东南沿海山区小流域突发地质灾害动态风险评价与应急预警*

徐兴华，唐小明，游省易，冯杭建

(浙江省地质矿产研究所，浙江 杭州 310007)

我国东南沿海地区属亚热带季风气候区，常遭梅雨和台风暴雨影响，降雨强度大、雨量集中、持续时间长，山区小流域多发、群发和易发滑坡、泥石流等灾害，造成重大人员伤亡和经济损失。据已有资料统计，2008-2010年浙江省受极端降雨天气影响频率较高，受灾严重，期间山区小流域突发地质灾害1 012处，其中滑坡581处、泥石流125处，造成61人伤亡，直接经济损失达1.61亿元[1-2]。

通过山区小流域突发地质灾害动态风险评价和应急预警以指导地质灾害应急处置是值得考虑的课题。地质灾害风险评价是自然灾害风险研究的内容之一，是考虑地质环境因素、资源社会情况等综合评价的过程[3-5]，目前多用于城镇规划、工程建设及防灾减灾等领域[6-8]，其相关实践应用反映基于静态过程，只考虑地质环境条件和资源经济情况等因素[9-11]。地质灾害应急是地质灾害防治 “四大体系”之一，通过系统性的应急响应理论、技术方法等，应对地质灾害，减轻危害[12-13]。但是，针对降雨条件下的突发地质灾害动态风险评价较少有相关研究涉及，及与其相关的应急预警也未有较多研究开展。本文针对东南沿海山区小流域地质环境特色，对降雨作用下山区小流域突发地质灾害动态风险评价与应急预警做进一步地探索和研究。选择典型小流域作为研究区，构建降雨作用下的突发地质灾害动态风险预警模型，建立评价指标体系，确立模糊数学理论和耦合权重计算确定的分析模式方法，建立统一降雨强度预警指标，以典型代表性降雨事件展开研究区小流域地质灾害动态风险评价与应急预警研究，有效指导区内地质灾害应急防灾，以此提供可靠的解决方案和技术平台。

1 研究区域

位于东南沿海浙江省浙中山地丘陵区的衢州市衢江区[14]是典型的山地县(市、区)，全区以山地丘陵为主，约占总面积的80.0%，整体呈南北高、中间低，中部为河谷平原，海拔约50～120 m，向南北两侧以阶梯状抬升，分别逐步过渡到海拔500～1 000 m的低山区和海拔大于1 000 m的中山区。

表1 研究区地质灾害隐患基本情况一览表

本区属梅雨、台风雨兼容区，多年平均降雨量在1 500～2 100 mm之间，由中间向南北两侧山区逐渐递增，在双桥、洋口形成区域降雨中心，每年的6-7月中旬为梅雨期，7月中旬至9月中旬为台风雨期，汛期雨量占全年的70%以上，常常出现日降雨量大于50 mm甚至100 mm以上的灾害性降雨天气，山区小流域易发滑坡、泥石流等地质灾害。

选择衢江区北部山区铜山源小流域作为典型研究区(图1)，其属衢江支流，由银坑溪和庙前溪在杜泽北部注入铜山源水库，向南流经杜泽至高家等地，在章徳埠注入衢江，全长45.1 km，河道比降4.1‰，流域面积247.6 km2。区内有双桥、杜泽等8个乡镇81个行政村和省属十里丰监狱，人口有2.96万户、9.84万人，农民人均收入约7 720元。

图1 研究区交通位置图(红色标记区)

根据全区地质灾害调查评价资料总结[14-15]，铜山源小流域研究区分布地质灾害隐患共计30处，主要分布于双桥、太真、杜泽、周家等地，已发生的有25处(表1和图2)，基本特点主要如下。

图2 铜山源小流域典型研究区

(1)地质灾害类型方面，研究区分布滑坡隐患18处，占总数的60.0%，规模等级以小型为主，稳定性以较差为主；泥石流隐患12处，占总数的40.0%，规模等级以中、小型为主，大型仅1处，易发程度以中易发为主。

(2)发生时间方面，主要集中于6-7月中旬的梅雨期和8月中旬-9月中旬的台风雨期，以6月份的梅雨暴雨期为多，达15处，8月份的台风暴雨期有8处。

(3)危害程度方面，以较大级为主，有16处，占总数的53.3%，又以泥石流灾害最多，有10处；一般级次之，有13处，占总数的43.3%，重大级仅1处；滑坡危害等级以一般级为主，较大级有5处，泥石流危害等级以较大级为主，重大级仅1处。

总体而言，铜山源小流域内地质灾害类型以滑坡、泥石流为主，且以滑坡为多，规模等级以中、小型为主，稳定性以较差和中易发为主，是以梅雨期和台风雨期的持续降雨或集中强降雨作用诱发所致，灾害危害等级以较大级为主，威胁村庄人口生命财产安全的主要集中于泥石流灾害。

2 降雨作用下动态风险预警模型构建

2.1 基本体系结构

基于铜山源小流域地质环境条件，依据区内滑坡、泥石流地质灾害持续强降雨引发、规模小、数量多、群发性、突发性等特点，结合降雨特征研究，细化落实村庄、人口、土地、基础设施、经济价值等社会基础资料，构建降雨诱发的山区小流域突发地质灾害动态风险预警模型(图3)，主要过程如下。

(1)基于小流域下垫面地质环境条件、诱发影响因素和地质灾害隐患分布情况，结合降雨预警阀值指标，基于GIS平台，采用模糊数学理论和构建预警关系矩阵，进行降雨诱发突发地质灾害的动态危险性评价，综合计算危险性指数，分析整体危险程度和发展趋势，并确定其发生的可能性概率。

(2)根据小流域村庄、土地等基本情况，以承灾体为标准，细化分布村庄建筑、人口分布、土地利用、基础设施和经济价值等基础数据，通过统计分级，进行因素指标属性赋值，采用综合指数方法，进行地质灾害易损性评价，确定其易损性指数。

图3 模型基本结构体系

(3)基于灾害风险评价理论，依据地质灾害动态危险性指数和易损性指数，采用因子属性值相乘的方法，进行降雨作用下区域地质灾害动态风险评价，建立以地质灾害风险水平为阀值的预警判据，建立降雨诱发地质灾害的动态风险预警模型，明确不同风险水平启动相应层级的应急预警机制。

2.2 评价指标体系

2.2.1 易发程度评价指标体系

根据研究区所在的浙江省山区县(市)乡(镇)地质灾害分布与易发区图编制和监管的相关要求[16]，并参照有关成果总结资料[17]，针对研究区地质灾害易发程度以不、低、中、高分区，分为四级。

(1)地质环境条件

①高差：<50 m、50～150 m、300～500 m、150～300 m；②斜坡坡度：5°～15°、>55°、15°～35°、35°～55°；③工程岩组：(Tc、Tcc、Lt、SRf、SRc)，(Rr、Sc、Bg)，(Sf)，(Qg)；④地质构造：断裂密度(m/km2)，50～250、250～500、500～750、750～1 000。

(2)诱发影响因素

①多年平均降雨量：<1 700 mm、1 700～1 800 mm、1 800～2 000 mm、>2 000 mm；②植被发育与破坏：<20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%。

(3)现状地质灾害

①分布密度(处/km2)：0～0.05、0.05～0.15、0.15～0.30、0.30～0.50；②规模密度(m3/km2)：0～100、100～1 000、1 000～5 000、5 000～15 000。

2.2.2 易损性评价指标体系

以承灾体为标准，基于自有属性和信息不完备条件[3-4,9]，确立评价指标体系如表2所示，主要包括人口分布、村庄建筑、土地利用(主要是耕地丰度)、基础设施(主要是公路交通设施)和经济价值(主要是工农业产值)，均结合实际统计分级。

2.3 模型理论基础与实现过程

2.3.1 基于耦合权重确定方法的危险性动态评价

首先，建立反映地质灾害易发程度分区的评价集，即不易发(EⅠ)、低易发(EⅡ)、中易发(EⅢ)和高易发(EⅣ)，以单个网格单元为评价单元，基于模糊数学理论[18]，采用滑坡治理稳定状态综合评价过程建立的耦合权重计算确定方法[19]，建立其各类因子的隶属度矩阵和权重矩阵，确定其结果集为

表2 承灾区易损性指数关系表

(1)

式中：A=[α1α2…αn]是各类评价因子的权重矩阵，且满足总和为1；n表示评价因子的个数；R为评价因子的隶属度矩阵；μn4表示的是各类评价因子相应于分区的隶属度值。

依据最大隶属度准则[18]确定地质灾害易发程度区间，基于评价结果集[λ1λ2…λ4]，其对应易发程度{EⅠ、EⅡ、EⅢ、EⅣ}，则评价结果为

λmax=max{λ1,λ2,…,λ4}。

(2)

可见λmax所对应的等级区间即为地质灾害易发程度分区。在确定所有评价网格单元所处易发程度分区的基础上，结合其分区属性，经综合评价分析，进行全区地质灾害易发程度并区勾绘且核实。

其次，基于降雨过程实测雨量构建降雨量临界阀值指标，由当日雨量和前期有效雨量(有效降雨量)构成，分析降雨引发滑坡、泥石流地质灾害的对应关系，综合确定与地质灾害发生的关系限值，进行降雨危险性程度等级划分，分低(安全雨情)、中(激发雨情)、高(群发激发雨情)3级。

最后，基于地质灾害易发程度分区，结合降雨危险性程度分级，参照有关危险性分析的成果资料[3-4,9]，结合实际分析降雨激发地质灾害的耦合作用关系，构建预警关系矩阵(表3)，实现地质灾害危险性动态评价，分极低、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ等级别。

表3 预警关系矩阵划分表

2.3.2 地质灾害易损性分析

首先，依据地质灾害易损性评价指标体系，基于评价网格单元，对各评价因素指标进行分指数赋值，对其进行归一化处理(介于0～1)，计算式为

(3)

式中：X(i)为某评价因子层中第i个网格单元经数据归一化处理的值；x(i)为第i个网格单元的待定分指数值，max[x(i)]为所有评价网格单元中的最大值；min[x(i)]为所有评价网格单元中的最小值。

其次，针对体现承灾区抗灾特性的各评价因素层，基于数据归一化处理的参数属性值，结合耦合权重确定方法计算的各评价因素的权重值[19]，采用综合指数法确定地质灾害易损性指数值，为

(4)

式中：Z为某评价网格单元的易损性指数值；Aj为其对应第j个评价因子的权重值；Xj为其对应第j个评价因子的参数属性值(已经数据归一化处理)；j为其对应评价因子的个数，j=1,2,…,5。

最后，根据地质灾害易损性指数值，采用修正的自然断点法[3-4,9]进行其程度分级，依据指标值区间范围，分极低、低、中、高易损性区域(表4)，再基于所有评价网格单元进行区域易损性分区。

表4 承灾区易损性分区分级表

2.3.3 地质灾害动态风险评价

基于灾害风险评价基本理论[3-4,9]，以地质灾害危险性动态评价结果以及易损性评价结果为基础，计算分析地质灾害风险指数，确定动态风险水平。

首先，根据地质灾害危险性动态评价分析结果，结合实际统计分级情况，采用修正的自然断点法，确定地质灾害发生的可能性概率P(表5)。

表5 地质灾害发生概率对应表

表6 地质灾害动态风险水平分级标准

表7 地质灾害动态风险与应急预警关系表

其次，再叠合地质灾害易损性指数值，利用评价网格单元划分的方式，采取属性值相乘的分析方法，综合确定地质灾害动态风险指数，为

Fi=Pi×Zi。

(5)

式中：Fi为第i个评价单元的地质灾害风险指数值；Pi为第i个评价单元的地质灾害危险性概率；Zi为第i个评价单元的地质灾害易损性指数值。

地质灾害动态风险指数值介于0～1之间，结合实际分析情况采用修正的自然断点法[3-4,9]，进行动态风险水平分级，按照等级区间范围差异，分成极低、低、中和高风险区(或极高风险区)(表6)，从而确定以动态灾害风险水平为阀值的预警判据，建立山区小流域突发地质灾害动态风险预警模型。

2.4 动态风险水平分区与应急预警

根据《国家突发地质灾害应急预案》[13]，并通过已有相关应急成果资料[20-21]的总结和深化，探索提出适合山区小流域环境特色的能满足不同地质灾害风险水平启动相应层级的应急预警响应机制与联动模式，区内地质灾害动态风险与应急预警的联动关系如表7所示，根据地质灾害动态风险水平的不同，建立相应层级的地质灾害应急预警级别，确定具体的地质灾害应急处置和防灾措施，为地质灾害防灾提供决策依据和技术支持。

3 降雨强度预警指标

3.1 理论计算公式

结合研究区历史泥石流灾害资料和降雨过程雨量信息，针对流域形态显著且纵坡降较大的沟谷型泥石流，根据相关技术规范[22]，结合降雨基本特征，建立泥石流降雨监测预警暴雨强度指标为：

R=μ(H24h/100+H1h/40)。

(6)

式中：μ是前期降雨量修正系数，无前期降雨时μ取1，有前期降雨时μ一般取1.1～1.2；H24h是24 h最大降雨量(mm)；H1h是1 h最大降雨量(mm)。

降雨激发滑坡(或坡面泥石流)发生的有效降雨量一般采用幂指数形式，以某段降雨过程的当日降雨量各自乘以有效降雨系数再累积所得[23]：

(7)

式中：Rc是有效降雨量；R0是滑坡发生当日雨量；i是滑坡发生前的天数计数；n是滑坡发生前的天数；α是有效降雨系数，一般介于0.70～0.80，本区据实取0.75；Ri是滑坡发生前第i天的当日雨量。

通过典型代表性降雨事件激发滑坡地质灾害的实测过程降雨量统计，滑坡地质灾害的形成主要与发生前4～5 d的降雨密切相关，则上式中滑坡发生前的天数结合实际情况可取4～5 d，则适合本区降雨激发滑坡的有效降雨量值的理论计算公式为：

Rc=R0+α1R1+α2R2+α3R3+α4R4+α5R5。

(8)

式中：Rc是有效降雨量；R0是滑坡发生时的当日降雨量；α是有效降雨系数，本区结合实际情况取0.75；R1、R2、R3、R4、R5是滑坡发生前第1 d、第2 d、第3 d、第4 d、第5 d的当日降雨量。

3.2 临界雨量阀值指标

根据铜山源小流域及其周边地区“2002·8·15”、“2010·6·18”、“2010·7·8”、“2011·6·15”等降雨事件，建立临界雨量阀值与激发滑坡、泥石流地质灾害发生比例数之间的对应统计关系，主要分析如下。

①在Rc>195 mm及其以上时，降雨激发更多群发性滑坡、泥石流灾害的发生，且比例大幅提高，约占总数的70%以上，为群发激发雨情；且在Rc>230 mm时，沟谷型泥石流激发比例大大提高，约占泥石流总数的90%以上，为其触发雨情，可见降雨激发沟谷型泥石流的条件相对苛刻得多。

②在Rc=125～195 mm时，降雨激发多数滑坡地质灾害的发生，约25%～30%左右，为激发雨情。

③在Rc≤125 mm时，可见降雨将不足以或少有激发地质灾害的发生，为安全雨情。

通过总结分析本区及附近降雨激发滑坡、泥石流的降雨事件以及地质灾害发生数量的对应统计关系(图4)，基于统一的降雨预警指标体系，确定降雨激发地质灾害的临界雨量阀值为125 mm、195 mm，且230 mm是激发沟谷型泥石流的雨量阀值。

图4 临界降雨量与地质灾害发生的对应关系图

3.3 降雨危险性等级划分

通过降雨激发地质灾害的临界雨量阀值指标的分析和确定，可将降雨量危险性等级划分为3级，即低危险性、中危险性和高危险性，分别对应Rc=125 mm和195 mm两个临界雨量阀值(表8)。

表8 降雨危险性等级划分

4 研究区实例研究

4.1 基础数据来源

选择衢江区铜山源典型性小流域作为研究区，以ArcGIS10.0平台和Matlab7.1程序为基础平台，以“2011·6·19”代表性降雨事件[15]为典型实例，通过所构降雨型地质灾害动态风险预警模型，开展山区小流域地质灾害动态风险评价与应急预警研究。

基础数据来源[14-15]：①1∶ 10 000数字化地形图；②5 m分辨率DEM数字高程模型；③1∶ 10 000等高线、水系、交通线及各类注记等；④1∶ 10 000乡镇、行政村、居民点境界线及标注；⑤1∶ 200 000或1∶ 50 000地层岩性、地质界线、构造等；⑥滑坡、泥石流地质灾害隐患；⑦最新二调土地利用数据；⑧研究区及附近雨量站分布及实测过程雨量。

4.2 地质灾害动态危险性评价

首先，根据地质灾害易发程度评价指标体系建立评价因素集，结合实际以100 m×100 m为基本评价网格单元，通过模糊数学计算理论和耦合权重计算确定方法，进行研究区地质灾害易发程度分区(图5)。通过地质灾害爆发强度S[24]检验分区评价结果，研究区地质灾害不、低、中至高易发区的爆发强度S指数是逐渐增大的，说明分区是合理的。

图5 研究区小流域地质灾害易发程度分区图

其次，结合本次“2011·6·19”降雨过程的实测雨量值，根据临界雨量阀值确定方法和克里格数据插值方式，生成全区有效降雨量分布图(图6)，可知Rc在110～191 mm之间，根据降雨危险性等级划分表，确定全区降雨危险性程度划分为低和中2级区。

图6 研究区域有效降雨量等值线图

最后，基于研究区地质灾害易发程度分区评价结果，结合降雨危险性程度等级划分情况，依据预警关系矩阵划分表(见表3)，进行降雨激发地质灾害动态危险性评价(图7)。

分析可知研究区地质灾害动态危险性划分成极低、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级四级区，包括：①极低级区位于杜泽、峡川南部平原区及莲花、云溪、高家等平原区，面积约50.50 km2，占总面积的22.16%；②Ⅰ级区位于铜山源水库、杜泽中部、峡川北部和周家南部丘陵区，面积约31.7 km2，占总面积的13.91%；③Ⅱ级区位于太真(不含下槽坞)低山区、杜泽北部(不含庙前—金岗山—黄金岗一带)和周家北部低山丘陵区，面积约86.40 km2，占总面积的37.91%；④Ⅲ级区位于太真南部(下槽坞)低山区、双桥、杜泽北部(庙前—金岗山—黄金岗一带)中低山区，面积约59.30 km2，占总面积的26.02%。

图7 研究区降雨激发小流域地质灾害动态危险性分区图

4.3 研究区易损性分析

以承灾体为标准，采用体现抗灾特性的村庄建筑、人口分布、土地利用、基础设施和经济价值等因素，通过实地调查、统计年鉴、政府公报等获取基础数据来源[25]，结合信息属性特征和政府管理需求，以登记在册的乡镇行政村为基本单位，依据地质灾害易损性分析模型体系和模式方法，基于评价网格单元，确定地质灾害易损性分区(图8)。

图8 研究区域地质灾害易损性分区图

图9 研究区地质灾害动态风险水平分布图

分析可知研究区地质灾害易损性分区如下：①极低易损性区位于铜山源水库，面积约12.0 km2，约占总面积的5.27%；②低易损性区位于太真、双桥、杜泽及峡川北部山区，面积约147.5 km2，约占总面积的64.72%；③中易损性区位于杜泽及周家中部、峡川南部丘陵地区及莲花和云溪南部地区，面积约34.6 km2，约占总面积的15.18%；④高易损性区位于杜泽南部平原区、省属十里丰监狱和云溪北部地区，面积约33.8 km2，约占总面积的14.83%。

4.4 地质灾害动态风险评价和应急预警

基于降雨激发小流域地质灾害的动态危险性评价以及易损性评价结果，依托降雨型地质灾害动态风险预警模型，确定全区地质灾害动态风险水平指数(F∈[0,1])，以其为预警阀值判据，进行地质灾害动态风险水平分区评价和应急预警(图9)。

本区地质灾害动态风险水平分区如下：①极低区(Ⅴ级区)位于铜山源水库、杜泽下溪、宝山村一带及南部平原区、峡川(不含峡口村)、周家南部平原区及莲花、云溪、高家和十里丰监狱，面积约80.29 km2，占总面积的35.23%，地质灾害动态危险性以极低和低为主，风险水平极低，为应急预警Ⅴ级区。②低级区(Ⅳ级区)位于太真王家山和银坑村、双桥林场、杜泽明果—黄金岗村一带、杜泽一至五村及峡川峡口村，面积约59.17 km2，占总面积的25.95%，地质灾害动态危险性以中等为主，易损性多为低级，风险水平低，为应急预警Ⅳ级区。③中级区(Ⅲ级区)位于双桥(不含林场)、太真(不含王家山和银坑村)、杜泽庙前—金岗山—黄金岗一带和白鹤山、宝山村一带及周家北部村，面积约88.48 km2，占总面积的38.82%，地质灾害动态危险性以高和中级为主，中低山至丘陵区易损性由低级至中等，风险水平中等，为应急预警Ⅲ级区。

4.5 实际地质灾害发生检验与验证

实际情况下，本次降雨过程中铜山源小流域新发生3处地质灾害[15]：双桥乡田蓬村滑坡(HP03)、太真乡下槽坞村滑坡(HP15)、杜泽镇余家村滑坡(HP17)，为小型岩土质滑坡，对照其所处位置，均落于地质灾害动态风险水平中级区(应急预警Ⅲ级区)(见图9红色标记点)。可见，地质灾害动态风险评价能有效覆盖或捕捉可能发生的点，说明本区评价结果是合理可靠的，能指导地质灾害应急。

地方国土部门对照动态风险预警联动关系表，根据雨情发布预警信息，启动群测群防体系，要求双桥、太真和杜泽等地开展地质灾害巡查监测，按防灾预案采取防御措施；对新发滑坡，组织应急小组赴现场处置，划定危险区设置警示牌，受威胁群众妥善避让撤离；在滑坡调查评价的基础上，制定削、挡、排等应急处置措施，消除威胁，保障安全。

5 结论与讨论

针对东南沿海山区小流域地质环境特色条件，选择浙中丘陵山区衢江区铜山源小流域为研究区，基于风险评价理论和模糊数学方法，采用耦合权重计算确定方法，构建降雨诱发山区小流域地质灾害动态风险预警模型，建立评价指标体系和分析模式方法，建立降雨激发滑坡、泥石流的统一强度阀值预警指标，以典型代表性降雨事件为实例，依托降雨型地质灾害动态风险预警模型，综合确定研究区小流域地质灾害动态风险水平，以其为预警判据，进行地质灾害动态风险评价与应急预警研究。

通过研究区典型实例分析以及实际地质灾害发生情况的检验与验证，证实研究区地质灾害动态风险水平分区结果是合理可靠的，通过实施降雨作用下山区小流域突发地质灾害动态风险评价能够有效指导地质灾害应急预警和防灾处置。综合可见，此不失为一种行之有效的技术方法，可进一步开发成动态风险评价与应急预警综合平台系统。