基于GIS的四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃

孫 蕊 , 丁雨虹 , 郭海燕 , 徐金霞

（1. 高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610072；2. 四川省氣候中心, 成都 610072；3. 四川省氣象臺(tái), 成都 610072）

引言

四川省地跨青藏高原，地表起伏大，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，加上西南季風(fēng)影響形成獨(dú)特的氣候，導(dǎo)致歷年來(lái)該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)[1?4]。每年滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害都對(duì)四川省社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活造成了嚴(yán)重影響，威脅著山區(qū)的交通干線、農(nóng)田水利等基礎(chǔ)設(shè)施安全以及山區(qū)的工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民點(diǎn)等[5?6]。例如1981年7月9日四川省甘洛利子依達(dá)溝沖毀鐵路大橋，顛覆成昆線上的1列客車，造成300余人死亡。1997年6月5日，四川省美姑縣則租滑坡轉(zhuǎn)化為特大泥石流災(zāi)害，使四個(gè)村莊1527人受災(zāi)，151人死亡。作為重要的非工程減災(zāi)措施，地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在預(yù)防災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和減輕災(zāi)害損失中起著重要的作用，一直是防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域基礎(chǔ)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，已被明確列入《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》。

近年來(lái)，我國(guó)在自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面開(kāi)展了多項(xiàng)工作，并取得了顯著成果。已有研究[7?15]表明：滑坡泥石流災(zāi)害的發(fā)生是地形地貌、地質(zhì)狀況和強(qiáng)降水等多種因素共同作用的結(jié)果；其中，地形地貌條件和地質(zhì)狀況是災(zāi)害形成的環(huán)境因素，而促使災(zāi)害發(fā)生的動(dòng)力因子則主要是降水因素。以往的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃研究中，關(guān)注的因子多側(cè)重于地質(zhì)地貌類因子和地質(zhì)狀況因子，而將降水誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的氣象因子加入集成評(píng)估的研究較少。針對(duì)這一薄弱點(diǎn)，本文收集四川地區(qū)歷史上發(fā)生的滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害案例記錄，著重考慮誘發(fā)滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害的降水氣象動(dòng)力因子，構(gòu)建四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，通過(guò)分析各個(gè)影響評(píng)估因子對(duì)滑坡泥石流的敏感性，對(duì)四川省降水誘發(fā)滑坡泥石流風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)估和區(qū)域劃分，以期為四川省滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害延伸期預(yù)報(bào)和風(fēng)險(xiǎn)防控提供科技支撐。

1 資料及預(yù)處理

（1）降水資料：四川省大氣探測(cè)數(shù)據(jù)中心整編的1990～2020年四川省156個(gè)站點(diǎn)的逐日降水資料。（2）災(zāi)情資料：中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所提供的1990～2020年滑坡泥石流災(zāi)情資料，將其中有具體發(fā)生時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)的災(zāi)情記錄篩選出來(lái)，匹配災(zāi)情發(fā)生時(shí)對(duì)應(yīng)最近氣象站的前期有效雨量。（3）災(zāi)害隱患點(diǎn)資料：利用四川省災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)普查系統(tǒng)，補(bǔ)充有經(jīng)緯度記錄的滑坡泥石流災(zāi)害隱患點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高各影響因子對(duì)滑坡泥石流災(zāi)害敏感性的計(jì)算精度。（4）地理信息數(shù)據(jù)：四川省DEM（Digital Elevation Model）高程數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心；2020年四川省植被減少表土損失量數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，來(lái)源于國(guó)家地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)；1: 100萬(wàn)地質(zhì)圖，來(lái)源于全國(guó)地質(zhì)資料信息網(wǎng)；2020年四川省1: 25萬(wàn)道路網(wǎng)與河網(wǎng)數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心。（5）社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)：四川省2020年土地利用數(shù)據(jù)、人口與經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，分辨率為1 km，來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心。研究所用數(shù)據(jù)來(lái)源、單位量綱、取值范圍均不同，因此評(píng)估前先進(jìn)行預(yù)處理：各圖層統(tǒng)一成WGS1984地理坐標(biāo)系和Albers投影，空間分辨率統(tǒng)一為1 km，并對(duì)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，具體公式如下：

2 滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 評(píng)估指標(biāo)及方法

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)由風(fēng)險(xiǎn)源（即自然災(zāi)變）和風(fēng)險(xiǎn)承災(zāi)體（即人類社會(huì)）兩方面組成[16]，致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境兩者又共同造就了風(fēng)險(xiǎn)源的危險(xiǎn)性。因此，滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)是致災(zāi)體因子、孕災(zāi)環(huán)境與承災(zāi)體三方面相互作用的結(jié)果[17]。本文從致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性三個(gè)方面對(duì)四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，采用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型公式如下：

式中：R為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，H為致災(zāi)因子危險(xiǎn)性，S為孕災(zāi)環(huán)境敏感性，V承災(zāi)體脆弱性。

將致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性三項(xiàng)指標(biāo)細(xì)化為具體的一級(jí)和二級(jí)影響評(píng)估因子。

致災(zāi)因子危險(xiǎn)性：從四川省滑坡和泥石流災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間來(lái)看，幾乎所有的滑坡泥石流災(zāi)害都集中發(fā)生在5～10月，與四川汛期時(shí)間相吻合，因此本文在致災(zāi)因子危險(xiǎn)性選取上側(cè)重于降水誘發(fā)致災(zāi)。降水與滑坡泥石流的關(guān)系已經(jīng)得到廣大學(xué)者的論證[18?25]，水分是滑坡泥石流發(fā)生的必要條件，強(qiáng)度大的降水固然是絕大多數(shù)滑坡泥石流發(fā)生的水動(dòng)力條件，而局地連陰雨天氣也易引起滑坡泥石流的發(fā)生。本文選取大雨日數(shù)、暴雨日數(shù)和滑坡泥石流發(fā)生前期有效雨量共3個(gè)致災(zāi)因子。

孕災(zāi)環(huán)境敏感性：一是地形地貌因子，選取高程和坡度兩個(gè)最常用地形地貌因子指標(biāo)；二是基礎(chǔ)地質(zhì)因子，地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造影響和控制了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育分布及類型，因此選取年表土損失量因子和距離斷裂帶遠(yuǎn)近因子；三是水文條件，河流沖刷作用對(duì)地質(zhì)災(zāi)害起到加速的作用，其次在河流附近發(fā)生滑坡泥石流后極易形成危險(xiǎn)較大的堰塞湖，因此選取距河流距離遠(yuǎn)近因子；四是人類工程活動(dòng)，人類對(duì)山體的改造加大了滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生概率，因此選取距離主干道遠(yuǎn)近因子。

承災(zāi)體脆弱性：主要概化為人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、工程建筑、農(nóng)作物4個(gè)方面，因此分別選取人口密度、GDP（Gross Domestic Product）密度、建設(shè)用地面積比例、耕地面積用地比例共4個(gè)因子。

為進(jìn)一步確定降水誘發(fā)滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中各個(gè)指標(biāo)因子的權(quán)重，本文采用專家打分和層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）相結(jié)合，即分別分析致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性評(píng)估因子，對(duì)子因子的重要性進(jìn)行兩兩比較。采用1～9標(biāo)度法來(lái)量化各因子的相對(duì)重要性，最終得到各個(gè)評(píng)估因子的權(quán)重值（表1）。

表1 四川省降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及權(quán)重

本文采用信息量法計(jì)算致災(zāi)因子和孕災(zāi)環(huán)境中各個(gè)因子指標(biāo)對(duì)滑坡泥石流敏感性，具體步驟為：

（1）先對(duì)各評(píng)估因子進(jìn)行提取和整理。

（2）再對(duì)研究區(qū)各影響因子的相應(yīng)屬性與災(zāi)害點(diǎn)分布的相對(duì)頻率進(jìn)行定量計(jì)算，具體公式如下：

式中：P(A)ks為因子k的某屬性s的災(zāi)害點(diǎn)出現(xiàn)的相對(duì)頻率（因子敏感性）；Dis為對(duì)應(yīng)某因子k中某屬性s的災(zāi)害點(diǎn)總個(gè)數(shù)；Cks為某因子k的某屬性s的對(duì)應(yīng)面積；n為某因子k的某屬性s的對(duì)應(yīng)柵格單元數(shù)。各影響評(píng)估因子空間插值的分辨率均為1 km×1 km，因此敏感系數(shù)單位為個(gè)/m2。對(duì)于某因子k中某屬性等級(jí)劃分，利用自然斷點(diǎn)分級(jí)法確定。

（3）分別將致災(zāi)因子危險(xiǎn)性、孕災(zāi)環(huán)境敏感性和承災(zāi)體脆弱性三個(gè)部分評(píng)估結(jié)果進(jìn)行加權(quán)集成，最終完成四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃。

2.2 評(píng)估結(jié)果分析

2.2.1 致災(zāi)因子危險(xiǎn)性

由四川省滑坡泥石流歷史災(zāi)情點(diǎn)和災(zāi)害隱患點(diǎn)分布（圖1a）可以看出，盆周山區(qū)、川西高原阿壩州東南部、甘孜州東北部和川西南山地是滑坡泥石流災(zāi)害高發(fā)區(qū)，其中巴中市各縣以及廣安鄰水縣災(zāi)點(diǎn)達(dá)到300個(gè)以上，此外達(dá)州萬(wàn)源、宣漢、達(dá)川、渠縣、廣安市廣安區(qū)、華鎣市以及涼山州會(huì)理和會(huì)東縣災(zāi)點(diǎn)也均在150個(gè)以上。根據(jù)已有研究[11?19]，前3 d、10 d、15 d等前期有效雨量作為降水致災(zāi)因子多在滑坡泥石流研究中應(yīng)用。為了適應(yīng)地質(zhì)災(zāi)害中期以上預(yù)報(bào)研究和防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)需求，本文選擇計(jì)算災(zāi)害發(fā)生當(dāng)天至前期15 d有效降水量（PA）作為為致災(zāi)降水要素中的一個(gè)因子，具體公式如下：

圖1 四川省滑坡泥石流歷史災(zāi)情點(diǎn)和隱患點(diǎn)（a）、前期有效雨量（b）空間分布

式中，PA（mm）為前期有效雨量，Pi（mm）為滑坡泥石流災(zāi)害發(fā)生位置的前第i天的降水量。結(jié)合圖1a，分析前期15 d平均有效雨量空間分布（圖1b）可知，前期有效雨量大值區(qū)（30～50 mm）主要位于盆北、盆西南、盆東南部分地區(qū)和攀西地區(qū)中南部，前期有效雨量小值區(qū)（低于15 mm）主要位于川西高原和盆地中部；對(duì)于川西高原、盆地中部等災(zāi)害多發(fā)且前期有效雨量較小的地區(qū)，說(shuō)明其地質(zhì)環(huán)境總體比較脆弱，降水容易激發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害；對(duì)于盆地北部等災(zāi)害多發(fā)且前期有效雨量較大的地區(qū)，說(shuō)明其地質(zhì)環(huán)境總體相對(duì)穩(wěn)定，需較大的有效雨量才能激發(fā)滑坡泥石流災(zāi)害。統(tǒng)計(jì)分析156個(gè)氣象站多年平均的年大雨和年暴雨日數(shù)兩個(gè)降水致災(zāi)因子空間分布（圖略）可知，四川地區(qū)大雨日數(shù)大值區(qū)（超過(guò)10 d）位于盆東北、盆西南部分地區(qū)和攀西地區(qū)中南部，其中雅安最多（16 d）；暴雨日數(shù)因地形影響，盆地多于高原，高山多于平原，迎風(fēng)坡多于背風(fēng)坡，盆地邊緣多于盆地中心，盆西南和盆東北部分地區(qū)以及綿陽(yáng)北川等地均超過(guò)5 d，其中雅安最多（6.5 d）。

將前期有效雨量、年暴雨日數(shù)和年大雨日數(shù)3個(gè)降水致災(zāi)評(píng)估因子結(jié)合災(zāi)點(diǎn)分布情況，按公式（3）分別計(jì)算出各屬性的分級(jí)信息量，即敏感系數(shù)（表2），進(jìn)行加權(quán)疊加，根據(jù)敏感系數(shù)的大小按自然斷點(diǎn)法將致災(zāi)因子危險(xiǎn)性分為低、較低、中等、較高和高5個(gè)等級(jí)，得到致災(zāi)因子危險(xiǎn)性等級(jí)區(qū)劃分布（圖2）。如圖所示，盆地北部、西南部和攀西東部、南部是降水致災(zāi)因子危險(xiǎn)性較高和高等級(jí)區(qū)域，川西高原大部地區(qū)則處于危險(xiǎn)性低等級(jí)地區(qū)。

圖2 四川省滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害致災(zāi)因子危險(xiǎn)性空間分布

表2 致災(zāi)因子等級(jí)敏感性結(jié)果

2.2.2 孕災(zāi)環(huán)境敏感性

運(yùn)用GIS空間分析工具對(duì)孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)估因子進(jìn)行提取整理，得到四川省地形坡度、四川省1:100萬(wàn)135條主要斷裂帶、1:25萬(wàn)共5192條主要河流湖泊和主要道路分級(jí)距離緩沖區(qū)（圖略）。按公式（3）分別計(jì)算出高程因子、坡度因子、年表土損失量、距斷裂帶距離、距河流距離和距主干道距離共6個(gè)因子的對(duì)應(yīng)分級(jí)屬性的敏感系數(shù)（表3）。然后將地形地貌、基礎(chǔ)地質(zhì)、水文條件和人類工程活動(dòng)4個(gè)孕災(zāi)敏感性評(píng)估因子按權(quán)重加權(quán)疊加并按自然斷點(diǎn)法分級(jí)，得到四川省滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性區(qū)劃分布（圖3a）。如圖所示，盆周山區(qū)、攀西地區(qū)（攀枝花和涼山州）以及阿壩州東部地區(qū)孕災(zāi)環(huán)境敏感性大多為較高和高等級(jí)。

表3 孕災(zāi)因子等級(jí)敏感性結(jié)果

2.2.3 承災(zāi)體脆弱性

根據(jù)專家打分及層次分析法確定的各承災(zāi)體脆弱性影響因子權(quán)重，采用加權(quán)綜合評(píng)估法確定滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性評(píng)估模型，具體公式如下：

根據(jù)公式（1），對(duì)空間化好的人口、GDP等數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)處理，并根據(jù)評(píng)估模型公式（5），應(yīng)用自然斷點(diǎn)法將四川省承災(zāi)體脆弱性劃分為低、較低、中等、較高、高共5個(gè)等級(jí)，得到全省滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害承災(zāi)體脆弱性區(qū)劃分布（圖3b）。如圖所示，承災(zāi)體脆弱性中等及以上等級(jí)基本位于盆地地區(qū)，盆周山區(qū)、川西高原及攀西地區(qū)脆弱性等級(jí)大多在中等以下。

圖3 四川省滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)環(huán)境敏感性（a）和承災(zāi)體脆弱性（b）區(qū)劃分布

2.2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與區(qū)劃

將致災(zāi)因子危險(xiǎn)性指數(shù)和孕災(zāi)環(huán)境敏感性指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，結(jié)合承災(zāi)體脆弱性指數(shù)，根據(jù)滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型進(jìn)行綜合集成評(píng)估，采用自然斷點(diǎn)法得出四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)果（圖4）。對(duì)四川省21市州不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的面積與比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表4），其中較高風(fēng)險(xiǎn)和高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)多分布在盆地北部，巴中、達(dá)州、南充三市較高風(fēng)險(xiǎn)以上面積占比均超過(guò)90%。表5給出了四川省不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布對(duì)比。評(píng)價(jià)對(duì)象涉及四川全省約483400 km2，其中較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以上面積約占30.3%，67.2%的災(zāi)害點(diǎn)處于較高以上風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；另外隨著風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的逐步提高，地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際發(fā)生的比率（總個(gè)數(shù)百分比與總面積百分比的比值）也隨之增大，高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域與災(zāi)害點(diǎn)比率達(dá)到了3.2。

表4 四川省21市州降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積（%）與比例（%）

表5 四川省降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)面積與實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布對(duì)比

3 結(jié)論

本文基于災(zāi)害系統(tǒng)學(xué)原理和災(zāi)害分析理論，以四川省為研究區(qū)，綜合考慮了側(cè)重降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因子、孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體，構(gòu)建了降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)四川省降水誘發(fā)型地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得到如下主要結(jié)論：

（1）降水型地質(zhì)災(zāi)害的致災(zāi)因子主要是前期有效雨量，其中前期有效雨量較大的區(qū)域位于盆北、盆西南和攀西地區(qū)東部，前期有效雨量較小的地區(qū)主要位于川西高原和盆地中部。

（2）選取前期15 d有效雨量、大雨日數(shù)和暴雨日數(shù)作為降水誘發(fā)致災(zāi)因子進(jìn)行致災(zāi)因子危險(xiǎn)性評(píng)估，發(fā)現(xiàn)盆北、盆西南和攀西地區(qū)東部是致災(zāi)因子危險(xiǎn)性等級(jí)最高區(qū)域，川西高原大部地區(qū)處于危險(xiǎn)性等級(jí)低地區(qū)，其余地區(qū)則處于降水致災(zāi)因子危險(xiǎn)性中等和較低級(jí)別。選取地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文條件、人類工程活動(dòng)等進(jìn)行孕災(zāi)環(huán)境敏感性評(píng)估，發(fā)現(xiàn)盆周山區(qū)、攀西地區(qū)（攀枝花和涼山州）以及阿壩州東部地區(qū)孕災(zāi)環(huán)境敏感性為較高及以上等級(jí)。選取工程建筑、居民人口、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、耕地等評(píng)估承災(zāi)體脆弱性，發(fā)現(xiàn)承災(zāi)體脆弱性中等及以上等級(jí)基本位于盆地地區(qū)，盆周山區(qū)、川西高原及攀西地區(qū)脆弱性等級(jí)大多在中等以下。

（3）四川省降水誘發(fā)型滑坡泥石流地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)較高區(qū)域主要位于盆北，盆西南和攀西地區(qū)，較高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以上面積約占30.3%，67.2%的災(zāi)害點(diǎn)處于較高以上風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域。隨著風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的逐步提高，地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際發(fā)生的比率隨之增大，高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)域與災(zāi)害點(diǎn)比率達(dá)到了3.2。