贵州毕节地区泥石流危险性评价

岳溪柳，黄 玫，全 斌，王昭生，谷晓平

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411201;2.中国科学院 地理科学与资源研究所，北京 100101;3.湖南科技大学 地理空间信息工程实验室，湖南湘潭 411201;4.贵州省山地气候与资源重点实验室，贵州贵阳 550002)

泥石流是我国西南山区多发的地质灾害之一，由于其突发性强，影响范围广等特点，每年导致的直接经济损失和人员伤亡在各类山地灾害中比例较大。迄今为止，泥石流评价的研究主要分为单沟泥石流机理分析［1-4］和区域泥石流危险性总体评价［5-8］两类;部分学者也针对个别诱发因子做了一些深入研究［9-13］。在我国，唐川和刘希林等对区域泥石流的研究相对较有代表性［14-16］。然而，以往的研究多以历史泥石流点为主要评价因子，以县为评价单元，评价结果缺少验证，对具体的减灾防灾及生产实践指导作用不明显。因此，本文从引发泥石流灾害的地质、地形、水文、植被等自然环境和人类活动等因素出发，建立精度为0.000833°(赤道100m)格网单元的泥石流危险性评价模型;以历史泥石流点作为验证数据参与模型的验证，用以考证评价模型的准确性。格网单元的区域泥石流危险性评价可以为当地防灾减灾决策及具体的城乡规划提供较为直接的参考建议。

1 研究区概况

毕节地区(图 1)位于东经 105°36'～106°43'，北纬26°21'～27°46'之间，地处贵州高原西部，地势由西向东倾斜，山高坡陡，全区总面积26844.5km2，高原山地占93.3%，最高海拔2901m，最低海拔457m，境内沟壑纵横，土地破碎。大部分地区属亚热带温凉湿润季风气候，年平均降水在848.6～1394.4mm之间，5～9月雨量集中，多为暴雨和大暴雨。境内地层出露较齐全，从元古界震旦系至新生界的第四系地层均有分布，出露的岩石以沉积岩为主，碳酸盐岩类居多;地质构造强烈，褶皱断裂交错发育，山体边坡稳定性差，地质灾害频繁，泥石流灾害较为严重。

图1 毕节地区行政区域图Fig.1 Bijie district boundary map

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与预处理

为获得相关地形、地质构造、水文、植被及人类活动等基础数据，本研究搜集了毕节地区数字高层(DEM)数据(分辨率为100m)，毕节地区地质图(1∶50万)，毕节地区土壤侵蚀数据(1∶10万)，毕节地区土地利用类型数据(1∶10万)，毕节地区归一化植被指数(NDVI)数据(分辨率为1km)，毕节地区植被覆盖图(1∶100万)，以上数据均来源于中国科学院地理科学与资源所数据中心;搜集了毕节地区多年降水数据和历史泥石流灾害记录数据，降水数据和泥石流灾害数据分别由贵州省气象局和贵州省地质环境监测院获得。

为获取相关的指标信息，文章从数字高层(DEM)图提取了坡度、坡向、相对高差及沟谷数据;从地质图获取了岩性、断层数据及层级结构数据;从土壤侵蚀数据库、土地利用方式数据库、归一化植被指数(NDVI)数据库、植被覆盖图分别直接获取土壤侵蚀等级、土地利用方式类型、NDVI值及植被覆盖率;大于50mm降水日数、大于25mm降水日数则由降水数据统计获得。

在数据预处理过程中，所有数据统一使用GCS_Krasovsky_1940坐标系统和Albers投影。为方便模拟计算，数据均转化为分辨率为0.0008333°(相当于赤道100m)的栅格形式，气象站数据插值为空间数据。

2.2 研究方法

2.2.1 评价指标的选取

泥石流活动是地形地貌、地质构造、气候水文、植被覆盖、人类活动等众多因素共同作用的结果。在参考前人区域泥石流评价研究的基础上［9，14-21］，本文首先选取土壤侵蚀、坡度、坡向、暴雨日数、大于25mm降水日数、相对高差、岩性、土地利用方式、NDVI、到断层的距离、到沟谷的距离，层级结构、森林覆盖率等13个因子与历史灾害点进行extract value to points分析，分析发现土壤侵蚀、坡度、暴雨日数、岩性、土地利用方式、NDVI、到断层的距离、到沟谷的距离8个因子与灾害点的关联性相对较高且彼此相似度低，故选作本研究的评价指标。因子介绍如下:

土壤侵蚀是地貌、土壤、水文、植被等自然因素与人类活动综合作用的结果，土壤侵蚀严重的地方往往地表破碎，容易诱发崩滑流等自然灾害［23］。坡度是地形状况的直接表现，小于45°的坡度利于坡积物的堆积，大于25°以上的坡度是泥石流多发的坡度范围，坡度越小，泥石流发生概率越低［11］。暴雨和大暴雨是毕节市泥石流灾害的主要诱因［24］，泥石流的发生主要受突发性降水影响［21］;我国气象上将24h降水量为50mm或以上的降雨称为“暴雨”，因此，＞50mm的暴雨日数作为诱发泥石流的主要水文因子参与危险性评价。该三项因子反映了诱发泥石流的固体碎屑物、坡度，突发性水源三大主要条件。

土地利用方式是人类活动对地表干预的直接体现，旱地、耕地坡体土壤松散，容易发生泥石流［21］，居民地、工矿地、城镇用地是泥石流的易发区，植被覆盖域对泥石流具有较好的抑制作用［10，13］。岩石性质是地质条件的一个反射，在同等的水热条件下，不同岩石类型风化程度不一样，泥岩、碎屑岩的坡体相对页岩、白云岩坡体而言，更容易发生泥石流［25］。生长较好的植被具有较强的根茎固土作用和雨水拦截作用，利于缓解坡面的径流，提高坡体的稳定性，因此选择能反映植被生长状况的NDVI作为植被因子参与评价。断层是地质构造运动强烈的结果，断层区域岩体破坏，易于岩石风化和松散碎屑物质堆积，与泥石流的发生关联性较大［21］，离断层越近的地方，泥石流发生的概率越大，因此到断层的距离作为评价因子之一。离沟谷越近的地方汇集的水量越多，利于岩石孔隙水的囤积，对地表泥沙的冲刷和携带能力也越强，坡体的脆弱性降低，发生泥石流的概率高［12］，因此到沟谷的距离作为地形和水文因子的辅助参与泥石流危险性评价。

2.2.2 指标量化分级

根据各指标对诱发泥石流的贡献程度的大小将每个因子划分为轻微危险度、一般危险度、中等危险度、较高危险度、极高危险度5个等级，分别对应赋值1～5(表1)，以实现各网格点内各因子不同危险度等级的加权求和。分级依据如表1中的各科研成果及经验方法所示。

2.2.3 评价因子权重判定

由于评价因子对泥石流发生的贡献度不一样，因此确定各因子对泥石流危险性贡献度的大小是泥石流评价过程中至关重要的环节。层次分析法(The Analytic Hierarchy Process，简称AHP)是一种定性与定量相结合的多目标决策分析法，其基本原理是将待评价的复杂问题分解成若干层次，由专家或决策者对所列指标通过重要程度的两两比较逐层进行判断评分，通过计算判断矩阵的特征向量确定下层指标对上层指标的贡献程度或权重，从而得到基层指标对于总体目标的重要性权重排序，适合于多目标、多因素复杂系统的分析决策。本文采用AHP决策法，在Excel软件中构建判断矩阵进行分析，得出判断矩阵的最大特征根为λmax=8.0169，一致性指标CI=(λmax-n)/(n-1)=0.0024，检验指标 CR=CI/RI=0.0017＜0.1，判断矩阵具有良好的一致性，通过检验。评价矩阵与权重如表2所示。

表1 毕节市泥石流灾害危险性评价指标量化分级Table 1 The classification of debris flow hazard factors in Bijie

表2 评价指标的权重Table 2 The weights of evaluation factors

2.2.4 危险性评价模型

根据上述研究分析得到泥石流评价因子及各因子的权重系数，通过加权计算构建泥石流危险性的评价模型，其计算公式为:

其中:

H——表示泥石流的危险性值;

i——取值为1 ～8;

x1-x8——表2中的各项因子;

k1-k8——相应因子的权重值。

3 危险性评价结果

对各因子进行加权计算，得出每个栅格的危险性值。泥石流危险性是一个相对的概念，到目前为止还没有一个特定的划分标准。自然断点法是一种根据数值统计分布规律分级和分类的统计方法，它能使类与类之间的不同最大化。因此，文章采用自然断点法把毕节地区的泥石流危险性情况划分为微度危险区、轻度危险区、中度危险区、重度危险区、极重度危险区五个等级，用1～5表示危险程度，数值越高，危险性越大。利用ARCGIS9.3的空间分析得到毕节地区危险等级图(图2)。

3.1 评价结果验证

为验证泥石流危险性评价结果的合理性，本文将历史泥石流分布数据与评价得出的危险等级图进行叠加，提取每个泥石流点经纬度对应的栅格危险度值，统计得到不同危险性等级上的历史泥石流的个数(表3)。

结果显示，87.1%的历史泥石流点位于中度危险度以上危险区域，其中58.07%的泥石流点落在重度以上危险区。泥石流危险度评价结果与野外调查数据吻合度较高，符合毕节地区历史泥石流发生的实际情况。因此，数据验证的方法能够更好的反映评估结果的准确性，此种方法具有良好的适用性。

3.2 危险性评价结果分析

由图2可以看出，毕节地区整个东南部区域泥石流危险性较高。极重度危险区主要分布在织金县、纳雍县、大方县中南部及赫章县东北部等中高山地区。威宁自治县、赫章县西部与南部、大方县北部地区危险性相对较低。

图2 泥石流点Fig.2 The risk of debris-flow

经统计可得，毕节地区极重度危险区与重度危险区分别占区域面积的为6.57%和18.33%，中度以下危险区占区域面积的75.1%。(表4)。

表4 不同级别泥石流危险区面积占研究区域面积百分比Table 4 Statistic of debris flow hazard assessment results in the study area

4 结论

本研究基于空间GIS技术，利用层次分析法对毕节地区泥石流灾害的危险性进行了评价，得出如下结论:

(1)毕节地区泥石流危险性最大的区域主要分布在南部的纳雍县，织金县，赫章县中部山区及大方、金沙、毕节三市县交汇的大娄山附近区域。

(2)坡度、土壤侵蚀、岩性、断层分布等自然因素是影响泥石流发生的重要因子。泥石流高发区的主要特征是:地势起伏明显，坡度多为20°以上斜坡地貌，沟谷发育强烈，土壤侵蚀较为严重，断层分布密集，地质构造强烈。降水作为泥石流发生的诱发因素，与泥石流危险性的高低相关性不十分明显。

(3)人类活动对泥石流的发生具有一定程度的影响。金沙县、黔西县、大方县中南部旱地耕地分布较多，人类活动频繁，因而地表破坏严重，坡体不稳定性增强，成为泥石流的多发区。

对于地质灾害评价而言，评价指标的选取与评价模型的建立以及评价因子的准确性是影响评价结果的关键因素。本研究结果虽然与历史泥石流灾害的发生点比较吻合，但在气象数据空间化，评价指标空间匹配等方面具有一定的不确定性，在评价指标的选取方面也不可避免地存在一定的主观性，探索一种更科学和完善的泥石流危险性评价方法是今后的发展方向。

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