基于確定性系數模型的瀘水市泥石流易發性評價

李益敏, 李馭豪, 趙志芳

(1.云南大學 資源環境與地球科學學院, 昆明 650500; 2.云南省地理研究所 高原山地災害與環境研究中心, 昆明 650223)

泥石流是我國最頻發的地質災害之一，因其暴發突然、來勢兇猛、危害嚴重而倍受關注，成為研究熱點[1-5]。泥石流的易發性評價可以直觀反映泥石流災害的空間分布，也為預防潛在災害的戰略準備提供參考，對于預測預警、防災減災工作意義重大[2]。易發性評價指標[6-13]、評價模型[6-13]和指標權重[14-15]的合理性關系到泥石流易發性評價結果的科學性和適合性，是易發性評價研究關鍵。泥石流易發性與地形地貌、地層巖性、降雨特征、植被覆蓋、人類干擾等因素相關，構成泥石流易發性主要評價指標。陳劍等[1]選取地貌熵值、巖土類型、坡向、坡度、植被歸一化指數、月均降雨量6個因子作為泥石流的易發性評價因子；譚玉敏等[3]選取坡度、坡向、累計匯水面積、地層巖性、水域、降雨量、植被和土地利用分類8個影響因子；岳溪柳等[5]選取土壤侵蝕、坡度、坡向、巖石性質、土地利用方式、歸一化植被指數(NDVI)、到溝谷的距離及>25 mm降雨日數8個因子開展貴州省喀斯特地區泥石流易發性研究；Jiang等[14]以斷層距離、巖性、高程、坡度、坡向、河流距離、植被覆蓋(NDVI)等作為評價指標因素，開展了云南省地質災害易發性評價研究。近年，泥石流評價方法和技術手段不斷提升，GIS與模型方法結合應用于泥石流災害易發性評價研究中，實現評價結果的定量化、空間化成為趨勢。GIS技術與信息量[3-6]、層次分析法[7-8]、聚類和最大似然法[9-10]、神經網絡[11-12]、證據權重法[13]、回歸模型[11,14]、確定性系數(CF)[15-17]等模型方法在泥石流評價中得到廣泛應用，取得了良好的效果。指標某一因子的權重是指該因子在泥石流評價整體中的相對重要程度，代表了不同因子作用或貢獻的大小。權重確定方法一類是以專家打分法(德爾菲法為代表)，通過充分挖掘專家的知識、經驗，主觀性較強而受到質疑。另一類是將專家經驗與數學統計方法相結合，如層次分析法、模糊權重法，該類方法計算中存在個人主觀判別的參與，大量已知樣本的獲取難度等問題。CF值直接代表著各因子對地質災害的貢獻這一物理基礎，該方法模型簡單，應用方便，可較好應用于地質災害因子權重研究中[15-17]。因而，本文采用CF模型和GIS方法開展瀘水市泥石流易發性評價研究。

1 研究區概況

瀘水市位于云南省西北部，世界自然遺產地三江并流區，怒江傈僳族自治州南部，瀕臨歐亞和印支兩大板塊的結合部，構造運動強烈，地質環境復雜，環境脆弱。瀘水市最高海拔4 161.6 m，最低海拔738 m，相對高差達3 423.6 m，為典型的高山峽谷地貌。國際河流怒江自北向南流經瀘水市，怒江兩岸支流大多垂直入江，干支流構成羽狀水系。研究區地形地貌、構造復雜、河流密布、河流坡降比大，降水豐富，年均降水量1 199.7 mm，特殊的地理環境和復雜的大氣環流使得研究區水系發育密集，立體氣候突出，加之筑橋修路、采礦、墾荒等人類活動的影響，這些因素的綜合疊加影響為泥石流災害的發生孕育了條件，造成區內泥石流災害較為發育[18]。

2 數據與研究方法

2.1 數據源與評價單元

數據源包括1∶5萬地形圖、1∶25萬地質圖、交通圖、高分一號遙感影像、降水數據以及瀘水市泥石流災害歷史數據等(包括64個有具體空間關系的災害點，見表1)。

評價單元的選擇取決于空間數據的比例尺與精度，對于研究區較大、比例尺較小的空間數據，一般以柵格或規則網格為評價單元，并且柵格單元在GIS軟件中易于計算和處理。本研究區東西橫距56.19 km，南北縱距108.27 km，故采用25 m×25 m的柵格單元作為泥石流易發性評價單元。

表1 瀘水市泥石流災害信息

2.2 指標體系構建

結合瀘水市的地形地貌、地質構造、氣候、降水等環境特征以及泥石流災害的分布規律，選取坡度、高程、河流距離、道路距離、巖性、斷裂帶距離、降雨量、NDVI、土地利用9個影響因子作為泥石流災害易發性評價指標因子。

各個因子的分級情況參考相關論文。其中，坡度分為5個等級[18]，高程的分級按瀘水市的垂直氣候帶譜界線為標準劃分為5個等級，離河流、道路、斷裂帶距離則根據瀘水市的面積大小，以200 m為單位進行分級[19]。巖性按照工程地質巖組GB50218—1994和GB50021—2001分為4類，土地利用類型按一級分類。各評價指標分級(分類)具體見表2。

表2 瀘水市泥石流災害評價指標分級(分類)

(1) 坡度。坡度的大小會對泥石流災害的發生產生影響。坡度越大，泥石流發生的頻率越高。首先從瀘水市的DEM數據中將坡度提取出來，后用ArcGIS的重分類工具按照分級標準將坡度分為5個等級。

(2) 高程。不同高程范圍內人類活動的范圍也會有所不同，而且高程會對植被的類型、植被的覆蓋度以及降水量產生影響，因而選取其作為評價因子之一。與坡度的操作相類似，將高程從DEM數據中提取出來，按照瀘水市的垂直氣候帶譜進行分級，分為6個等級。

(3) 離河流距離。河流水系對泥石流災害發生的影響比較大，河流兩岸的巖土體受到河流水體側蝕的影響，抗侵蝕能力較弱，降水增加水位上升使巖土體難以承受沖擊力可能引發泥石流災害。將河流從DEM數據中提取出來，并進行緩沖區分析，建立多環緩沖區，將其分為6個等級。

(4) 離道路距離。人類工程活動對于泥石流災害的影響較大，研究區的人類工程活動以筑路、采礦和城鎮建設為主。考慮到土地利用因子已反映采礦和城鎮建設對泥石流的影響，且山區道路作為線性工程貫穿整個研究區，曲折盤旋使得開挖的土方量較大，因此將道路納入評價指標。道路的分級處理方式與水系相同，將其分為7個等級。

(5) 巖性。泥石流發生的概率大小與巖性關系非常緊密。巖性對泥石流的穩定性影響比較大，巖性越松散，即巖體的抗壓能力越弱，流水侵蝕作用越強烈，則災害越容易發生。將巖性直接按照標準進行分級并重分類，分為堅硬巖組、較堅硬巖組、軟弱巖組和松散巖組4個等級。

(6) 離斷裂帶距離。斷裂帶影響泥石流的發育和發生。離斷裂帶越近，巖土體越破碎，穩定性越差，泥石流災害越容易發生，反之，離斷裂帶越遠，巖土體的穩定性越好，泥石流災害發生的頻率較低。斷裂帶的處理方式與道路相同，將其分為7個等級。

(7) 降雨量。降雨是誘發泥石流的主要因素，雨季是泥石流高發期。由于降水強度大，入滲量相對較小，地表產生的徑流量較大，沖刷作用強烈，使得具有一定坡度的松散堆積物隨徑流形成洪水從而引發泥石流災害，瀘水市泥石流災害的發生與降水發生密切，選擇2012—2016年瀘水市雨量監測站點的實測數據，運用ArcGIS中的克里金空間插值法得到降雨量空間分布圖，再對其用邊界進行掩膜提取，提取完成后進行分級，分為5個等級。

(8) NDVI。植被指數(NDVI)，能夠較好地反映出植被生長狀態及植被蓋度，在植被遙感中應用最為廣泛。不同的NDVI值對災害的影響程度不同，NDVI由TM遙感影像數據得到，在ENVI 5.1軟件的支持下進行提取，并換算為-1～1的NDVI值。換算后將NDVI值用自然斷點法劃分為5個等級：NDVI<0為水體、云等區域；0～0.18為裸土等植被較少區域；0.18～0.25為植被覆蓋一般的區域；0.25～0.35為植被覆蓋較好的區域；>0.35為植被覆蓋很好的區域，結果見圖1。

(9) 土地利用類型。不同的土地利用類型對泥石流災害的發生影響程度不同，土地利用和泥石流災害具有關聯性。土地利用類型由2016年高分一號遙感數據解譯，并經過野外驗證得到，類型分為未利用土地、耕地、草地、林地、水體、建設用地6類。

2.3 確定性系數模型

確定性系數模型CF是一個概率函數，CF(certainty factor)最早是由Shortliffe等[20]提出，由Heckerman[21]改進，用于分析影響某一事件發生的各個因素的敏感性。CF模型可以分析泥石流災害因子的敏感性，完成泥石流災害的易發性評價。計算公式為：

(1)

式中：PPa是泥石流災害事件在數據類a中發生的條件概率；PPs是泥石流災害事件在整個研究區s中發生的先驗概率。通常，PPa在實際應用中可以表示為數據類a的單元中存在的泥石流災害數目與單元面積(km2)的比值；PPs可以表示為整個研究區的泥石流災害數目與研究區面積(km2)的比值。

基于上述公式所計算得出的CF的值域區間為[-1,1]。如果計算出的結果為正值，則代表事件發生確定性的增長，即泥石流災害發生的確定性高，說明此單元為泥石流災害的易發區；反之，如果計算出的結果為負值，則代表事件發生確定性的降低，即泥石流災害發生的確定性低，說明此單元不容易發生泥石流災害。

本文運用確定性系數模型(CF模型)對瀘水市泥石流災害進行易發性評價，基于GIS平臺，分別對各項因子進行處理，再根據分級標準進行分級，得到易發性評價分區結果。

3 易發性評價及結果與分析

3.1 CF值計算及分析

(1) 坡度。坡度的CF計算結果說明，坡度與泥石流災害的發生具有較為緊密的聯系，坡度為8°～25°，泥石流災害發生的概率比較大；坡度較小的地區，災害發生的概率相應減小(表3)。

圖1 易發性評價指標分級

注：“—”代表未發現，下表同。

(2) 高程。海拔的CF值計算結果表明，海拔在1 600 m以下是瀘水市泥石流災害較為發育區域。受到自然條件的限制，瀘水市高海拔地區不適合人類居住，因此對自然環境的破壞較小，而在人類活動較為集中的低海拔地區，人們筑橋修路、耕作、采礦等活動以及低海拔地區水系的發育，為泥石流災害的發生孕育了條件。

表4 高程分級與CF值計算結果

(3) 距水系距離。距水系距離的CF值計算結果表明，距水系200 m以內，對災害的影響較大，泥石流災害發生的概率較大，隨著距離的遞增，災害發生的概率也在減小。說明距水系的距離越近，泥石流災害發生的概率就越大(表5)。

表5 水系分級與CF值計算結果

(4) 距道路距離。修建公路等人類活動對泥石流災害產生影響，通過CF值計算結果可以發現，離道路越近，泥石流發生的概率就越高(表6)。

表6 道路分級與CF值計算結果

(5) 離斷裂帶距離。斷裂帶周圍巖土體破碎，風化程度高，容易形成泥石流。根據斷裂帶的分級以及CF值得計算結果可知，距斷裂帶800 m以內泥石流災害發生的概率比較大，而大于800 m的區域泥石流災害發生的可能性較低。說明斷裂帶對泥石流災害的發生也具有重要的影響(表7)。

表7 斷裂帶分級與CF值計算結果

(6) 巖性。巖石的類型以及堅硬程度都會對巖土體的抗風化能力和抗侵蝕能力有影響。從CF值分析結果可以看出，根據巖石的堅硬程度進行統計，越堅硬的巖體，泥石流災害發生的概率越小(表8)。

表8 巖性分級與CF值計算結果

(7) 降雨量。降雨與泥石流災害的發生關系非常密切，降雨量越大，則泥石流災害發生的概率也較高。計算結果CF值也說明了這一問題(表9)。

表9 降水量分級與CF值計算結果

(8) NDVI。NDVI也是泥石流災害的一個重要影響因素。表10表明NDVI在0.18以內泥石流災害發生的概率較大，說明植被覆蓋度越低，泥石流災害發生的概率越大(表10)。

表10 NDVI分級與CF值計算結果

(9) 土地利用類型。土地的不合理利用會造成泥石流災害的發生，不同的土地利用方式對泥石流災害的影響也不同。通過CF計算結果可知，建設用地、水體和耕地這3種土地利用類型發生泥石流災害的概率較大(表11)。

表11 土地利用類型分級與CF值計算結果

3.2 泥石流易發性評價等級劃分

利用ArcGIS疊加以上9個因子的CF值，按照自然斷點法將泥石流災害易發性結果分為極高易發區、高易發區、中易發區、低易發區4個等級(表12)，得到易發性評價分級圖(圖2)。

表12 易發性評價CF值等級劃分

3.3 易發性評價結果驗證

為了驗證瀘水市泥石流災害易發性評價分區結果的合理性，本研究采用64個泥石流樣本數據以及泥石流災害面積百分比累積—易發性面積百分比累積曲線來進行驗證易發性評價指標因子、模型方法結果的科學性與合理性。

3.3.1 瀘水市樣本災害點數據結果驗證 從瀘水市64個樣本內泥石流災害點數據驗證結果(圖3)可以看出，易發性評價分區與災害點分布較為吻合，極高易發區主要分布在瀘水市的怒江干流的沿岸地區，泥石流災害的密度從極高易發區到低易發區逐漸減少，其中，低易發區面積占總面積的45.38%，災害點個數為0；中易發區面積占總面積的30.80%，災害點個數占總個數的4.69%；高易發區面積占總面積的15.29%，災害點個數占總個數的15.63%；極高易發區面積占總面積的8.53%，災害點個數占總個數的79.69%。高易發區及其以上等級區域內的災害點占總數的95.32%。根據評價結果的驗證，說明用確定性系數模型可以較好地反映出泥石流災害發生的區域(表13)。

圖2 易發性評價分區結果 圖3 易發性評價分區結果與樣本內災害點數據疊加

表13 瀘水市泥石流易發性分級結果和比例

3.3.2 AUC驗證 將泥石流易發性模型評價結果以1%的間隔分為100等分，求取已知泥石流在這100個級別內的分布百分比，構建易發性評價結果累積與泥石流發生累積曲線[22](圖4)。根據計算，曲線下面積(Area Under Curve,AUC)為81.99%，說明易發性評價結果的準確率達到81.99%，表明確定性系數模型適用于瀘水市易發性評價分析，得到的易發性分級結果具有合理性。

圖4 確定性系數模型評價結果檢驗曲線

4 結 論

(1) 瀘水市的泥石流災害點大多分布在極高易發區內，極高易發區面積僅占總面積的8.53%，但發生的泥石流災害點所占比例高達79.69%，易發性評價結果與實際泥石流災害的分布比較吻合，AUC檢驗的準確率達81.99%，表明論文選取的指標和CF模型是合理的，應用于瀘水市泥石流災害易發性評價中是可行的。

(2) 瀘水市泥石流災害發生與海拔、坡度、離水系、道路、斷裂帶距離關系密切，海拔1 600 m以下是泥石流易發區；離水系200 m、道路400 m、斷裂帶800 m內是泥石流高發區。

(3) 瀘水市泥石流災害發生與巖性、降雨、植被覆蓋、土地利用有關系。具體是：巖體的堅硬程度影響泥石流發生，越堅硬的巖體，泥石流災害發生的概率越小；降雨量越大，泥石流災害發生的概率也較高；植被覆蓋度越低，泥石流災害發生的概率越大；土地利用方式影響泥石流易發性，瀘水市建設用地、水體和耕地這3種土地利用類型發生泥石流災害的概率較大。

(4) 瀘水市泥石流災害高易發區也是居民點集中分布區，要減少人類不合理的活動誘發的泥石流災害，汛期要加大泥石流災害排查和群測群防巡查，減少泥石流災害的發生和災害造成的損失。