基于自然灾害风险评价框架的省级地质灾害风险区划方法探讨——以吉林省为例

张以晨，郎秋玲，陈亚南，张继权，田书文

(1.长春工程学院吉林应急管理学院，吉林 长春 130021;2.长春工程学院勘察与测绘工程学院，吉林 长春 130021;3.长春工程学院水利与环境工程学院，吉林 长春 130021;4.东北师范大学环境学院，吉林 长春 130117)

地质灾害风险评价是国内外学者研究的重要热点问题。2019年11月习近平总书记在中央政治局第十九次集体学习时强调，要健全风险防范化解机制，坚持从源头上防范化解自然灾害风险。地质灾害风险评价是地质灾害防治、汛期地质灾害预报预警以及国土空间规划编制的重要依据，对于提升风险早期识别能力，逐步实现灾害治理向风险治理转变具有重要意义。近年来，各省相继开展了1∶5万地质灾害调查与区划综合研究工作，地质灾害风险评价是该项工作的重要内容，评价结论的合理与否，将直接关系到决策的合理性。本研究基于自然灾害风险理论，从致灾因子的危险性、承灾体的暴露性和脆弱性以及防灾减灾能力选取评价指标，构建地质灾害风险评价模型，对吉林省地质灾害进行风险区划。

1 自然灾害风险形成评价

自然灾害风险是指在未来若干年内可能达到的灾害程度及其发生的可能性[1]。联合国在20世纪90年代公布了自然灾害风险的评估方法，并在1999年7月提出以“减轻灾害和危险”为主题的《国际减灾战略》(ISDR)倡议[2-3]。目前，国际上公认的自然灾害风险形成理论是区域自然灾害风险，是由危险性、暴露性和脆弱性三个因素作用而形成[4-6]。张继权等[7-8]认为，区域自然灾害风险还与当地防灾减灾能力密切相关，防灾减灾能力也是制约和影响自然灾害风险的一个重要因素。因此自然灾害风险形成理论可以用式(1)进行表述(图1)。

自然灾害风险度=危险性×暴露性×脆弱性×防灾减灾能力

(1)

图1 自然灾害风险形成理论示意图Fig.1 Schematic diagram of natural disaster risk formation theory

灾害风险综合防范事关人民生命安全，事关经济社会和生态环境的可持续发展，开展自然灾害风险评价对防灾减灾和环境保护具有重要意义。

地质灾害风险评价是自然灾害风险研究的内容之一[9]，是对区域内发生不同强度的地质灾害的可能性以及对其造成损失进行定性和定量的分析过程[10]。在地质灾害风险评价中，危险性是指地质灾害发生的空间概率、诱发因素的时间概率以及规模(强度)的函数。暴露性是指可能受到地质灾害威胁的经济、社会和自然环境系统，具体包括农业、人类生存生活条件以及生态环境等。脆弱性是指某一区域的承灾体由于潜在地质灾害危险因子而造成的伤害或损失程度。防灾减灾能力也称为恢复力，是人类社会为保障承灾体免受或者少受地质灾害威胁，所拥有的基础条件和专项防御地质灾害的能力，防灾减灾能力越强，可能遭受的损失越少，地质灾害风险越小[11]。传统的风险评估的方法主要包括定性、定量和二者结合三大类，如层析分析法、信息量法、神经网络模型、模糊综合评判法、灰色聚类法、遗传算法和熵组合权重法等[12]。进行地质灾害风险评价可以为风险管理奠定基础，是减轻和避免灾害的最简单有效的控制措施[13]。

2 地质灾害风险评价模型构建

2.1 评价指标体系的构建

评价方法从灾害的机理出发，根据研究区的特定条件，借鉴已有的研究成果以及经验选取适当的指标，构建适合于研究区的综合评价指标体系，建立数学模型，从而判定区域的风险大小。

2.1.1评价指标的选取

目前常用的指标选取的方法有频度统计法、专家调研法、理论分析法和公众参与法等。地质经验法作为最基本、最常用的指标因子筛选方法，是其他方法的基础。基于自然灾害风险形成理论，根据已有的经验，可以从危险性(H)、暴露性(E)、脆弱性(V)和防灾减灾能力(R)四个因子层选取评价指标，地质灾害风险评价指标体系如图2所示。

图2 地质灾害风险评价指标体系图Fig.2 Geological disaster risk assessment index system diagram

2.1.2评价指标权重

指标权重的赋值对评价结果的准确性具有重要影响，不同的赋权方法会得到不同的权重值。目前常用的指标赋权的方法主要分为三类。第一类是主观赋权法，如层次分析法和德尔菲法等；第二类是客观赋权法，如信息量法、熵值法、模糊综合评价法、证据权重法和灰色关联分析法等；第三类是主观-客观综合赋权法，如熵组合权重法等[11-14]。

2.2 评价模型

2.2.1地质灾害易发性评价模型

地质灾害易发性评价是对灾害发生的可能性进行预测，是地质灾害危险性评价的基础，早期主要为定性分析，随着科技的发展，评价方法逐步由定性分析转为定量分析[15]。Logistic回归模型具有计算方法简单有效、物理意义明确的特点，所以本文应用Logistic回归模型构建地质灾害易发性评价模型。应用Logistic回归模型来开展地质灾害易发性评价其实质就是寻找最优的拟合函数来定量化描述地质灾害的发生和一组独立的参数如坡度、坡向、地质构造、地层岩性、水系等之间的关系[15-16]。

如果某一事件或现象，其发生的可能性或概率设为P，取值范围为(0,1) 。当P的取值越接近于0或者1时，P值的变化就很难捕捉，因此需要对P值进行变换。一般取P/(1-P)的自然对数，即用ln[P/(1-P)]对P的变化进行量度，此时LogitP变化范围就为(-∞, +∞)。则有：

LogitP=1/(1+e-z)

(2)

式中，z=α+β1x1+…βnxn，则：

P=1/(1+e-(α+β1 x1+…βn xn))

(3)

式中：P——事件的效用函数，表达为自变量x1，x2，x3…xn的线性组合；

βn——变量的估计参数，模型中βn为逻辑回归系数；

α——常数[16-18]。

2.2.2地质灾害危险性评价模型

地质灾害危险性是地质灾害风险评价的关键内容，它是在易发性评价的基础上增加地质灾害发生的时间概率或强度分析。因此，地质灾害危险性是地质灾害发生的空间概率、诱发因素的时间概率或规模、强度的函数[18]。地质灾害危险性评价的主要内容包括：地质灾害发生的空间概率问题，即地质灾害易发性；地质灾害诱发因素发生的频率、概率或强度、规模问题。根据上述定义建立危险性评价模型。

H=S×(D×wd+T×we+HA×wh)

式中：H——地质灾害危险性；

S——地质灾害易发性；

D——降雨指标；

T——地震强度指标；

HA——人类工程活动强度指标；

wd、we和wh——分别为其权重系数。

2.2.3地质灾害承灾体暴露性和脆弱性以及防灾减灾能力(恢复力)评价模型

地质灾害承灾体暴露性评价是对暴露于地质灾害下的价值进行评价；脆弱性评价是对暴露于地质灾害下的承灾体价值损失程度进行评价。防灾减灾能力是用于防治和减轻地质灾害的各种措施和对策，与地质灾害风险呈反相关[19]。根据评价指标体系，采用综合加权评价法作为地质灾害暴露性和脆弱性以及防灾减灾能力评价模型。综合加权评价法在数理统计的基础上形成，主要是用一定的统计方法依照原始数据构造一个综合性指标。吉林省地质灾害承灾体暴露性和脆弱性以及防灾减灾能力(恢复力)评价模型见式(5)。

(5)

式中：P——评价对象所得的总分；

n——评价指标个数；

Wi——第i项指标的权重系数；

Xi——第i项指标的量化值。

其中，0≤Xi≤1，Wi≥0。

2.2.4地质灾害风险评价

利用自然灾害风险形成原理，综合考虑构成地质灾害风险四因子，以及选取的指标体系，利用综合加权评价法，建立如式(6)地质灾害风险指数模型。

GDR=(H)×(E)×(V)×(1-R)

(6)

式中：GDR——地质灾害风险指数，其值越大代表地质灾害风险越大；

H、E、V、R——分别表示地质灾害危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力因子指数。

3 研究实例-吉林省县(市)地质灾害风险评价与区划

3.1 研究区概况

吉林省地处中国东北地区中部。北邻黑龙江省，西与内蒙古自治区相连，西南接辽宁省，东部与俄罗斯接壤，东南隔图们江、鸭绿江与朝鲜相望。面积 187 400 km2，约占全国国土面积的2%。全省年平均气温2～6 ℃。地表水由河流、泡塘和湖泊、水库构成，具有一定规模的河流2 093条，河网密度0.19 km/km2，河流分属松花江、辽河、图们江、鸭绿江、绥芬河五大水系。年降水量范围约为300～1 000 mm，降水强度分布的总趋势是夏季大于其它季节。东南部大于西北部，连续或高强度、超高强度降水常导致崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害的发生。

3.2 评价指标的选取

基于自然灾害风险理论，根据已有的研究成果，使用地质经验法，从危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力四个因子层选取评价指标(表1)，并使用分位数法对分类指标进行量化与分级。

3.3 评价指标权重

(7)

(8)

(9)

(10)

Wtotal——表示在多个条件因子中Ni的总权重；

C——表示条件因子与滑坡灾害的相关性。

使用熵值法计算暴露性、脆弱性和防灾减灾能力的指标权重值，设有m个对象，n个评价指标，各个指标属性值为bij，对数据进行规范化处理，规范化的决策矩阵B={bij}m×n令：

(11)

则信息熵为：

(12)

第j项指标的权重为：

(13)

证据权重法与熵值法的权重计算结果见表1和表2。

表1 地质灾害危险性评价指标Table 1 Geological disaster risk assessment indicators

表2 地质灾害暴露性、脆弱性和防灾减灾能力评价指标Table 2 Evaluation indicators of geological disaster exposure, vulnerability and disaster prevention and mitigation capabilities

3.4 评价结果

通过构建的地质灾害评价模型，计算吉林省全省范围内地质灾害易发性、危险性、暴露性、脆弱性、防灾减灾能力和综合评价结果(图3～图6)。

图3 吉林省地质灾害危险性分区图Fig.3 Geological hazard risk subarea map of Jilin Province

图4 吉林省地质灾害承灾体暴露性分区图Fig.4 Geological hazard bearing body exposure Subarea map of Jilin Province

图5 吉林省地质灾害承灾体脆弱性分区图Fig.5 Vulnerability zoning map of geological hazard bearing body in Jilin Province

图6 吉林省地质灾害防灾减灾能力分区图Fig.6 Zoning map of the ability of disaster prevention and mitigation capabilities geological disasters in Jilin Province

根据最优分割法确定阈值，得到吉林省地质灾害风险评价结果。遵循“区内相同，区际相异”原则，将风险评价结果连接成区呈现在图上，形成吉林省地质灾害风险分区图(图7)。野外调查发现，处于高风险的集安、通化县、临江等地地质灾害发育。划分结果与野外调查情况一致，划分结果科学合理。

图7 吉林省地质灾害风险分区图Fig.7 Geological disaster risk zoning map of Jilin Province

4 结论与展望

(1)本文基于自然灾害风险形成理论，从致灾因子、孕灾环境和承灾体入手，考虑危险性、暴露性、脆弱性和防灾减灾能力，构建了地质灾害风险评价模型。将该模型用于吉林省地质灾害风险区划，评价结果是合理可行的，为省级地质灾害风险评价提供一个更为有效的途径。

(2)该模型的应用具有一定的理论和现实意义，能够有效指导开展省级地质灾害风险管理。在此基础上，可以构建动态的地质灾害风险评价模型，结合气象资料，开展省级地质灾害风险预警。