果只針對本次數(shù)據(jù)有效，不能實現(xiàn)持續(xù)性的危險性動態(tài)評價。借助如InSAR、LiDAR技術(shù)等RS技術(shù)，提高指標時間屬性重要性，構(gòu)建出可更新的動態(tài)指標體系，建立指標改變則權(quán)重自動改變的地質(zhì)災(zāi)害危險性動態(tài)評價模型是未來一個可嘗試的研究方向。