基于縣域單元的滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估與空間分布格局研究

基于縣域單元的滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估與空間分布格局研究

滑坡被認(rèn)為是世界上的第三次自然災(zāi)害。在我國,據(jù)初步調(diào)查,有災(zāi)害性滑坡點(diǎn)有1500余處,平均每年致近千人死亡,造成的直接的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)10多億元,嚴(yán)重影響著我國的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此,滑坡研究一直是災(zāi)害領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。1990年以前的滑坡研究主要局限于對滑坡分布規(guī)律、形成機(jī)理、發(fā)展、趨勢預(yù)測方面;自1990年以來,致力于減少人員傷亡和降低財產(chǎn)損失的滑坡災(zāi)害風(fēng)險成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱門領(lǐng)域,國內(nèi)外多位學(xué)者在滑坡危險性評估、區(qū)域滑坡易損性評價風(fēng)險區(qū)劃等方面進(jìn)行了理論和方法探索。如,單新建等利用GIS平臺,將多元空間信息統(tǒng)計分析方法與非線性統(tǒng)計預(yù)測方法結(jié)合起來,建立了非線性滑坡危險性預(yù)測模型,并對香港大嶼山島中部進(jìn)行了區(qū)域滑坡危險性預(yù)測,取得了較高的預(yù)測精度。石菊松等基于ArcGIS軟件平臺開發(fā)了三峽庫區(qū)巴東縣新城區(qū)滑坡災(zāi)害信息系統(tǒng),建立了涉及地形、工程地質(zhì)巖組、構(gòu)造與斜坡結(jié)構(gòu)類型、人類工程活動、水等影響因素的滑坡災(zāi)害危險性評價指標(biāo)體系,對巴東縣新城區(qū)滑坡災(zāi)害危險性進(jìn)行了區(qū)劃研究。胡德勇等在馬來西亞熱帶雨林地區(qū)滑坡研究中,選擇坡度、坡向、地表曲率、地貌類型、巖性、構(gòu)造、土地覆蓋、道路和排水系統(tǒng)評價因子,結(jié)合支持向量回歸(SVR)模型評估該區(qū)的滑坡易發(fā)性指數(shù),實(shí)現(xiàn)了不完備樣本條件下的滑坡易發(fā)區(qū)評價。其他,如趙衡等做的滑坡空間預(yù)測的評價方法,許沖等做的汶川地震滑坡易發(fā)性評價,NGI做的滑坡易損性評價方法研究,KoKoC等、金江軍等、李軍等、殷坤龍等和高華喜等做的滑坡風(fēng)險綜合評估研究,等等。不過,與地震、洪澇等災(zāi)害風(fēng)險研究相比,現(xiàn)有滑坡災(zāi)害風(fēng)險研究還多停留在對災(zāi)害危險程度分析等領(lǐng)域,極少進(jìn)行疊加社會要素的綜合滑坡災(zāi)害風(fēng)險評價探討,也缺少對全國尺度的滑坡災(zāi)害風(fēng)險的空間分布格局研究。因此,本研究根據(jù)當(dāng)前災(zāi)害風(fēng)險研究的相關(guān)成果,對全國縣級單元的滑坡風(fēng)險狀況進(jìn)行綜合評估分析,以期為國家防災(zāi)減災(zāi)管理和工程建設(shè)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。1多源數(shù)據(jù)融合與訂正本研究根據(jù)近20a來滑坡災(zāi)害相關(guān)研究成果,以地球系統(tǒng)科學(xué)共享數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),綜合地方志資料和GIS技術(shù)進(jìn)行了多源數(shù)據(jù)融合與訂正。研究數(shù)據(jù)主要包括:(1)研究對象和方法,從目前還確定了一個縣數(shù)據(jù)主要來源于地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng),是中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所從公開文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)中收集、整理而成,收集時間范圍是1949-2008年6月。在此基礎(chǔ)上我們通過查閱全國2800個縣市的地方志,校對、補(bǔ)充多個條目,并獲取了全國各縣區(qū)災(zāi)害發(fā)生時的行政區(qū)劃信息,以控制誤差,精確數(shù)據(jù)。共整理收集到滑坡災(zāi)害有效事件數(shù)1609個,記錄內(nèi)容包括災(zāi)害發(fā)生時間、地點(diǎn)、危害對象、因?yàn)?zāi)死亡人數(shù)、受傷人數(shù)、直接經(jīng)濟(jì)損失等。(2)坡向的規(guī)模和規(guī)模原始數(shù)據(jù)來源于中國山地災(zāi)害與環(huán)境數(shù)據(jù)庫①,是點(diǎn)分布數(shù)據(jù)。本文根據(jù)滑坡點(diǎn)規(guī)模(據(jù)地質(zhì)礦產(chǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)②:小型滑坡,規(guī)模<10×104m3;中型滑坡,10×104m3<規(guī)模<100×104m3,大型滑坡,100×104m3<規(guī)模<1000,104m3;特大型滑坡,規(guī)模≥1000×104m3),結(jié)合滑坡所在地的地形地貌和河流走向,使用arcgis9.3軟件確定出不同規(guī)模的滑坡分布區(qū)域(圖1)。(3)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集滑坡承災(zāi)體分布數(shù)據(jù)來源于2008年全國縣市區(qū)人口經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)集,是根據(jù)《2009年中國區(qū)域經(jīng)濟(jì)年鑒》、《2009年中國城市統(tǒng)計年鑒》及2009年各省級統(tǒng)計年鑒整理獲得,用來評估我國滑坡災(zāi)害年度損失風(fēng)險。2評估方法2.1滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估模型常見的區(qū)域自然災(zāi)害風(fēng)險評估包括相關(guān)性評估、概率推斷、類似推斷、趨勢外推與動態(tài)評估及等級評估。本文基于類似推斷的原理,采用歷史災(zāi)情類比法,用過去滑坡承災(zāi)體損失狀況推及未來的災(zāi)害損失風(fēng)險。根據(jù)聯(lián)合國國際減災(zāi)戰(zhàn)略組織(UNISDR)給出的自然災(zāi)害風(fēng)險評估模型,用不同規(guī)模的滑坡災(zāi)害發(fā)生的可能性(頻次)來表征滑坡災(zāi)害危險性,用發(fā)生滑坡災(zāi)害時承災(zāi)體可能損失的量占其物理暴露量比率的期望(易損率)表征承災(zāi)體的脆弱性,承災(zāi)體物理暴露量根據(jù)承災(zāi)體分布范圍和滑坡的空間分布采用GIS技術(shù)進(jìn)行估算,故建立滑坡災(zāi)害風(fēng)險評估模型如下:式中:Rij(Risk)為i類承災(zāi)體對j等級滑坡災(zāi)害的風(fēng)險損失量;Pj(Probability)為j等級滑坡災(zāi)害發(fā)生的概率或頻次;Vij(Vulnerability)為i類承災(zāi)體對j等級災(zāi)害脆弱性(易損率);Ei(Exposure)為i類承災(zāi)體受滑坡、泥石流災(zāi)害威脅的物理暴露量。2.2滑坡災(zāi)害危險性評估滑坡災(zāi)害危險性(hazard)是指滑坡在特定時間某個給定區(qū)域發(fā)生的可能性,危險性大小主要由災(zāi)害事件的規(guī)模(強(qiáng)度)和活動頻次(概率)決定的,災(zāi)變指數(shù)法、穩(wěn)定系數(shù)法,強(qiáng)度-頻次法等是常用的評估滑坡危險性的方法。其中強(qiáng)度-頻次法屬于歷史資料評估法的一種,是在對歷史災(zāi)害事件數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上,計算出不同規(guī)模災(zāi)害發(fā)生的概率或頻次,用數(shù)量表征災(zāi)害危險性,符合災(zāi)害風(fēng)險定量評估的要求。因此本文采用強(qiáng)度-頻次法評估我國滑坡災(zāi)害危險性。某一規(guī)模的災(zāi)害事件可視為X大于或等于某一規(guī)模水平XT的隨機(jī)事件,災(zāi)害重現(xiàn)時間間隔t就是兩次事件X≧XT發(fā)生的時間間隔。對每一條滑坡災(zāi)害事件記錄而言,有兩種可能性:災(zāi)害規(guī)模符合要求,X≧XT;或事件不符合要求,X<XT。由于每一條災(zāi)害記錄資料是獨(dú)立事件,事件X在重現(xiàn)間隔t內(nèi)發(fā)生的概率就是(t-1)個不發(fā)生概率與1個發(fā)生的概率的積,即,(1-p)(t-1)·p,如果有無限個記錄數(shù)據(jù),那么t的期望E(t)就是:因而故事件發(fā)生的概率P就是其重現(xiàn)期的倒數(shù):式中:P為事件XT發(fā)生的概率;T為超出規(guī)模XT的事件X的重現(xiàn)期。所以不同規(guī)?；聻?zāi)害發(fā)生的概率,p=P(X≧XT)可以通過災(zāi)害重現(xiàn)期來估計。在數(shù)據(jù)記錄有限的情況下,用式(4)計算出的滑坡災(zāi)害發(fā)生概率,實(shí)際為其年均發(fā)生頻次?？紤]到滑坡災(zāi)害的自然屬性因素,本文根據(jù)災(zāi)害事件記錄數(shù)據(jù),用滑坡的分布狀況及其他影響滑坡發(fā)生的環(huán)境因子對式(4)進(jìn)行加權(quán)校準(zhǔn)。因此,評估全國滑坡災(zāi)害危險性的公式為:式中:Pij為第i個評價單元內(nèi)j等級災(zāi)害發(fā)生的年均頻次;Nij為第i個評價單元內(nèi)j等級災(zāi)害事件記錄數(shù);wij為是環(huán)境因子權(quán)重,根據(jù)滑坡分布狀況或其他影響滑坡發(fā)生的因子綜合確定;T為超出規(guī)模XT的事件X的重現(xiàn)期,單位為年。2.3滑坡災(zāi)害發(fā)生的影響因素承災(zāi)體脆弱性(vulnerability),是指承災(zāi)體本身由物理、社會、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境因子所決定的在遭受滑坡災(zāi)害時的損失程度,其綜合反映了承災(zāi)體在自然災(zāi)害發(fā)生過程中能否損失或損失多少的“能力”。進(jìn)行承災(zāi)體脆弱性評估主要包括分析滑坡承災(zāi)體類別、估算承災(zāi)體物理暴露和確定承災(zāi)體脆弱程度等內(nèi)容。(1)承災(zāi)體物理暴露量的測算滑坡承災(zāi)體有多種,如可具體分為人員、房屋、道路、農(nóng)田等,也可以抽象為物質(zhì)類、環(huán)境類、經(jīng)濟(jì)類、社會類等。其中,房屋、道路、農(nóng)田等屬于經(jīng)濟(jì)范疇,可以用貨幣來進(jìn)行量化。因此,本文把滑坡承災(zāi)體概括分為兩類:人員要素和經(jīng)濟(jì)要素。人員要素的物理暴露量是暴露在滑坡影響區(qū)的人口總數(shù)。經(jīng)濟(jì)暴露量涉及到人類生活、生產(chǎn)、流通和消費(fèi)的多個方面,是一個地區(qū)的經(jīng)濟(jì)狀況的總和,本文用滑坡影響區(qū)內(nèi)地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)表征。在假定承災(zāi)體在評價單元內(nèi)呈均勻分布的條件下,承災(zāi)體物理暴露量的計算公式為:式中:Ei為i類承災(zāi)體的物理暴露量;Ci為評價單元內(nèi)i類承災(zāi)體的總量;r為滑坡分布區(qū)面積與總評價單元的面積比。根據(jù)滑坡的空間分布狀況和評價單元內(nèi)的人口、GDP數(shù)據(jù),用式(6)結(jié)合GIS技術(shù)可以方便的計算出各類承災(zāi)體的物理暴露量。(2)承災(zāi)體脆弱性分析根據(jù)承災(zāi)體脆弱性的定義,人員脆弱性指的是災(zāi)害發(fā)生時可能遭到的人口損失(死亡、失蹤、受傷等)占總?cè)丝诒┞读康谋?而經(jīng)濟(jì)脆弱性指的是災(zāi)害發(fā)生時可能造成的經(jīng)濟(jì)損失與總經(jīng)濟(jì)暴露量之比。本文采用歷史災(zāi)情類似推斷的方法,用單次災(zāi)害造成的易損率(損失率期望)表示承災(zāi)體脆弱性,用公式表示:式中:Vij為i類承災(zāi)體對j等級災(zāi)害的脆弱性;Lr為單次災(zāi)害事件中j等級災(zāi)害造成的承災(zāi)體損失率;Lij為i類承災(zāi)體在j等級災(zāi)害發(fā)生時的損失量;Ei為i類承災(zāi)體的物理暴露量;pij為i類承災(zāi)體遭遇j等級滑坡災(zāi)害出現(xiàn)損失Lij的概率。3結(jié)果與分析3.1滑坡災(zāi)害危險性分區(qū)在arcgis9.3軟件中,采用疊加分析的方法,計算出各評估單元內(nèi)不同等級的滑坡分布區(qū)占該縣域單元的面積比。根據(jù)滑坡分布區(qū)主要滑坡點(diǎn)規(guī)模確定影響滑坡災(zāi)害危險性的環(huán)境因子權(quán)重(表1):根據(jù)整理后我國滑坡災(zāi)害事件數(shù)據(jù),用式(5)分別計算出每個縣域單元不同等級的災(zāi)害發(fā)生頻次,并據(jù)此繪制出我國滑坡災(zāi)害危險性分區(qū)圖:從上圖可以看出,我國滑坡災(zāi)害高度危險區(qū)和極高危險區(qū)主要分布在第1階梯向第2階梯過渡的狹長地帶,以西南地區(qū)最為嚴(yán)重,大型特大型危險區(qū)連片分布,秭歸、東川、遵義、云陽等縣市特大型、大型滑坡災(zāi)害年均發(fā)生頻次多達(dá)0.05次/a;江南的丘陵地帶、華南山區(qū)、東北邊境地區(qū)、華北地區(qū)中部、西北地區(qū)東部和南部也是滑坡災(zāi)害的高危險區(qū),高度、極高危險區(qū)呈點(diǎn)狀有零星分布。華中地區(qū)、東北大部和西北北部滑坡災(zāi)害危險性較低,為我國滑坡災(zāi)害極低危險區(qū)。3.2承災(zāi)體脆弱性與社會易損率基于數(shù)據(jù)精度問題并考慮到不同地區(qū)社會發(fā)展程度對承災(zāi)體脆弱性的綜合影響,本研究中對我國滑坡承災(zāi)體脆弱性以華東地區(qū)(包括山東、江蘇、安徽、江西、浙江、福建、上海),華南地區(qū)(包括廣東、廣西、海南),華中地區(qū)(包括湖北、湖南、河南),華北地區(qū)(包括北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古),西北地區(qū)(包括寧夏、新疆、青海、陜西、甘肅、內(nèi)蒙古),西南地區(qū)(包括四川、云南、貴州、西藏、重慶),東北地區(qū)(包括遼寧、吉林、黑龍江、內(nèi)蒙古),臺港澳地區(qū)(包括臺灣、香港、澳門;因事件記錄數(shù)據(jù)缺失,未參評)為評價單元,分別用式(6)和式(7)計算人口、經(jīng)濟(jì)在各等級滑坡災(zāi)害發(fā)生時的物理暴露量和易損率,并繪制出承災(zāi)體脆弱性曲線(圖3、圖4):根據(jù)承災(zāi)體脆弱性曲線,在人員要素脆弱性方面,西南、華北、華東3個地區(qū)脆弱性曲線變化較為平緩,表明這些地區(qū)小型、中型規(guī)模的滑坡災(zāi)害也常常會導(dǎo)致較高比例的人員死亡,在防災(zāi)減災(zāi)工作中既要防大災(zāi)重災(zāi),也要重視中小規(guī)模的災(zāi)害治理;西北、華東和華南地區(qū)脆弱性曲線在大型、特大型規(guī)模災(zāi)害處陡升,表明特大型、大型滑坡災(zāi)害對人員脆弱性影響極為顯著,防災(zāi)減災(zāi)工作應(yīng)以重災(zāi)、大災(zāi)為主。6個地區(qū)中,人員易損率極值多在4-13人/萬人之間。其中,華中地區(qū)人員易損率最高,極值達(dá)到35.8人/萬人,因此在華中地區(qū)進(jìn)行滑坡災(zāi)害風(fēng)險防范時,對極高危險地區(qū)要采取治理與人員搬遷避讓相結(jié)合的措施,以有效降低人員損失風(fēng)險。在社會經(jīng)濟(jì)脆弱性方面,各地區(qū)脆弱性曲線在大型、特大型滑坡災(zāi)害之間均呈現(xiàn)出急劇上升的變化趨勢;因此,特大型、大型滑坡災(zāi)害對全國社會經(jīng)濟(jì)脆弱性影響特別顯著。6個地區(qū)中社會經(jīng)濟(jì)易損率極值多在5%左右。其中,華東地區(qū)因經(jīng)濟(jì)規(guī)模較大,社會經(jīng)濟(jì)易損率極值遠(yuǎn)高于其他地區(qū),達(dá)到12.5%;在華東地區(qū)的社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃中,需特別注意滑坡災(zāi)害對社會經(jīng)濟(jì)的致?lián)p風(fēng)險。3.3滑坡災(zāi)害風(fēng)險用式(2),根據(jù)不同規(guī)?；聻?zāi)害年均發(fā)生頻次、人口和經(jīng)濟(jì)物理暴露及承災(zāi)體易損率分別計算每一個縣域單元各承災(zāi)體潛在損失量,進(jìn)行相加后可得到各評價單元的綜合損失風(fēng)險(圖5)。評估結(jié)果表明,西南地區(qū)大部、西北地區(qū)東部、華中西部邊緣地帶、華東中部部分縣市和江南丘陵地區(qū)滑坡點(diǎn)密、降水集中,滑坡災(zāi)害幾乎年年發(fā)生;長期的社會發(fā)展使這里人員集中、經(jīng)濟(jì)規(guī)模較大,是中國滑坡災(zāi)害高風(fēng)險集中分布區(qū)域,人員損失風(fēng)險和社會經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險均較高。東北、華北、西北中西部地區(qū)、華東、華南大部分地區(qū),地勢平坦,滑坡極少發(fā)育,雖人員、經(jīng)濟(jì)暴露量大、脆弱性較高,但人員和社會經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險卻較低,是我國滑坡災(zāi)害風(fēng)險極低區(qū)域。具體來說,西南地區(qū)的云陽、遵義、昆明,西北地區(qū)的西安、天水,華中地區(qū)的巴東、秭歸、耒陽、長陽等縣市,暴露在滑坡影響區(qū)的人數(shù)多、各種等級的滑坡發(fā)生的可能性高、單次災(zāi)害造成的死亡人數(shù)可達(dá)10人以上,是滑坡災(zāi)害人口損失風(fēng)險最為嚴(yán)重的地區(qū)。西南地區(qū)的遵義、涪陵、萬州、曲靖、西北地區(qū)的西安、天水等19個縣市年綜合經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險在千萬元,是滑坡災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險最嚴(yán)重的縣市。4滑坡災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險區(qū)域和社會經(jīng)濟(jì)脆弱性我國地質(zhì)構(gòu)造結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形地貌多樣,滑坡分布廣泛,滑坡災(zāi)害嚴(yán)重的影響著山地丘陵地區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全。本研究結(jié)合地球系統(tǒng)科學(xué)共享數(shù)據(jù),通過地方志校對補(bǔ)充和GIS空間定位等,收集整理出新中國成立以來發(fā)生在全國的1600余條滑坡災(zāi)害事件記錄和不同規(guī)模滑坡點(diǎn)分布數(shù)據(jù);利用國際減災(zāi)戰(zhàn)略組織的風(fēng)險評估模型,因地制宜的對我國縣域單元滑坡災(zāi)害人員要素和社會經(jīng)濟(jì)損失風(fēng)險狀況進(jìn)行了量化評估研究;并基于GIS平臺,對評估結(jié)果進(jìn)行了制圖分析。結(jié)果顯示:我國滑坡災(zāi)害極高危險區(qū)和高度危險區(qū)主要分布在第1階梯向第2階