基于斜坡單元的大區域地質災害風險性評價
——以蓮花鎮為例

朱 镕，柯 波，葉 武，吳麗斌

（1.武漢理工大學安全科學與應急管理學院，武漢 430070；2.武漢理工大學資源與環境工程學院，武漢 430070；3.浙江海川勘察有限公司，杭州 310000）

我國遭受地質災害的破壞非常嚴重，特別是山地因為受到多種因素的影響非常容易發生地質災害，地質災害的頻繁發生對我國的經濟高速高效發展和居民的身體健康造成很大的隱患[1-6]。蓮花鎮是一個多山的區域，因此開展地質災害風險評價有著非常重要的意義。

對于地質災害風險評價的研究，國內外許多學者做了很多有益的研究。國外學者如Cotecchia 等[7]把研究對象瞄準了滑坡，對意大利南部斜坡的滑坡危險性進行分區研究。Brugner 等[8]在1972 年以1∶50 000 的地質圖為基礎，根據實地情況選取了地貌、坡角等影響因子來分析斜坡穩定性，并且形成了所研究區域的穩定性分區圖。Remondo 等[9]在2005年把Deva 做為示例，研究了該區域的地質災害分區工作，在此次研究中提出了新的地質災害風險性評價方法，這種新方法是基于統計學原理的。我國地質災害風險評價比國外發展較晚，開始階段更多的只是對地質災害的定性分析，目前我國也進入到定量評價階段，比如周鑫[10]選用AHP-PCA-ICM 模型與PCA-PSO-SVM 模型對研究區金沙江上游進行地質災害危險性分區，選用了高差、覆蓋層、降雨和覆蓋植物種類等8 個因子進行評價。朱良峰等[11]在2002年基于GIS 系統提出了新的進行地質災害風險性分區的評價方法和評價過程。可以看出，隨著研究學者對地質災害的理論和防治技術的逐步研究，現研究學者對區域地質災害的研究也更趨向于更精確及大比例尺[12]。基于此本研究通過對蓮花鎮的孕災地質條件和承災體等進行調查，來分析研究蓮花鎮地質災害發育類型、形成特征和破壞模式，開展大比例尺下地質災害風險評價研究，對蓮花鎮范圍進行斜坡單元劃分，以斜坡單元為基礎來逐個評價該地區地質災害的易發性、危險性及風險性，為研究區地質災害防治提供支撐。

1 研究區地質環境條件概況

蓮花鎮總體地勢東北高西南低，海拔高度65.28～1 041.55 m，山脈多分布于西北部呈條帶狀，形成中低山逐漸向中部丘陵區過渡的地貌形態。除了河流溝谷略平坦外，大部分地形起伏較大，山體自然地形坡度在20~50°。

蓮花鎮屬亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，四季分明，光照充足，年平均氣溫17 ℃，蓮花鎮最大年降雨量1 852.9 mm，每年6 月中下旬—7 月上旬為集中降雨期，受冷暖氣流控制連綿陰雨，常暴雨成災，該時期災害性天氣較多，易引發地質災害。

蓮花鎮位于揚子準地臺錢塘臺褶帶，主要出露二疊系、奧陶系等早古生代地層，以唐家塢組分布最為廣泛，石炭系及泥盆系等僅局部地段有零星分布。

2 評價體系構建

目前，國內外研究人員對于地質災害風險評價是由地質災害危險性和承災體易損性組成的，根據聯合國提出的風險性=危險性×易損性。本文結合以往研究從4 個方面對地質災害風險進行評價，分別是易發性、危險性、承災體易損性和風險性評價。

2.1 評價單元確定

目前國內外地質災害風險評價比較常用的基本單元有網格單元、流域單元、斜坡單元及地形單元等。其中斜坡單元可以提高與實際地貌的吻合程度，并且斜坡單元是地質災害發生的基本單元。國內外眾多學者利用斜坡單元來評價地質災害[13]。因此，本次地質災害風險評價采用斜坡單元作為基本評價單元。本次斜坡單元的劃分基于DEM 模型數據，利用Arcgis 水文分析模塊來提取溝谷線和山脊線形成斜坡單元，再根據微地形來修正斜坡單元，本次將研究區域總共劃分為1121個斜坡單元。

2.2 易發性評價體系構建

地質災害易發性是在某特定范圍內發生地質災害概率的反映，是由地質環境條件所決定的，是一種自然屬性。目前國內外對易發性評價常用方法主要有聚類分析法、人工神經網絡法、綜合指數法、信息量法和支持向量機等[14-16]。本次研究選取綜合指數法進行易發性評價。綜合指數法是把會導致地質災害發生的有關因子進行無量綱化，是將各個因子確定不同的權重得分來分析因子對地質災害發生的不同的影響程度。再進行加和計算來確定各個斜坡單元的易發性指數，其評價模型公式為

式中：Yi為第i個斜坡單元易發程度綜合指數；Fj為第i個斜坡單元第j類指標權重；Sj為第i個斜坡單元第j類指標賦值；n為項數。

對于影響因子權重的確定，本次研究對研究區域地質災害特征和規律進行分析后確定評價指標因子為坡度、坡向、高差、坡形、覆蓋層厚度、巖性與巖土結構、斜坡結構、與構造間距和切坡高度共9 項。采用層次分析法，比較各個影響因子的相對重要性，通過判斷矩陣確定9 個影響因子的權重，并且對各個指標進行賦值。最后確定適合本研究區域的地質災害易發性評價指標體系及量化分值表，具體見表1。

表1 以斜坡為單元的地質災害易發程度評價指標體系及量化分值表

本次研究根據研究區域各個斜坡單元的評價結果，將地質災害易發程度等級分為高易發、中易發、低易發和不易發4 個等級。分級標準見表2。

表2 地質災害易發程度劃分標準表

2.3 地質災害危險性評價方法

易發性評價的局限性在于只研究了影響地質災害發生的靜態因子，對降雨這種動態因子并沒有考慮進去。因此危險性評價是在易發性評價的基礎上疊加降雨工況進行評價。本次研究采用危險性指數法在易發性評價的基礎上對研究區域的危險性進行評價。危險性綜合指數法計算方式如下

式中：Hi為某種工況下第i個評價單元危險性指數（危險性概率）；Yi為第i個評價斜坡單元易發性指數；Ymax為最大易發性指數，Ymax=5；Pi為某種工況下第i個評價單元的給定時間段內的失穩概率。

其中對于Pi的計算方法采用極值降雨假設來確定。極值降雨假設是基于研究區歷史上有地質災害發生的事實，假設有監測紀錄以來，24 h 最大降雨量Lmax/day為災害發生的觸發因素，不同降雨工況下失穩概率Pi則可表達為Pi=L/Lmax/day。其中L對照4 種工況，分別取24 h 計降雨量35、75、175 和250 mm，Lmax/day的取值則根據搜集研究區及周邊區域近幾十年以來的最大24 h 降雨量來確定，本次研究取值為190 mm。

根據此評價方法，計算得到每個評價單元的危險性指數值，根據地質災害危險程度劃分標準（表3）對各評價單元地質災害危險程度等級進行分級。

表3 地質災害危險程度劃分標準表

2.4 地質災害風險性評價方法

地質災害風險評價是在危險性評價的基礎上疊加上承災體易損性評價來評價的。承災體是被地質災害傷害的如人口、建筑物、線性工程和環境等對象。易損性是指在可能被災害威脅范圍內的承災體在地質災害發生時，遭到的傷害程度的預估。本次研究的承災體分為人員和經濟2 種類型。本次風險性評價計算公式如下

式中：Ri為某工況下第i個評價單元風險值；Hj為某工況下第i個評價單元內j號承災體地質災害危險性指數；Ej為某工況下第i個評價單元內j號承災體價值；Vj為某工況下第i個評價單元內j號承災體易損性。

本次風險性評價中承災體經濟價值是根據建筑結構進行劃分的，其價值見表4。

表4 承災體經濟價值

本次承災體易損性評價分為人員易損性和經濟易損性。其中人員易損性按最大風險原則考慮在影響范圍之內的人員其易損性值都為1，影響范圍之外的人員易損性都為0。經濟易損性根據構筑物本身結構確定易損性，其數值區間為0~1。

本次研究將風險等級劃分為極高風險、高風險、中風險和低風險4 個等級，按照人員傷亡風險和經濟損失風險，綜合考慮以就高原則確定其最終風險等級。劃分標準見表5。

表5 地質災害風險等級劃分標準表

3 蓮花鎮地質災害風險評價

3.1 野外調查

野外調查主要是調查研究區孕災地質環境條件，識別地質災害隱患或風險，查明研究區內地形地貌、植被、地質構造、巖（土）體工程地質特征、斜坡結構和殘坡積層厚度等孕災條件和氣候、水文、人類工程活動等誘發因素，利用調查的數據對斜坡單元進行評價分析。主要包括對斜坡單元的地面調查和承災體調查。其中地面調查主要是對易發性評價的影響因子的數據進行收集，根據收集的數據對研究區進行易發性評價。

3.2 易發性評價

根據研究區野外調查搜集到的數據和上述評價體系進行地質災害易發性評價。據統計，蓮花鎮易發性評價中，中易發斜坡單元88 個，面積5.92 km2，占全鎮總斜坡單元的7.85%，占全鎮總面積的6.87%；低易發斜坡單元1 002 個，面積77.76 km2，占全鎮總斜坡單元的89.38%，占全鎮總面積的90.29%；不易發斜坡單元31個，面積2.44 km2，占全鎮總斜坡單元的2.77%，占全鎮總面積的2.83%。本研究區地質災害易發性較高區域都是人類工程活動嚴重、人工切坡高、巖石較破碎且土層較厚的區域。低易發區域主要是人類工程活動弱、土層覆蓋薄、植被茂盛和巖石較完整的區域。不易發區域主要是平原和河流區域。

3.3 危險性評價

根據上述危險性評價體系及方法，計算各個斜坡單元不同工況下的地質災害危險性指數，對其分級后得到蓮花鎮不同工況下地質災害危險程度評價結果。評價結果顯示，在大雨、暴雨工況下，蓮花鎮全鎮范圍均為低危險性。在大暴雨工況下，蓮花鎮地質災害危險程度劃分為高危險、中危險、低危險3 級，其中高危險斜坡單元51 個，面積3.99 km2，占全鎮總斜坡單元的4.55%，占全鎮總面積的4.63%；中危險斜坡單元1 013個，面積78.11 km2，占全鎮總斜坡單元的90.37%，占全鎮總面積的90.70%；低危險斜坡單元57 個，面積4.02 km2，占全鎮總斜坡單元的5.08%，占全鎮總面積的4.67%。在特大暴雨工況下，蓮花鎮地質災害危險程度劃分為高危險、中危險、低危險3 級，其中高危險斜坡單元89 個，面積5.95 km2，占全鎮總斜坡單元的7.94%，占全鎮總面積的6.91%；中危險斜坡單元995個，面積77.43 km2，占全鎮總斜坡單元的88.76%，占全鎮總面積的89.91%；低危險斜坡單元37 個，面積2.74 km2，占全鎮總斜坡單元的3.30%，占全鎮總面積的3.18%。

3.4 風險性評價

根據地質災害風險評價計算方法，在確定不同降雨工況條件下區內地質災害危險性評價的基礎上，通過分析地質災害危險性評價指數，耦合承災體人口和經濟價值，采用定量計算的方法進行地質災害風險評價。

綜合不同工況下人員和經濟傷亡風險在就高原則下的風險性評價結果為：在大雨工況下，區內綜合風險2 處中風險，其余為低風險；在暴雨工況下，區內綜合風險1 處高風險，6 處中風險，其余均為低風險；在大暴雨工況下，區內分布3 處高風險，20 處中風險，其余為低風險；在特大暴雨工況下，區內分布4 處高風險，21 處中風險，其余為低風險。

4 結束語

1）根據對蓮花鎮地質災害特征及分布發育規律的分析研究，結合實際情況選取9 個評價指標構成了蓮花鎮地質災害易發性評價指標體系。使用層次分析法確立評價指標權重，并利用綜合分析法評價區域易發性，將蓮花鎮分為了中易發、低易發、不易發3 個等級，其中中易發區面積5.92 km2，占全鎮總面積的6.87%；低易發區面積77.76 km2，占全鎮總面積的90.29%；不易發區面積2.44 km2，占全鎮總面積的2.83%。

2）根據易發性，在不同的降雨工況下，評價了各斜坡的危險性。在特大暴雨工況下，蓮花鎮地質災害危險程度劃分為高危險、中危險、低危險3 級，其中高危險區面積5.95 km2，占全鎮總面積的6.91%；中危險區面積77.43 km2，占全鎮總面積的89.91%；低危險區面積2.74 km2，占全鎮總面積的3.18 km2。

3）根據危險性數據再疊加影響范圍內的承災體信息，綜合經濟和人口損失在最不利損失情況下得出，蓮花鎮地質災害風險程度劃分為高風險、中風險、低風險3 級，其中高風險4 處，中風險21 處，其余為低風險。