泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述

徐繼維，張茂省

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.國土資源部 黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710054)

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泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述

徐繼維1,2，張茂省2

(1.長安大學(xué) 地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院， 陜西 西安 710054；2.國土資源部 黃土地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心， 陜西 西安 710054)

闡述了泥石流災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)狀及內(nèi)容，從區(qū)域和單點(diǎn)兩個(gè)角度綜述泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。研究現(xiàn)狀表明：泥石流風(fēng)險(xiǎn)的計(jì)算公式得到廣大學(xué)者的普遍認(rèn)同，泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法比較成熟；但在泥石流風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重系數(shù)的確定、發(fā)生概率計(jì)算及易損性的研究尚需深入。因此，在今后的評(píng)估研究中，需要加強(qiáng)這些方面的研究探索，進(jìn)一步提高泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的可信度及實(shí)用性。

泥石流；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；概率；易損性；綜述

泥石流是最為常見的山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害之一，多是由于重力和降雨作用誘發(fā)，具有同發(fā)性、周期性及群發(fā)性等特征，已有大量學(xué)者致力于泥石流研究[1]。泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)典型綜合分析的過程，首先要分析泥石流災(zāi)害發(fā)生的可能性，并對(duì)其危險(xiǎn)范圍進(jìn)行界定，還要根據(jù)在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)可能造成的物質(zhì)經(jīng)濟(jì)損失、人員受傷及死亡情況進(jìn)行估算而開展綜合評(píng)價(jià)。

中國是多山之國，山地面積占國土面積的69%，泥石流溝谷異常發(fā)育。從某種程度上講，完全杜絕泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是不可能的，泥石流引起的風(fēng)險(xiǎn)將永遠(yuǎn)存在，全面認(rèn)識(shí)泥石流才能簡單有效地預(yù)防和減少泥石流風(fēng)險(xiǎn)[2]。泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究是降低泥石流損失的非工程性手段，是區(qū)域發(fā)展規(guī)劃、建設(shè)用地適宜性評(píng)估、制定應(yīng)急措施及防災(zāi)減災(zāi)的重要參考[2-3]。

泥石流自身的復(fù)雜多變與不確定性使得泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估已然成為工程科學(xué)界的難點(diǎn)課題。泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一項(xiàng)十分困難復(fù)雜的工作。明確泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)可以促進(jìn)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的發(fā)展，對(duì)泥石流減災(zāi)規(guī)劃、災(zāi)后重建等具有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義，有效地保障國民的生命財(cái)產(chǎn)安全，實(shí)現(xiàn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

1　泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的現(xiàn)狀

1977年，足立勝治對(duì)泥石流的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了概率計(jì)算[4]。1981年，Hollingsworth和Kovacs討論了泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的成果框架[5]。1984年，Hansen提出四項(xiàng)泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)內(nèi)容。1988年，高橋保等基于人工設(shè)施損害程度和泥石流堆積區(qū)厚度之間的關(guān)系，探討了泥石流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]。1992年，聯(lián)合國人道主義事業(yè)部(UNDHA)[7]兩次正式公布的泥石流等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的定義。1996年，Han以計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)定量評(píng)價(jià)泥石流風(fēng)險(xiǎn)[8]。2000年，Johnson在GIS平臺(tái)進(jìn)行了泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[9]。2005年，Kavzoglu用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法評(píng)估委內(nèi)瑞拉Jabonosa河盆地內(nèi)的泥石流風(fēng)險(xiǎn)[10]。2007年，F(xiàn)uchs指出數(shù)理統(tǒng)計(jì)是泥石流風(fēng)險(xiǎn)定性或半定量評(píng)估的主要方法[11]。

中國國內(nèi)泥石流風(fēng)險(xiǎn)研究略有滯后，1982 年，王禮先提出泥石流溝谷危險(xiǎn)度劃分法[12]。1986年，譚炳炎提出泥石流的危險(xiǎn)性及危害嚴(yán)重程度的判定條件[13]。1988年，劉希林提出定性與定量的泥石流危險(xiǎn)度分析方法[1]。1999年，湯家法運(yùn)用GIS進(jìn)行岷江泥石流危險(xiǎn)度區(qū)劃[14]。2002年，戴福初總結(jié)單點(diǎn)泥石流風(fēng)險(xiǎn)和區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估方法[15]。同年，汪明武提出泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型[16]。2011年，王學(xué)良用層次分析法進(jìn)行泥石流危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[17]。2012年，安玉華運(yùn)用初等的突變模型對(duì)烏東德地區(qū)的實(shí)際野外情況進(jìn)行模擬，并制定了相應(yīng)的泥石流評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[18]。2013年，趙鑫用多元線性回歸分析建立單溝泥石流危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模型[19]。

2　泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的內(nèi)容

泥石流風(fēng)險(xiǎn)是在既定范圍既定時(shí)間內(nèi)，泥石流對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)產(chǎn)生損失的可能性或期望值，綜合反映了泥石流的自然屬性和社會(huì)屬性[20]。

自然屬性表現(xiàn)為泥石流的危險(xiǎn)性。泥石流由客觀存在的自然現(xiàn)象(如暴雨)所引起。評(píng)估內(nèi)容主要分為已有泥石流和潛在泥石流兩種。對(duì)已有泥石流，評(píng)估基本要素為泥石流規(guī)模、活動(dòng)頻次以及泥石流密度等；對(duì)潛在泥石流，評(píng)估基本要素包括工程地質(zhì)條件、植被條件、人類工程活動(dòng)條件和運(yùn)動(dòng)特征等。泥石流危險(xiǎn)性與評(píng)估要素的相關(guān)性不同，因此評(píng)估要素的重要性不同，但衡量危險(xiǎn)性主要以泥石流發(fā)生的頻率和規(guī)模為主。

社會(huì)屬性表現(xiàn)為泥石流的危害性。泥石流風(fēng)險(xiǎn)是在一定社會(huì)環(huán)境下形成產(chǎn)生的，涉及到人員和財(cái)產(chǎn)，其實(shí)質(zhì)是災(zāi)害產(chǎn)生后果。評(píng)估內(nèi)容主要是承災(zāi)能力的評(píng)估，其基本要素包括人口分布、建筑分布、資源及環(huán)境價(jià)值等。泥石流危害性主要體現(xiàn)在承災(zāi)體的抗災(zāi)能力，其核心內(nèi)容是評(píng)估承災(zāi)體的易損性。

3　泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法

3.1區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法主要有灰色預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法[21]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[22-23]、信息熵理論評(píng)價(jià)法[24-25]、模糊綜合評(píng)判法[26-27]、遙感與GIS評(píng)價(jià)法[28-29]，層次分析法[30-31]。

(1)灰色預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法[21]

灰色預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法是通過對(duì)原始數(shù)據(jù)變動(dòng)規(guī)律分析并形成數(shù)據(jù)序列，以此建立微分方程模型，對(duì)不確定因素預(yù)測(cè)泥石流未來發(fā)生可能性。

(2)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法[22-23]

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法是將原始數(shù)據(jù)經(jīng)過非線性的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化預(yù)測(cè)未來泥石流發(fā)生可能性，最為常見的一種是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。

(3)信息熵理論評(píng)價(jià)法[24-25]

信息熵是運(yùn)用概率和邏輯方法判定預(yù)測(cè)泥石流發(fā)生可能性，以達(dá)到泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的。

(4)模糊綜合評(píng)判法[26-27]

模糊綜合評(píng)判方法，是運(yùn)用模糊分析的評(píng)估方法，可以定性或定量評(píng)估泥石流風(fēng)險(xiǎn)。

(5)遙感與GIS評(píng)價(jià)法[28-29]

泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是通過遙感與GIS技術(shù)在空間信息的獲取、空間數(shù)據(jù)分析與生成等并以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)進(jìn)行泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，空間分析方面有著獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

(6)層次分析法[30-31]

層次分析法是基于專家經(jīng)驗(yàn)的定性和定量相結(jié)合分析的決策方法。

表1　區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法比較

3.2單點(diǎn)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

1992年，聯(lián)合國人道主義事業(yè)部(UNDHA)[9]提出泥石流等自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)為：

風(fēng)險(xiǎn)(R)=危險(xiǎn)性(H) × 易損性(V)。

(1)

雖然近些年隨著風(fēng)險(xiǎn)的逐步發(fā)展，單體風(fēng)險(xiǎn)研究的不斷深入，國際主流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式是以概率為準(zhǔn)的計(jì)算公式[32]，但是，該公式實(shí)際計(jì)算中可行性較差，采用式(1)計(jì)算更為簡單可行。其中，危險(xiǎn)性是具有潛在破壞的物理事件、現(xiàn)象和人類活動(dòng)等發(fā)生的可能性，側(cè)重于事件本身自然屬性的描述。目前國內(nèi)對(duì)危險(xiǎn)性評(píng)估主要采用危險(xiǎn)度[33-35]，一般的公式為

危險(xiǎn)性(H)=頻率(F)×規(guī)模(M)。

(2)

從公式(1)和公式(2)可以確定，泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要內(nèi)容是頻率、規(guī)模和易損性三個(gè)方面。

(1)頻率

泥石流頻率反映泥石流周期性特征，誘發(fā)因素的周期性與泥石流活動(dòng)周期幾乎一致[36]。確定泥石流頻率的方法主要有災(zāi)害編目、調(diào)查訪問、航片對(duì)比、地衣測(cè)年、碳元素測(cè)定等。

災(zāi)害編目[37-39]是基于泥石流歷史資料統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)方法；調(diào)查訪問法，與災(zāi)害編目法類似，根據(jù)以前泥石流發(fā)生的時(shí)間和堆積特征，并以此來估算泥石流可能發(fā)生的頻率及規(guī)模[40-41]；航片對(duì)比分析法，需要評(píng)估區(qū)各個(gè)時(shí)間段的遙感影像，龐大的資金消耗時(shí)期具有很大局限性[42-43]；地衣測(cè)年法、14C測(cè)年法、樹木年輪測(cè)年法及地層學(xué)方法涉及到其他專業(yè)知識(shí)，因此罕有使用[43-45]；目前，Petrascheck[46]提出的計(jì)算泥石流發(fā)生概率公式被普遍認(rèn)可，即

Pn=1-(1-1/Tr)n。

(3)

式中：Pn為未來n年內(nèi)發(fā)生一次或多次泥石流的可能性；Tr為特定規(guī)模泥石流在未來n年內(nèi)可能的重現(xiàn)期。

(2)規(guī)模

泥石流規(guī)模估算主要包括松散固體物質(zhì)和老滑坡體，并依據(jù)坡度、縱坡降、植被及地貌特征等進(jìn)行泥石流規(guī)模估算。

Conversini[47]采用“一次泥石流可能的最大規(guī)?！眮肀碚髂嗍饕?guī)模；Marcel[48]將溝道分為不同的斷面并以此分段估算泥石流規(guī)模；Johnson[49]通過對(duì)洛杉磯地區(qū)泥石流溝進(jìn)行調(diào)查，提出泥石流頻率-規(guī)模、規(guī)模-流域面積之間的表達(dá)式；Hungr[50]通過地貌特征按照侵蝕能力將流域分塊來估算泥石流規(guī)模；水源邦夫[51]用回歸分析法提出泥石流規(guī)模-流域面積之間的表達(dá)式；我國學(xué)者劉希林[52]提出估算一次泥石流規(guī)模的表達(dá)式；此外，我國國內(nèi)常用實(shí)測(cè)法和雨洪法計(jì)算泥石流規(guī)模[53]。

(3)易損性

易損性主要是反映承災(zāi)體的承災(zāi)能力。聯(lián)合國[54]于1992年將易損性定義為“在給定地區(qū)由潛在損害現(xiàn)象造成的可能損失程度”。目前，易損性計(jì)算方法尚未統(tǒng)一。

國際上，Uzielli[55]提出易損性表達(dá)式。Kaynia[56]在Uzielli的基礎(chǔ)上，基于FOSM方法對(duì)易損性的概率問題進(jìn)行了一定的探討。Li[57]提出了基于事件分析的易損性評(píng)價(jià)模型。Amatruda等[58]提出建筑物、人口、線路工程及資源環(huán)境易損性評(píng)估方法。

國內(nèi)，姜彤[59]從職業(yè)、年齡、健康狀況、性別、分布地區(qū)等方面評(píng)估人員易損性。李閩[60]從人口密度、人口質(zhì)量、人口年齡、文化程度和城鄉(xiāng)分布等方面評(píng)估人員易損性。蔣慶豐[61]以結(jié)構(gòu)類型、維護(hù)狀態(tài)及重要性為基礎(chǔ)建立山坡泥石流經(jīng)濟(jì)易損性評(píng)價(jià)模型。

4　泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估難點(diǎn)與展望

4.1泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估難點(diǎn)

精準(zhǔn)的評(píng)估結(jié)果能夠?yàn)楣芾硪?guī)劃、工程建設(shè)和投資決策者提供有價(jià)值的判斷依據(jù)，當(dāng)?shù)鼐用窦罢虻刂埔说刂贫p災(zāi)政策，有的放矢地進(jìn)行防災(zāi)避災(zāi)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)泥石流風(fēng)險(xiǎn)的理解已逐漸趨同，并總結(jié)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難點(diǎn)[62-63]。參考國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，結(jié)合對(duì)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的認(rèn)識(shí)，本文提出泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的難點(diǎn)：

(1)泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估權(quán)重系數(shù)確定難。區(qū)域泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因地而異，評(píng)估內(nèi)容復(fù)雜。因此，評(píng)估時(shí)難以確定統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，沒有統(tǒng)一的權(quán)重系數(shù)，且權(quán)重系數(shù)的確定方法也未統(tǒng)一。

(2)發(fā)生概率計(jì)算難。目前確定泥石流發(fā)生概率多以暴雨發(fā)生頻率為準(zhǔn)，但已有學(xué)者研究表明，泥石流發(fā)生與前期降雨有較大關(guān)系[64-66]，暫時(shí)未有成熟的發(fā)生概率計(jì)算方法，確定發(fā)生概率不精確。

(3)易損性評(píng)估難。易損性研究尚未統(tǒng)一，有學(xué)者認(rèn)為易損性是承災(zāi)體自身固有屬性，在0～1之間。也有學(xué)者認(rèn)為易損性與外界因素有關(guān)，與泥石流強(qiáng)度簡單地呈正比關(guān)系。評(píng)估者不同，評(píng)估的易損性不同，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果亦不同。

4.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的展望

(1)完善泥石流編目數(shù)據(jù)庫。詳細(xì)記錄泥石流的日期、類型、前期降雨和觸發(fā)事件等，為發(fā)生概率計(jì)算方法提供可靠依據(jù)，同時(shí)為泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估奠定基礎(chǔ)；

(2)提高地形數(shù)據(jù)精度。高精度地形數(shù)據(jù)與日漸成熟的空間GIS技術(shù)使得泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度日益提高。

(3)改進(jìn)泥石流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式，考慮降雨強(qiáng)度、時(shí)間、前期降雨等，并結(jié)合現(xiàn)有研究及監(jiān)測(cè)技術(shù)形成泥石流風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算公式。

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A Review of Debris Flow Risk Assessment

XU Jiwei1,2and ZHANG Maosheng2

(1.CollegeofGeologicalEngineeringandGeometry,Chang’anUniversity,Xi’an710054,China; 2.KeyLaboratoryforGeo-hazardsinLoessArea,MLR/Xi’anCenterofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an710054,China)

Thispaperexpoundsthepresent’sresearchsituationofdebrisflowriskassessmentaswellasthecontentofdebrisflowriskassessment,includingregionalandsingledebrisflowriskassessmentmethods.Itwasshownthatthecalculationformulaofdebrisflowriskhadbeenpopularandthemethodsofriskassessmenthadbeenestablished.However,someproblemsstillexist,suchasweightofdebrisflow,probabilityandvulnerability.Hence,itmustbenecessarytostrengthenresearchintheseaspectsinthefuture,whichmightimprovethereliabilityandpracticalityofdebrisflowriskassessment.

debrisflow;riskassessment;probability;vulnerability;review

2016-03-21

2016-05-02

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高山峽谷區(qū)域暴雨泥石流成災(zāi)臨界閾值研究”(41302224)； 國土資源大調(diào)查項(xiàng)目“陜西省重要城鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”(12120113008900)；國土資源大調(diào)查項(xiàng)目“秦嶺及寧東礦產(chǎn)資源集中開采區(qū)地質(zhì)環(huán)境調(diào)查”(121201011000150022)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目“金礦區(qū)水氣界面發(fā)生交換作用下的河流汞遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究”(2015JM4129)

徐繼維(1987-)，男，漢族，遼寧阜新人，博士研究生，主要從事地質(zhì)災(zāi)害研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究.

E-mail：xujiwei@chd.edu.cn

P694；X43

A

1000-811X(2016)04-0157-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.027

徐繼維，張茂省. 泥石流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估綜述[J]. 災(zāi)害學(xué)，2016，31(4)：157-161. [XU Jiwei and ZHANG Maosheng. A Review of Debris Flow Risk Assessment[J]. Journal of Catastrophology，2016，31(4)：157-161. doi: 10.3969/j.issn.1000-811X.2016.04.027.]