劉 婷，譚建民，郭 飛，潘宇晨，王 力

(1.三峽庫(kù)區(qū)滑坡災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 三峽大學(xué)，湖北 宜昌 443000；2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心 中南地質(zhì)科技創(chuàng)新中心，湖北 武漢 430205)

中國(guó)近70%的國(guó)土為山地，頻發(fā)的滑坡災(zāi)害使人民的生命安全和財(cái)產(chǎn)受到了極大的威脅。僅2019年，全國(guó)共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害6 181起，共造成211人死亡、13人失蹤、75人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失27.7億元[1]。江西省贛州市位于大別-羅霄山地區(qū)，地勢(shì)復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育，且受人工切坡和降雨的影響地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，是我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)。贛州當(dāng)?shù)匾驗(yàn)?zāi)致貧阻礙人民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成為脫貧攻堅(jiān)戰(zhàn)的一大壁壘。因此積極開(kāi)展滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)已成為防災(zāi)減災(zāi)、振興經(jīng)濟(jì)的重要工作部署，其中權(quán)重值的合理界定對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性起關(guān)鍵作用。

目前，滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)主要是基于統(tǒng)計(jì)分析理論，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者都提出各種不同的評(píng)價(jià)模型，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)[2]、信息量[3]、支持向量機(jī)[4]等。但這些模型在使用時(shí)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定多依賴于主觀判斷。

合理的指標(biāo)權(quán)重直接影響易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性，有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了探討，有的通過(guò)Pearson積矩相關(guān)系數(shù)和顯著性檢驗(yàn)[5]來(lái)驗(yàn)證指標(biāo)相互獨(dú)立；或是通過(guò)指標(biāo)狀態(tài)的相關(guān)性分析[6]，去除與多個(gè)指標(biāo)相關(guān)性都較大的指標(biāo)[7]，以此避免重復(fù)計(jì)算部分因素影響。同時(shí)也有學(xué)者借助層次分析法[8-10]、灰色關(guān)聯(lián)法[11]、頻率比算法或模型[12-14]來(lái)計(jì)算指標(biāo)的權(quán)重值；而有的引入粒子群法[15]或信息增益率優(yōu)化模型[16]，計(jì)算權(quán)重值。但是多種算法的復(fù)合使用不僅加深了建模的難度，在引入的算法中還存在參數(shù)確定受主觀影響較大和計(jì)算過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，在有限的地質(zhì)資料基礎(chǔ)上難以實(shí)現(xiàn)；同時(shí)這些算法都是基于統(tǒng)計(jì)規(guī)律[17]對(duì)內(nèi)部因素的指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行探討，對(duì)于受人類工程活動(dòng)影響大的滑坡不能有效的考慮外界誘發(fā)因素。

因此，本文從如何更合理的確定指標(biāo)權(quán)重出發(fā)，先通過(guò)探測(cè)指標(biāo)的空間分異性來(lái)確定初步權(quán)重值，并通過(guò)調(diào)查、搜集的資料建立地質(zhì)模型，再運(yùn)用Geo-studio軟件得到不同切坡和降雨組合工況下，邊坡穩(wěn)定性對(duì)切坡和降雨指標(biāo)的響應(yīng)關(guān)系；利用模擬結(jié)果將人工切坡的影響引入到權(quán)重的界定中，修正指標(biāo)權(quán)重；并依照《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求(1∶50 000)》選擇高效、快捷的信息量模型，以贛州市沙地鎮(zhèn)為例進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)，并為防災(zāi)減災(zāi)工作提供依據(jù)和建議。

1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算理論分析

1.1 權(quán)重值確定

空間分異性[18]是指某一屬性值在不同類型或區(qū)域之間存在差異。地理數(shù)據(jù)中的類型量廣泛存在，研究區(qū)中不同的影響因子分為不同的層考慮，它體現(xiàn)了地理對(duì)象的空間分異性，表現(xiàn)為層內(nèi)方差小于層間方差[19]。

空間分異性是地理現(xiàn)象的基本特征之一，在各因子的影響強(qiáng)度中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，本文通過(guò)探測(cè)因子的空間分異性來(lái)研究因子X(jué)對(duì)Y的影響程度，并用權(quán)重q度量，原理如下：

.

(1)

.

(2)

圖1 空間分異性原理(據(jù)王勁峰等，2017[19])Fig.1 Principle of spatial differentiation (from Wang Jinfeng, et al[19])

1.2 權(quán)重值修正

直接通過(guò)GIS軟件提取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)探測(cè)因子的空間分異性得到的權(quán)重值只能從宏觀角度分析指標(biāo)的影響強(qiáng)度，忽略了滑坡災(zāi)害的誘發(fā)因素。因此本研究借助Geo-studio軟件模擬邊坡在誘發(fā)因素作用下，即不同工況下的穩(wěn)定性，將試驗(yàn)結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，再次對(duì)部分基本評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值進(jìn)行修正。

對(duì)研究區(qū)的滑坡災(zāi)害情況、降雨情況、地形地貌等情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可知研究區(qū)滑坡災(zāi)害的坡高、坡度、風(fēng)化層厚度、切坡高度、切坡坡角及降雨強(qiáng)度的范圍。借助Geo-studio軟件建立模型，模擬不同巖性的邊坡在不同因素組合的四種工況下(不降雨開(kāi)挖、不降雨不開(kāi)挖、降雨開(kāi)挖、降雨不開(kāi)挖)的穩(wěn)定性。基于正交試驗(yàn)法提取最具有代表性的組合來(lái)代表所有因子組合的整體情況，數(shù)值模擬試驗(yàn)應(yīng)選用水平正交試驗(yàn)方案。比如，在各指標(biāo)范圍內(nèi)將上述6種因素全部劃分為5級(jí)，再由SPSS軟件分析得到的6因素5水平正交試驗(yàn)。數(shù)值模擬得到的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，再根據(jù)公式(1)即可探測(cè)出6種因素和巖組對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)度。通過(guò)這7個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度即可對(duì)易發(fā)性評(píng)價(jià)的部分指標(biāo)權(quán)重再次優(yōu)化，對(duì)應(yīng)關(guān)系為：巖組-巖組，原始坡高-地形起伏度，原始坡度-坡度，切坡高度-道路。

數(shù)值模擬提供的樣本數(shù)據(jù)中，穩(wěn)定性系數(shù)作為探測(cè)指標(biāo)權(quán)重時(shí)的Y，即Y值由滑坡災(zāi)害發(fā)生與否的二值變量(0或1)變?yōu)榉€(wěn)定性系數(shù)決定的多值變量。通過(guò)這種轉(zhuǎn)換可提高各指標(biāo)權(quán)重精度。

2 方法應(yīng)用

2.1 研究區(qū)背景

贛州市位于江南丘陵與嶺南山地的交匯處，四周有武夷山、諸廣山及南嶺的九連山等，眾多山脈向中部及北部逶迤伸展、形成周高中低、南高北低地勢(shì)(如圖2)。沙地鎮(zhèn)位于贛州南部，地貌以山地、丘陵為主要格局。區(qū)內(nèi)一定規(guī)模出露有震旦系、寒武系、第四系地層，巖組主要為巖漿巖、變質(zhì)巖和第四系松散堆積物。該區(qū)域位于南嶺東西復(fù)雜構(gòu)造帶，區(qū)內(nèi)褶皺、斷裂發(fā)育。根據(jù)地下水存儲(chǔ)條件，水文特征，將其劃分為松散巖內(nèi)孔隙水和基巖裂隙水。區(qū)內(nèi)主要工程活動(dòng)為公路建設(shè)和城鄉(xiāng)建設(shè)與居民建房。研究區(qū)內(nèi)人類工程活動(dòng)對(duì)自然地質(zhì)環(huán)境改造強(qiáng)烈，因此選擇地形地貌，如地形起伏度、坡度等，以及區(qū)內(nèi)主要的工程建設(shè)-道路，和巖組等基本因素作為滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。

圖2 研究區(qū)地貌圖Fig.2 Geomorphic map of the study area

2.2 易發(fā)性評(píng)價(jià)體系建立

根據(jù)已有的高精度地形圖、地質(zhì)圖，本文選擇適用于大比例尺的柵格單元作為研究區(qū)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)單元。

(1)評(píng)價(jià)模型

信息量模型是以信息論為理論基礎(chǔ)，其基本觀點(diǎn)為將已有地質(zhì)災(zāi)害影響指標(biāo)分類并轉(zhuǎn)化為影響大小的信息量值，進(jìn)而利用信息量的值來(lái)評(píng)價(jià)各指標(biāo)與研究對(duì)象的相關(guān)程度，信息量值越大，則代表越有可能引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，信息量原理如下:

(3)

(2)評(píng)價(jià)指標(biāo)

江西省贛州市的滑坡災(zāi)害主要是不合理的切坡修路、建房造成，發(fā)生滑坡災(zāi)害的斜坡大多都是高陡邊坡，因此本文選擇坡度、曲率、粗糙度、地表切割深度、地形起伏度、高程變異系數(shù)，道路影響范圍和巖組八個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并利用GIS的圖像處理功能提取指標(biāo)(如圖3)。

圖3 評(píng)價(jià)指標(biāo)圖Fig.3 Evaluation index chart

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算與修正

利用GIS對(duì)提取上述八個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)探測(cè)這些指標(biāo)的空間分異性(公式1)，可初步確定指標(biāo)的權(quán)重值(見(jiàn)表1)。再通過(guò)數(shù)值模擬修正部分權(quán)重值。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)初步權(quán)重值Table 1 Initial weight value of evaluation index

上述方法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重時(shí)，將各指標(biāo)值在研究區(qū)域內(nèi)分級(jí)后對(duì)應(yīng)的災(zāi)害響應(yīng)關(guān)系(發(fā)生與否)作為探測(cè)空間分異性的統(tǒng)計(jì)樣本，針對(duì)區(qū)域內(nèi)災(zāi)害易發(fā)性的一般宏觀分析。然而贛州地區(qū)受人工切坡影響強(qiáng)烈，人工切坡指標(biāo)中切坡高度和切坡角度作為重要參照因素，其影響效果在宏觀上難以實(shí)現(xiàn)同其他指標(biāo)值一樣的區(qū)域范圍內(nèi)分級(jí)，因此將人工切坡指標(biāo)概化為與道路的距離來(lái)量化分級(jí)，以此實(shí)現(xiàn)人工切坡和其他指標(biāo)的同一緯度，探究各自初步權(quán)重，得出的結(jié)果道路權(quán)重遠(yuǎn)高于其他指標(biāo)，預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)集中在道路附近，預(yù)測(cè)效果欠佳。在此基礎(chǔ)上，本文提出通過(guò)數(shù)值計(jì)算，可以探討不同組合的切坡角度和切坡高度下邊坡穩(wěn)定性響應(yīng)關(guān)系(穩(wěn)定系數(shù))，再利用計(jì)算結(jié)果探究各因素貢獻(xiàn)度，并由此對(duì)初步計(jì)算出的道路、巖性等部分指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，使各指標(biāo)權(quán)重更合理，提高預(yù)測(cè)效果。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)幾類巖土樣進(jìn)行基本物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)和滲透實(shí)驗(yàn)得到基本物理力學(xué)指標(biāo)(見(jiàn)表2)。根據(jù)對(duì)贛州市沙地鎮(zhèn)的地質(zhì)環(huán)境調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可知區(qū)內(nèi)滑坡的坡高、坡度、風(fēng)化層厚度、切坡高度、切坡坡角及降雨強(qiáng)度的范圍。并在各要素范圍內(nèi)將其分為5類(見(jiàn)表3)進(jìn)行水平正交試驗(yàn)，共25種邊坡模型，每一種幾何模型又分為不開(kāi)挖不降雨、開(kāi)挖不降雨、降雨不開(kāi)挖和降雨開(kāi)挖4種不同的工況。

表2 基本物理力學(xué)指標(biāo)Table 2 Basic physical-mechanical index

表3 6種要素分類Table 3 Six categories of factors

基于水平正交試驗(yàn)方案對(duì)贛南地區(qū)花崗巖、變質(zhì)巖、第四紀(jì)松散堆積土3種巖組邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，由于研究目的是為了探究獲得各種因子對(duì)邊坡穩(wěn)定性的敏感性排序，需要保證6種要素外的其他因素一致，故將邊坡的25種原始模型概化為統(tǒng)一長(zhǎng)寬(如圖4)，通過(guò)改變基本物理力學(xué)參數(shù)和水文參數(shù)等指標(biāo)來(lái)考慮巖組的敏感度。故一共有300種不同因素組合下的邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)結(jié)果(見(jiàn)圖5)。

圖4 數(shù)值分析模型圖(圖中數(shù)字為邊坡穩(wěn)定系數(shù))Fig.4 Numerical analysis model diagram(The figure is the slope stability coefficient)

圖5 4種工況試驗(yàn)結(jié)果曲線圖Fig.5 Curves of test results under four working conditions

將300種組合條件下的邊坡穩(wěn)定性結(jié)果作為樣本數(shù)據(jù)，通過(guò)公式1探究數(shù)值分析中坡度、坡高、全風(fēng)化層厚度、切坡高度、切坡坡角、降雨強(qiáng)度和巖組對(duì)邊坡穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)度(如表4)。數(shù)值模擬計(jì)算中的指標(biāo)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)求解指標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系分別為：巖組——巖組；原始坡高——地形起伏度；切坡——道路；原始坡度——坡度。通過(guò)對(duì)上述指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化后的最終結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 數(shù)值分析指標(biāo)貢獻(xiàn)值Table 4 Numerical analysis index contribution value

表5 最終評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值Table 5 Final evaluation index weight value

2.4 易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果

用公式(3)對(duì)每個(gè)單因子指標(biāo)用信息量模型進(jìn)行分步計(jì)算，再利用GIS按各指標(biāo)修正前的權(quán)重和修正后的權(quán)重分別綜合疊加分析，最后根據(jù)自然間斷法把贛州沙地易發(fā)性分為四個(gè)區(qū)：低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、較高易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)。將修正權(quán)重前的評(píng)價(jià)結(jié)果(如圖6)和修正權(quán)重后的評(píng)價(jià)結(jié)果(如圖7)相對(duì)比，修正權(quán)重前的評(píng)價(jià)結(jié)果高易發(fā)區(qū)和道路圖高度重合，對(duì)防治減災(zāi)工作難以起到實(shí)質(zhì)性幫助。

圖6 修正權(quán)重前易發(fā)性分區(qū)圖 圖7 修正權(quán)重后易發(fā)性分區(qū)圖Fig.6 Fixed weight predisposition partition chart Fig.7 After correcting the weight, the susceptibility partition chart

正確率檢驗(yàn)：本研究遵循“實(shí)際滑坡災(zāi)害是檢驗(yàn)滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確性的最好標(biāo)準(zhǔn)”這一原則，根據(jù)許沖等[20-21]提出的易發(fā)性評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)方法，即繪制滑坡災(zāi)害面積累積百分比-易發(fā)區(qū)面積百分比曲線(如圖8)，計(jì)算曲線下面積AUC大小來(lái)衡量評(píng)價(jià)結(jié)果的正確率大小。修正權(quán)重后的AUC值為83.1%，修正權(quán)重前的AUC值為76.3%，可知修正權(quán)重后正確率明顯更高。

圖8 正確率檢驗(yàn)曲線對(duì)比圖Fig.8 Contrast graph of accuracy test curve

根據(jù)最終的評(píng)價(jià)結(jié)果，高易發(fā)區(qū)集中在研究區(qū)的中部和西北角，是防災(zāi)減災(zāi)工作的重點(diǎn)區(qū)域。其次，道路附近為較高易發(fā)區(qū)符合區(qū)內(nèi)因人類工程活動(dòng)改造自然環(huán)境強(qiáng)烈而留下隱患的特征，如切坡建房和修路形成的高陡邊坡。

3 討論

由指標(biāo)初步權(quán)重結(jié)果(表1)可知，道路較其他指標(biāo)的權(quán)重值高出不少，計(jì)算時(shí)僅是將與道路的距離作為人工切坡的影響表現(xiàn)形式，雖然體現(xiàn)出研究區(qū)地質(zhì)滑坡災(zāi)害受人工切坡影響重大，但是若完全依照此宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算出的權(quán)重值進(jìn)行后續(xù)災(zāi)害易發(fā)區(qū)評(píng)價(jià)，高易發(fā)區(qū)幾乎完全集中在道路附近(如圖8)，難以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)效果，可見(jiàn)人工切坡影響的表現(xiàn)形式并不合理。并且由表1可得，巖組的權(quán)重值最低，但實(shí)地調(diào)查結(jié)果顯示研究區(qū)災(zāi)害發(fā)生的數(shù)量在不同巖性區(qū)有明顯區(qū)別，主要是花崗巖區(qū)較多。由此可見(jiàn)計(jì)算所得的權(quán)重值并沒(méi)有反應(yīng)出巖性原本的重要性，分析造成此結(jié)果的原因可能是在對(duì)巖性這一評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)的時(shí)候，僅是通過(guò)適普的工程特征簡(jiǎn)單劃分了巖組，為對(duì)其力學(xué)特征為做進(jìn)一步討論，這也是宏觀統(tǒng)計(jì)分析的弊端，通過(guò)而數(shù)值模擬可以彌補(bǔ)這一弊端。利用數(shù)值模擬修正權(quán)重值，可見(jiàn)降雨的權(quán)重值相對(duì)較高(表4)，降雨對(duì)第四系松散堆積物邊坡的影響較大，在單體滑坡[22]中更易詳細(xì)分析降雨的影響。然而易發(fā)性評(píng)價(jià)時(shí)降雨表現(xiàn)形式為等值線圖，本文研究區(qū)范圍小，降雨監(jiān)測(cè)設(shè)備有限，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表現(xiàn)不出區(qū)內(nèi)降雨明顯差值特征的等值線圖，評(píng)價(jià)結(jié)果體現(xiàn)不出降雨的影響，由此在后續(xù)評(píng)價(jià)時(shí)未將降雨作為指標(biāo)(表5)。

綜上所述，通過(guò)統(tǒng)計(jì)規(guī)律得到影響因素的權(quán)重值，在遇到人工切坡等外部因素影響強(qiáng)烈時(shí)，體現(xiàn)不出人工切坡誘發(fā)滑坡的真實(shí)貢獻(xiàn)，數(shù)值模擬時(shí)可通過(guò)設(shè)定具體的切坡高度、切坡角度及巖性力學(xué)參數(shù)等可以進(jìn)一步探究指標(biāo)的貢獻(xiàn)度，因此結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬可對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行更合理的探討，實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比權(quán)重修正前后的易發(fā)性分區(qū)圖和ROC曲線圖可得出如下結(jié)論：

(1)充分考慮了人工切坡的影響，坡度、地形起伏度、巖組、道路的權(quán)重值得到了修正，提高了各評(píng)價(jià)指標(biāo)貢獻(xiàn)度的合理性；

(2)由修正權(quán)重前和修正權(quán)重后的ROC曲線對(duì)比可知，權(quán)重修正后的滑坡災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)精度得到了有效的提高，能夠在后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和防災(zāi)減災(zāi)工作中發(fā)揮重要作用；

(3)通過(guò)數(shù)值模擬來(lái)修正后的權(quán)重比僅通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定的權(quán)重更客觀合理，評(píng)價(jià)結(jié)果精度更高，更適用于受人類工程活動(dòng)影響強(qiáng)烈的滑坡災(zāi)害，如水庫(kù)誘發(fā)滑坡的易發(fā)性評(píng)價(jià)可考慮使用。