基于概率方法的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程效益評估

喬建平,王 萌 ,吳彩燕(1.中國科學(xué)院地表過程與山地災(zāi)害重點實驗室, 四川 成都 610041； 2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041；.西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000)

基于概率方法的區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程效益評估

喬建平1,2,王 萌1,2,吳彩燕3
(1.中國科學(xué)院地表過程與山地災(zāi)害重點實驗室, 四川 成都 610041； 2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 四川 成都 610041；3.西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000)

在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流)風(fēng)險區(qū)劃的基礎(chǔ)上，可以采用概率分析方法對區(qū)內(nèi)風(fēng)險防御工程治理的效益進(jìn)行評價。該方法首先是對區(qū)內(nèi)防御工程按等級分類，建立工程類型等級標(biāo)準(zhǔn)；然后可根據(jù)區(qū)內(nèi)工程類型等級分別評價防御工程的抗風(fēng)險能力和風(fēng)險損失折減概率；最后按3級標(biāo)準(zhǔn)劃分風(fēng)險損失折減的效益。作者應(yīng)用該方法對汶川大地震極震災(zāi)區(qū)的都江堰白沙河小流域地質(zhì)災(zāi)害防御工程，進(jìn)行了風(fēng)險損失折減概率效益評價，并得到了有推廣價值的結(jié)果。

地質(zhì)災(zāi)害;風(fēng)險防御;效益評估

0 引言

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害(滑坡、泥石流)風(fēng)險管理中，對區(qū)劃范圍內(nèi)的重點地質(zhì)災(zāi)害一般需要采取有效的工程措施進(jìn)行防御。防御措施中因災(zāi)害類型不同，危害程度不同，可以選擇多種有針對性的工程措施或非工程措施。工程措施的類型包括：滑坡抗滑擋墻、抗滑樁等，泥石流包括攔砂壩、排導(dǎo)槽等。非工程措施類型包括：監(jiān)測預(yù)警，群測群防等。但以往的風(fēng)險管理中，極少有關(guān)于區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防御工程效益的評價研究。多以單體地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程的效益評估為主[1-6]。到目前為止，雖然國家還沒有專門的地質(zhì)災(zāi)害防御工程效益評估標(biāo)準(zhǔn)[7-8]，作者認(rèn)為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程效益難以如同單體地質(zhì)災(zāi)害防御工程那樣具體到對經(jīng)濟(jì)效益的評估，但可以采用風(fēng)險損失折減率方法，評估防御工程在區(qū)域范圍內(nèi)減災(zāi)防災(zāi)的貢獻(xiàn)。該方法的基本原理是，評價防御工程措施與抗風(fēng)險的能力，防御工程措施折減風(fēng)險損失的程度，綜合評估防御工程減災(zāi)的效益。

1 防御工程類型等級

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程大致可劃分為兩類：①工程治理措施(土木工程)；②非工程治理措施(監(jiān)測預(yù)警、群測群防)。兩類工程的用途有一定差別，一般直接危害對象的滑坡泥石流通常采用工程治理措施。間接危害對象的滑坡泥石流通常采用非工程治理措施。各種類型工程的造價差別較大，尤其是土木工程可以從10萬元至1 000萬元不等。制定防御工程方案時，需要根據(jù)保護(hù)對象的價值，分析投資效益比，然后再確定采用工程治理的類型。工程治理類型大致包括表1內(nèi)容。

表1 滑坡泥石流防御工程措施類型Table 1 Types of preventing engineering of landslide and debris flow

表1中的防御工程類型是按工程的復(fù)雜程度和工程投資價值劃分的。投入系數(shù)λ是評價防御工程投資的參考賦值標(biāo)準(zhǔn)。但不代表實際工程投入量，僅僅作為防御工程投資效益分析的參數(shù)使用?；履嗍鞣乐喂こ滩捎檬裁赐度霕?biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該根據(jù)保護(hù)對象的重要性確定。通常需要參考國家有關(guān)規(guī)范確定防治等級。如：滑坡泥石流防治工程等級標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級[1-2]。

2 抗風(fēng)險能力

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險處理中，一般只對有直接危害對象的滑坡泥石流進(jìn)行工程防御。區(qū)域內(nèi)防御工程數(shù)量比例越高，證明區(qū)域內(nèi)整體抗風(fēng)險的能力應(yīng)該越強(qiáng)。反之亦然，防御工程比例越小，流域內(nèi)整體抗風(fēng)險的能力越低。根據(jù)此概念，可以建立區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害抗風(fēng)險能力統(tǒng)計模型，即：

(1)

式中：ECi——為防御工程實施率(抗風(fēng)險能力)；λ——為工程級別系數(shù)(表1)；CEi——為實施工程措施數(shù)；EWi——為實施非工程措施數(shù)；N——為災(zāi)害總數(shù)。

區(qū)域整體抗擊風(fēng)險的能力既要體現(xiàn)區(qū)內(nèi)防御工程的實施率和類型，還應(yīng)體現(xiàn)工程投資量。有效防御工程可以按各風(fēng)險等級區(qū)的實施率進(jìn)行統(tǒng)計。

3 風(fēng)險折減率

針對區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的特點，防御工程主要目的是減輕區(qū)域范圍內(nèi)風(fēng)險損失，提高抗風(fēng)險的能力。評價區(qū)域性抗風(fēng)險能力，應(yīng)該具有兩個基本因素：一是區(qū)域范圍內(nèi)投入防御工程的數(shù)量比，亦即防御工程的實施率；二是防御工程降低風(fēng)險損失率。地質(zhì)災(zāi)害防御工程是增強(qiáng)抗風(fēng)險能力的主要措施。其中工程治理措施效果需要在滑坡泥石流防治工程完成工后，再經(jīng)過一個水文年的工程效益監(jiān)測，才能綜合評估是否達(dá)到抗風(fēng)險的效果。而滑坡泥石流監(jiān)測預(yù)警是一項長期的補(bǔ)充性抗風(fēng)險非工程措施，時間可長可短，應(yīng)據(jù)災(zāi)害的發(fā)育特征而定。通常凡是實施了防御工程措施和非工程措施的區(qū)域，地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險損失都應(yīng)該小于之前的風(fēng)險損失，或者稱為風(fēng)險損失折減。風(fēng)險損失折減可能性有多大，可以采用防御工程實施率(抗風(fēng)險能力)與防御工程風(fēng)險受損率的概率關(guān)系表達(dá)，即：

(2)

風(fēng)險折減率代表風(fēng)險損失降低的可能性，是一個概率問題。針對實施防御工程后的區(qū)域滑坡泥石流風(fēng)險，可以建立風(fēng)險折減概率統(tǒng)計模型。假設(shè)防御工程實施后的風(fēng)險損失概率事件A是防御工程前風(fēng)險損失概率和防御工程實施率事件B已經(jīng)發(fā)生條件下的概率P問題[9-13]，這個條件概率可以表示為P(A/B)，即“在B條件下A的概率”。因為有兩個獨立事件A和B。則有：

P(A/B)=P(AB)/P(B) (P(B)>0)

(3)

根據(jù)概率乘法定律

C=A∩B則P(C)=P(A)·P(B)

(4)

或

(5)

式中：Pi-j——為防御工程后風(fēng)險損失折減概率(i=1…5級風(fēng)險區(qū)，j=1…3級降雨類型)；

將式(1)代入式(5)，得到式(6)：

(6)

式中：PP——為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率(根據(jù)具體滑坡泥石流的活動特點確定)[14]；

Ph為地質(zhì)災(zāi)害受損概率(Ph=νi/V，i=1…5，其中1為高風(fēng)險區(qū)、2為較高風(fēng)險區(qū)…5為低風(fēng)險區(qū)；ν為各級別風(fēng)險區(qū)固定資產(chǎn)價值；V為全區(qū)域固定資產(chǎn)總價值)。

利用式(6)可以計算防御工程實施后，區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險損失折減率，即相比原風(fēng)險損失率將存在進(jìn)一步減小的可能性。

4 風(fēng)險折減效益評價

(7)

式中：P0——為風(fēng)險防御工程實施后的風(fēng)險損失概率。

(8)

將式(7)代入式(8)可變?yōu)椋?/p>

(9)

式中：ΔP——為風(fēng)險折減概率效益評價模型。

該模型僅針對區(qū)域內(nèi)已經(jīng)實施了風(fēng)險防御工程前后的風(fēng)險損失折減概率。根據(jù)式(9)計算結(jié)果，還可以建立防御工程后風(fēng)險損失概率效益A(效益好)、B(效益較好)、C(效益一般)三級評價標(biāo)準(zhǔn)(表2)，如：

(10)

式中：χi——為效益評價ΔP的實際差值。當(dāng)χi值越大時，說明防御工程折減風(fēng)險損失的概率越大，效益越好；當(dāng)χi差值越小時，說明防御工程折減風(fēng)險損失的概率越小，效益也越差。

表2 風(fēng)險損失折減概率效益評價標(biāo)準(zhǔn)Table 2 The evaluation standard of risk reduction loss probability

5 實例分析

5.1 風(fēng)險區(qū)劃

研究區(qū)位于“5·12”汶川大地震的都江堰市白沙河流域，屬長江流域岷江水系，系岷江一級支流。全流域面積364 km2，微流域共16條，其中無人區(qū)面積占310 km2，災(zāi)后重建的集中安置區(qū)位于下游，面積僅51.57 km2。該區(qū)位于汶川“5·12”地震極震區(qū)，距震中汶川映秀僅8.6 km，地震烈度為Ⅺ度。地震及后期降雨誘發(fā)共滑坡泥石流6 119處，分布密度達(dá)到了16.8處/km2(圖1)。風(fēng)險區(qū)劃結(jié)果見圖2、表3[15]。該區(qū)防御工程僅僅針對下游51.57 km2災(zāi)后重建集中安置區(qū)有直接危害對象的范圍實施。

圖1 白沙河流域滑坡泥石流分布圖Fig.1 Geological hazards distribution map

圖2 白沙河流域滑坡泥石流風(fēng)險區(qū)劃圖Fig.2 Geological hazards risk zonation map

表3 白沙河全流域風(fēng)險區(qū)劃及防御工程統(tǒng)計Table 3 The statistic of preventing engineering and risk zonation of Baishahe watershed

5.2 抗風(fēng)險能力

以表3中的高風(fēng)險區(qū)為例，統(tǒng)計抗風(fēng)險能力。高風(fēng)險區(qū)內(nèi)滑坡、泥石流共計30處，其中實施工程治理措施11處，非工程措施10處。根據(jù)式(1)有效防御工程實施率為：

式中，高風(fēng)險區(qū)中的泥石流防治工程措施均按20年一遇設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)修建防治攔砂壩、排導(dǎo)槽、防護(hù)堤等工程；滑坡(崩塌)防治工程措施大部分采用擋土墻、攔石墻、被動攔石網(wǎng)，僅1處滑坡采用抗滑樁工程，工程措施采用表1中Ⅱλ級類型標(biāo)準(zhǔn)，工程措施類型投入系數(shù)?。害?=0.8。高風(fēng)險區(qū)中主要滑坡泥石流災(zāi)害點實施的非工程措施均采用表1中Ⅰλ級類型標(biāo)準(zhǔn)，工程措施投入系數(shù)取：λ2=1。計算結(jié)果高風(fēng)險區(qū)有效防御工程實施率達(dá)到：EC1=0.62(%)。

5.3 風(fēng)險折減率

根據(jù)式(6)模型，以參考文獻(xiàn)[14]高風(fēng)險區(qū)的降雨型滑坡泥石流發(fā)生空間分布概率為風(fēng)險概率Pp，以參考文獻(xiàn)[15]高風(fēng)險區(qū)的受損率做為風(fēng)險損失概率Ph。因為該區(qū)的滑坡泥石流主要受降雨條件控制，所以將兩者代入式(6)計算高風(fēng)險區(qū)不同降雨類型條件下的風(fēng)險折減概率，即：

①特大暴雨(Q1)

當(dāng)特大暴雨時高風(fēng)險區(qū)滑坡泥石流發(fā)生概率為Pp=0.93，財產(chǎn)損失概率為Ph=0.47，代入式(6)，可得：

實施防御工程措施后在特大暴雨條件下，高風(fēng)險區(qū)風(fēng)險折減概率為0.32。

②大暴雨(Q2)

當(dāng)大暴雨時高風(fēng)險區(qū)滑坡泥石流發(fā)生概率為Pp=0.91，財產(chǎn)損失概率為Ph= 0.47，代入式(6)，可得：

實施防御工程措施后在大暴雨條件下，高風(fēng)險區(qū)的風(fēng)險損失率將折減0.34%。

③暴雨(Q3)

當(dāng)暴雨時高風(fēng)險區(qū)滑坡泥石流發(fā)生概率為Pp=0.61，財產(chǎn)損失概率為Ph= 0.47，代入式(6)，可得：

實施防御工程措施后在暴雨條件下，高風(fēng)險區(qū)的風(fēng)險損失率將折減0.44%。采用相同方法還可以獲得各類風(fēng)險區(qū)的風(fēng)險折減概率結(jié)果(表4)。

表4 白沙河流域各風(fēng)險類型區(qū)風(fēng)險折減概率統(tǒng)計Table 4 The statistic of risk reduction loss probability of different risk grade in Baishahe watershed

5.4 風(fēng)險折減效益

采用式(9)對表4數(shù)據(jù)進(jìn)行效益評價值計算，獲得表5結(jié)果。

表5 白沙河流域各風(fēng)險類型區(qū)風(fēng)險折減概率效益統(tǒng)計Table 5 The benefit statistic of risk reduction probability in different risk grades of Baishahe watershed

從表5中可以看出，研究區(qū)實施防御工程治理后，各類風(fēng)險區(qū)的損失概率都將得到不同程度降低。其中高風(fēng)險區(qū)在特大暴雨、大暴雨條件下，風(fēng)險損失概率差值最大，風(fēng)險損失降低的效益最好。由于高風(fēng)險區(qū)防御工程治理的數(shù)量最多，工程投資量最大，因此得到的風(fēng)險折減率也越高(圖3)。

圖3 風(fēng)險損失概率效益評價圖Fig.3 Risk loss probability benefit evaluation

為了對表5統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)一步劃分效益評價等級，采用式(10)將表中風(fēng)險損失概率差值ΔPi數(shù)據(jù)建立三級效果評價標(biāo)準(zhǔn)，即：

ζ=(0.284-0.007)/3=0.09、τ1=0.284、τ2=τ1-ζ=0.284-0.09=0.194

τ3=τ4+ζ=0.007+0.09=0.097、τ4=0.007

由上結(jié)果可得白沙河流域風(fēng)險防御工程三級效益評價標(biāo)準(zhǔn)：效益好(A=τ1…τ2)、效益較好(B=τ2…τ3)、效益一般(C=τ3…τ4)。統(tǒng)計結(jié)果見表6。

表6 白沙河流域各風(fēng)險類型區(qū)風(fēng)險折減概率效益評價表Table 6 Risk reduction probability benefit evaluation of different risk grades of Baishahe watershed

高風(fēng)險區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量占全區(qū)總數(shù)的38%，威脅的人數(shù)及財產(chǎn)數(shù)量最多，承擔(dān)的風(fēng)險損失概率最大，通過對10處直接危害人民生命財產(chǎn)安全的地災(zāi)進(jìn)行工程治理，明顯折減了原有的風(fēng)險損失可能性。所以高風(fēng)險區(qū)風(fēng)險損失折減率最大，防御工程效益為A級最多。因其它風(fēng)險類型區(qū)的防御工程的類型和投入量相對較低，承擔(dān)的風(fēng)險損失概率也相對較低，因此防御工程效益相對較差，評價結(jié)果分別為B和C級。

6 結(jié)語

(1)進(jìn)行空間區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃后，應(yīng)該進(jìn)一步對區(qū)內(nèi)的風(fēng)險防御工程效益評價。但到目前為止，還沒有地質(zhì)災(zāi)害防治工程投資效益評價的標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的效益評價僅僅考慮防御工程的投資效益比，即保護(hù)對象的固定資產(chǎn)和工程投入的比例關(guān)系，而沒有考慮降低風(fēng)險損失的可能性問題。實際上地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程效益除了社會效益難以量化評估外，其它都可以采用防御工程的綜合效益降低災(zāi)害損失可能性(概率)來量化評價。

(2)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害防御工程包括了全部的工程措施(土木工程)和非工程措施(監(jiān)測預(yù)警、群測群防)內(nèi)容，這些措施代表了區(qū)域范圍內(nèi)整體抗風(fēng)險損失能力提升的效果。與單項工程效益評估的方法不同，僅僅采用投資效益比等單項指標(biāo)進(jìn)行評估，是得不到客觀科學(xué)的分析效果的。

(3)采用防御工程的抗風(fēng)險能力、防御工程風(fēng)險損失折減概率、防御工程效益評價3項指標(biāo)，可以建立綜合評價區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險防御工程效益的模型。其中，抗風(fēng)險能力代表全區(qū)范圍內(nèi)實施防御工程的類型和數(shù)量，體現(xiàn)了提升整體抗風(fēng)險損失的能力。風(fēng)險損失折減概率代表防御工程實施后，風(fēng)險損失的變化情況。防御工程效益評價將前2項統(tǒng)計結(jié)果劃分為3級標(biāo)準(zhǔn)。

(4)論文介紹的風(fēng)險防御工程效益評價方法必須是在完成風(fēng)險區(qū)劃之后工作，該方法可以成為區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險區(qū)劃的內(nèi)容之一。

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Preventing engineering benefit evaluation of regional geological disaster risk based on probability method

QIAO Jianping1,2,WANG Meng1,2,WU Caiyan3
(1.KeyLaboratoryofGeo-SurfaceProcessandMountainHazards,CAS，Chengdu,Sichuan610041China; 2.InstituteofMountainHazardsandEnvironment,CAS,Chengdu,Sichuan610041,China; 3.SouthwestUniversityofScienceandTechnology,Mianyang,Sichuan621000,China)

The probability method was adopted to evaluate disaster preventing engineering benefit based on the regional hazards risk assessment. The method classified engineering grades firstly and determined the standard of classification. And then, according to the grade of different engineering type, the ability to resist risks of engineering and risk reduction loss probability were evaluated separately. Finally, the benefit of risk reduction loss was classified into 3 grades. The method has been used to evaluate the risk reduction loss probability of preventing engineering in Baishahe watershed of DuJiangyan city of Wenchuan Earthquake disturbance area and the result was good and worth to be popularized.

geological disaster; risk prevention; benefit evaluation

2016-12-13;

2016-12-30

科技部重點國際合作項目(2013DFA21720)；國家電網(wǎng)公司科技項目(521999150031)；成蘭鐵路泥石流監(jiān)測預(yù)警項目。

喬建平(1953-)，男，四川成都人，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為滑坡規(guī)律、滑坡機(jī)理與滑坡危險度區(qū)劃、地震滑坡。E-mail：jpqiao@imde.ac.cn

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.02.18

P642

A

1003-8035(2017)02-0131-06