施紫越, 辛存林, 焦志鵬, 劉海博,2, 劉 昕

(1.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070;2.中國地震局 地震預(yù)測研究所, 北京 100036; 3.蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000)

“崩滑—碎屑流”是我國典型的鏈?zhǔn)降刭|(zhì)災(zāi)害，作為一種特殊的地表過程，其形成條件受到區(qū)域地質(zhì)環(huán)境、多相介質(zhì)融合等復(fù)雜因素的影響，通常具有速度快、滑程遠(yuǎn)、常轉(zhuǎn)向等特征，在其運動過程中若遇到江、河、湖，極有可能出現(xiàn)水體被堵塞形成堰塞湖的情況，對下游地區(qū)的生命財產(chǎn)安全往往構(gòu)成潰決威脅[1]。在高陡的坡度條件下，崩滑體的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，不僅使其解體碰撞碎屑化，還形成了碎屑流運動的初始速度，在后續(xù)的滑動過程中，碎屑流可歷經(jīng)多級地形陡坎，再次將部分勢能迅速轉(zhuǎn)化為動能，極具沖擊性與摧毀性[2]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于崩滑—碎屑流的研究主要集中于遙感解譯、室內(nèi)試驗、滑動距離分析等方面：夏式偉分析了西藏易貢高速遠(yuǎn)程滑坡特征，建立了堰塞壩潰決的三維數(shù)值模擬模型[3]；Keith Delaney等利用DEM數(shù)據(jù)、Landsat影像和動態(tài)滑坡建模方法對西藏易貢大型滑坡—碎屑流事件進(jìn)行了回顧，對易貢堰塞湖的體積進(jìn)行確認(rèn)[4]；鄭鴻超等對崩滑—碎屑流的堵江模式及相關(guān)數(shù)值模擬方法進(jìn)行了總結(jié)與探討[5]；Jeffrey Kargel等對2015年尼泊爾戈爾喀7.8級地震進(jìn)行分析，認(rèn)為區(qū)域地貌、地質(zhì)構(gòu)造和巖性對地震引起的崩滑—碎屑流災(zāi)害鏈起到了控制作用[6]；夏式偉等對蘆山地震誘發(fā)的湯家溝碎屑流事件進(jìn)行了滑坡全過程的動態(tài)模擬[7]；李從容等對在汶川地震后記錄了2008—2016年降雨期間發(fā)生的滑坡—碎屑流事件，提出了在強降雨條件下高海拔地區(qū)更易發(fā)生新的滑坡和巖土體膨脹過程，為碎屑流提供了松散物源[8]。尤其是在2000年西藏易貢藏布滑坡—碎屑流和2008年汶川地震發(fā)生后，我國山區(qū)崩滑—碎屑流形成模式及其環(huán)境效應(yīng)逐漸成為地質(zhì)災(zāi)害鏈的研究熱點[9-11]，基于數(shù)值模擬的動力學(xué)特征分析也有所側(cè)重，但針對崩滑—碎屑流的危險性評價內(nèi)容仍相對缺乏。

冶力關(guān)國家地質(zhì)公園的崩滑—碎屑流發(fā)育史在我國西部十分罕見，雖尚未對園區(qū)建設(shè)與旅游安全產(chǎn)生影響，但相關(guān)危險性研究還未見具體報道，評價工作迫切需要進(jìn)行。maxEnt模型是基于機器學(xué)習(xí)和數(shù)理統(tǒng)計方法的預(yù)測物種地理分布的生態(tài)位模型[12]，即探尋與物種“已知分布位置點”環(huán)境變量特征相同的評價單元[13]，現(xiàn)已逐步應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)預(yù)測[14]、物種生境分析[15]、滑坡易發(fā)性評價等[16]方面。鑒于此，本文利用ArcGIS與maxEnt進(jìn)行園區(qū)的崩滑—碎屑流危險性評價，探討不同因素對崩滑—碎屑流的影響，以期為同類型地質(zhì)公園的防災(zāi)減災(zāi)提供新的認(rèn)識。

1 研究區(qū)概況

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)內(nèi)共查明中小規(guī)模的崩滑—碎屑流災(zāi)害點65處，初步確定地形因素、地質(zhì)條件、地震活動和氣候條件是崩滑—碎屑流的孕災(zāi)環(huán)境，并提取高程、坡度、地表粗糙度、地層巖性、距斷裂距離、地震動峰值加速度、距水系距離、5—9月平均降水量、植被覆蓋度、地表溫度、季節(jié)性凍土凍結(jié)深度為影響因素(表1)。

2.2 研究方法

maxEnt模型的特征函數(shù)f(x,y)可描述x，y的某種定性關(guān)系，當(dāng)x，y滿足特定條件時，特征函數(shù)賦值為1；不滿足特定條件時，特征函數(shù)賦值為0。給定一個約束條件，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)視為隨機變量(X,Y)產(chǎn)生，用Ep(f)表示特征函數(shù)f(x,y)關(guān)于經(jīng)驗分布P(X,Y)的期望，如下式：

(1)

若滿足約束條件，則P(Y|X)關(guān)于函數(shù)f的期望，與經(jīng)驗分布關(guān)于f(x,y)的期望相等：

(2)

再轉(zhuǎn)化為求解附帶約束條件的最優(yōu)化問題，引入拉格朗日算子x、歸一化指數(shù)exp(1-w)，令Zw(x)表示exp(1-w)[18]，有：

(3)

表1 影響因素數(shù)據(jù)來源

3 崩滑-碎屑流危險性評價

3.1 影響因素相關(guān)特征

3.1.1 高 程 將研究區(qū)的高程劃分為2 110～2 400 m，2 400～2 600 m，2 600～2 800 m，2 800～3 000 m，3 000～3 900 m共5個級別，由圖1A可知，崩滑—碎屑流發(fā)生最多的高程位于2 400～2 800 m，災(zāi)害點密度達(dá)37個km2。

3.1.2 坡 度 坡度反映了地表單元的陡緩程度，是分析崩滑—碎屑流形成條件、危險性的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。將研究區(qū)的坡度劃分為0°～15°，15°～30°，30°～45°，45°～74°，由圖1B可知，崩滑—碎屑流發(fā)生最多的坡度位于15°～30°，災(zāi)害點密度達(dá)19個/km2。

3.1.3 地表粗糙度 地表粗糙度是地球表面粗糙程度的示量，在一定程度上體現(xiàn)了地形起伏的特征，是構(gòu)成崩滑—碎屑流微地貌的重要條件之一。計算公式如下：

在公司激勵機制運作中，心理學(xué)是連接激勵措施與激勵效果的關(guān)鍵紐帶，也是為員工與公司建立良好關(guān)系的重要橋梁。第一，在公司實施激勵的過程中，需要對激勵措施所產(chǎn)生的效果進(jìn)行反饋，修正偏差。隨著激勵措施所產(chǎn)生的效果，員工的心理會發(fā)生改變，對所處崗位產(chǎn)生感知與評價，從而調(diào)整心理。因此，在調(diào)整激勵措施時，企業(yè)需要參照員工的心理變化，以使企業(yè)能夠有效地運作其激勵機制。第二，建立激勵主體和激勵客體兩者關(guān)系的橋梁是心理學(xué)。兩者關(guān)系的強化也由心理學(xué)提供媒介，且激勵主體和激勵客體兩者心理學(xué)的履約能夠加強彼此之間的溝通，從而強化兩者之間的關(guān)系。

(4)

式中:Fsr為某一點的地表粗糙度；FSlope為某一點的坡度。將研究區(qū)的地表粗糙度劃分為1～1.08，1.08～1.21，1.21～1.46，1.46～2.06，2.06～3.9，由圖1C可知,地表粗糙度為1～1.08時,崩滑—碎屑流分布密度最高,災(zāi)害點密度達(dá)25個/km2。

3.1.4 地層巖性 在一個區(qū)域內(nèi)，可供崩塌、滑坡等形成的固體物質(zhì)量首先取決于地質(zhì)因素，軟弱或軟硬均有分布的巖層易遭到破壞與侵蝕[19]，是影響崩滑—碎屑流暴發(fā)的重要地質(zhì)因素。研究區(qū)石炭紀(jì)、二疊紀(jì)地層的巖體節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體較為破碎，其中崩滑—碎屑流發(fā)育于石炭紀(jì)地層的比例最高，災(zāi)害點密度達(dá)41個/100/km2，其次為二疊紀(jì)地層，災(zāi)害點密度達(dá)3個/km2(圖1D)。

3.1.5 距斷裂距離 研究區(qū)內(nèi)發(fā)育北西向斷裂，其延伸方向是地表巖體的破碎集中帶，斷裂活動及其對地下水的控制作用往往影響著山體危巖區(qū)域的穩(wěn)定程度。將研究區(qū)的距斷裂距離劃分為<1 km，1～2 km，2～3 km，3～5 km，>5 km，65處災(zāi)害點全部分布于距斷裂距離2 km之內(nèi)，而距斷裂1 km之內(nèi)發(fā)生了41.5%以上的崩滑—碎屑流，災(zāi)害點密度達(dá)18個/km2(圖1E)。

3.1.6 地震動峰值加速度 研究區(qū)屬西秦嶺北緣構(gòu)造區(qū)，頻繁的地震活動通常使得巖體的破碎程度加劇。65處災(zāi)害點全部分布于地震動峰值加速度為0.2 g的區(qū)域內(nèi)，地震引起崩滑—碎屑流的危險性極高(圖1F)。

3.1.7 距水系距離 現(xiàn)代河流的侵蝕切割作用與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生密切相關(guān)，主要水系通常沿河谷分布，河谷下切時剝蝕形成臨空面，因此水系兩岸多成為地質(zhì)災(zāi)害的形成部位[20]。研究區(qū)的崩滑—碎屑流點多分布于石門河、后山河附近，將距水系距離劃分為<250 m，250～500 m，500～800 m，800～1 000 m，>1 000 m共5個級別。從總體上看，距水系500 m之內(nèi)發(fā)育的災(zāi)害點最多，密度達(dá)8個/km2(圖1G)。

3.1.8 5—9月平均降水量 降水可使得邊坡潛在滑動面上的有效應(yīng)力與抗剪強度下降，是誘發(fā)崩滑—碎屑流的水動力因素。將研究區(qū)5—9月平均降水量劃分為62～72 mm，72～82 mm兩個級別，災(zāi)害點密度分別為15個/100/km2，28個/km2(圖1H)。

3.1.9 植被覆蓋度 植被覆蓋度與NDVI之間存在極為顯著的線性相關(guān)關(guān)系，通常根據(jù)兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系可提取植被覆蓋信息[21-22]，NDVI值的高或低都可能對崩滑—碎屑流產(chǎn)生不同的影響。NDVI的計算公式為：

(5)

式中:IR為紅外波段的像素值；R為紅光波段的像素值。以寒生植物為優(yōu)勢種的草原植被、以粗葉云杉為優(yōu)勢種的森林植被是研究區(qū)的兩大植被類型。將研究區(qū)的NDVI劃分為0.68～0.81,0.81～0.88兩個級別,由圖1I可知,植被覆蓋度為0.68～0.81時,崩滑—碎屑流的分布密度最高,災(zāi)害點密度達(dá)28個/km2。

3.1.10 地表溫度 研究區(qū)位于青藏高原東北緣的高寒區(qū)，年均氣溫約3℃，年均地表溫度不超過11℃，在此氣候條件下物理風(fēng)化作用較為強烈，加速了巖體的風(fēng)化剝蝕。將研究區(qū)的地表溫度劃分為4.74～6.83℃，6.83～7.96℃，7.96～8.84℃，8.84～9.67℃，9.67～11℃共5個級別，由圖1J可知，地表溫度在7.96～8.84℃時，崩滑—碎屑流的分布密度最高，災(zāi)害點密度達(dá)21個/km2。

3.1.11 季節(jié)性凍土凍結(jié)深度 研究區(qū)凍土類型屬淺季節(jié)性凍土，最大季節(jié)凍結(jié)深度不超過1 m，是高寒區(qū)氣候作用下反復(fù)凍融的顯著特征之一。由圖1K可知，65處災(zāi)害點均分布于淺季節(jié)性凍土區(qū)域之中，引起崩滑—碎屑流的危險性可能較高。

3.2 影響因素多重共線性分析

多重共線性是一個模型中預(yù)測變量與其他預(yù)測變量相關(guān)時所發(fā)生的條件，為檢驗所選取影響因素的獨立性，需要對因素的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行多重共線性分析，避免出現(xiàn)因素的高度相關(guān)性而使模型結(jié)果失真[23]。從崩滑—碎屑流災(zāi)害點中隨機選取80%的樣本點作為maxEnt模型的測試數(shù)據(jù)，并提取每個樣本所對應(yīng)的11類影響因素分級值。方差膨脹系數(shù)(VIF)可用于預(yù)測變量的相關(guān)性時，度量回歸系數(shù)方差增加的幅度，通常以10作為其判斷邊界，若VIF<10，不存在多重共線性；若10≤VIF<100，存在較強的多重共線性；若VIF≥100，則存在嚴(yán)重的多重共線性。在SPSS軟件中進(jìn)行多重共線性診斷，統(tǒng)計其方差膨脹系數(shù)與容忍度，根據(jù)分析結(jié)果，所有影響因素的方差膨脹系數(shù)均小于5，容差均小于1，說明因素間出現(xiàn)多重共線性的可能性極低(表2)。

3.3 評價結(jié)果與分析

根據(jù)maxEnt對柵格圖層變量與坐標(biāo)數(shù)據(jù)的讀取要求，11類影響因素的柵格數(shù)據(jù)通過ArcGIS轉(zhuǎn)換為ASCII格式文件，將經(jīng)緯度屬性的崩滑—碎屑流點轉(zhuǎn)換為CSV格式文件。同時為了消除運算隨機性所帶來的影響，將maxEnt運行次數(shù)設(shè)置為50次，將輸出的ASCII格式數(shù)據(jù)在ArcGIS中轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的GRID格式數(shù)據(jù)，輸出類型為FLOAT。研究區(qū)崩滑—碎屑流的危險性值域為[0，1]，利用自然斷點法對結(jié)果進(jìn)行重分類(圖2)，將其分為極高危險區(qū)(0.6～1)、高危險區(qū)(0.32～0.6)、中危險區(qū)(0.1～0.32)和極低危險區(qū)(0～0.1)。

同時，在maxEnt中以“JACKKNIFE”方式輸出11類影響因素對崩滑—碎屑流危險性的相對貢獻(xiàn)率，其中白色柱代表某影響因素單獨作用下崩滑—碎屑流發(fā)生的概率，白色柱越長，該因素對崩滑—碎屑流的影響越顯著；網(wǎng)狀柱表示該因素之外的其他變量相對貢獻(xiàn)率的總和；單斜狀柱表示所有影響因素的相對貢獻(xiàn)率總和。由圖3可知，在地震動峰值加速度、地層巖性、距斷裂距離的單獨影響下，崩滑—碎屑流的發(fā)生概率均超過0.75；在高程、距水系距離和坡度的單獨影響下，崩滑—碎屑流的發(fā)生概率均超過于0.65。而在11類影響因素的綜合作用下，崩滑—碎屑流的發(fā)生概率超過0.95。

極高危險區(qū)和高危險區(qū)集中分布于天池冶海景區(qū)、赤壁幽谷景區(qū)、冶木峽景區(qū)和親昵溝景區(qū)，區(qū)內(nèi)巖層風(fēng)化程度較高，高程在2 500 m以上，坡度在30°～45°，受地震活動影響強烈。極低危險區(qū)占研究區(qū)面積的83.98%，無災(zāi)害點分布，而極高危險區(qū)占比3.75%，分布有42處災(zāi)害點，表明隨著崩滑—碎屑流危險性的升高，災(zāi)害點數(shù)量與點密度隨之增大，二者呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(表3)，與危險性劃分等級相一致。

通過生成影響因素的響應(yīng)曲線，可獲得研究區(qū)崩滑—碎屑流的發(fā)生概率與影響因素之間的規(guī)律(圖4)，其中橫坐標(biāo)表示各影響因素的屬性，縱坐標(biāo)表示崩滑—碎屑流的發(fā)生概率。在11類影響因素中，高程、地表溫度與植被覆蓋度的響應(yīng)曲線呈“拋物線”狀，整體為先增大后減小的趨勢，在曲線達(dá)到峰值前，崩滑—碎屑流的發(fā)生概率隨高程、地表溫度與植被覆蓋度的增加而上升；坡度、地層巖性、距斷裂距離、5—9月平均降水量與崩滑—碎屑流的發(fā)生概率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為坡度在0°～30°、地層巖性為石炭系灰?guī)r、距斷裂距離2 km之內(nèi)、5—9月平均降水量為72 mm時，崩滑—碎屑流的發(fā)生概率較高；由于地震動峰值加速度和季節(jié)性凍土凍結(jié)深度為單一值，故其響應(yīng)曲線為一條水平線，地震動峰值加速度對崩滑—碎屑流的影響最高，而季節(jié)性凍土凍結(jié)深度對崩滑—碎屑流的影響相對較低，但在高寒區(qū)氣候條件下，不可忽略反復(fù)凍融時的凍土凍脹力改變表層巖土體的結(jié)構(gòu)或促使巖體裂隙擴大的影響。

圖1 影響因素分級及災(zāi)害點密度

表2 影響因素方差膨脹系數(shù)及容忍度值

圖2 基于maxEnt的崩滑—碎屑流危險性分區(qū)

圖3 影響因素的相對貢獻(xiàn)率

表3 基于maxEnt的崩滑—碎屑流危險區(qū)統(tǒng)計

3.4 評價結(jié)果檢驗

評價結(jié)果的精度可通過ROC曲線進(jìn)行檢驗，可反映maxEnt在不同閾值時的敏感性和精確性的趨勢走向，目前已廣泛、成熟地運用于地質(zhì)災(zāi)害分級評價中[24-26]。隨機選取崩滑—碎屑流點中的80%為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，20%為測試數(shù)據(jù)，用以評價maxEnt運行的準(zhǔn)確度。根據(jù)ROC檢驗結(jié)果，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值為0.982，測試數(shù)據(jù)集的AUC值為0.964(圖5)，表明maxEnt運行結(jié)果具有很高的精度，適用于研究區(qū)崩滑—碎屑流的危險性評價。

4 結(jié) 論

本文初步確定了冶力關(guān)國家地質(zhì)公園的崩滑—碎屑流孕災(zāi)環(huán)境，梳理了典型崩滑—碎屑流的發(fā)育特征，基于ArcGIS與maxEnt探討了崩滑—碎屑流的危險性分布，得到如下結(jié)論及認(rèn)識：

(1) 崩滑—碎屑流共發(fā)育65處，集中分布于天池冶海景區(qū)和親昵溝景區(qū)，崩滑物源類型以巖質(zhì)為主，發(fā)育地層為石炭系與二疊系，基巖表面多裸露、破碎。部分崩源區(qū)可見零星掉塊與崩塌落石，危巖區(qū)周圍巖體未發(fā)現(xiàn)明顯的變形跡象。

(2) 通過量化11類影響因素對崩滑—碎屑流的相對貢獻(xiàn)率，認(rèn)為地震動峰值加速度、地層巖性、距斷裂距離是主導(dǎo)因素，高程、距水系距離、坡度和植被覆蓋度對崩滑—碎屑流也產(chǎn)生較大影響。在高寒區(qū)氣候條件下，極低的地表溫度與反復(fù)凍融的凍脹力不直接誘發(fā)崩滑—碎屑流，但晝夜溫差與季節(jié)性溫差可能加速了巖土體的崩解變形與裂隙的擴大。

(3) 極高危險區(qū)和高危險區(qū)占研究區(qū)面積的8.71%，災(zāi)害點占比87.69%，災(zāi)害點密度隨危險性等級的升高而增加，與危險性等級的劃分原則相符、與實際情況吻合。根據(jù)ROC檢驗結(jié)果，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的AUC值為0.982，測試數(shù)據(jù)集的AUC值為0.964，表明maxEnt適用于研究區(qū)的崩滑—碎屑流危險性評價。

(4) 鑒于園區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的復(fù)雜性，地質(zhì)公園管理部門應(yīng)詳細(xì)評估崩滑—碎屑流對旅游線路規(guī)劃及工程建設(shè)的潛在影響，建議以逐點、逐段的方式來排查相關(guān)隱患，使得評價結(jié)果更具有可操作性。

圖4 崩滑-碎屑流發(fā)生概率與各影響因素的關(guān)系曲線

圖5 基于maxEnt的ROC曲線

致謝:感謝甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院段凱工程師、郭林業(yè)工程師在野外調(diào)查時提供的協(xié)助；感謝北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部博士生王浩在數(shù)據(jù)處理時給予的指導(dǎo)。