蘭盈盈,郭昶成,朱云福
1. 南昌工程學院,江西 南昌 330099;2. 江西省地質環(huán)境監(jiān)測總站,江西 南昌 330095
地質災害是指由自然因素或者人為活動引發(fā)的危害人民生命和財產(chǎn)安全的山體崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、地面沉降等與地質作用有關的災害.它是大范圍內復雜的各種影響因子共同作用的結果,很難用明確的發(fā)生概率來表示,是人類生存發(fā)展無法規(guī)避的重要問題. 利用合適的評價模型或方法計算地質災害的發(fā)生概率,進行易發(fā)性評價,對防災減災工作具有重要意義,也可為國家宏觀經(jīng)濟建設、土地利用規(guī)劃和資源規(guī)劃、地質災害防治體系的建立和完善、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展等方面的決策提供科學依據(jù)[1].
我國經(jīng)濟發(fā)展水平的提升與經(jīng)濟社會的防災減災需求推動了我國地質災害防治的歷史發(fā)展進程. 20 世紀80 年代中期前,人們對滑坡、地面沉降或塌陷等地質問題的認識有限,僅僅止步于選址與防護. 21 世紀以來,“地質災害”已經(jīng)不再局限于工程地質問題中的繞避與改良問題,其調查、監(jiān)察、治理等已經(jīng)逐漸發(fā)展成為一個行業(yè),并獲得了大量的工作成果. 2021 年,全國共成功預報地質災害905 起,避免直接經(jīng)濟損失13.5 億元[2]. 地質災害的發(fā)生和其帶來的傷亡的數(shù)量逐年減少,這表明地質災害預報與防治工作取得一定成果. 地質災害的多樣性、易發(fā)性及區(qū)域變異性決定了我國地質環(huán)境的特殊性,并且不止于此,大量影響因子例如地形地貌、地層巖性、植被覆蓋率以及人類工程活動等也在其中占有極大的主導地位. 以上種種導致防災減災工作的需求更加多樣化,以及迫切需要更多、更高效、針對性更強的技術和手段.
地質災害易發(fā)性評價是地質災害風險評價的重要內容. 評估和預測突發(fā)性地質災害的產(chǎn)生和發(fā)育,能夠促進防災減災工作的順利實施. 由于地質災害的發(fā)生、發(fā)展具有大量相互關系復雜的不同影響因素,故多發(fā)生于坡度較大、斷裂帶密集、河網(wǎng)密布、土質疏松、巖土體脆弱、植被稀疏的斜坡上. 此外,過度的人類活動和強降雨也是泥石流、滑坡和崩塌等地質災害演化和發(fā)展的重要誘因[3]. 所以,科學評估地質災害的長期變化趨勢,對發(fā)展地質災害防治規(guī)劃和地質災害的調查研究具有一定的指導意義[4].
易發(fā)性(Susceptibility,意為“易受影響的敏感性”),是指某一地區(qū)發(fā)生某事件的可能性. 地質災害易發(fā)性,是指地質災害形成條件的組合體有利于發(fā)生地質災害的可能程度. 羅守敬等[5]將易發(fā)性界定為在一定的地質環(huán)境和人類工程活動影響條件下,地質災害發(fā)生可能性的難易程度;薛強[6]認為易發(fā)性為地質災害發(fā)生難易程度,并將其定義為一種物理地質現(xiàn)象.易發(fā)性可通過易發(fā)區(qū)來體現(xiàn),即容易產(chǎn)生與發(fā)展的地質災害的區(qū)域,可以采用定性和定量評價方法根據(jù)地質災害的地質環(huán)境、發(fā)育狀態(tài)和人類工程活動等因素來劃分.與其相對立的區(qū)域稱作不易發(fā)區(qū)[7]. 由此可見,易發(fā)性并非由單一因素決定的,而是大量不同的影響因素相互作用的綜合結果.
20 世紀70 年代,對于地質災害的成因與形成機制,最早由一些歐洲的發(fā)達國家開始研究分析[8]. 進入80 年代以來,“3S”技術以及綜合GIS 技術的數(shù)理統(tǒng)計模型的高速發(fā)展和廣泛應用,使得其逐漸成為地質災害易發(fā)性研究的主要方式[9-10]. 在我國,也有許多研究者對地質災害易發(fā)性評價的概念進行了闡述. 倪化勇等[11]的觀點為,地質災害易發(fā)性評價是在地質災害的地質環(huán)境條件下,根據(jù)相應的靜態(tài)影響因子來判斷地質災害發(fā)生的可能性. 張琪等[12]將易發(fā)性評價界定為通過對研究區(qū)各影響因子的研究分析,確定地質災害現(xiàn)象發(fā)生的可能性的過程. 自然資源部于2020 年3月發(fā)布《地質災害風險調查評價技術要求(1 ∶50 000)》,將地質災害易發(fā)性評價定義為一定區(qū)域內由孕災地質條件控制的地質災害發(fā)生的可能性.
地質災害的發(fā)生是在一定的地質環(huán)境下,由眾多因素共同作用的結果. 想要進行易發(fā)性評價,關鍵就在于如何合理把握各種影響因素且確定它們的影響程度. 為了確保易發(fā)性區(qū)劃的客觀性、真實性、準確性與可靠性,構建一套合理且規(guī)范的易發(fā)性評價的指標體系尤為重要.
綜合大量現(xiàn)有的研究成果,本文認為影響地質災害易發(fā)性評價的指標主要分為以下3 個大類:孕災因素(指標)、致災因素(指標)、災害現(xiàn)狀(指標). 具體指標體系見表1.
表1 地質災害易發(fā)性評價指標體系Table 1 Evaluation index system of geological hazard susceptibility
地質災害易發(fā)性評價的結果準確與否取決于指標的權重值. 綜合國內外研究者的相關研究,易發(fā)性評價的主要評價指標賦權方法可以分成以下3 個類別:主觀賦權法、客觀賦權法和組合權重法.
1)主觀賦權法,即根據(jù)決策者的豐富經(jīng)驗和主觀意圖來確定權重的方法,屬于定性評價. 這種方法的評價過程相對簡單,但客觀性相對較差. 主要有層次分析法、模糊綜合評價法和德爾菲法.
2)客觀賦權法,主要基于統(tǒng)計學的定量評價,即通過一些歷史數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計來進行評價. 相對于主觀賦權法更具有客觀優(yōu)勢,且應用更加廣泛,但是無法反映決策者對不同指標的重視程度,以及存在一定的權重和與實際指標相反的程度的情況. 主要有信息量法、變異系數(shù)法、熵權法、貢獻權重法等.
3)組合權重法. 以上兩種類型的賦權法都具有其各自的優(yōu)劣,所以,目前很多研究者采用二者結合的方式. 組合權重法,即同時采用上述兩種或兩種以上的評價方法,融合了兩種(及以上)賦權方法優(yōu)點的組合方法. 通過這種方式能在一定程度上提升模型精度,使得評價結果更真實、可靠.
1)層次分析法(AHP)
層次分析法最早是在20 世紀70 年代由Saaty[13]提出的一種在當時比較新穎的、系統(tǒng)化的估計給定系統(tǒng)投入產(chǎn)出系數(shù)的分析方法. 它是基于經(jīng)濟中各個部門各自的比例來劃分優(yōu)先級. 在很多情況下,很難估計出具有大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)時各個組分之間的相互關系和相對影響,故而通過把復雜系統(tǒng)區(qū)分成為不同的層次,并將各種影響決策的因素相結合從而進行層次權重決策分析以代替徹底而深入的研究.
層次分析法的基本思路是先將數(shù)據(jù)分層系列化,再將各種因素按照影響和關系分類組合,形成一個層次結構模型,然后根據(jù)分量的重要性定量化,構造成對比矩陣和判斷矩陣,最后計算各層因素的權重向量,并進行一致性檢驗.
這種方法在各行各業(yè)中應用十分廣泛,在確定易發(fā)性評價中的地災影響因子權重這一方面具有科學可信、客觀可靠的特性,不僅精度高,而且簡單便利,能夠減少主觀誤差. 局限性在于定量數(shù)據(jù)少、定性成分多,且構造矩陣指標多、計算量大,應通過獨立性檢驗來選取具有代表性的影響因子. 在實際應用中,研究者時常將層次分析法與其他方法相結合來使用,比如專家打分法、隨機森林模型等.
楊德宏等[14]運用層次分析法對旬陽縣地質災害確定各影響因子的權重系數(shù),采用估計兩兩影響因子的互相關系的方式來構造矩陣,在很大程度上規(guī)避了發(fā)生個別結果偏差過大的情況. 李萍等[15]在永德縣地質災害易發(fā)性評價中,利用了層次分析法計算各指標與要素層的權重,并采用成功率曲線對結果進行檢驗,證明效果較好.
2)模糊綜合評價法
模糊綜合評價(評判)法是在20 世紀90 年代由汪培莊[16]提出的一種運用模糊變換原理和最大隸屬度原則,綜合多種影響因子從而作出系統(tǒng)評價的方法.使用這種方法處理一些較為復雜的系統(tǒng)問題時,可以用確定的量來表述,無需精確的數(shù)學方法,具有很好的實用性和便利性. 因此,相比其他的易發(fā)性評價方法,模糊綜合評價法更具分辨性和可比性.
模糊綜合評價法的主要思路是先將各因素集合設定等級構建模糊綜合評價指標,采用構建好的權重向量,分別求出各個因素對等級的歸屬程度構建矩陣,然后根據(jù)權重分配以完成隸屬矩陣和權重的合成.
這種方法在易發(fā)性評價領域中得到了廣泛運用.采用模糊綜合評價法進行地質災害易發(fā)性評價可以減少出現(xiàn)錯判漏判樣本數(shù)據(jù)的情況,均衡兼顧,更好地歸納和劃分多目標因素. 其局限性在于主觀性強,通過選取合適的隸屬函數(shù)能夠使結果更為精確. 再者,區(qū)劃網(wǎng)格通常較大,會使評價結果不夠精確.
劉福臻等[17]選用了模糊綜合評價法在寧南縣滑坡災害點進行易發(fā)性分區(qū),并使用ArcGIS 軟件繪制分區(qū)圖與災害點圖層合并研究,數(shù)據(jù)結果驗證了該方法的合理性和可靠性. 張杰等[18]利用ArcGIS 技術在煙臺市棲霞中橋巖溶塌陷易發(fā)性評價中,在歷史數(shù)據(jù)的基礎上,分析了易發(fā)區(qū)的災害特征,并探討、確定了影響因子. 主要采用的評價方法是模糊綜合評價法,構建了各指標的隸屬函數(shù),從而實現(xiàn)了易發(fā)性評價,減少了人為因素的主觀誤差,提高了試驗結果的可靠性和客觀性,為當?shù)亟ㄔO規(guī)劃、防災減災等工作提供了有力支撐與科學指導.
3)德爾菲法(專家調查法)
德爾菲法最早是在20 世紀40 年代由美國蘭德公司創(chuàng)始,本質上是一種反饋匿名函詢法. 其主要流程是在所要預測的問題經(jīng)過專家的意見后,進行整理歸納并匿名反饋,再次征求意見、集中、反饋,如此反復,經(jīng)過若干輪,直至意見一致. 最終根據(jù)一致的專家意見作出評價.
該方法是公認簡單、便捷和應用廣泛的定性與定量結合的預測類型的評價方法,而對于信息化高度發(fā)展的時代,這種方法的運用日趨減少. 在地質災害的易發(fā)性評價中,它具有一定的代表性和權威性,但同時也具有明顯的主觀隨意性,缺乏一定的科學性. 我國研究者一般會將該方法與其他方法結合構建更為科學可靠的耦合模型.
狄靖月等[19]提出并采用德爾菲-逆推法耦合的方式,構建了地災氣象服務效益評估模型,可同時對各區(qū)域、時間的地質災害進行效益評估. 侯林鋒等[20]在地震災害風險評估中運用德爾菲法和層次分析法確定各指標權重,經(jīng)過了進一步的數(shù)值處理后得到浙江省的地震風險評估結果,為防震防災工作提供了有效的科學依據(jù).
1)證據(jù)權法
該方法是在20 世紀70 年代產(chǎn)生的一種利用綜合的各種證據(jù)來支持先前假設的統(tǒng)計分析方法,即綜合各種證據(jù)來預測某一事件是否會發(fā)生的方法. 該方法是一種數(shù)據(jù)驅動的離散多元統(tǒng)計法,通過統(tǒng)計分析確定因子權重,有效降低了因子權重估值時的人為主觀性. 最初用于醫(yī)療診斷,最早是由Agterberg 引入地質領域,當時的主要用途為礦產(chǎn)預測[21]. 近年來,證據(jù)權法也被越來越多的國內外研究者應用于地質災害的易發(fā)性評價和危險性評價,產(chǎn)生了大量成果.
證據(jù)權法的主要流程是在總結歸納歷史數(shù)據(jù)的條件下,提取相關點、線、面信息,進行相應的空間疊加從而構建新的信息進行分析.
在地質災害易發(fā)性評價中這種方法雖然效果直觀,具有一定的客觀優(yōu)勢,但也有著一定的局限性,即所有影響因子必須擁有各自的獨立性,應舍棄相關性大的,且將用于數(shù)理統(tǒng)計分析的影響因子都為長期性的定量[22]. 對于常年發(fā)生地質變動的地質災害區(qū)域,影響因子之間的相關性變化可能導致實際應用效果并不是特別理想.
胡燕等[23]對巴東縣城滑坡易發(fā)區(qū)和多發(fā)區(qū)的災害區(qū)域采用證據(jù)權法進行易發(fā)性區(qū)劃. 在研究分析該災害點的多種影響因子并劃分證據(jù)層后,分別計算權重和后驗概率,并進行單元疊加,最后進行易發(fā)分區(qū).唐緒波等[24]在神農(nóng)架林區(qū)滑坡災害易發(fā)性評價的研究中,也采用了證據(jù)權法,確定了各因子權重,其數(shù)據(jù)結論也驗證了該方法的科學性、可行性與高精確性.
2)信息量法
與證據(jù)權法相似,信息量法是一種通過各影響因素對所預測事件提供的信息多少來確定預測地段發(fā)生預測事件的總信息量,從而進行定量預測的統(tǒng)計分析方法. 最早用于礦產(chǎn)預測,近年也被用于區(qū)域地質災害預測.
信息量法的主要流程是先轉變?yōu)椴荒敲磸碗s的單因素信息量模型,再分步計算、疊加,從而得到綜合評價值,并由此說明地質災害發(fā)生的可能性大小.
這種方法在地質災害易發(fā)性評價中并不能很好地強調各影響因子自身的差異性,影響因子的選擇也會決定結果的準確性. 因為在一般情況下,地質災害的影響因子總是互相影響且共同作用的,所以在進行調查統(tǒng)計時,樣本的調查方法總是受到一定的限制. 而通過信息量法便可以將復雜的統(tǒng)計問題歸納合并、疊加分析,進而找到多個影響因子組合中最利于災害形成的那一組,從而使得各種影響因子對研究區(qū)的密切程度更為清晰明確.
陳立華等[25]在地災點采用信息量模型的方法,借助ArcGIS 軟件疊加計算影響因子的柵格圖層獲取信息量圖,再劃分區(qū)間獲得易發(fā)性分區(qū)圖,最終實現(xiàn)了北流市地質災害易發(fā)性評價. 馬振等[26]選擇信息量法對九畹溪流域地災進行易發(fā)性區(qū)劃,充分考慮了多種影響因子對地質災害發(fā)生的不同影響情況和綜合作用關系,并進行了多種主客觀結合的分析,最終實現(xiàn)研究區(qū)的科學評價,評價結果基本符合詳查評價結果,為防災減災工作提供了科學的規(guī)劃,很好地證明了信息量法的可行性和科學性,并且對類似的地災調查評價具有良好的借鑒意義. 李信等[27]在對海南昌江研究區(qū)的地質災害易發(fā)性研究中基于GIS 技術構建了信息量分析模型,驗證了該評價方法的可行性,也為研究區(qū)的地質災害預警監(jiān)測和避讓搬遷提供了依據(jù).
3)隨機森林模型(RF)
該模型是一種由多個決策樹弱分類器構成的集成學習算法,最早由Breiman[28]提出.
隨機森林模型的主要思路是利用Bootstrap 自助重采樣技術,從數(shù)據(jù)集中有放回地隨機抽取樣本,并分別建立相同數(shù)量(k 個)的決策樹模型. 每棵決策樹根據(jù)數(shù)據(jù)集中純度最高的特征作為劃分依據(jù),且每棵決策樹單獨工作,獲得k 種分類結果,再簡單表決預測最終分類結果[29].
隨機森林模型是通過數(shù)學理論來進行權重判別的方法. 該方法不但預測精度高,而且抗擬合能力強,對于高維度數(shù)據(jù)的泛化能力強. 其缺點在于模型內部的運行較難人為操控,只能在變化的參數(shù)之間進行,也不能不間斷地輸出值,導致無法做出超越給定數(shù)據(jù)的預測. 在地質災害易發(fā)性評價中,研究者常常將其與層次分析法等定性評價方法結合使用來達到雙管齊下的效果.
Goetz 等[30]在探討地質災害易發(fā)性評價中表現(xiàn)的過程中,將隨機森林模型與其他的一些傳統(tǒng)方法相比較,論證了該方法的預測精度是其他方法無可比擬的.郝國棟[31]在進行商南縣滑坡易發(fā)性評價中通過隨機森林模型得到商南縣滑坡易發(fā)性區(qū)劃的結論成果. 鄧念東等[32]在研究陜西省神木市的崩塌易發(fā)性評價中,采用隨機森林模型與其他模型結合的方式測得的精度比采用單一模型得到的結果精度更高. 楊碩等[33]在滑坡災害較為頻發(fā)的烏江龍溪-石朝門段高陡岸坡采用隨機森林模型的方式進行了易發(fā)性評價,采用混淆矩陣和ROC 區(qū)限進行模型評估,并計算了影響因子的權重,有利于該地區(qū)的居民搬遷、建筑設計和風險調查等工作,對研究區(qū)范圍內的經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義.
4)主成分分析法(主分量分析)
該方法運用了降維的原理,其主要流程是將多指標轉化為少數(shù)幾個能夠反映原始變量大部分信息且互不重復的綜合指標.
相對于其他方法,主成分分析法具有指標選擇容易、在節(jié)省工作量的同時不會漏掉關鍵指標等多種優(yōu)勢. 但用該方法時也需保證提取的主成分具有實際意義,否則會造成模糊性過強等不利影響.
余豐華等[34]在浙江沿海突發(fā)性地質災害易發(fā)區(qū)評價中,采用了主成分分析法. 通過計算各影響因子的敏感性獲得評價格網(wǎng)的綜合分值,再根據(jù)已經(jīng)獲得的信息量化的數(shù)據(jù)和發(fā)展規(guī)劃進行脆弱性分級和易發(fā)程度分區(qū),從而為研究區(qū)的災害防治措施提供切實可行的數(shù)據(jù)支撐和科學依據(jù).
5)變異系數(shù)法
變異系數(shù)法是利用統(tǒng)計學規(guī)律通過判斷各項指標并結合其自身包含的信息來計算出指標權重的一種客觀賦權法. 其中,變異系數(shù)是用來統(tǒng)計觀測值的變異程度的,也稱標準差率,主要有全距系數(shù)、平均差系數(shù)和標準差系數(shù),能夠避免單位或平均數(shù)不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響. 通過變異系數(shù)的大小來判斷某一指標所能反映評價對象的差異性和權重大小. 但當平均值趨近于0 時,變異系數(shù)甚至會因輕微擾動而產(chǎn)生巨大變化導致結果并不準確.
該方法能消除不同數(shù)據(jù)的量綱差異,使之標準化,減少或避免權重的計算障礙,可以很好地避免主觀賦權法中專家主觀偏向導致的人為因素過強的結果影響.
丁贊等[35]運用變異系數(shù)法進行了黃岡市地質環(huán)境承載力研究,結合層次分析法及GIS 技術計算指標權重,進行綜合評價并做承載力分布圖,為研究區(qū)的環(huán)境發(fā)展提供了客觀、精準的方法.
6)貢獻權重法
貢獻權重法,又稱因子貢獻權重法,于2004 年由喬建平[36]提出,并優(yōu)化改善后應用于滑坡危險性評價.目前也被成熟運用于經(jīng)濟學等行業(yè). 這種方法引入了一個貢獻率的概念,它是一種用來評價作用程度的指標,以量化的方式建立貢獻率轉化權重關系.
貢獻權重法的具體思路是以等比數(shù)列的形式劃分因子區(qū)間,分為高、中、低3 個級別,并對各個指標貢獻率3 級劃分后求均值,再進行自權重分配和互權重分配.
將單因子內部權重對災害事件發(fā)生的貢獻與多項因子之間的權重對災害事件發(fā)生的貢獻兩種權重值與地質災害本底因子貢獻值相乘疊加,很好地顯示了本底因子的貢獻作用,使得易發(fā)性區(qū)劃結果更具可靠性.這種方法的缺點在于客觀賦權不可避免地忽視直覺與經(jīng)驗,將所有因子的重要性等同,易于出現(xiàn)權重系數(shù)過于理想化、遠離現(xiàn)實的情況.
王萌等[37]運用貢獻權重模型結合GIS 進行了攀枝花的滑坡危險性評價研究,效率高、精確度高,驗證結果符合實際情況. 楊海龍等[38]運用貢獻權重法進行蘇寶河流域的地震滑坡本底因子敏感性分析,將貢獻率作為分析指標,將互權重劃分為敏感分析指標,從而確定了該領域的主要影響因子的貢獻率大小,揭示了研究區(qū)地震滑坡發(fā)育的潛在風險和本底因子對其的影響與作用.
綜上,以層次分析法為代表的主觀賦權法是根據(jù)符合客觀事實的判斷結構將主觀意見與客觀分析結果結合進行定量描述與排序. 而客觀賦權法是通過設計數(shù)理模型來獲取權重系數(shù)的定量分析方法,相比之下能減小或避免主觀賦權法的主觀性、隨意性造成的誤差. 各方法的優(yōu)劣及適用范圍見表2.
表2 各評價方法選用參考表Table 2 Reference for selection of evaluation methods
兩類方法都有各自的優(yōu)缺點,有時單獨運用其中一種并不能取得滿意的結果,甚至與現(xiàn)實相悖. 故而有研究者陸續(xù)提出了二者結合的組合賦權方法,結合了二者的優(yōu)勢,再通過多次導入導出循環(huán)修正與調整的交互式賦權法,使得評價結果更具科學性.
石輝等[39]在進行陜西省綏德縣的崩塌易發(fā)性評價的研究中,通過提出隨機森林-層次分析耦合模型,用隨機森林模型對不同指標進行客觀權重計算,然后通過層次分析法對判斷矩陣進行修正,確定綜合權重.張志沛等[40]將熵指數(shù)法與信息量法耦合,在前者的基礎上得出一級權重再與信息量結合,使得結論成果更為精確可靠. 連志鵬等[41]在湖北省五峰縣滑坡易發(fā)性評價的研究中,也采用了多模型耦合的方式,結合了信息量模型、證據(jù)權模型和頻率比模型,并通過歸一化和主成分分析的方式降低甚至避免了單一模型的不穩(wěn)定性和偶然性,提高了結論的可信度和準確度,更是對其他地質災害的易發(fā)性評價帶來了借鑒的意義. 周蘇華等[42]在福建省的地質災害易發(fā)性評價中開展地災易發(fā)性區(qū)劃的方式是基于模糊層次分析法和以熵權法結合模糊層次分析法的主客觀賦權組合模型,為研究區(qū)的地災防治和土地規(guī)劃提供了參考.
當前國內外大量的研究聚焦在評價指標的選取及評價指標權重確定方法上,但對某個具體指標合理分級與量化相關研究較少. 評價指標因子合理分級與量化對最終評價結果影響很大,有時甚至起到?jīng)Q定性作用. 當前一些研究成果中的評價指標量化人為性、隨意性較大,缺乏理論科學的分級量化依據(jù). 加強具體因子分級量化相關研究是地質災害易發(fā)性評價的重要基礎性工作之一.
每一種易發(fā)性評價方法模型自身都有著一定的局限性. 在一些特定的易發(fā)區(qū),影響因素和指標并非具有絕對的普遍性,因為通常都是根據(jù)當?shù)氐牡刭|條件和監(jiān)測數(shù)據(jù)信息進行指標的典型選擇,從而進行分析評價. 具體方法選用見表2. 此外,在評價中采用的定量或定性計算方式的合理性與正確性將會直接影響結論的準確程度.