馮 凡，唐亞明，潘學樹，王小浩，趙宇宣，白 軒

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心/西北地質(zhì)科技創(chuàng)新中心,陜西 西安 710054；2.西安笛卡爾信息技術(shù)有限公司,陜西 西安 710065；3.陜西核工業(yè)工程勘察院有限公司,陜西 西安 710054）

0 引言

陜北黃土高原，溝壑縱橫、地質(zhì)環(huán)境條件相對脆弱、地質(zhì)災害發(fā)育且分布廣泛[1]，以崩塌、滑坡為主。地質(zhì)災害風險評價可為地方政府擬定地質(zhì)災害防治管理措施、實施國土空間規(guī)劃和制定經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略等提供基礎(chǔ)依據(jù)，從而最大程度降低因災傷亡和經(jīng)濟損失[2]。1982年聯(lián)合國救災組織 (UN-DRO )將自然災害風險定義為：“風險（Risk）=危險（Hazard）× 暴露（Elements at risk）×易損性（Vulnerability）”[3]。1984年美國滑坡專家Varnes[4]提出地質(zhì)災害風險就是地質(zhì)災害發(fā)生后，因其破壞而產(chǎn)生不良后果的可能性，包括兩個方面：一是地質(zhì)災害發(fā)生破壞的可能性，二是其產(chǎn)生的損失。國內(nèi)關(guān)于該方面的研究起步稍晚，可以追溯到20世紀90年代，國土資源經(jīng)濟研究院主要致力于地質(zhì)災害易損性、風險評價、經(jīng)濟評價等方面的研究[5]。吳樹仁等[6]的《滑坡風險評估理論與技術(shù)》”逐步把國外的風險管理理論引入國內(nèi)。唐亞明等[7]系統(tǒng)整理了國內(nèi)外通用滑坡分類體系并提出了基于風險評價的黃土滑坡分類方法。孫冉等[8]使用層次分析法-信息量模型基于GIS 平臺對山東費縣開展了地質(zhì)災害風險評價。李春燕等[9]探討了以縣域為單元易損性量化評價方法及其分級標準，在此基礎(chǔ)上對全國2 869 個縣域單元進行了地質(zhì)災害風險評價。王嘉君等[10]以神龍架林區(qū)為研究區(qū)，基于GIS 平臺進行了多災種風險耦合分析。李澤威等[11]對龍鳳鎮(zhèn)開展了地質(zhì)災害風險評價工作。唐亞明等[12]基于GIS 平臺，構(gòu)建了三種數(shù)理統(tǒng)計模型對黃河中游石樓—吉縣段崩塌、滑坡地質(zhì)災害進行了空間預測。楊柳等[13]基于GIS 平臺，結(jié)合 SBAS-InSAR 監(jiān)測數(shù)據(jù),構(gòu)建了較為完善的、適用于延安地區(qū)的評價指標體系,并對其開展了地質(zhì)災害風險評價。邱維蓉等[14]利用混合高斯聚類、支持向量機等4種模型構(gòu)建了滑坡易發(fā)性評價分析模型。李冠宇等[15]基于系統(tǒng)聚類、K 平均聚類分析法對韓城市開展了地質(zhì)災害風險評價和分級。李陽春等[16]和劉福臻等[17]將機器學習用于地質(zhì)災害風險評價的研究。

以往的研究成果大多基于GIS 平臺，采用數(shù)理統(tǒng)計模型、神經(jīng)網(wǎng)絡等來開展風險評價。研究區(qū)以大區(qū)域、小比例尺居多。針對更小的重點區(qū)尺度，由于用來訓練的樣本數(shù)量不夠，數(shù)理模型等方法往往不適用。鑒于此，文中以吳堡縣為例，針對全縣域尺度和重點區(qū)尺度分別開展地質(zhì)災害風險評價，從而探討不同尺度下評價模型、方法的差異，同時可為當?shù)氐刭|(zhì)災害預防和國土空間規(guī)劃提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

吳堡縣地處陜西省榆林市東南部，面積約為420.85 km2。地勢大致西高東低，向黃河河谷傾斜。區(qū)內(nèi)地形破碎、溝壑縱橫交錯。吳堡縣位于黃河東岸—呂梁山西坡南北向撓皺帶以西，祁呂—賀蘭山字型構(gòu)造的伊陜盾地與新華夏系第三沉降帶復合部位以東[18]，在吳堡縣南部可見東西向地塹式斷裂，影響較大的地方有柳壕溝、吳堡石城等地。區(qū)內(nèi)河流大多由北向南或者由西向東匯入黃河。吳堡縣受地質(zhì)環(huán)境、地理位置、自然條件的限制，人口主要分布在公路沿線、溝谷兩側(cè)和斜坡地帶，削坡筑窯、切坡修路等人類工程活動強烈。由于上述復雜的工程地質(zhì)條件，致使全縣地質(zhì)災害發(fā)育，對人民生命和財產(chǎn)安全威脅巨大。對全縣開展地質(zhì)災害風險評價勢在必行。其中縣域南部為縣城所在地，人口密集，加之近年來由于縣城擴張，人類工程活動愈加強烈，該區(qū)受地質(zhì)災害威脅嚴重。文中將該區(qū)域作為重點區(qū)（圖1）開展地質(zhì)災害風險評價，可以為該區(qū)的防災減災、國土空間規(guī)劃等提供科學依據(jù)。

圖1 研究區(qū)概況Fig.1 Overview of the study area

2 全縣域評價

2.1 評價模型

針對全縣域尺度下的地質(zhì)災害風險評價，文中選用信息量模型。信息量模型主要是通過分析已有地質(zhì)災害（崩塌、滑坡）的情況，把各影響因子的實測值轉(zhuǎn)化為反映地質(zhì)災害發(fā)生的信息量值[19]。信息量越大，災害發(fā)生可能性越大。美國滑坡災害專家 Varnes[4]提出災害風險概念普遍得到大眾認可，即因地質(zhì)災害（崩塌、滑坡等）造成不好結(jié)果的可能性，包括地質(zhì)災害發(fā)生的可能性和其發(fā)生后導致的損失兩個方面。

式中：R—風險，即一定時間段內(nèi)某區(qū)域，由于某自然災害而引起的居民生命財產(chǎn)和經(jīng)濟活動的期望損失值。

H—危險度，即一定時間段內(nèi)某區(qū)域，由于某自然災害而引起破壞產(chǎn)生不良后果的可能性。

E——暴露，即承災體暴露在地質(zhì)災害面前的時空概率。

V—易損性，即地質(zhì)災害發(fā)生后，對其影響范圍內(nèi)承災體可能遭受破壞的嚴重程度。

2.2 評價指標選擇及依據(jù)

地質(zhì)災害的發(fā)生是斜坡自身本底因素與外部誘發(fā)因素共同作用的結(jié)果[13]。綜合考慮當?shù)氐刭|(zhì)災害的形成機理、誘發(fā)條件、承災體的基本特征等，確定坡度、坡向、地表曲率（坡型）、地貌、構(gòu)造影響距、水系影響距、道路影響距、人員易損性、交通設施易損性等9 個指標作為全縣域地質(zhì)災害風險評價的指標。其中人員易損性用建筑物密度來表征。各指標詳見圖2。

圖2 全縣域尺度下地質(zhì)災害風險評價指標Fig.2 Geological hazard risk assessment indicators at the county scale

2.3 評價指標權(quán)重確定

將選取的7 類危險性評價因子分別與已調(diào)查的59 處地質(zhì)災害點在GIS 中做空間分析，得到地質(zhì)災害點在不同因子中不同分類下的分布情況，最后計算出各因子圖層的各個類別對地質(zhì)災害影響的信息量值（表1）。

表1 各因子圖層分類情況及其對應的信息量值Table 1 Classification of each factor layer and its corresponding information value

2.4 數(shù)據(jù)源及評價單元劃分

基于吳堡縣詳細的地質(zhì)災害調(diào)查資料，建立吳堡縣地質(zhì)災害編錄數(shù)據(jù)庫，從而對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害進行編錄與制圖。將吳堡縣按 25 m×25 m 劃分為670 962 個柵格單元，以便提取地質(zhì)災害定量評價指標。主要數(shù)據(jù)來源包括：（1）吳堡縣 1∶5 萬DEM，用于提取坡度、坡向等基本信息；（2）吳堡縣1∶5 萬地形圖，用于提取道路、水系等基本信息；（3）吳堡縣1∶10 萬地質(zhì)圖，1∶20 萬構(gòu)造綱要圖，用于提取地層、構(gòu)造等信息；（4）全區(qū)地質(zhì)災害點分布圖，用于確定地質(zhì)災害點分布狀況。（5）高清影像數(shù)據(jù)，用于提取建筑物輪廓等基本信息。

2.5 評價過程及結(jié)果

根據(jù)上述信息量值，將危險性評價因子生成信息量圖，然后對其進行空間疊加分析，生成地質(zhì)災害危險性指數(shù)圖。將研究區(qū)人員易損性、交通設施易損性疊加，得到地質(zhì)災害易損性指數(shù)圖。隨后將兩者在GIS 平臺中進行空間分析，將得到的結(jié)果運用自然斷點法劃分為4 個級別：極高風險區(qū)、高風險區(qū)、中風險區(qū)、低風險區(qū)，分別占全區(qū)面積的 0.63%、12.58%、24.40%、62.39%（圖3）。

圖3 全縣域尺度下地質(zhì)災害風險評價分區(qū)圖Fig.3 Geological hazard risk assessment zoning map at the county scale

3 重點區(qū)評價

3.1 評價模型

層次分析法（簡稱 AHP）可把復雜問題按照主次關(guān)系分組，從而形成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，利用數(shù)學方法確定所有元素的相對重要性值，最后通過排序來確定每個因子的權(quán)重，該方法將定性與定量相結(jié)合，可以將復雜問題簡單化[20]。重點區(qū)評價選用層次分析法計算各指標權(quán)重。對于物理模型的選擇，重點區(qū)尺度下地質(zhì)災害風險評價仍然選擇 Varnes[4]提出的模型。

3.2 評價指標選擇及依據(jù)

根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)災害的形成機理、誘發(fā)條件，結(jié)合重點區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境、承災體基本特征等選取坡度、坡高、地表曲率、工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造影響距、道路影響距、人員易損性、交通設施易損性等8 類指標構(gòu)建重點區(qū)地質(zhì)災害風險評價體系。其中人員易損性大小用居民建筑物密度的高低來表征，建筑物密集的區(qū)域往往人口多（圖4）。

圖4 重點區(qū)尺度下地質(zhì)災害風險評價指標Fig.4 Risk assessment indicators of geological hazards at the scale of key areas

3.3 評價指標權(quán)重確定

采用層次分析模型建模，文中主要按5 個步驟進行：①建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；②建立判斷矩陣；③計算權(quán)向量；④一致性檢驗；⑤建立評價模型。

以地質(zhì)災害危險性分級為目標層，以影響地質(zhì)災害危險性分級的內(nèi)在因素和外在因素為評價的準則層，再以建立的6 個評價指標為方案層，建立層次結(jié)構(gòu)模型（圖5）。

圖5 地質(zhì)災害危險性分區(qū)評價層次結(jié)構(gòu)模型圖Fig.5 Hierarchical structure model diagram of geological hazard risk zoning assessment

利用1-9 標度法[21](AHP 法)表示因素之間的強弱，逐項就每層中的因子對上一層目標的相對重要性進行兩兩判別，然后構(gòu)建判斷矩陣。再計算出判斷矩陣的最大特征根、對應的特征向量以及進行判斷矩陣一致性檢驗。

根據(jù)上述的層次分析法確定6 個評價指標的權(quán)重，過程如下：

構(gòu)建A-B 判別矩陣表（表2）。

表2 A-B 判別矩陣Table 2 A-B discriminant matrix

λmax=6.29，CR=0.047<0.1，滿足一致性檢驗，上述特征向量W可以作為權(quán)向量。

根據(jù)層次分析法計算結(jié)果，重點區(qū)尺度下地質(zhì)災害危險性區(qū)劃的6 個指標（坡度、坡高、地表曲率、工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造影響距、道路影響距）的權(quán)重WA=（0.37，0.26，0.07，0.12，0.04，0.14）。從6 個指標權(quán)重中可以看出，坡度、坡高、道路影響距、工程地質(zhì)巖組是影響地質(zhì)災害危險性分區(qū)的重要因素，該結(jié)果與野外調(diào)查情況基本吻合。

依據(jù)上述6 個二級評價指標權(quán)重的計算結(jié)果，確定地質(zhì)災害危險程度量化評分表（表3）。

表3 地質(zhì)災害危險程度量化評分表Table 3 Quantitative scoring table of geological disaster risk degree

3.4 數(shù)據(jù)源及評價單元劃分

基于重點區(qū)詳細的地質(zhì)災害調(diào)查資料，建立重點區(qū)地質(zhì)災害編錄數(shù)據(jù)庫，從而對研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害進行編錄與制圖。將重點區(qū)按斜坡單元劃分。斜坡單元采用匯水盆地與河網(wǎng)溝谷結(jié)合的方法進行剖分，單元尺寸根據(jù)地形切割和地質(zhì)災害發(fā)育程度確定[22]。文中將重點區(qū)共劃分為602 個斜坡。主要數(shù)據(jù)來源包括：（1）重點區(qū)1∶1 萬 DEM，用于提取坡度、坡高、曲率等基本信息；（2）重點區(qū)1∶1 萬地形圖，用于提取道路等基本信息；（3）重點區(qū)地質(zhì)圖及構(gòu)造綱要圖，用于提取工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造信息。（4）高清影像數(shù)據(jù)，用于提取建筑物輪廓等基本信息。

3.5 評價過程及結(jié)果

將 6 類危險性評價指標在GIS 平臺疊加分析，得到重點區(qū)危險性指數(shù)。將人員易損性和交通設施易損性在GIS 平臺疊加得到重點區(qū)易損性指數(shù)。將危險性指數(shù)和易損性指數(shù)在GIS 平臺作空間分析，最后根據(jù)自然斷點法實現(xiàn)重點區(qū)地質(zhì)災害風險分區(qū)?？煞譃椋旱惋L險區(qū)、中風險區(qū)、高風險區(qū)、極高風險區(qū)。其中低風險斜坡369 個 ，中風險斜坡145 個，高風險斜坡69 個，極高風險斜坡19 個（圖6）。

圖6 重點區(qū)尺度下地質(zhì)災害風險評價分區(qū)圖Fig.6 Geological hazard risk assessment zoning map at the scale of key areas

4 不同尺度下評價方法和結(jié)果討論

在全縣域尺度下，地質(zhì)災害點共59 處，訓練樣本較多，數(shù)理統(tǒng)計學模型適用，文中選用信息量模型。重點區(qū)尺度下，區(qū)內(nèi)共有地質(zhì)災害點11 處，用作訓練的樣本不足，不宜選用數(shù)理統(tǒng)計模型。層次分析模型將定性與定量相結(jié)合，在地質(zhì)災害評價中廣泛使用，故針對重點區(qū)尺度，文中選擇層次分析模型進行評價。

在全縣域尺度下，選取25 m×25 m 柵格作為評價單元，將全區(qū)共劃分為670 962 個評價單元。重點區(qū)尺度下，按照斜坡單元劃分，斜坡單元采用匯水盆地與河網(wǎng)溝谷結(jié)合的方法進行剖分，單元尺寸根據(jù)地形切割和地質(zhì)災害發(fā)育程度確定。將重點區(qū)共劃分為 602 個斜坡。按斜坡單元劃分更加符合實際情況，且便于當?shù)刈匀毁Y源部門管理。

在全縣域和重點區(qū)中選取相同的區(qū)域作為對比區(qū)（A 區(qū)）。全縣域尺度下，評價單元為25 m×25 m 柵格，而重點區(qū)評價單元為斜坡單元。為了便于兩者對比，將全縣域尺度下A 區(qū)范圍按重點區(qū)尺度下中A 區(qū)中的斜坡范圍進行疊加。故A 區(qū)內(nèi)共有斜坡20 個（圖7）。縣域尺度下某些高風險區(qū)，如A1、A2、A3 的左側(cè)區(qū)域，在重點區(qū)尺度下，A1、A2、A3 左側(cè)均為低風險。而某些中低風險區(qū)，如A11、A17，在重點區(qū)尺度下則為高風險區(qū)。全縣域尺度下、重點區(qū)尺度下地質(zhì)災害風險評價結(jié)果不盡相同。

圖7 不同尺度下評價結(jié)果差異對比圖Fig.7 Comparison of differences in evaluation results at different scales

不同尺度下地質(zhì)災害風險評價結(jié)果出現(xiàn)差異的原因主要有以下幾方面：（1）評價單元大小不一致（全縣域尺度下25 m× 25 m，重點區(qū)尺度下按斜坡單元）導致坡度、地表曲率等不一致。某個斜坡范圍，如 A1，在重點區(qū)尺度下只有一個整體坡度、地標曲率等，而在縣域尺度下，該斜坡范圍內(nèi)包含多個柵格評價單元，每個柵格單元都會有一個坡度、地表曲率等。會直接導致評價結(jié)果出現(xiàn)差異。（2）全縣域尺度下按柵格單元評價，割裂了斜坡的整體性，忽略了坡體內(nèi)部之間的聯(lián)系。

5 結(jié)論

（1）全縣域尺度下，地質(zhì)災害風險分區(qū)分為極高風險區(qū)、高風險區(qū)、中風險區(qū)、低風險區(qū)，分別占全區(qū)面積的0.63%、12.58%、24.40%、62.39%。其中極高風險區(qū)主要分布于部分公路沿線及溝谷中；高風險區(qū)主要分布于縣境南部、北部及東部局部地段；中風險區(qū)分布面積較廣，在縣境東北部、南部區(qū)域呈片狀分布；低風險區(qū)在全區(qū)普遍分布，尤其是吳堡縣中部（寇家塬鎮(zhèn)、郭家溝鎮(zhèn)）、西北部（辛家溝鎮(zhèn)）。

（2）重點區(qū)尺度下，極高風險斜坡單元19 個；高風險斜坡單元69 個；中風險斜坡單元145 個；低風險斜坡單元359 個。該尺度下的地質(zhì)災害風險評價結(jié)果以水文法劃分的斜坡為評價單元，保留了斜坡的整體性，評價結(jié)果更加符合實際情況，可為當?shù)叵嚓P(guān)部門擬定精細化的地質(zhì)災害防治管理措施、實施國土空間規(guī)劃和制定經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略等提供依據(jù)。

（3）在全縣域尺度下，宜采用各類具備預測功能的統(tǒng)計學模型，但是在更小的重點區(qū)尺度下，由于用來訓練的地質(zhì)災害點樣本數(shù)量不夠，不宜采用統(tǒng)計學模型。相應的，縣域尺度下可采用基于GIS 工具的柵格平均劃分作為評價單元；重點區(qū)尺度下可采用實際的斜坡體作為評價單元。