浙江省工程物探勘察院 310005
摘要：地质灾害空间危险性评价对国土规划和防灾、减灾具有十分重要的意义。首先界定地质灾害易发性、危险性和风险性内涵, 并区分灾害预测和灾害预报的研究范畴;然后, 阐述地质灾害危险性评估的基本假设和一般步骤, 并从主要原则、指标的选取和指标量化3个方面详细探讨了地质灾害评价指标体系建立的一般方法。最后, 归纳常用的地质灾害评价模型和方法, 描述各类方法的基本特征和适用条件。
关键词：地质灾害;危险性评价;指标体系;方法综述
地质灾害是大面积范围内复杂的内部潜在因子(自然地形、地貌、水文、构造等)和外部诱发因子(降雨、地震等)共同作用的结果, 很难明确地表示出各个致灾因子与灾害发生之间的关系, 也就很难用确定的概率表示灾害发生的可能性。所以, 大多数地质灾害危险性评价结果用不同区域的相对危险性, 如:极高危险、高危险、中等危险和低危险等词汇描述灾害发生的可能性。根据危险性不同,用不同的颜色(红色到绿色渐变)将研究区域划分为若干区域(即地质灾害空间危险性区划图), 便于土地利用和规划中识别土地潜在的灾害危险。
1 基本概念
1.1 地质灾害易发性、危险性和风险性评价
国内外文献中, 经常使用易发性评价(susceptibilityassessment)、危险性评价(hazardassessment)和风险性评价(riskassessment)这3个基本词汇来描述地质灾害(崩塌、滑坡、泥石流等)发生的可能性或其对人类社会可能造成的破坏程度。然而, 易发性评价和危险性评价进行了区分, 认为易发性由地质、地貌等内因和气象、地震等外因共同决定, 易发性评价是对潜在地质灾害的发生时间、空间以及规模大小或可能性做出评估,即易发性评价仅仅是对地质灾害发生的物理过程进行科学评估。而危险性评价则是评估地质灾害对人类社会的危害程度。可见, 易发性评价的基础是自然条件, 而危险性评价基础是自然条件和人类社会活动(如:居民点位置、人口数量、基础设施分布等)。从易发性转变成为危险性不但要考虑地质、地貌等自然条件, 还需要考虑对人类社会可能造成的破坏性。在本文中, 区域公路地质灾害空间危险性评价是综合考虑灾害体内部控制因子(地质、地貌、水文、构造等)和外部诱发因子(气象、地震等)及其相互作用后, 对灾害发生的可能性、灾害发生的位置、规模等进行等级评估。
1.2 地质灾害预测和预报
地质灾害评估可分为灾害预测和灾害预报两个范畴。灾害预测是指评估区域内灾害发生的可能性, 这是对灾害进行长期的空间预测。灾害预测的结果用灾害危险性分区图来表示, 即:根据灾害危险性程度不同将待评估区域划分为若干区域, 便于土地规划利用和公用设施的建设。灾害预报是估计灾害发生的位置、时间、规模和特征等, 主要依赖于灾害监测和预报模型。灾害预报可以是结合气象条件(例如:降雨、融雪等)的区域地质灾害气象预警, 也可以是根据监测数据,对单体灾害发生的时间、规模等进行预报。所以,灾害预报是对灾害进行中期、短期甚至是临期的时空预报, 是早期预警系统和采取紧急措施的必要基础。
2 基本假设
地质灾害危险性区划的方法很多 , 所有方法都基于以下假设:
(1)区域内所有可能的地质灾害类型都是可以认识的。理想状况下, 要求所有斜坡破坏类型都能被识别出来, 并可以进行适当的分类。这正是区域地质灾害这一概念成立的重要条件之一。
(2)未来地质灾害的位置很大程度上决定于历史地质灾害的分布, 即历史灾害是新的灾害源头。
(3)工程地质等自然条件(潜在因子)与历史灾害相似的边坡, 更易于发生地质灾害。这是区域地质灾害危险性评价的理论前提。它假定在一个区域内部, 地质灾害的发生是受控于统一共同的规律, 那么研究控制和影响灾害发生的因素就是评价和预测地质灾害危险性的基础性工作。
(4)历史灾害产生的潜在因子和诱发因子是可以认识的, 并且是可以量化确定的, 整合这些因子可以为未来灾害发生提供合理的解释。如果历史灾害的潜在因子和诱发因子不能认识, 那么地质灾害危险性评价就变成了一个黑箱问题, 成因———机制分析便失去了基础;如果历史灾害的致灾因子不能量化, 则很难用数学模型定量评价地质灾害的危险性。
(5)危险性程度可以量化表达。危险性程度能够获得准确的数量化表达, 这是定量评价的前提。离开了这一基本假设, 则很难表达地质灾害的危险性。对于区域地质灾害危险性评价这一复杂的问题, 这些假定是必须的, 因而现今条件下, 任何区域地质灾害危险性评价模型都是理想的近似, 区域地质灾害危险性评价结果不可能完全符合实际。
3 评价步骤
一般, 地质灾害危险性区划图编制步骤如下:
(1)确定研究区域。
(2)通过对地质灾害成因环境、诱发因素与历史因素综合分析, 筛选影响地质灾害危险性的参评因子, 建立区域地质灾害评价指标体系。
(3)收集覆盖研究区域的有关地形图、航测照片、遥感图像等图形、图像资料。
(4)收集研究区域内的地质、地貌、水文、气象、构造以及历史地质灾害特征和分布信息等。
(5)野外勘查。采集岩石、土样进行室内实验, 获取相关岩土力学参数, 调绘植被覆盖情况和土地利用情况等。
(6)按照一定比例尺, 将收集的各类资料数字化, 形成不同的致灾因子特征层。
(7)将各层致灾因子分级和量化, 并采用科学的模型和方法赋予各评价指标以权重系数, 把控制地质灾害活动性的各方面影响因素转化为可以量化对比的指标权重。
(8)依据不同的地质灾害危险性评价方法, 计算灾害危险性指标。
(9)将危险性指标分为若干级别, 按相对危险程度用不同颜色(红色到绿色渐变)将研究区域划分为若干区域, 形成地质灾害空间危险性区划图。
4 指标体系
地质灾害的发生是地质环境变异的结果, 而地质环境是一个由众多因素确定的复杂体系, 地质灾害区域危险性评价的关键就在于如何合理地把握这些因素, 并确定它们对灾害发生的影响。针对具体的研究区域建立一套相对合理和规范的评价指标体系, 是地质灾害区域危险性评价与预测的基础工作。
4.1 评价指标体系建立的原则
地质灾害形成条件涉及的内容非常广泛和复杂。但是, 在分析其危险性时, 如果试图将所有反映地质灾害形成条件的要素都纳入危险性分析之中是不可能的。为了满足危险性分析的需要, 应该以下列原则为依据进行指标的选取:
(1)系统性原则。指标体系应尽可能全面、系统地反映研究区地质环境情况, 评价目标和指标必须有机地联系起来组成一个层次分明的整体。
(2)分主次性原则。建立评价指标体系时要分清主次, 对地质灾害危险性具有重要作用或直接关系的要素指标纳入危险性分析, 舍去次要的、间接要素指标。
(3)地域差异性原则。要充分考虑地域的差异, 考虑当地自然地理特征, 分析产生灾害的主要影响因素。不能盲目套用其它地区的地质灾害危险性评价指标。
(4)简明性和可操作性原则。简明性就是评价指标尽可能的简单、明确, 具有代表性。可操作性就是评价指标值可以通过实际勘察工作比较方便地获取或实现。
4.2 空间危险性区划主要影响因素
控制和影响地质灾害孕育发生的主要影响因素可归为三大类:环境因素、诱发因素和历史因
素。环境因素为地质灾害的发生提供了内部条件, 是地质灾害发育的基础;诱发因素是产生地质灾害的外因, 是地质灾害发生的充分条件, 为地质灾害产生提供了突变条件;历史因素反映以前发生的地质灾害对人类及其生存环境造成的影响, 可以根据现有地质灾害的状况预示其发生、发展的趋势, 因此指标体系的确定应把它作为一个重要的方面考虑在内。
环境因素主要包括坡度、高程、地层岩性、地质构造、软弱地层和河流切割等。其中:①坡度:坡度是地质灾害发生的一个主要因素, 是各种地质灾害形成的力源。②高程:高程与地区降雨之间具有很强的相关性, 在不同高程范围具有不同的植被类型和植被覆盖率。③地层岩性:地层岩性是地质灾害发生、发展的物质基础。④地质构造:地质构造的发育在很大程度上控制着地貌单元的划分, 也是影响地质灾害分布规律的重要因素之一。⑤河流切割:河流切割为地质灾害的发育提供了良好的空间条件, 是滑坡、崩塌的主要孕育场。
触发因素主要包括降雨、地震和人类活动。①降雨:降雨不仅增加了斜坡上岩土体的荷载, 而且润湿软化软弱结构面, 降低岩土体的凝聚力, 破坏了斜坡上岩土体原有的力学平衡, 从而诱发了滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的发生。②地震:地震不但可以破坏斜坡的稳定性, 还直接触发山崩、滑坡、泥石流, 并使岩体破碎, 产生裂缝, 形成大量碎屑物质, 加剧地质灾害的发生。③人类活动:人们频繁的社会经济工程活动, 如开挖坡脚建房、修路、开山垦荒等, 破坏了地质环境、生态环境, 直接或间接地影响着地质环境的演变和地质灾害的形成与发展。
历史因素主要包括分布密度、发生规模和发生频率3个方面:①分布密度:地质灾害往往具有群发性、灾害链等特点, 已有灾点局部区域可能复活形成新的灾害或催生其他类型的地质灾害。②发生规模:在相同环境条件下, 发生规模越大, 其潜在的危险性越高。③发生频率:地质灾害的发生频率反映了地质灾害活动的趋势, 发生频率高的地质灾害极易再次危害周边地区。
以上指标因素带有一定的普遍性, 针对具体区域时, 很难采集到所有的指标数据, 同时对于特定区域部分因子所起的作用甚微, 在实践中需要根据勘查条件和地质情况筛选出几个典型的指标进行评价。
4.3 评价指标的量化与分级
评价指标在评价预测模型中作为地质变量, 必须赋予量化的值。通常情况下, 从数值特征上, 指标可分为2类, 一类是定量指标;另一类是定性指标。如果更细致地划分, 变量有3种尺度:
(1)间隔尺度:变量用实数来表示, 如坡度、高程、降雨量等。
(2)有序尺度:变量用有序等级来表示, 如地质灾害危险性等级, 分为低危险、中等危险、高危险、极高危险4个等级。
(3)名义尺度:变量用特征状态来表示, 这些状态之间既没有数量关系, 也没有等级关系, 如地层岩性变量, 有松散土、变质岩、碳酸盐岩、碎屑岩、侵入岩等岩性特征状态。对于间隔尺度的变量, 可以进行实数域的数学运算。对于有序尺度的变量, 若进行有序值的转换, 也会有计算意义。对于名义尺度的变量, 很难进行实数域的运算或计算结论很难解释, 有效的办法是进行数据转换, 将名义尺度的变量转换为有序尺度的变量, 例如将地层岩性变量根据“易滑程度”来分类, 即转换为易滑岩组、较易滑岩组、偶滑岩组、稳定岩组等“隐式”的有序尺度。
在选定了评价指标之后, 由于这些指标多数都是定性的或者半定量的, (甚至有些定量指标,比如降雨量, 也不能直接用于评价预测), 因此还必须设法按某一合理的原则, 将定性因素转变为定量变量, 并以此为基础建模计算。这就是评价指标的量化处理。此外, 同一因子的不同等级对地质灾害形成和发生所起的作用不同, 所以在各因子量化的同时,还需要对因子进行分级。
量化后, 由于所有变量的测量单位不一致, 各变量处于不同数量级, 所以, 还要对不同变量进行无量纲化处理, 消除变量的量纲效应。一般对指标值采用标准化、规格化、均匀化、对数、平方根等数值变换方法统一量纲, 方可代入评价模型。
5 评价方法
关于区域地质灾害危险性评价方法, 国内外学者有不少综述, 各种分类大同小异。本文把区域地质灾害危险性评价方法概括为2类:直接作图法和间接作图法, 如图1。
5.1 直接作图法
直接作图法, 是根据历史灾害事件的分布确定灾害风险, 由专家在滑坡现场的直接观察确定灾害与地质、地形的关系。
(1)灾害编目:这是最直接的灾害危险性分区图制作方法, 主要是编辑某一区域内的历史灾害数据库, 该数据库包括航空照片、地面勘查资料和历史记录等。
(2)地形、地貌分析法:地貌图是表示各种地貌的特征、分布、成因、类型及其演变规律的专题地图。由地质学家以个人经验和合理的工程对比法在现场直接确定灾害危险性大小。由于这个方法依赖于专家个人的判断, 所以, 可重复性是方法的主要问题。
(3)定性图层叠加法:这个方法需要确定致灾的重要因子。依据灾害的实际环境确定每一个因子的权重。叠加各个因子的权重值得到用于危险性分级的指标值。该方法的最大困难在于确定每一个因子的真实权重值。
(4)遥感制图:通过遥感制图直接进行地质灾害评价具有直观、快捷、方便等优点, 伴随着国内外遥感技术的发展, 这种优势越来越突出。但是, 这种灾害制图得到的结果一般仅能较为客观地反映地质灾害发生的现状, 在进行地质灾害预测时需要结合其他方法。
5.2 非直接作图法
非直接作图法对影响滑坡的多个因子进行统计分析, 推导出地形条件和历史灾害之间的关系。包括2类统计分析方法(二元统计分析和多元统计分析)、人工神经网络模型和确定性法:
(1)二元统计分析:将每一个致灾因子图层分别与灾害分布图层相叠加, 依据灾害点密度计算每一个子类因子(如:坡度子类、岩性子类、土地利用子类等)的权重值。有不同的权重统计方法, 如信息量法和证据权重模型等。
(2)多元统计分析:对于地质、气候等条件复杂地区, 地质灾害不是个别因素决定的, 而是受多种因素综合影响。这种条件下, 可以应用多元统计分析法, 或称为多因素统计分析法, 绘制滑坡灾害危险性分区图。多元统计分析主要有判别分析法和Logistic回归法两种。判别分析模型最好用于连续型自变量。如果自变量是分类变量或是连续变量和分类变量的综合型,Logistic回归模型是最好的选择。
多元统计分析法是从宏观角度统计分析岩性、构造、地震、降雨、植被覆盖、人类工程活动等致灾因子与发生地质灾害之间的相互关系, 不真实考虑单个或单类滑坡地质灾害的成因机理, 评价结果难免会比较粗略。研究问题的出发点基本上是脱离工程地质原理和方法的, 虽然可以作为了解掌握区域内地质灾害发展趋势的重要参考, 可以用于指导区域地质灾害防灾减灾宏观决策, 但不适合应用于指导县(市)一级甚至乡(镇)一级的地质灾害防治对策或预案的制定。
(3)人工神经网络模型:人工神经网络是由大量与自然神经细胞类似的人工神经元互联而成的网络。神经网络解决问题的方式与传统的统计方法完全不同, 它是模拟人脑的思维, 把大量的神经元连成一个复杂的网络, 利用已知样本对网络进行训练, 即类于人脑的学习, 让网络存储变量间的非线性关系, 即类于人脑的记忆功能, 然后利用存储的网络信息对未知样本进行分类或预测, 即类于人脑的联想功能。它是一种智能化的数据处理方法,其处理具有非线性关系数据的能力, 是目前其它方法所无法比拟的。
目前, 随着各种神经网络理论模型和学习算法的提出, 神经网络理论己日趋成熟, Lee等将人工神经网络应用于滑坡预测和评价, 取得较好效果。
(4)确定性法:确定性法是应用确定的和可靠的模型评价和分析边坡的稳定性。考虑沿滑面的局部平衡, 以有限元计算滑坡稳定条件。这些模型(1维、2维或3维)经常应用于小范围或单个滑坡的稳定性计算。确定性模型可以定量计算边坡安全系数, 而该模型主要问题是通常需要高度简化。另一个局限是很难应用于大范围的滑坡危险性或灾害评估, 因为该方法基于岩土的具体力学参数,大范围收集样本进行试验需要极高成本。
6 结论
⑴目前相关文献对于地质灾害危险性的评估主要集中在对地质灾害发生的可能性(即易发性和危险性)评估, 对于地质灾害发生对人类社会可能造成的破坏程度(风险性或易损性)研究较少, 需要进一步研究。
⑵指标体系需要遵循评价指标体系建立原则,针对具体区域自然地理环境的差异性, 通过分析产生灾害的主要影响因素来建立, 不能盲目套用其它地区的地质灾害危险性评价指标。
⑶在确定滑坡地质灾害危险性评价数学模型时, 必须对研究区地质环境背景进行深入、全面、系统的定性分析。有条件的情况下可以进行多模型综合比较, 选取精度较高的方法进行灾害危险性评估。
参考文献：
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论文作者:卢昕,吴和秋
论文发表刊物:《基层建设》2017年1期
论文发表时间:2017/4/12
标签：地质灾害论文; 危险性论文; 灾害论文; 评价论文; 因子论文; 发生论文; 区域论文; 《基层建设》2017年1期论文;