基于指標統計的泥石流危險性評價方法綜述

張祝鴻，王保云，孔艷

（云南師范大學信息學院，昆明 650500）

0 引言

泥石流通常產生于溝谷或坡地上，呈現形式為飽含大量石塊、泥沙和巨礫的固液流體，是各種自然因素和人類活動的綜合產物，常具有突發性強、破壞力大的特點，對人類的生命財產安全造成極大的威脅[1]。中國擁有70%左右的山區面積，復雜的地形地貌以及顯著的季風氣候，這為泥石流的形成發育提供了充足的物源條件、地質條件和水源條件，因此我國多泥石流頻發地區。

截止到20世紀末期，由于泥石流災害，我國每年死亡近千人，直接經濟損失10億多人民幣[2]。并且，隨著人類社會經濟活動的增強，泥石流發生頻率呈上升的發展趨勢。據統計資料顯示，我國有8500多條災害性泥石流，其分布面積約占國土總面積的18.6%，其中有771個縣（市）有泥石流活動，140多座城鎮建設在泥石流堆積區上[3]。例如，2010年8月18日云南怒江傈僳族自治州貢山獨龍族怒族自治縣普拉底鄉突發泥石流災害，造成37人死亡，53人失蹤，屬于特大型災害事件[4]。2010年8月7日甘肅舟曲特大泥石流，沖毀房屋5500多間，造成1744人死亡和失蹤[5]。2017年6月，江西省中北部因超強降雨，導致泥石流、滑坡等災害接連發生，共計328起，造成5人死亡，直接經濟損失多達1700萬元。此外，強烈地震后會導致斜坡穩定性降低，使山區地質環境更加脆弱，一旦遭遇暴雨就會加劇泥石流災害的發生[6]，如汶川地震后，暴雨誘發的北川縣發生72處泥石流災害事件。

綜上所述，泥石流災害對我國生產生活極具破壞力，如何對泥石流災害的危險性進行準確的評價，對泥石流防災減災工作具有重要意義。目前，在泥石流危險性研究領域已經提出了諸多泥石流危險性評價方法，并取得了較好的效果。本文在總結國內外泥石流危險性評價研究進展的基礎上，對基于指標統計的泥石流危險性評價流程進行了概述，著重介紹了7種基于指標統計的泥石流危險性評價方法并總結其優缺點。最后對目前存在的問題提出一些看法，為今后的研究奠定基礎。

1 國內外泥石流危險性評價研究概況

泥石流的危險性評價是指在特定的地域和時間內，泥石流發生的強度和可能性，并用危險度來定量地表示，危險度通常以區間范圍為[0,1]概率值表示[7-8]。自十九世紀以來，國內外研究學者紛紛展開了相關的研究，并取得了卓而有效的成果。國外泥石流性評價較早研究較早，研究成果相對較多[9]。19世紀后半期俄國Б.И.斯塔科特夫邦基最初提到了泥石相關成因和危險度的問題[10]。1976年聯合國指派國際工程地質聯合會負責滑坡泥石流危險度評價的基礎研究[11]，其研究成果為各個國家開展滑坡泥石流研究提供了一種規范性方法。此后的20世紀70～90年代，各個國家的研究者們陸續提出各種開創性的泥石流危險性評價方法[12-16]，這些成果為泥石流的后續研究奠定了基礎。90年代以后，各種適用于非線性計算的數學方法被引入到了泥石流的危險性評價并發揮了其作用，隨著計算機科學與技術的發展，紅外、遠紅外、無人機、地理信息系統GIS、遙感技術RS和全球定位系統GPS等也被運用到了泥石流的危險性評價中，泥石流空間數據的精確性和分析效率得到有效的提高[17-18]。泥石流危險性的研究逐步進入了一個階段，相關的研究成果很豐碩[19-23]，所取得的研究成果對人們的生產生活意義重大。

相比國外學者的研究，國內起步較晚。20世紀90年代以前，國內對泥石流仍處于一個認知的階段，研究的相關工作主要依托地質水文等實地勘測，得到的結果也主要是對泥石流災害的定性評論。1982王禮先年首次在對泥石流的定義進行了闡述[24]。1986年譚炳炎首次對泥石流的判斷及其嚴重程度的判定條件進行了研究，1991年發表的綜合評判結果在鐵路部門的得到了推廣應用[25-26]。20世紀80年代后期，越來越多的學者投身到了泥石流危險性研究領域，也取得了一定成果[27-28]。20世紀90年代以后，越來越多的學者將數學模型引入到了國內泥石流的研究中，這使得泥石流危險度的劃分更加合理客觀，隨著研究的深入，我國的研究成果不斷涌現，泥石流的規范性研究也在全國范圍內全面展開[11]，如全國滑坡、泥石流災害分布與災害區劃圖[29]、中國云南小江流域泥石流危險度評估[30-31]和黃河上游崩塌滑坡泥石流危險度評估[32]等。隨著新技術的出現發展，泥石流危險性評價與其他學科、新技術、新方法的交叉研究逐漸引領了新的研究潮流。例如，2016年尹超等[33]利用遺傳算法和云模型改進AHP算法進行了公路沿線泥石流災害危險性空間分析，并基于ArcGIS，以公路沿線泥石流災害危險度為主要依據，完成了中國鐵沿線泥石流災害危險性區劃方案。2017年劉希林等[34]比較了ICG模型和CF&LR組合模型應用于我國大尺度區域滑坡泥石流災害危險性評價結果的合理性和準確性，其研究結論為今后泥石流危險性評價研究提供了一定的參考。

2 基于指標統計的泥石流危險性評價的研究基礎和方法

在泥石流危險性評價方法中，基于指標統計的評價方法已成為較為成熟的研究方法。這類方法在應用時主要分為單溝泥石流評價和區域性泥石流評價兩類。使用這類方法對泥石流進行危險性評價時需要先做一些基礎準備工作，即評價因子的選取、分級和評價單元的劃分。然后，在此基礎上構建評價模型對泥石流的危險性做定量的評估；最終得到泥石流的危險性評價。圖1為基于指標的泥石流危險性評價方法的流程圖。

圖1 基于指標統計的泥石流危險性評價方法流程圖

2. 1 研究基礎

（1）評價因子的選取及分級

據相關資料統計，對泥石流的發生、發展、運動和堆積過程有影響的因子累計達70多種[35]。國內外對泥石流危險評價因子的選取問題，一般從地形條件、工程地質、水文條件三個方面來考慮。在選取泥石流危險性評價指標時，通常需要考慮評價指標的科學性、正確性、全面性、代表性、簡便性和實用性[9]。在實際研究中，一般會根據前人的經驗或歷史文獻資料來選取評價因子，但要特別注意的是：一次泥石流的發生與當地本身環境背景有關系，在選取評價因子時要考慮當地實際狀況。例如：如果研究對象為遠離人群的荒僻地域時，認為影響因素不必要成為評價因子；當研究對象的流域面積較小，各評價單元內的降水差別不大時，降水這一因素可不作為評價因子。

在泥石流危險性評價中，為保證泥石流危險度評價的客觀性與科學性，需要根據評價因子對泥石流危險性影響的嚴重程度進行范圍的劃分，就是給每個評價因子分級。劃分的準則一般基于地質學家對現場的整體認識或基于巖土工程，在這里不對劃分規則作具體闡述，可參考文獻[36-39]等。

（2）評價單元的劃分

式中：分別為兩級最小差及兩級最大差；ρ∈[0，1]為分辨系數，一般ρ取0.5，ρ越大，分辨率越大；ρ越小，分辨率越小。

泥石流危險性評價可分為單溝泥石流危險性評價和區域泥石流危險性評價。對于區域泥石流的評價，需要預先進行評價單元的劃分。Guzzetti將評價單元劃分為柵格、流域、地貌、地形以及均一單元5種[40]。在區域泥石流評價中，根據研究地域的實際特點科學客觀選擇不同的評價單元。

2. 2 評價方法

（1）層次分析法

在泥石流危險性評價中，層次分析法是一種較為主觀的賦權方法，主要用來確定因子的權重。岳溪柳[41]利用層次分析法結合GIS技術對貴州畢節地區進行了泥石流危險性評價，但存在氣象數據空間化，評價指標空間匹配的不確定性、評價因子選取存在一定的主觀性的問題。楊小鳳等[42]利用層次分析法對四川七盤溝進行了泥石流危險性評價，但層次分析法的實驗結果與因子分析法、灰色關聯法的評價結果相差較大。

（2）熵值法

熵是信息無序度的度量，信息熵越大，信息的效用值越小[43]。熵值法就是利用信息熵來確定各因子對泥石流的貢獻程度，某評價因子對應的熵值越小，評價因子對應的權值越大。夏晨皓利用熵值法對龍溪河流域泥石流進行了危險性評價，得到的結果與劉希林的公式進行匹配驗證表明了該評價方法對龍池地區的適用性[44]。在楊小鳳[42]對四川七盤溝地區的研究中，熵值法與因子分析法、層次分析法相比體現出更高的精度。

（3）灰色關聯法

（4）因子分析法

因子分析法用少數幾項不可觀測的公共的評價因子來描述評價指標的關系，目的是用盡可能最少個數的公共因子的線性函數與特殊因子之和來描述原來觀測的每一個評價因子，從而簡化分析過程。李雄峰等[48]利用因子分析法得到影響泥石流危險性的主因子，并進行了主次影響影響因子的重要性等級排序，得到了泥石流主要影響因子對泥石流危險性的貢獻度。牛岑岑用因子分析法確定了評價指標的客觀權重[9]。

（5）人工神經網絡法

在泥石流危險性評價中，涉及的因素眾多，這些因素彼此之間相互作用，具有一定的復雜性和不確定性。而前向型人工神經網絡在不知道數據的分布形式和變量之間關系的情況下可實現高度的非線性映射[49]。趙源等[50]基于前人的研究基礎得出整個BP神經網絡的建立過程，對隱含層的層數的確定和加快收斂速度兩個方面均給出了比較明確的方法。曹祿來等[51]結合人工神經網絡與T-S模糊系統理論建立的模糊神經網絡模型，作者將實驗結果與劉希林的灰色聚類法和可拓物元方法進行縱向對比，與線性內插產生訓練數據方法進行橫向對比，結果證明了該模糊神經網絡應用于泥石流危險性評價的有效性和可行性。

（6）基于可拓理論的泥石流危險性評價方法

可拓理論運用在泥石流危險性評價中主要是用可拓集合的關聯函數值和關聯度的大小確定指標參數間的從屬關系，從而把屬于或不屬于某個危險性的定性問題轉化為定量描述。劉金鵬等[52]用可拓層次分析法對區域泥石流進行了研究。該方法在解決比較方案兩者之間的重要性賦值問題時，避免了只考慮兩種極端狀況的限制問題，并且使判斷矩陣更加合理。劉金鵬等[53]運用熵值法對評價因子進行權重賦值，然后在此基礎上運用改進的可拓方法——最大貼近度法建立了泥石流危險度評價模型，該方法在傳統可拓方法的基礎上增加了反映評價對象偏離評價等級程度的作用。

（7）組合評價的方法

組合評價的方法就是利用兩種或兩種以上主觀和客觀分析法綜合對泥石流進行危險性評價。如何將主觀分析法和客觀分析法得到的權值進行組合得到組合權值是關鍵。牛岑岑引入距離函數來反映兩種權重值的差異程度與對應分配系數的差異程度一致這一關系，并采用線性加權方式，求解相應的分配系數[9]。楊忠梅等[54]、孟凡奇等[55]運用最優化理論與方法建立兩種權值之間的函數關系式，得到組合權重值。杜國梁等[56]在對岷縣板達溝進行泥石流危險性評價時，組合權重的值是通過AHP法得到的權重去修正熵值法得到的權重得到的。路遙等[57]結合灰色系統理論和和二元比較法，提出了一種關聯度-二元比較分析法，同時基于博弈論集結模型理論對關聯度-二元比較法確定的主觀權重與熵值法確定的客觀權重進行組合賦權。

2. 3 泥石流評價方法的優缺點

下面對上述幾種基于指標統計的泥石流危險性評價方法的優缺點進行闡述，見表1。旨在為改進這些方法提供一定的信息參考。

表1 評價方法優缺點比較

3 結語

泥石流危險性評價是防災減災系統的重要組成部分，它的重要意義在于對泥石流的災前評估，進而有利于減輕泥石流災害的經濟損失，制定防護、救援和避難措施，救災甚至防災都具有重要意義。泥石流的危險性評價方法應盡可能提高其評價精度方能體現其存在意義。為了致力于提高泥石流危險性評價結果的精度，筆者綜合前人的研究提出以下問題并對研究的發展趨勢進行展望。

（1）文中詳述的一類基于評價因子統計分析的方法，發展較為成熟，使用廣泛，操作簡單，但評價因子的選取對其評價結果有直接影響。國內外雖然都形成了一些選取評價因子的準則，但如何針對不同情況下的泥石流合理選擇評價因子仍是一個問題。

（2）泥石流的發生本身就涉及到多種因素，且這些因素與因素之間，與泥石流的主體之間的關系具有復雜性和不確定性。而基于評價因子統計的方法，本就是為了迎合這個復雜不確定的系統才引入的，它致力于描述系統中的這些關系，卻忽視了泥石流的動態活動機理。從某種程度上來說，對問題考慮地不夠全面導致得出的危險度值也不夠精確。

因此，為了提高評價的精度，就要使方法盡可能可靠。一是選擇評價因子時要盡可能減少主觀因素的影響，評價因子要向更能代表泥石流的破壞能力和未來的發展趨勢的方向靠近。二是選取的數學理論模型要盡可能較全面地描述這個復雜系統內的關系。最后不僅僅要考慮基于評價因子統計的靜態評價，更應該致力于對泥石流動態活動規律的把握，從泥石流的內在活動機理入手對泥石流進行危險性評價。這樣泥石流的危險性評價將邁入另外一個層面，逐漸補足基于指標評價中一直以來缺失的那個部分。目前，從泥石流內在動態機理入手的主要的評價方法是基于計算機數值模擬的泥石流危險性評價方法。基于評價因子統計的評價方法和基于數值模擬的評價方法分別從兩個方面對泥石流進行了危險度評價，能否將二者聯合起來綜合二者優點對泥石流進行危險性評價，這也是這個領域可以研究的一個方向。

此外，將GIS、RS、無人機等其他計算機技術不斷引入到泥石流的危險性評價中來將成為一種趨勢。一方面，這些技術將有利于大大縮短研究周期，從而更加有利于實時評價的實現并節省大量的人力物力。另一方面，這些技術將有利于探索到以前研究中對泥石流認識不夠清楚的地方，從而提高研究的精度。最后，泥石流的發生是一個復雜的過程，其中涉及到各種各樣的其他領域的知識，基于多學科的泥石流危險性評價方法對提高評價結果的精度有著不可忽視的作用。