基于證據(jù)權(quán)法的九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

楊華陽，許向?qū)帲瑮铠櫚l(fā)

(四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四0五地質(zhì)隊(duì)，四川 成都 611830)

0 引言

2017年8月8日21時(shí)19分46秒，四川省阿壩州九寨溝縣暴發(fā)了Ms7.0級(jí)地震(據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù))。此次地震的震中(103.82°E，33.20°N)位于塔藏?cái)嗔?、岷江斷裂、虎牙斷?條全新世活動(dòng)斷裂的交匯處，震源深度20 km[1]。四川、甘肅、青海、寧夏等多省震感明顯，據(jù)四川省抗震救災(zāi)指揮部通報(bào)，截至2017年8月13日20時(shí)，九寨溝地震已造成25人死亡，6人失蹤，525人受傷。

山區(qū)強(qiáng)震往往會(huì)誘發(fā)大量崩塌滑坡地質(zhì)災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失和嚴(yán)重的人員傷亡，受到地球科學(xué)領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注，據(jù)統(tǒng)計(jì)2008年汶川地震觸發(fā)了近20萬處滑坡地質(zhì)災(zāi)害，而由滑坡造成的死亡人數(shù)約占地震總傷亡人數(shù)的1/3[2-4]。2017年九寨溝地震發(fā)生后，眾多學(xué)者也進(jìn)行了大量地質(zhì)災(zāi)害方面的相關(guān)研究工作。FAN等[5](2018)、WANG等[6](2018)通過遙感技術(shù)進(jìn)行震區(qū)地質(zhì)災(zāi)害解譯，統(tǒng)計(jì)出地質(zhì)災(zāi)害與各類因素的關(guān)系，進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害分布規(guī)律研究；劉甲美等[7](2017)、陳曉利等[8](2018)利用災(zāi)前地形、區(qū)域地質(zhì)等資料，運(yùn)用Newmark累積位移模型提出了九寨溝地震應(yīng)急快速地質(zhì)災(zāi)害評(píng)價(jià)方法。

地震發(fā)生后，地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是地震滑坡的一個(gè)重要研究方向[9-12]，對(duì)地震災(zāi)區(qū)的防災(zāi)減災(zāi)、災(zāi)后重建具有重要意義。當(dāng)前，常用的地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)方法主要包括基于簡(jiǎn)單力學(xué)原理的Newmark簡(jiǎn)易模型方法[13-14]和基于數(shù)學(xué)模型的統(tǒng)計(jì)分析方法。

隨著GIS的發(fā)展，近年涌現(xiàn)了大量基于數(shù)學(xué)模型的地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)分析方法。該類方法假設(shè)的前提是未來發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的條件和過去相同，利用已發(fā)生的地震滑坡，建立這些滑坡與相關(guān)滑坡影響因子(包括水文因素、人類活動(dòng)因素和地貌因素等)的數(shù)學(xué)模型，再將建立的數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于整個(gè)地震區(qū)的區(qū)域性評(píng)估[15-16]。但評(píng)價(jià)因素的選取及其權(quán)重值的確定一直是制約該學(xué)科發(fā)展的一個(gè)瓶頸，直接決定了地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果的好壞以及分區(qū)精度的高低。證據(jù)權(quán)法作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方法，較好地避免了滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)中評(píng)價(jià)因素的主觀選擇和權(quán)重值的主觀評(píng)估，并在國(guó)內(nèi)外得到了大量的應(yīng)用[17-20]。

本文采用加法與減法2種證據(jù)權(quán)方法客觀定量地評(píng)價(jià)地震、地形和地質(zhì)3大因素(8個(gè)因子)對(duì)滑坡發(fā)育的影響程度，并據(jù)此進(jìn)行滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子的選取及九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)研究工作，避免了對(duì)評(píng)價(jià)因子選擇及其賦值的主觀性，探討了證據(jù)權(quán)方法對(duì)九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的適用性，以期更深入理解地震滑坡及其致災(zāi)因子間的關(guān)系，同時(shí)也為震后地質(zhì)災(zāi)害防治、基礎(chǔ)設(shè)施重建，特別是九寨溝自然風(fēng)景區(qū)的災(zāi)后重建工作提供重要的參考。

1 九寨溝地震及誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害

九寨溝縣位于四川省阿壩州東北部、青藏高原東北緣、岷山山脈的東部以及龍門山山脈的西北部，地處青藏高原與四川盆地的兩大地貌單元間過渡的深切峽谷地帶。境內(nèi)相對(duì)高差懸殊，為典型的高山深切河谷地貌類型。

根據(jù)區(qū)域構(gòu)造綱要圖，研究區(qū)附近主要包括岷江斷裂、塔藏?cái)嗔押突⒀罃嗔训谋蔽鞫?圖1)。李渝生等[21](2017)基于野外調(diào)查的地表和房屋變形，與震源構(gòu)造動(dòng)力學(xué)理論分析相結(jié)合的角度闡明九寨溝地震斷層破裂機(jī)制，李忠權(quán)等[22](2018)探討了九寨溝地震發(fā)震構(gòu)造背景與構(gòu)造機(jī)制，推測(cè)可能發(fā)震斷層位置為塔藏?cái)嗔雅c岷江斷裂間的隱伏斷裂。據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍，地震頻發(fā)，距離此次地震震中200 km范圍內(nèi)近百年共發(fā)生5級(jí)以上地震49次，多次發(fā)生6.5級(jí)以上地震。

為掌握九寨溝地震所誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量、規(guī)模和空間分布特征，我單位協(xié)同成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)采用地震前后高精度遙感影像和無人機(jī)航拍影像對(duì)地震誘發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了快速解譯，解譯區(qū)面積約為840 km2，共解譯同震地質(zhì)災(zāi)害1 883處，總面積約8.11 km2(圖1)[23]。根據(jù)這些滑坡的空間分布位置，大體框定出滑坡區(qū)的分布范圍，作為本文的研究區(qū)域(圖1中黑圈部分)，面積為886.95 km2。研究區(qū)內(nèi)的高程為1 634～4 597 m。研究區(qū)內(nèi)滑坡面積占研究區(qū)面積的0.914%。

圖1 研究區(qū)范圍與九寨溝地震誘發(fā)滑坡分布圖Fig.1 The study area and spatial distribution of co-seismic landslides triggered by the 2017 Jiuzhaigou earthquake

研究區(qū)內(nèi)的巖性數(shù)據(jù)來自于1∶20萬地質(zhì)圖，按照地層年代共分為4類巖組，主要包括三疊系(T)變質(zhì)砂巖、板巖，二疊系(P)白云質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)板巖，石炭系(C)塊狀白云質(zhì)灰?guī)r，泥盆系(D)結(jié)晶灰?guī)r夾石英巖狀砂巖。主要河流有白河、九寨溝和日寨溝等。

2 滑坡影響因子圖層制作

地震滑坡作為多種內(nèi)動(dòng)力和外動(dòng)力因子綜合作用的產(chǎn)物，其影響因素的選取是滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃的基礎(chǔ)。結(jié)合九寨溝地震區(qū)的地質(zhì)、地形、地震以及其他資料，綜合考慮九寨溝地震滑坡的多種影響因素，選取地質(zhì)、地形和地震3大因素(8個(gè)因子)對(duì)九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了快速評(píng)價(jià)和分區(qū)，并分別對(duì)每個(gè)因子進(jìn)行分級(jí)，分級(jí)結(jié)果見表1的第1列和圖2所示。其中，選取震中距與PGA兩種地震因子作為地震滑坡的外動(dòng)力因子；而內(nèi)動(dòng)力因子包括地形因子、地質(zhì)因子；選擇高程、坡度、坡向、與水系距離作為地形因子；選擇地層巖性、與斷裂的距離作為地質(zhì)因子。再基于上述滑坡影響因子，利用證據(jù)權(quán)方法對(duì)研究區(qū)內(nèi)的滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，利用ROC曲線驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的精度。

表1 基于九寨溝地震滑坡的8個(gè)影響因子各個(gè)等級(jí)證據(jù)權(quán)計(jì)算

續(xù)表

續(xù)表

圖2 評(píng)價(jià)因子分級(jí)圖Fig.2 Classification of assessment factors a—高程分布圖； b—坡度分布圖; c—坡向分布圖; d—與水系距離分布圖; e—PGA；f. 與震中距離分布圖; g—地層巖性分布圖; h—與岷江斷裂分布圖; i—與塔藏?cái)嗔丫嚯x分布圖；j—與虎牙斷裂分布圖

3 證據(jù)權(quán)方法簡(jiǎn)介及證據(jù)權(quán)值計(jì)算

證據(jù)權(quán)方法是地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的一種常用方法，該方法的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(1)

(2)

(3)

根據(jù)九寨溝地震滑坡數(shù)據(jù)，使用式(1)與式(2)計(jì)算每個(gè)影響因子的滑坡危險(xiǎn)性權(quán)重。

(4)

(5)

式中：Npix1——該影響因子級(jí)別內(nèi)發(fā)生滑坡的柵格數(shù)；

Npix2——該影響因子級(jí)別外發(fā)生滑坡的柵格數(shù)；

Npix3——該影響因子級(jí)別內(nèi)未發(fā)生滑坡的柵格數(shù)；

Npix4——該影響因子級(jí)別外未發(fā)生滑坡的柵格數(shù)。

最終的權(quán)重值分為兩種情況計(jì)算(如公式(3)所示)，一是將正權(quán)重值與負(fù)權(quán)重值相加，得到最終權(quán)重為：

(6)

另一種是將兩者相減，得到的最終權(quán)重為：

(7)

證據(jù)權(quán)方法作為一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的計(jì)算方法，假定影響因子間是互相獨(dú)立，彼此不受干擾，不但考慮了由滑坡發(fā)生的充分率得到的正權(quán)重，而且還考慮了由滑坡發(fā)生的必要率得到的負(fù)權(quán)重。最終得到的總權(quán)重(Wadd與Wsubtract)表明該影響因子級(jí)別對(duì)滑坡發(fā)生的敏感性，若總權(quán)重為正值，表明該級(jí)別有利于滑坡的發(fā)生，若為負(fù)值，則該級(jí)別不利于滑坡的發(fā)生。若權(quán)重值在0附近，表明該影響因子級(jí)別對(duì)滑坡的影響作用小。

本文采用了上述2種證據(jù)權(quán)方法對(duì)地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)定量對(duì)比評(píng)價(jià)結(jié)果，探討哪種證據(jù)權(quán)方法更適用于九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。圖3為本文所涉及的8個(gè)因子的分級(jí)情況及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果，其證據(jù)權(quán)值可以得出該影響因子內(nèi)哪些級(jí)別的滑坡危險(xiǎn)性高。由圖4可知，當(dāng)坡度>40°時(shí)的總權(quán)重為正值，表明該分級(jí)利于滑坡的發(fā)生，而0°～40°的坡度內(nèi)不利于滑坡的發(fā)生；3 200 m以下是地震滑坡發(fā)生的危險(xiǎn)高程；坡度越大，滑坡危險(xiǎn)性越高；距離水系越近，滑坡危險(xiǎn)性越高；對(duì)于坡向而言，北東、東、南東的總權(quán)重值都為正值，而其他幾個(gè)方向的總權(quán)重值都為負(fù)值，其中南東向的值最大，這可能跟地震波的傳播方向?yàn)榻蠔|向有關(guān)[24-25]；PGA值越大，斜坡受到的地震動(dòng)影響越大，滑坡危險(xiǎn)性越高；對(duì)于地層巖性而言，僅石炭系(C)巖層總權(quán)重值為正，該地層為塊狀白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地震滑坡危險(xiǎn)性高；但本次九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性并沒有隨著震中距的增加呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)，而是在6～0 km分級(jí)范圍內(nèi)權(quán)重值最大，危險(xiǎn)性最高；距離虎牙斷裂越近，滑坡危險(xiǎn)性越高，而滑坡危險(xiǎn)性在距離塔藏?cái)嗔?～10 km范圍時(shí)才達(dá)到最大值，在距離岷江斷裂15～18 km范圍時(shí)才達(dá)到最大值，說明虎牙斷裂對(duì)九寨溝地震滑坡的控制作用更加明顯，側(cè)面證實(shí)了虎牙斷裂為九寨溝地震的發(fā)震斷裂。

4 九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性索引圖制作

根據(jù)得到的最終權(quán)重值，對(duì)每個(gè)影響因子的分級(jí)賦予相對(duì)應(yīng)的權(quán)重值，并疊加各個(gè)影響因子層，獲得九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性索引(Landslide Hazard Index，LHI)圖。公式如下：

LHI=W高程+W坡度+W坡向+W水系+WPGA+

W震中距+W地層巖性+W斷裂

因此，根據(jù)2種不同最終權(quán)重計(jì)算方法(Wadd與Wsubtract)，得到了2個(gè)地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)索引圖。結(jié)果表明：基于Wadd方法得到的LHI范圍為-13.509～6.594，基于Wsubtract方法得到的LHI范圍為-14.490 2～12.807。

圖3 權(quán)重計(jì)算結(jié)果圖Fig.3 The calculated values of weight of evidence

圖4 滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果評(píng)價(jià)曲線Fig.4 Success rate for landslide hazard assessment maps

圖5 九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果圖(加法(左)；減法(右))Fig.5 The landslide hazard assessment maps of the 2017 Jiuzhaigou earthquake-induced landslides (Wadd (left); Wsubtract (right))

運(yùn)用滑坡面積百分比累積-危險(xiǎn)性面積百分比累積曲線下面積方法[26-29](Area Under Curve，AUC)定量檢驗(yàn)2種結(jié)果的正確率。將危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果按1%的面積間隔由數(shù)值從高到低均分為100份，并分別求取這100個(gè)級(jí)別內(nèi)滑坡發(fā)生的百分比，建立危險(xiǎn)性結(jié)果百分比累加與滑坡百分比累積曲線(圖4)。由圖4可見，基于2種證據(jù)權(quán)方法得到的曲線幾乎重合。Wadd對(duì)應(yīng)的AUC為88.29%，Wsubtract對(duì)應(yīng)的AUC值為87.31%，數(shù)值相差很小，Wadd的正確率略大于Wsubtract，兩者的結(jié)果均用已有滑坡數(shù)據(jù)得到了很好的驗(yàn)證，說明2種評(píng)價(jià)模型的精度都較高。

利用ArcGIS提供的自然斷點(diǎn)法(Natural Breaks)，根據(jù)證據(jù)權(quán)值將滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為極低、低、中等、高、極高5個(gè)等級(jí)，2種評(píng)價(jià)模型得到的結(jié)果類似(圖5)。九寨溝地震滑坡的極高、高危險(xiǎn)區(qū)主要沿虎牙斷層北部延長(zhǎng)線分布，在沿位于震中西部的岷江斷層和東部的塔藏?cái)鄬右粠Х植驾^少。在地理位置上主要集中在九寨天堂和九寨溝自然風(fēng)景區(qū)一帶，應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害排查預(yù)防工作。

5 結(jié)論

(1)基于加法和減法2種證據(jù)權(quán)值結(jié)果得出：距離斷層、震中、水系越近，坡度越大，九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性越高；3 200 m以下為九寨溝地震滑坡發(fā)生的危險(xiǎn)高程；石炭系(C)巖層為塊狀白云質(zhì)灰?guī)r，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)該地層巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地震滑坡危險(xiǎn)性高；通過滑坡發(fā)育情況與斷層距離的統(tǒng)計(jì)分析，側(cè)面證實(shí)了虎牙斷裂為九寨溝地震發(fā)震斷裂。

(2)采取加法與減法2種證據(jù)權(quán)方法，對(duì)九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。其中，基于加法證據(jù)權(quán)的評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確率為88.29%，基于減法證據(jù)權(quán)的評(píng)價(jià)模型的準(zhǔn)確率為87.31%，2種評(píng)價(jià)模型的結(jié)果相差很小，模型精度高，說明證據(jù)權(quán)方法適用于九寨溝地震滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

(3)利用自然斷點(diǎn)法，將研究區(qū)按滑坡危險(xiǎn)性程度分為極高危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)、低危險(xiǎn)區(qū)與極低危險(xiǎn)區(qū)。其中，基于加法證據(jù)權(quán)所計(jì)算的極高和高危險(xiǎn)區(qū)面積之和約300.17 km2，占研究區(qū)總面積的33.84%，發(fā)育的滑坡面積占滑坡總面積的91.10%；基于減法證據(jù)權(quán)所計(jì)算的極高和高危險(xiǎn)區(qū)面積之和約214.35 km2，占研究區(qū)總面積的24.17%，發(fā)育的滑坡面積占滑坡總面積的85.04%。

(4)評(píng)價(jià)結(jié)果表明九寨溝地震滑坡的極高、高危險(xiǎn)區(qū)主要沿虎牙斷層北部延長(zhǎng)線分布，在沿位于震中西部的岷江斷層和東部的塔藏?cái)鄬右粠Х植驾^少。在地理位置上主要集中在九寨天堂和九寨溝自然風(fēng)景區(qū)一帶，汛期應(yīng)加強(qiáng)這些區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害排查預(yù)防工作。