软弱岩土突发地质灾害风险评估模型*

代德富，夏安付，胡赵兴，摆超标

(1.昆明市东川区泥石流防治研究所，云南 昆明 654100；2.昆明市东川区泥石流防治实业公司，云南 昆明 654100)

我国地域辽阔，覆盖着大片软弱岩土，因其水文地质等条件使得软弱岩土具有流变特性，这种特性如果不受到外力的震动作用轻易不会造成地质灾害，但是一旦遭受外力，像地震、暴雨、海啸、洪水、人类活动等强烈震动作用，就会促使软弱岩土加速流动，导致发生严重的地质灾害[1]。因此为能有效防治这种突发性地质灾害，进行风险评估是必要的基础工作之一。

文献[2]提出的基于GIS的贫困地区降雨诱发型地质灾害风险评估，路基填料浸泡特性进行了常规压缩试验和循环荷载下的压缩试验研究，认为路基浸水与行车荷载是影响弱变质岩路基变形不可忽视的2个重要因素；文献[3]提出的中国县域单元地质灾害风险评估，提出地震灾区地质灾害，包括公路沿线崩滑灾害，刘应辉按照“发育度”、“潜势度”、“危险度”和“危害度”的“四度”递进地质灾害评价思想对研究区进行了总体评价和区划；但是以上传统的风险评估模型准确性不高，预估时间准确性低，逃脱时间少，导致人员伤亡率和财产损失伤亡率居高不下，很难帮助人们达到预防地质灾害的目的。因此针对上述问题，建立一个新型的风险评估模型，该模型优于传统风险评估模型，能准确评估出地区风险，对防治和减少地质灾害、加强突发地质灾害预测的准确性、保障国家财产和人民群众生命安全、促进国民经济与社会的稳定快速发展等具有重要意义。

1 突发地质灾害风险评估模型

大型工程建设是软弱岩土突发地质灾害发生的主要原因。工程建设必然破坏原有软弱岩土地质地貌，降低了软弱岩土的力学性能和稳定性，在外力强烈的动态干扰下极易发生地质灾害。突发性地质灾害不仅威胁人们的生命安全，还造成严重的经济损失。图1为2011-2015年全国软弱岩土突发性地质灾害造成的危害情况。

图1 2011-2015年全国软弱岩土突发地质灾害造成的危害情况

图1显示，2011年全国因软弱岩土突发地质灾害造成的危害极大，伤亡惨重，经济网损失大，2012-2015年间，灾害造成的伤亡人数和经济损失下降50%左右，由图1可见，因软弱岩土突发地质灾害造成的危害持续存在，从而看出建立一个软弱岩土突发地质灾害风险评估模型的紧迫性。

1.1 地质灾害风险评估内容

软弱岩土造成的突发性地质灾害之所以存在风险，最大原因是其具有不确定性。也由此可以判断出地质灾害风险是灾害发生频率、灾害监测系统是否稳定、人类综合管理以及社会自身防御能力等综合作用的产物[4]。因此软弱岩土地质灾害风险评估的主要内容包括灾害发生的频率和灾后系统的承受能力。

突发性地质灾害风险评估的重点是对灾害体和承灾体的评估。地质灾害风险存在的唯一条件是由承灾体所造成的伤害和损失或者当承灾体暴露于灾害体之下。但是当承灾体不存时，则视为无风险。图2为易发性、易损性、风险性三者逻辑组成图。由图2可知，软弱岩土地质灾害风险评估内容包括3个方面：危险性分析、易损性分析和期望损失分析。其中前两者是突发性地质灾害风险评估的基础，通过这二者的分析可以明确风险区面积、大致方位、灾害发生的时间等；而最后一项则是确定地质灾害造成的人员伤亡、经济损失、地质破坏程度等。综合以上三者的评估值，就可以获得某地地质灾害的风险水平[5]。软弱岩土地质灾害风险评估的内容体系如图3所示。

图2 易发性、易损性、风险性三者逻辑组成

图3 地质灾害风险评估内容体系

1.2 评估指标的确立

软弱岩土突发地质灾害风险评估结果的准确性易受到选取的各个评估指标数据准确性的影响。为保证评估指标数据的准确性，选用Hadoop平台对指标数据进行处理，其处理过程如图4所示。指标数据处理完成后，需要选取指标建立评估模型。软弱岩土突发地质灾害风险评估指标有两种：基础因子和易损因子[6]。前者包括坡度、断层情况等。后者有道路级别、人口密度和生态环境等。

图4 Hadoop平台处理过程

1.3 评估指标分级处理

各评估指标明确后，按照不同的分级标准对其进行分级量化处理，得到软弱岩土突发地质灾害风险评估的15个分级图，其危险评估指标分级量化标准如表1所示。而对于易损性评估，参照以往国内外对软弱岩土突发地质灾害风险研究状况，只选取6个指标因子进行量化分级，如表2所示。

表1 危险评估指标分级量化标准

表2 易损评估指标分级量化标准

1.4 指标权重的确定

利用美国运筹学家T.L.Satty提出的AHP方法来确定该模型评价指标的权重。其步骤主要有以下3点。

首先，确定关系。假定有d个因子f1、f2、f3、…、fd，其权重分别用y1、y2、y3、…、yd表示。每两个因子的权重比较如表3所示。

表3 各因子权重比较表

其次，建立判断矩阵。根据上表3建立判断矩阵。把因子作为向量集合，得出：

Y=[y1,y2,y3,…,yd]。

(1)

以向量集合Y为依据，得到关于影响因子F的评估矩阵：

(2)

得到：

G=λ·F。

(3)

式中：G为该模型评价指标的权重，最后，计算权重系数。利用幂法、和法和根法等计算各影响因子的权重系数。

1.5 构建风险评估模型

根据以上各指标和权重建立指标体系，如表4所示，然后再根据指标体系建立软弱岩土突发地质灾害风险评估模型。该模型通过综合评价方法对软弱岩土造成的地质灾害进行风险评估[7]。模型建立步骤分为3步。

表4 地质灾害综合评估指标体系

首先，建立相关模糊集。假定导致软弱岩土突发地质灾害易发的因素集合为：

S={s1,s2,s3,…,sn}。

(4)

式中：s1,s2,s3,…,sn为参与评价的n个灾害影响因子的数值。

而灾害易发性评价的评语集合为：

T={t1,t2,t3,…,tn}。

(5)

式中：t1,t2,t3,…,tn为评价标准集合。

其次，确定隶属度函数。在突发性地质灾害风险评估模型当中，S代表模糊向量，T代表矩阵。在二者的值都确定之后，可以通过一个模糊关系矩阵来表示S与T之间的关系。

(6)

式中：R为模糊关系矩阵；rij为i对j的隶属度。风险评估模型的评语集分为3个等级：重度危险区、中度危险区和轻度危险区。

最后，综合评估风险。确定评估对象的因素集及评语集，建立单因素评估。即建立一个从S到f(T)的模糊映射，由f确定模糊关系R，得到模糊关系阵：

R=(rij)(n×m)。

(7)

OS=BE/R。

(8)

(9)

式中：对E′按最大隶属原则得出地质灾害风险评估结果。

软弱岩土突发风险评估流程如图5所示。

图5 软弱岩土突发风险评估流程

2 仿真实验

利用上述建立的软弱岩土突发地质灾害风险评估模型对某地进行地质灾害风险评估。

2.1 评估区情况

选取的地质灾害评估区位于我国西北地区介于32°11′～42°57′N、92°13′～108°46′E之间，大部分位于中国地势二级阶梯上。地处黄河中上游，地域辽阔，地质环境较为复杂[8]。

2.2 地质灾害危险性评估

图6为某地地质灾害危险区空间分布图。利用上述软弱岩土突发地质灾害危险性评估指标及通过GIS空间运算，对图中地质灾害各个程度的危险性进行计算[9]。经计算，图6中高危险区面积为9.34万km2，占该地总面积的23.31%；中等危险区面积为8.65万km2，，占总面积的22.4%；低危险区面积为和极低低危险区面积分别为36.2万km2和19.23万km2，一共占全省总面积的52.37%。

图6 某地地质灾害危险区空间分布图

2.3 地质灾害易损性评估

图7为某地地质灾害易损区空间分布图。经计算，图7中高易损区面积为7.42万km2，占该地总面积的21.45.%；中等危险区面积为32.54万km2，占总面积的32.4%；低危险区面积为和极低危险区面积分别为35.32万km2和14.64万km2，一共占全省总面积的54.38%。

图7 某地地质灾害易损区空间分布图

2.4 地质灾害易发性评估

图8为某地地质灾害易发区空间分布图。经计算，图8中高危险区面积为14.87万km2，占该地总面积的27.67%；中等危险区面积为30.24万km2，，占总面积的25.35%；低危险区面积为和极低危险区面积分别为34.54万km2和32.87万km2，一共占全省总面积的55.02%。

图8 某地地质灾害易发区空间分布图

2.5 地质灾害风险评估

根据以上对地质灾害危险性、易损性、易发性的评估结果利用ArcGIS进行叠置分析处理，将该地软弱岩土突发地质灾害风险程度划分为4个等级，如图9所示。从图9中可以看出，评估区内的高风险区主要集中在该地的中部和南部地区，主要原因是两地为侵蚀地貌，岩石为变质碎屑岩，地质松软，再加上该地主要有铁路和高速公路等数条交通干线通过，易发生突发性地质灾害；中等风险区主要集中在北部地区，其中有一条细中等风险区带贯穿南北；低风险区存在于南北中三个地带，面积较大；而极地风险区位于东边边界地带，为侵蚀盆地地貌，人口稀少，无重要的基础设施通过，风险性低[10]。

图9 地质灾害风险空间分布图

经过计算，该地高风险区占地面积16.32万km2，占总面积的19.2%；中等风险区占地18.53万km2，占总面积的21.3%低风险区占地面积为37.9万km2，占总面积的45.7%；极低风险区占地面积为10.52万km2，占总面积的15.14%。其评估结果与该地的实际调查情况一致，说明该模型在评估软弱岩土突发地质灾害风险是可行的。

3 对比分析

为验证该模型在风险评估方面的准确性，利用该评估模型与传统评估模型分别对该地进行突发地质灾害风险评估。为保证实验结果的客观性，一共进行8组对比试验。对比结果如图10所示。

图10 地质中风险评估误差曲线

风险评估包括人工操作时间、风险评估时间和风险计算时间。分别采用传统风险评估模型和上文建立的模型进行对比实验。从对比曲线可以分析出，采用传统风险评估模型，实际评估数值与实际数值误差大部分都超过5 km2，而且从曲线走势能够分析出，误差波动性较大，因此证明传统评估模型易受客观因素影响，一致性差。而上文建立的风险评估模型不仅误差小，而且在稳定性上也表现良好，误差均<3 km2。

4 结束语

综上所述，软弱岩土造成的突发性地质灾害一直是我国地质灾害预防的重点研究工作之一，其风险评估是此项工作的重要组成部分。传统风险评估模型准确性不高，预估时间准确性低，逃脱时间少，导致人员伤亡率和财产损失伤亡率居高不下，随着地质灾害程度的逐渐加深，很难达到人们的要求，因此建立一个新型的突发地质灾害风险评估模型。该模型能够有效评估出地区地质灾害风险，预判灾害发生时间准确，其准确度较之传统评估模型有了很大的提高。