基于证据权法的九寨沟地震滑坡危险性评价

杨华阳，许向宁，杨鸿发

(四川省地质矿产勘查开发局四0五地质队，四川 成都 611830)

0 引言

2017年8月8日21时19分46秒，四川省阿坝州九寨沟县暴发了Ms7.0级地震(据中国地震台网数据)。此次地震的震中(103.82°E，33.20°N)位于塔藏断裂、岷江断裂、虎牙断裂3条全新世活动断裂的交汇处，震源深度20 km[1]。四川、甘肃、青海、宁夏等多省震感明显，据四川省抗震救灾指挥部通报，截至2017年8月13日20时，九寨沟地震已造成25人死亡，6人失踪，525人受伤。

山区强震往往会诱发大量崩塌滑坡地质灾害，造成巨大的经济财产损失和严重的人员伤亡，受到地球科学领域专家的广泛关注，据统计2008年汶川地震触发了近20万处滑坡地质灾害，而由滑坡造成的死亡人数约占地震总伤亡人数的1/3[2-4]。2017年九寨沟地震发生后，众多学者也进行了大量地质灾害方面的相关研究工作。FAN等[5](2018)、WANG等[6](2018)通过遥感技术进行震区地质灾害解译，统计出地质灾害与各类因素的关系，进行地质灾害分布规律研究；刘甲美等[7](2017)、陈晓利等[8](2018)利用灾前地形、区域地质等资料，运用Newmark累积位移模型提出了九寨沟地震应急快速地质灾害评价方法。

地震发生后，地震滑坡危险性评价是地震滑坡的一个重要研究方向[9-12]，对地震灾区的防灾减灾、灾后重建具有重要意义。当前，常用的地震滑坡危险性评价方法主要包括基于简单力学原理的Newmark简易模型方法[13-14]和基于数学模型的统计分析方法。

随着GIS的发展，近年涌现了大量基于数学模型的地震滑坡危险性评价统计分析方法。该类方法假设的前提是未来发生地质灾害的条件和过去相同，利用已发生的地震滑坡，建立这些滑坡与相关滑坡影响因子(包括水文因素、人类活动因素和地貌因素等)的数学模型，再将建立的数学模型应用于整个地震区的区域性评估[15-16]。但评价因素的选取及其权重值的确定一直是制约该学科发展的一个瓶颈，直接决定了地震滑坡危险性评价结果的好坏以及分区精度的高低。证据权法作为一种数据驱动的计算方法，较好地避免了滑坡危险性评价中评价因素的主观选择和权重值的主观评估，并在国内外得到了大量的应用[17-20]。

本文采用加法与减法2种证据权方法客观定量地评价地震、地形和地质3大因素(8个因子)对滑坡发育的影响程度，并据此进行滑坡危险性评价因子的选取及九寨沟地震滑坡危险性评价研究工作，避免了对评价因子选择及其赋值的主观性，探讨了证据权方法对九寨沟地震滑坡危险性评价的适用性，以期更深入理解地震滑坡及其致灾因子间的关系，同时也为震后地质灾害防治、基础设施重建，特别是九寨沟自然风景区的灾后重建工作提供重要的参考。

1 九寨沟地震及诱发地质灾害

九寨沟县位于四川省阿坝州东北部、青藏高原东北缘、岷山山脉的东部以及龙门山山脉的西北部，地处青藏高原与四川盆地的两大地貌单元间过渡的深切峡谷地带。境内相对高差悬殊，为典型的高山深切河谷地貌类型。

根据区域构造纲要图，研究区附近主要包括岷江断裂、塔藏断裂和虎牙断裂的北西段(图1)。李渝生等[21](2017)基于野外调查的地表和房屋变形，与震源构造动力学理论分析相结合的角度阐明九寨沟地震断层破裂机制，李忠权等[22](2018)探讨了九寨沟地震发震构造背景与构造机制，推测可能发震断层位置为塔藏断裂与岷江断裂间的隐伏断裂。据中国地震台网中心数据可知，研究区内构造运动活跃，地震频发，距离此次地震震中200 km范围内近百年共发生5级以上地震49次，多次发生6.5级以上地震。

为掌握九寨沟地震所诱发地质灾害的数量、规模和空间分布特征，我单位协同成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室团队采用地震前后高精度遥感影像和无人机航拍影像对地震诱发的地质灾害进行了快速解译，解译区面积约为840 km2，共解译同震地质灾害1 883处，总面积约8.11 km2(图1)[23]。根据这些滑坡的空间分布位置，大体框定出滑坡区的分布范围，作为本文的研究区域(图1中黑圈部分)，面积为886.95 km2。研究区内的高程为1 634～4 597 m。研究区内滑坡面积占研究区面积的0.914%。

图1 研究区范围与九寨沟地震诱发滑坡分布图Fig.1 The study area and spatial distribution of co-seismic landslides triggered by the 2017 Jiuzhaigou earthquake

研究区内的岩性数据来自于1∶20万地质图，按照地层年代共分为4类岩组，主要包括三叠系(T)变质砂岩、板岩，二叠系(P)白云质灰岩、砂质板岩，石炭系(C)块状白云质灰岩，泥盆系(D)结晶灰岩夹石英岩状砂岩。主要河流有白河、九寨沟和日寨沟等。

2 滑坡影响因子图层制作

地震滑坡作为多种内动力和外动力因子综合作用的产物，其影响因素的选取是滑坡危险度区划的基础。结合九寨沟地震区的地质、地形、地震以及其他资料，综合考虑九寨沟地震滑坡的多种影响因素，选取地质、地形和地震3大因素(8个因子)对九寨沟地震滑坡危险性进行了快速评价和分区，并分别对每个因子进行分级，分级结果见表1的第1列和图2所示。其中，选取震中距与PGA两种地震因子作为地震滑坡的外动力因子；而内动力因子包括地形因子、地质因子；选择高程、坡度、坡向、与水系距离作为地形因子；选择地层岩性、与断裂的距离作为地质因子。再基于上述滑坡影响因子，利用证据权方法对研究区内的滑坡危险性进行评价，利用ROC曲线验证评价结果的精度。

表1 基于九寨沟地震滑坡的8个影响因子各个等级证据权计算

续表

续表

图2 评价因子分级图Fig.2 Classification of assessment factors a—高程分布图； b—坡度分布图; c—坡向分布图; d—与水系距离分布图; e—PGA；f. 与震中距离分布图; g—地层岩性分布图; h—与岷江断裂分布图; i—与塔藏断裂距离分布图；j—与虎牙断裂分布图

3 证据权方法简介及证据权值计算

证据权方法是地震滑坡危险性评价的一种常用方法，该方法的数学表达式为：

(1)

(2)

(3)

根据九寨沟地震滑坡数据，使用式(1)与式(2)计算每个影响因子的滑坡危险性权重。

(4)

(5)

式中：Npix1——该影响因子级别内发生滑坡的栅格数；

Npix2——该影响因子级别外发生滑坡的栅格数；

Npix3——该影响因子级别内未发生滑坡的栅格数；

Npix4——该影响因子级别外未发生滑坡的栅格数。

最终的权重值分为两种情况计算(如公式(3)所示)，一是将正权重值与负权重值相加，得到最终权重为：

(6)

另一种是将两者相减，得到的最终权重为：

(7)

证据权方法作为一种数据驱动的计算方法，假定影响因子间是互相独立，彼此不受干扰，不但考虑了由滑坡发生的充分率得到的正权重，而且还考虑了由滑坡发生的必要率得到的负权重。最终得到的总权重(Wadd与Wsubtract)表明该影响因子级别对滑坡发生的敏感性，若总权重为正值，表明该级别有利于滑坡的发生，若为负值，则该级别不利于滑坡的发生。若权重值在0附近，表明该影响因子级别对滑坡的影响作用小。

本文采用了上述2种证据权方法对地震滑坡危险性进行评价，同时定量对比评价结果，探讨哪种证据权方法更适用于九寨沟地震滑坡危险性评价。图3为本文所涉及的8个因子的分级情况及其对应的权重计算结果，其证据权值可以得出该影响因子内哪些级别的滑坡危险性高。由图4可知，当坡度>40°时的总权重为正值，表明该分级利于滑坡的发生，而0°～40°的坡度内不利于滑坡的发生；3 200 m以下是地震滑坡发生的危险高程；坡度越大，滑坡危险性越高；距离水系越近，滑坡危险性越高；对于坡向而言，北东、东、南东的总权重值都为正值，而其他几个方向的总权重值都为负值，其中南东向的值最大，这可能跟地震波的传播方向为近南东向有关[24-25]；PGA值越大，斜坡受到的地震动影响越大，滑坡危险性越高；对于地层岩性而言，仅石炭系(C)岩层总权重值为正，该地层为块状白云质灰岩，经现场调查发现该地层岩体节理裂隙发育，岩体破碎，地震滑坡危险性高；但本次九寨沟地震滑坡危险性并没有随着震中距的增加呈现单调递减的趋势，而是在6～0 km分级范围内权重值最大，危险性最高；距离虎牙断裂越近，滑坡危险性越高，而滑坡危险性在距离塔藏断裂8～10 km范围时才达到最大值，在距离岷江断裂15～18 km范围时才达到最大值，说明虎牙断裂对九寨沟地震滑坡的控制作用更加明显，侧面证实了虎牙断裂为九寨沟地震的发震断裂。

4 九寨沟地震滑坡危险性索引图制作

根据得到的最终权重值，对每个影响因子的分级赋予相对应的权重值，并叠加各个影响因子层，获得九寨沟地震滑坡危险性索引(Landslide Hazard Index，LHI)图。公式如下：

LHI=W高程+W坡度+W坡向+W水系+WPGA+

W震中距+W地层岩性+W断裂

因此，根据2种不同最终权重计算方法(Wadd与Wsubtract)，得到了2个地震滑坡危险性评价索引图。结果表明：基于Wadd方法得到的LHI范围为-13.509～6.594，基于Wsubtract方法得到的LHI范围为-14.490 2～12.807。

图3 权重计算结果图Fig.3 The calculated values of weight of evidence

图4 滑坡危险性评价结果评价曲线Fig.4 Success rate for landslide hazard assessment maps

图5 九寨沟地震滑坡危险性评价结果图(加法(左)；减法(右))Fig.5 The landslide hazard assessment maps of the 2017 Jiuzhaigou earthquake-induced landslides (Wadd (left); Wsubtract (right))

运用滑坡面积百分比累积-危险性面积百分比累积曲线下面积方法[26-29](Area Under Curve，AUC)定量检验2种结果的正确率。将危险性评价结果按1%的面积间隔由数值从高到低均分为100份，并分别求取这100个级别内滑坡发生的百分比，建立危险性结果百分比累加与滑坡百分比累积曲线(图4)。由图4可见，基于2种证据权方法得到的曲线几乎重合。Wadd对应的AUC为88.29%，Wsubtract对应的AUC值为87.31%，数值相差很小，Wadd的正确率略大于Wsubtract，两者的结果均用已有滑坡数据得到了很好的验证，说明2种评价模型的精度都较高。

利用ArcGIS提供的自然断点法(Natural Breaks)，根据证据权值将滑坡危险性评价结果划分为极低、低、中等、高、极高5个等级，2种评价模型得到的结果类似(图5)。九寨沟地震滑坡的极高、高危险区主要沿虎牙断层北部延长线分布，在沿位于震中西部的岷江断层和东部的塔藏断层一带分布较少。在地理位置上主要集中在九寨天堂和九寨沟自然风景区一带，应加强这些区域的地质灾害排查预防工作。

5 结论

(1)基于加法和减法2种证据权值结果得出：距离断层、震中、水系越近，坡度越大，九寨沟地震滑坡危险性越高；3 200 m以下为九寨沟地震滑坡发生的危险高程；石炭系(C)岩层为块状白云质灰岩，经现场调查发现该地层岩体节理裂隙发育，岩体破碎，地震滑坡危险性高；通过滑坡发育情况与断层距离的统计分析，侧面证实了虎牙断裂为九寨沟地震发震断裂。

(2)采取加法与减法2种证据权方法，对九寨沟地震滑坡危险性进行了评价。其中，基于加法证据权的评价模型的准确率为88.29%，基于减法证据权的评价模型的准确率为87.31%，2种评价模型的结果相差很小，模型精度高，说明证据权方法适用于九寨沟地震滑坡危险性评价。

(3)利用自然断点法，将研究区按滑坡危险性程度分为极高危险区、高危险区、中危险区、低危险区与极低危险区。其中，基于加法证据权所计算的极高和高危险区面积之和约300.17 km2，占研究区总面积的33.84%，发育的滑坡面积占滑坡总面积的91.10%；基于减法证据权所计算的极高和高危险区面积之和约214.35 km2，占研究区总面积的24.17%，发育的滑坡面积占滑坡总面积的85.04%。

(4)评价结果表明九寨沟地震滑坡的极高、高危险区主要沿虎牙断层北部延长线分布，在沿位于震中西部的岷江断层和东部的塔藏断层一带分布较少。在地理位置上主要集中在九寨天堂和九寨沟自然风景区一带，汛期应加强这些区域的地质灾害排查预防工作。