地质灾害风险评估综述
A. 地质灾害风险评估有哪些方法,各有什么优缺点
地质灾害风险性是指地质灾害发生不同险情(危险等级)的概率。
①地质灾害专危险性评价指标,根据国属务院地质灾害防治条例,其危险等级是根据灾情大小或险情大小来判定的。评价指标为灾情+险情。
②地质灾害风险性评价技术路线:
a)地质灾害风险概率(暴雨频率)→b)预测地质灾害危险区范围→c)地质灾害险情计算,确定其危险等级→d)判定发生该危险等级的概率(风险性)。
③地质灾害风险评估方法:
a)地质灾害危险区范围预测方法:
一一定性分析方法
一一半定量分析方法
一一定量计算预测方法
b)地质灾害险情计算方法:
地质灾害危险区内受威胁人数=?受威胁财产=?
一一统计分析计算法
一一层次叠加计算法
参见中国地质灾害风险评价新方法。
B. 地质灾害评估报告是什么
地质灾害评估报告抄就是地质灾害情况向上级报告的一个文档。
地质灾害危险性评估的主要任务为:
1.查明工程建设场地地质环境条件、自然地理及工程概况;
2.查明建设场地地质灾害发育类型、现状、分布及影响因素,进行地质灾害危险性现状评估;
3.调查、分析评估区内潜在的地质灾害、工程建设可能引发或加剧地质灾害及其危险性,以及工程建设和建成后可能遭受的地质灾害及其危险性,进行地质灾害危险性预测评估;
4.对评估区内地质灾害危险性进行综合评估,划分地质灾害危险性评估分区,评估场地适宜性,并提出相应的防治措施和建议。
C. 地质灾害危险性评估框架
为能够向决策者提供有用的信息,必须进行全面而详细的危险性评估。鉴于这个专目的,欧盟大型滑坡属项目(IMIRILAND)推出了以多学科为基础的危险性评估方法。根据不同国家(西班牙、法国、意大利、瑞士和奥地利)所提供的经验,提出了该项目所用的不同危险性评估方法及其对滑坡灾害定量风险评估所起到的作用(表3-1)。
在IMIRILAND项目的架构中,确定灾害的第一步是对其危险性进行描述,为数值模拟提供了支持。不仅要适当注意滑坡体本身,而且要把视野投向局部和区域的地质背景。局部分析可以提供重要的信息,但对于建立“现场”和“现场周围”之间的地质结构关系不是真正有用的。区域分析可以了解这些关系,甚至对于滑坡灾害条件的初步评估都是必需的。因此,地质分析不仅要关注岩石和裂隙的“现场”地质力学特征,而且要调查面积相对较大的“现场周围”,从而了解主要构造单元与不连续体之间的几何形态关系。特别是,当现场的岩体破坏非常严重,难以重建原始的滑坡构造框架时,那么对现场周围的分析就非常必要了。这是一种综合性的方法,该方法概化的流程图见图3-1。
D. 地区地质灾害风险评价与防治对策
一、地质灾害风险评价
综合相关方面专家学者近年的研究成果,密切结合山东半岛城市群地区的特点和现有的地质灾害发育程度,制定了山东半岛城市群地区地质灾害风险评价指标(表8-2)。
表8-2 山东半岛城市群地质灾害风险评价指标体系
将半岛城市群地区划分为5km×5km共2978个独立单元,根据分区指标对每个单元的区域地质灾害发育程度评价指标进行赋值、评价,将所得数值进行加权。根据上述16个半岛城市群地区地质灾害发育程度评价指标,确定每个单元内各因素(指标)的特征值P'i,再乘以其权值,即得到每个单元的地质灾害发育程度评价基准值。其数学模型如下:
山东半岛城市群地区地质-生态环境与可持续发展研究
式中:SEj为j单元的基准值;i为效应指标数,i=1,2…16;j为各单元数,j=1,2,3…2978;Wi为各效应指标的综合权重;P'i为各单元内单项指标的性质特征值(为研究方便,统一在0~1之间)。
根据计算出的各单元基准值的大小,将区域地质灾害风险评价分为4级,其结果见图8-5。
图8-5 山东半岛城市群地质灾害风险评价
计算结果表明,山东半岛城市群地质灾害风险评价分为4个等级,即地质灾害风险小(Ⅰ类区)、地质灾害风险较小(Ⅱ类区)、地质灾害风险中等(Ⅲ类区)、地质灾害风险大(Ⅳ类区),它们所占的比例分别是22.8%、38.9%、23%和15.3%。
地质灾害风险小(Ⅰ类区):分布在威海大部分、青岛北部大泽山低山区、济南中部、潍坊东部平原区,占全区面积的22.8%。该区自然生态环境优良,植被发育,一般无明显的环境地质问题,有少量崩塌点,采矿、采石坑少,局部有轻微的水土流失,地下水质量为Ⅲ级,人类工程活动强度不大。
地质灾害风险较小(Ⅱ类区)、分布在烟台大部分、潍坊西部、青岛市区周围地区、胶南市东南地区,占全区面积的38.9%,在各类区中所占比例最大。该类区自然生态环境良好,植被比较发育,一般有较明显的环境地质问题,如有少量采矿、采石坑分布,地下水质量为Ⅲ—Ⅳ级,有地表污染源,人类工程活动强度较大。
地质灾害风险中等(Ⅲ类区):分布在烟台南部采矿点、日照东部、潍坊中部、青岛市中东部,占全区面积的23%。该区自然生态环境中等,植被不很发育,一般有明显的环境地质问题,例如,采矿过程中,形成了采矿坑、矿渣堆,并在采矿过程中形成大量废水,由此引起植被破坏、边坡失稳、地下水污染等问题。地表水和地下水污染程度较重,平度西南部一般分布由于地下水高氟引起的地方性氟中毒症,地下水污染,地表水资源贫乏,地下水超采引起了地下水降落漏斗。人类工程活动强度大。
地质灾害风险大(Ⅳ类区):分布在东营市大部分、日照东部、烟台中部采矿点,占全区面积的15.3%。该区自然生态环境较差,植被不很发育,一般有很明显的环境地质问题或地质灾害,一是采矿引起比较严重的生态环境破坏问题和地质环境破坏问题,二是海咸水入侵区,三是活断层或地震灾害发育。
二、地质灾害防治对策及建议
1.地质灾害的防治策略
地质灾害的减灾防灾是一项系统工程,只有将行政、经济、法律、科技等手段统一协调好,才能达到理想的效果。
1)加强防灾减灾的法制建设。
2)加强减灾防灾能力建设。
3)提高公众减灾意识。
2.地区地质灾害的防治措施
从上述可见,山东半岛城市群地区地质灾害包括人类不可避免会遇到的灾害如地震或活动性断裂作用、风暴潮等造成的灾害,人类不合理的开发与建设和自然地质作用相互影响造成的灾害,以及本来是可以避免但由于不合理规划造成的潜在地质灾害。对于不同灾害应采取不同的措施来防止或减少其危害程度:
1)防止、降低地震、活动性断裂破坏性的措施。
2)地面塌陷的防治对策与建议。
3)崩、滑、流防治对策。
4)流体灾害与水土环境变异灾害的防治措施。
5)预防城市建设潜在灾害的措施。
E. 地质灾害风险评估方法研究进展
一、评估方法的分类及适用性
对基于的滑坡危险性评估方法分类和评述可参见Soeters和Van Westen(1996)、Carrara等(1995,1999)、Guzzetti等(1999),Aleotti和Chowry(1999)和Van Westen(2000)发表的文章。一致认为评估方法可分为4类:
(1)基于滑坡编目的概率方法;
(2)启发式方法(直接方法——地貌填图,或间接方法——定性图的结合);
(3)统计方法(双变量或多变量统计);
(4)确定性方法(Soeters和Van Westen,1996)。有关滑坡风险评估方面的出版物不多,但最近有一些关于滑坡风险评估的综述出版物值得称赞,如Cruden和Fell(1997)、Guzzetti(2000)、Dai等(2002)的文章以及Lee和Jone(2004)出版的教科书。根据澳大利亚岩土力学协会滑坡风险管理分委会提出的分类方法是基于定量化水平分为以下三种:
(1)定性方法(以定性术语表示概率和损失);
(2)半定量方法(指标性概率和定性术语);
(3)定量方法(概率和损失的定量化)。
总的来说,滑坡空间分析方法可以分为两大类:一是定性方法,包括滑坡编目和启发式方法;二是定量方法,包括统计概率预测和基于过程的数值模拟方法。根据Soeters和van Westen(1996)的研究,将不同尺度的滑坡空间分析所适用的方法加以概括(表2-8)。将滑坡危险性的4种方法与3种风险评估方法进行组合,便可以获得适用于中比例尺(1∶10000~1∶50000)的多种有用的方法(表2-9)。
表2-8 不同尺度滑坡灾害空间分析建议方法
表2-9 中比例尺基于GIS滑坡风险区划的评估方法和特定组合的有用性
注:0:危险性评估方法不适合风险评估方法;1:有用性中等的组合,危险性评估方法不太适合于风险评估方法;2:有用性高的组合,危险性方法可能是用于风险评估的最好方法,但这取决于数据的可得性(如历史滑坡记录);3:最有用的组合,在可得的输入数据条件下会得出最好的风险评估结果。
如果在滑坡编目中有滑坡发生的时间和规模方面的信息可以利用的话,就可以估计一定地点特定时间给定规模的滑坡发生概率。滑坡编目的另一用途是对滑坡危险性分析的结果进行验证和校正。因此,最好将滑坡编目数据分成两组,一组用于滑坡分析,另一组用于验证(Chung和Fabbri,1999)。这往往是一个最基本的、但往往被忽视的问题。应投入较大的资源进行高质量的滑坡编目,以保证获得可靠的空间分析数据。
启发式方法基于对当地有关滑坡的认识和专家的判断。这种方法还使用空间信息解释滑坡的发生。通常这样的信息包括地形、水文、地质、岩土、地貌、植被以及土地利用等信息。通过野外调查和航片的解译获得这些信息。不同专家对于环境因子对滑坡的影响判断是不同的,主要取决于他(们)对滑坡的认识和经验。这种判断的主观性以及没有确定的标准使得启发式方法具有明显的缺陷。然而,如果专家对其所研究的滑坡机制有深入的了解,并对研究区进行过详细调查研究,使用这种评估方法得出的结果还是比较准确的和适用的,特别是对滑坡敏感性的首次估计。启发式方法适用于定性和半定量风险评估,可以用有限经费编制出较大面积的可靠的滑坡图,当然,这些工作要由专家来做才行。
与定性方法不同的是,定量方法主要基于客观准则进行评估,从理论上来讲,使用大致相同的数据会得出比较一致的结果。定量方法中统计方法应用的最普遍。利用多元回归或判别分析,将环境因子(如地质、地貌、土壤、地形、水文、植被等)分布图与滑坡编目图(发生地点)进行空间统计计算,得到滑坡危险性图。或者通过概率预测模型(如贝叶斯概率法和模糊逻辑法)也可以计算得出滑坡危险性图。滑坡危险性图是静态的,没有考虑气象条件的变化、流域汇水条件的变化和人类对环境条件的影响。统计方法非常适用于空间概率的评估,但在评估时间概率或未来环境变化效应时存在问题。如果与不同触发事件的滑坡编目图结合,可能是在较大范围地区进行定量风险评估的最好方法。
另一类定量方法是基于过程的模型方法。这类模型将地形属性(如坡度、曲度、坡向、距河道的距离、汇水面积等)与水文特征(土壤饱和度、渗透性和水力传导性等)相结合,以获得有关土壤岩土性质(如凝聚力、内摩擦角、比重),从而进行坡体稳定性分析。主要可利用的模型是无限坡法,如由Montgomery和Dietrich(1994)开发的SHALSTAB模型,该模型在美国许多地区和巴西里约热内卢得到了广泛的应用。最近由Günther等(2002)开发的数字电影模拟方法也用于滑坡空间分析上。
对于定量风险评估,基于滑坡编目的概率方法通常是最好的方法(假设条件是过去发生的滑坡事件是未来发生滑坡的指示)。然而,这种方法需要相当完整的历史滑坡记录。在因气候变化导致环境发生巨大变化的地区,滑坡频率将发生显著变化,该方法不适用于这类地区。一般来讲,滑坡风险定量评估的最好选择是应用确定性滑坡稳定模型,与山坡水文条件动态模型相结合。这需要覆盖大面积地区的大量数据,并且要对滑坡类型和滑坡深度进行很大程度的简化。
二、评估方法的进展
1.滑坡编目方法的进展
世界上只有极少数的地方建立了过去50~100年的完整的历史滑坡记录。在一些国家建立国家滑坡编目数据库,有时可以通过互联网获取数据库中的信息。其中最好的数据库包括意大利、中国香港、瑞士、法国、加拿大和哥伦比亚。可以利用这些数据进行滑坡危险性概率评估,这是定量风险评估的基础。根据Crovelli(2000),通常利用历史滑坡数据进行滑坡危险性评估的适用概率模型有两类:连续时间模型和离散时间模型。例如Coe等(2004a,b)将西雅图市(1909~1999)历史滑坡数据库有关信息输入到泊松模型中,据此估计出单体滑坡未来发生概率;还利用双峰概率模型估计了滑坡群年发生概率。这些成果图显示出未来可能发生的滑坡密度、平均重现期和超越概率。
香港是另一个具有相当丰富信息的滑坡数据库的典范。使用了将概率方法和启发式调整因素相结合的方法,利用该数据库的详细信息,估计了切坡失稳的年概率(Finlay等,1997)。历史滑坡记录还被用于计算滑坡触发事件(如降雨和地震)的概率。新西兰是这类分析研究的理想场所,确定了不同降雨强度下降雨临界值和滑坡概率(Glade,1997;Crozier和Glade,1999)。估计未来滑坡事件的频率和规模是必不可少的工作,最好在任何重大灾难性事件(地震、暴雨和飓风等)发生后,地貌学家应立即开展滑坡现象的编目以及不同承灾体损失调查。
2.启发式方法的进展
许多国家和地区实施的定性风险评估程序采用了启发式方法。例如美国加州(Blake等,2002)、新西兰(Glassey等,2003),澳大利亚(AGSO,2001;Michael—Leiba等,2003)、法国(Flageollet,1989)和瑞士(Lateltin,1997)。在澳大利亚国家地质灾害易损性的城市社区项目(或城市项目)是一项有关分析和评估包括滑坡在内的地质灾害对城市构成风险的计划,所使用的方法绝大多数是基于专家或地貌的启发式方法(AGSO,2001)。大区域的滑坡风险定量评估通常是一项艰巨的任务,因为计算整个地区的滑坡强度和频率是非常困难的事情,即便是借助GIS先进手段也是如此。在实践中,通常使用简化的定性评估程序,就像瑞士的做法一样(Lateltin,1997)(图2-1)。
地质灾害风险评估理论与实践
图2-1 瑞士水与地质联邦办公室采用的滑坡风险评估简化方案
注:表格中E为动能;V为滑坡速度;M为潜在物源物质的厚度;H为泥石流的高度。在这种方法中,没有根据滑坡发生的概率对滑坡事件做进一步的划分。
基于专家经验的定性方法将评估地区划分为几类风险地区:即“非常高”、“高”、“中等”、“低”、“非常低”的不同等级的风险地区。建议要对这些不同等级的风险说明实际应用的含义。例如,在非常高的风险地区,需要物理和非物理治理措施,必须限制更多的基础设施建设等。澳大利亚岩土力学协会滑坡风险分委会发布了有关财产滑坡风险评估的术语和方法指南,该指南综合考虑了滑坡发生的可能性及其可能的后果(与图3-1的方法相似),使用的方法适用于GIS环境的空间分析。
由于GIS技术的普遍应用,越来越多地使用了间接性的敏感性编图方法,而有关利用GIS的专家启发式的地貌编图或指数叠加编图方法(如Barredo等,2000; Van Westen等,2000)方面的出版物越来越少。 如上所述, 目前有关滑坡的数据库的不完善和数据标准的不统一,以及滑坡敏感性、危险性和风险性评估中存在的诸多困难,都需要专家的经验和知识开展滑坡风险评估和区划研究。特别是将地貌学家的启发式推理与计算机辅助模拟相结合的专家模型用以滑坡风险评估。美国开发的SMORPH模型便是这类模型的代表。该模型根据地形坡度和曲度将山坡划分为高、中、低不同的滑坡危险性等级。
风险编图将会从问题导向方法中受益匪浅,如可以仅选择那些已知的、造成破坏的滑坡失稳类型来确定风险影响因素。
3.统计方法的进展
地理信息系统(GIS)非常适用于间接的滑坡敏感性编图。可利用GIS的数据整合技术将使所有可能影响滑坡的地形要素与滑坡编目图结合起来(Van Westen,1993;Bonham Carte,1996;Chung和Fabbri,1999)。Chung和Fabbri(1999)开发出基于预测模拟的统计程序,将有利函数应用于每个参数上。使用该统计方法,可将地形单元或网格元调整为代表某特定滑坡类型未来发生概率的新数值。
值得注意的是,如何在滑坡敏感性统计评估中确定基础编图单元。从DEM中自动生成地形单元分类是主要的挑战之一。Chuang等(1995)定义了“唯一条件多变形”的概念,以此作为统计分析的基础单元对参数输入层进行叠加。M ller等(2001)定义并描述了利用GIS从DEM中生成的“土壤力学响应单元”(SMRU)的概念。以此作为基础单元,将启发式方法与土壤力学方法相结合对德国Rheinhessen地区进行了滑坡危险性评估。Juang等(1992)、Davis和Keller(1997)、Binaghi 等(1998)、Ercanoglu和Gokceoglu(2001)以及Gorsevski等(2003)综合运用了模糊学方法,进行了基于GIS的滑坡危险性评估。
采用实证权重模拟的双变量统计分析一直被广泛应用。该方法可以灵活地测试用于滑坡敏感性分析的输入因素的重要性,并可作为基于专家编图的辅助工具(Lee等,2002;Suzen和Doyuran,2003;Van Westen等,2003)。多变量统计分析也很重要,也是被广泛应用的方法(Carrara等,1999;Santacana等,2003)。根据最近的文献,目前最受欢迎的新的滑坡危险性统计方法是逻辑回归和人工神经网络(ANN)(如Chung等,1995;Rowbotham和Dudycha,1998;Ohlmacher和Davis,2003;Dai和Lee,2003)。ANN为输入层和输出层之间提供了一种转换机制,需要借助MATLAB系统完成有关计算。
用于滑坡风险评估的统计方法存在一些缺陷。一是简化了滑坡影响因素,仅考虑那些容易进行编图的因素或可以从DEM中生成的参数。二是关系到使用的统计方法的假设条件——在相似的环境组合条件下发生滑坡的可能性大。实际上环境因素在不断发生变化。三是不同滑坡类型有着不同的属性特征,应单独进行分析和评估。实践中因种种困难,难于做到这点。统计模型通常忽视了滑坡的时间方面,不能预测控制条件(如水位波动、土地利用变化和气候变化)的影响。因此,统计模型不能提供全面的时间概率信息,从而使其应用到定量风险评估变得困难。然而,如果能够利用特定时间间隔或特定重现期的滑坡编目图来生成统计关系,就会改进统计方法的评估水平。
近年来有一些关于将统计方法与不同时期滑坡图相结合的研究成果发表。例如,Zêzere等(2004)提出了用于葡萄牙里斯本北部滑坡危险性评估的区域尺度概率统计分析方法。他们基于“唯一条件多变形”这一基础单元,利用逻辑回归方法进行了滑坡危险性分析,得出的预测率曲线被用于滑坡敏感性图的定量解释和分类。由于滑坡与特定重现期的触发降雨事件相关,他们还将时间概率值关联起来。Dai和Lee(2003)在香港的部分地区也开展了类似的研究。然而,上述两个案例研究只开展了滑坡危险性评估,没有开展滑坡的风险评估。目前关于应用统计方法开展滑坡风险评估的研究还很少见。Remonodo等(2004)在西班牙北部进行的风险评估(包括使用过去损失数据进行易损性评估)是为数不多的研究案例之一。
4.确定性和动力模型方法的进展
在确定性分析中,根据斜坡稳定性模型计算的安全系数来确定滑坡危险性。确定性模型提供了滑坡危险性最好的定量信息,可直接用于岩土工程设计或定量风险评估。然而,确定性模型需要大量的输入数据,这些数据需要通过实验室试验和野外测量获得,因此仅能在小范围内使用确定模型。Dietrich等(2001)、Gritzner等(2001)、Chen和Lee(2003)、Van Beek和Van Asch(2003)等研究人员,将确定性模型与降雨诱发的潜层滑坡联系起来,开发出了水文动力模型(模拟孔隙水压力的时间变化)与斜坡稳定性模型耦合的GIS模型,用以定量分析临界孔隙水压力值。由美国森林管理局开发的斜坡稳定性模型也是基于无限斜坡方程。Hammond等(1992)使用了该模型并利用蒙特卡罗模拟器得出斜坡失稳的概率值。Davis和Keller(1997)以及Zhou等(2003)还尝试将蒙特卡罗与模糊方法相结合来确定斜坡失稳概率。
用于地震诱发的滑坡危险分析的确定型方法通常是基于简化的Newmark斜坡稳定性模型,Miles 和Ho(1999)、Luzi等(2000)、Randall等(2000)、Jibson等(2000)在GIS的每个计算单元上应用Newmark斜坡稳定性模型,得出滑坡危险性预测值。Refice和Capolongo(2002)还开展了将蒙特卡罗模拟方法与Newmark斜坡稳定性模型相结合的研究。
Anderson和Howes(1985)使用了完全不同的方法。他们开发出将水文斜坡稳定性模型耦合在内的2D模型(目前为CHASM),用于道路边坡滑坡危险性编图。Van Asch等(1993)和Moon 和Blackstock(2003)也使用了该方法对奥地利西部的Vorarlberg的小型汇水流域以及新西兰惠灵顿市分别开展了滑坡危险性评估。Miller和Sias(1998)使用2维有限元模型模拟非承压地下水的通量,计算了水位高度和大型滑坡不同剖面(采用简化的Bishop分隔方法)的安全系数。
GIS被广泛应用于滑坡活动范围的模拟。Dymond等(1999)开发了不同暴雨事件和土地利用情景下,浅层滑坡及其向河网输送沉积物的、基于GIS的计算机模拟模型。高分辨率的DEM是模型中的主要部分。De Joode和VanSteijn(2003)建立了一个简单又完整的过程模型,用以模拟降雨诱发的滑坡初始滑动、沿剖面的径流、物质传输、侵蚀以及在主要沟谷中的泥石流扩展。在模拟滑坡的流动速度和影响范围时,普遍采用了细胞单元自动生成法(Avolio等2000)。
许多研究人员(如Terlien,1996;Montgomery等,1998;Dietrich等,2001;VanBeek,2002)开展了GIS环境下的确定性动态模拟研究。如果输入气象数据,确定型模型就能够预测斜坡失稳的空间和时间频率。最近研发出的一些模型可以预测斜坡失稳后物质的运移过程并确定出泥石流的影响带(Chen和Lee,2003)。这些信息将直接用于滑坡易损性和风险评估。确定性模型与统计模型相比,其优势是可以预测不同的土地利用情景(目前不存在)下的滑坡危险性变化,还可以预测气候条件变化情景下的滑坡危险性。
然而,确定型模型的参数化方面的限制,使滑坡发生的时空频率及其影响范围的预测的准确性具有许多不确定性。在汇水流域尺度上,仅可对诱发机制较为简单、水文构型简单的滑坡能进行模拟预测。由于滑坡发生的时间和空间分布数据有限,难于进行模型的矫正和有效性检验。在滑坡活动范围和沉积带中物质厚度的分布是重要的模型校正与检验参数(Van Asch等,2004)。
F. 国内外地质灾害风险研究开展情况
一、国外地质灾害风险研究概述
区域地质灾害风险评估是以区域地质灾害为研究对象,以地质灾害的区域危险性空间分布规律和承灾体的易损性评估为主要研究内容,是建立地质灾害区域空间预警系统工程的必要环节,主要为制定合理的防灾减灾决策和区域土地规划政策及为减灾防灾管理服务。
自20世纪60年代末或70年代初就开始了以滑坡灾害为主体的地质灾害危险性区划研究,如:60年代末,美国西部多滑坡的加利福尼亚州的滑坡敏感性预测区划及县行政级别的斜坡土地使用立法研究;70年代法国提出的斜坡地质灾害危险性分区系统(ZERMOS)等。进入80年代,世界许多国家和地区都开始了区域地质灾害危险性分区及预测问题研究,如意大利、瑞士、美国、法国、澳大利亚、西班牙、新西兰、印度等。从90年代起,为了推进广泛的国际协调与合作,联合国在1987年通过决议,确定在20世纪最后十年开展“国际减轻自然灾害十年”活动。1991年,联合国国际减灾十年(IDNDR)科技委员会提出了《国际减轻自然灾害十年的灾害预防、减少、减轻和环境保护纲要方案与目标》(PREEMPT),在规划的三项任务中的第一项就是进行灾害评估,提出:“各个国家对自然灾害进行评估,即评估危险性和易损性。主要包括:①总体上哪些自然灾害具有易损性;②对每一种灾害威胁的地理分布和发生间隔及影响程度进行评估;③估计评估最重要的人口和资源集中点的易损性。”把自然灾害评估纳入实现减灾目标的重要措施。围绕国际减灾十年计划行动,北美及欧洲许多国家在已有地质灾害危险性分区研究基础上,开展了地质灾害危险性与土地使用立法的风险评估研究,把原来单纯的地质灾害危险性研究拓展到了综合减灾的系统研究。
美国于1970年开始,对加利福尼亚州的地震、滑坡等10种自然灾害进行了风险评估,1973年完成,得出1970~2000年加利福尼亚州10种自然灾害可能造成的损失为550亿美元。与此同时,由美国地调局和住房与城市发展部的政策发展与研究办公室,联合支持对洪水、地震、台风、风暴潮、海啸、龙卷风、滑坡、强风、膨胀土等9种自然灾害进行预测评估,对美国各县发生的灾害建立了一套预测模型,估算9种灾害到2000年的期望损失。美国组成了一个由10位成员组成的专门委员会,制定了减灾十年计划,把自然灾害评估列为研究的重要内容,要求开展单类的或者综合的灾害风险评估工作。日本、英国等一些国家近年来也陆续开展了地震、洪水、海啸、泥石流、滑坡等灾害风险分析或灾害评估,并把有关成果作为确定减灾责任与实施救助的重要依据。
瑞士是世界上开展地质灾害风险区划研究十分成功的国家之一。为了确保农业用地、建筑用地的安全,预防自然灾害的损失,瑞士联邦政府1979年从立法的高度提出:“在保障国家土地完整性和协调发展的前提下实现土地的合理使用”,并颁布了联邦政府土地管理法(Loi Fédéral sur l’Aménagement Territoire),该法律第22条规定:“各州需要调查并确定处于受自然动力严重威胁的土地范围”。以联邦政府法律为依据,各州政府制定了相应的州政府法律。如沃州(Vaud)1987年制定的土地管理法律第89条规定:“受自然灾害,如雪崩、滑坡、崩塌、洪水威胁的土地,在未得到专家评估、充分论证或危险排除之前,禁止在灾害危险区进行任何建筑活动”。随后制订计划并开展了1∶25000比例尺的斜坡地质灾害风险区划图和1∶10000比例尺危险性区划图的编制和研究工作。瑞士已形成了以国家宪法为指导、州制定具体法、县级政府必须实施的灾害风险评估与预防体系。灾害高危险区域内的建筑一方面属于违法,另一方面作为高风险财产范畴,保险公司绝对拒绝接纳灾害高危险区的财产保险业务,从而保证了瑞士全国范围内对自然灾害的最有效控制。瑞士灾害的风险区划不仅直接服务于建筑规划、政府决策,而且也间接服务于社会保障系统。虽然瑞士是世界上滑坡、崩塌等地质灾害最严重的国家之一,无论是最后一次冰川作用以来,还是近一、二百年以来,瑞士都发生过较为重大的滑坡灾害事件(Flims、Elm、Handa等特大滑坡事件),但由于得益于全国灾害风险区划体系,使其近二、三十年来的灾害损失却是世界上较少的国家之一。
法国是洪水、滑坡、崩塌、雪崩等灾害较为严重的国家之一,早在20世纪70年代就开始全国范围的自然灾害危险性区划研究,区划图直接服务于减灾和防灾工作,从而最大限度地减少了自然灾害的损失。法国在1977年制定的城市发展规划法(Code del’Urbanisme)规定:洪水、水土流失、滑坡、雪崩等灾害危险区的建筑必须受到严格限制。1981年该规划法对自然灾害易发区的土地使用方法又作了具体限制,例如,滑坡灾害危险区分为两类,一类是建筑活动必须禁止的严重危险区,另一类是必须经过充分论证方可从事建筑活动的较危险区。1982年,法国又颁布了自然灾害防治法,并制定了洪水、雪崩、滑坡和地震四种主要自然灾害防治计划。为了进一步预测和尽可能减少灾害所造成的损失,根据该防治计划编制了灾害易发区危险性区划图,包括红色区域(高危险性区)、白色区域(以一种灾害为主的危险区)、蓝色区域(虽然有灾害,但可以预防)。在红色区域,一切新开工的建筑活动是绝对禁止的,而在蓝色区域,进行建筑需要提供充分的论证及灾害后果可靠性评估报告,如果五年之内不采取相关防治措施,财产保险公司可以对建筑方因自然灾害所造成的人员伤亡和财产损失不予赔偿。到1989年,根据全法国的灾害危险性区划结果,法国共有 15600个乡镇受到洪水、雪崩、滑坡和地震四种主要自然灾害的威胁,约占全国乡镇总数的三分之一。由于采取了灾害区划及相应的防治措施,法国的灾害损失得到了有效的控制。
二、国内地质灾害风险研究概述
近20年来,国家十分重视减灾工作,如《中国21世纪议程》关于防灾减灾行动指出:“开展全国自然灾害的风险分析,包括风险辨识、风险估算、风险评估三个部分”。这表明我国已把灾害风险评估作为防灾减灾建设的重要内容,并将之纳入国家可持续发展体系。大多数地方的21世纪议程都把防灾减灾作为可持续发展能力建设的重要任务之一,提出了灾害风险评估行动方案。在我国研究比较系统深入的灾害风险评估是地震灾害。其代表性的工作成果是由国家地震局先后完成的三代《中国地震烈度区划图及使用规定》。该图在对全国区域地震危险性评估基础上,确定了不同地区一般场地条件下在未来一定期限内可能遭遇超越概率为10%的烈度值,即地震基本烈度。综合性自然灾害风险研究也取得了一些研究成果。例如,黄崇福等用模糊集方法建立了城市地震灾害风险评估的数学模型。水利、农林、气象等部门的一些专家分别开展了一些区域性的洪水灾害、森林火灾、台风灾害等风险分析或灾情预测评估研究,编制了风险图,提出了灾情评估或风险评估的方法和技术。虽然这些工作还不够深入和系统,但对指导行业减灾、提高灾害风险管理水平发挥了积极的作用。
我国地质灾害管理工作,自1999年国土资源部发布《地质灾害防治管理办法》,标志着我国地质灾害防治工作逐步走向法制化轨道,为进一步贯彻落实好《地质灾害防治管理办法》,从源头上抓好地质灾害防治,国土资源部发布了《关于实行建设用地地质灾害危险性评估的通知》。通过几年的管理实践,以及适应全社会减灾防灾的需要,2004年3月1日,国务院正式发布《地质灾害防治条例》,使我国地质灾害防治工作有了法律保证。该《条例》规定,在地质灾害易发区内进行工程建设应当在可行性研究阶段进行地质灾害危险性评估,并将评估结果作为可行性研究报告的组成部分;明确要求“在编制地质灾害易发区内的城市总体规划、村庄和集镇规划时,应当对规划区进行地质灾害危险性评估”。明确了评估的主要地质灾害种类,包括崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝和地面沉降。随着我国地质灾害风险评估和灾害防治管理向科学化、法制化方向的逐步发展,我国土地资源的合理与安全使用得到进一步优化,为控制和减少人为诱发的地质灾害起到了重要的作用。
我国地质灾害的风险评估(价)研究工作自20世纪90年代开始兴起,在这一领域的研究中,已经取得了较为丰富的成果,为减灾管理发挥了重要作用。例如,苏经宇(1993)提出了判别泥石流危险性分布的标志和方法。刘希林等(1988)对区域泥石流风险评估进行了研究,给出了区域泥石流危险性评估的8个指标和人与财产的易损性计算公式,并提出了判断泥石流危险性程度和评估泥石流泛滥堆积范围的统计模型,对云南和四川省泥石流灾害风险进行了评估。张梁(1994)等根据环境经济学理论,初步论证了地质灾害的属性特征和风险评估的经济分析方法。张业成(1995)对云南省东川市泥石流灾害进行了风险分析。张梁、张业成、罗元华及殷坤龙、晏同珍等对滑坡灾害危险性和斜坡不稳定性的空间预测与区划进行了系统研究,先后提出了定量评估的信息分析模型、多因素回归分析模型、判别分析模型等,并对秦巴山区和三峡库区滑坡灾害进行了危险性分析与区划。朱良峰(2002)等研究开发了基于GIS的区域地质灾害风险分析系统,对全国范围的滑坡泥石流灾害进行了危险性分析、易损性分析和最终的风险分析。殷坤龙等经过多年研究,开发出MapGIS的滑坡灾害风险分析系统(IASLH)。在该系统中,提出了滑坡灾害危险性分析的信息量模型。该模型根据滑坡分布信息与各滑坡影响因素之间的关系,计算出产生滑坡的信息量,据此,进行滑坡危险性区划,并应用IASLH系统对中国汉江流域旬阳地区的滑坡灾害以及中国滑坡灾害进行了评估。
当前,地质灾害风险研究正处于方兴未艾之时,今后将得到更加迅速的发展,其研究内容将更加广泛,理论方法更加丰富、先进。可以预见,不久的将来,它将成为一项具有完善理论和技术方法的新兴领域。其基本趋势是:向着评估定量化、综合化、管理空间化的方向发展。主要表现为:
(1)从历史与现状分析趋向预测与研究相结合;
(2)从个体分析趋向个体与区域研究相结合;
(3)从定性分析趋向定量化评估;
(4)从单项要素分析趋向综合要素评估;
(5)从单纯的风险评估理论研究发展为风险评估与减灾管理相结合,风险评估与防治相结合,风险评估的目的是为了服务于社会经济建设和减灾管理;
(6)以GIS空间化技术为支撑的多因素信息模型化评估与空间化管理空前发展,将逐步取代传统的调查统计和手工制图,并向网络技术化发展;
(7)研究理论与方法趋向于内容更丰富,形成多学科的融合与交叉,特别是与社会学紧密相结合。
尽管经过20多年的发展,国内外的地质灾害风险研究与评估在理论和实践方面都取得了较为丰富的成果,然而还未形成系统完善的理论与方法体系,也没有统一的评估标准,国内在这一领域的研究还很薄弱,地质灾害的各专业灾害评估仍处于日益深入的探讨和总结过程。主要存在的问题包括:
(1)目前滑坡泥石流灾害破坏损失只考虑了直接的经济损失,对其间接经济损失评估方法的研究很少;
(2)现有的滑坡泥石流灾害风险评估框架与指标体系的目标和构成都不够明确,指标体系不够完整,各分析层面之间的逻辑关系,不同的学者有不同的表述,缺乏普遍共识的评估框架体系;
(3)对于滑坡泥石流灾害的风险可接受水平的研究非常薄弱,没有令人信服的标准体系;
(4)滑坡泥石流灾害风险评估理论和方法还不完善;
(5)滑坡泥石流灾害风险评估中的易损性分析还是一个相当薄弱的环节。在易损性分析中,一般仅考虑了滑坡泥石流灾害的历史灾情中的人员伤亡,而对历史灾情中的经济财产和资源环境的损失很少予以考虑。
G. 地质灾害风险评估框架
一、地质灾害风险评估
地质灾害风险评估,即分析不同强度的地质灾害发生的概率及其可能造成的损失,是对风险区发生不同强度地质灾害活动的可能性及其可能造成的损失进行的定量化分析与评估。地质灾害风险评估的目的是清晰地反映评估区地质灾害总体风险水平与地区差异,为指导国土资源开发、保护环境、规划与实施地质灾害防治工程提供科学依据。地质灾害风险区划是按计算的地质灾害期望损失值分成不同等级风险区,针对不同风险区的特点提出减少风险的各项对策。
根据地质灾害风险的构成因素,地质灾害风险评估主要应包括两个方面:一是危险性评估;二是易损性评估。滑坡风险分析(区域尺度)不仅可以识别现有承灾体的影响,还可以识别出与未来开发相关的潜在影响,这对未来开发决策具有指导意义。也就是说,地质灾害风险分析就是对滑坡灾害进行风险识别、风险评估、风险估计,回答“什么原因”、“在哪发生”、“什么时候发生”、“强度多大”、“频率多少”、“影响多大”、“风险水平是否可以接受”这些关键问题。并在此基础上优化组合各种风险管理技术,做出风险决策。对地质灾害实施有效的控制和处理风险所致损失的后果,期望以最小的成本换取大的安全保障。滑坡、泥石流等地质灾害风险总是与人类社会共存,人类社会所能做的工作,就是要降低滑坡、泥石流等地质灾害风险,进行风险分散和转移,将风险管理到一个可以接受的程度,而风险评估则是实现风险管理的关键。
在地质灾害风险计算的基础上进行风险评估,主要是判断存在的风险是否可接受,并制定风险处理选择方案或建议。一般将风险分为可接受水平、容忍水平或不可容忍水平。什么水平的风险是可以接受或容忍的,在很大程度上取决于当地生产力水平和防灾能力、心理预期、社会和文化价值取向等因素。比如在比较贫困落后的地区,所能接受的灾害风险水平要比相对富裕地区高。在风险高地区生活的人,所能接受的风险水平要比生活在低风险地区的人高。因此,在不同地区和不同人群,可接受的风险水平是不一样的。可接受的风险水平要综合考虑各种因素,进行风险-效益分析,最后得出权衡后的风险水平。香港特区政府岩土工程办公室将新开发坡体的可接受的个人风险定为1×10-5,对于已存在的坡体开发个人风险定为1×10-4。一般使用频率—死亡人数(FN)图解法确定可接受的社会风险水平(图1-2)。
图1-2 一定规模(死亡人数)的事件发生频率与死亡人数(FN)图解(据澳大利亚岩土力学协会,2000)
二、地质灾害风险评估框架
地质灾害风险管理主要包括风险识别、风险评估和风险处置三个方面。首先是风险识别,然后进行风险评估,在此基础上通过成本-效益方法以及综合考虑各方面因素确定减灾行动。降低地质灾害风险涉及风险的接受、避让、预防、减轻或共同分担。减灾手段包括“硬”的工程方法,还包括“软”的立法、教育、保险、援助、应急和规划。关于滑坡风险管理,目前世界上还没有一个通用的框架,比较公认的是澳大利亚岩土力学协会(2000)在其滑坡风险管理指南中确定的框架(图1-3)。
香港斜坡安全管理是一项持续努力和全方位的长期计划,其宗旨是最大程度地降低香港的滑坡风险。从20世纪90年代开始,香港将量化风险的理念引入边坡安全管理政策中,开展了一系列试验研究,并将试验研究成果应用到边坡安全政策中。香港边坡安全量化风险评估采用了Stewart (2000)提出的香港化学工业界的风险管理框架(图1-4),内容主要包括风险分析、风险评估和风险管理。风险管理是风险评估、风险控制和实施行动和/或监测计划的整个过程。风险控制涉及风险处理措施的评估(包括风险减轻、风险接受和风险避让)。根据风险控制过程的结果实施行动和/或监测计划。参照英国健康与安全行政官(HSE)风险容忍准则(图1-5),制定了“滑坡风险准则”。当风险水平介于两个极限之间(位于“可容忍区”)时,针对这一风险指标要求开始采取行动,将风险降至“切实可行的”水平。这就是所谓的ALARP要求。对每个存在潜在危险性设施都实施了减轻风险计划,随后对土地利用规划实行控制,以避免风险加大,并在可能的情况下降低附近地区的风险。
图1-3 滑坡风险管理程序(据澳大利亚岩土力学协会AGS,2000)
可以说,香港风险管理理念是在1993年被用于检查边坡安全政策的,到1995,风险管理手段开始被认为是有助于边坡安全的一项不可或缺的政策。利用量化风险评估(QRA)技术,来计算和管理滑坡风险已经逐渐获得香港岩土工程业界的认同,因而驱使相关技术在近年来得到发展和应用。
图1-4 香港化学工业界风险管理框架
图1-5 健康与安全行政官(HSE)的风险容忍度框架
H. 地质灾害风险评估的表征
根据Varnes(1984)、(1994),Leroi(1996)以及Lee和Jones(2004)对风险定义,可将风险以如下公式表达:
地质灾害风险评估理论与实践
H为给定参考时期(如年、建筑物的设计使用年限)灾害发生的概率。灾害(H)是空间概率和时间概率的函数。空间概率与坡度、深度等静环境因素有关;而时间概率与一些坡度、水力传导系数等静态环境因素间接相关,与降雨输入和排水等动态因素直接相关。
V为特定类型承灾体在特定类型灾害作用下的物理易损性(其值为0~1之间)。
A为特定承灾体的数量或价值(如建筑物的数量和价值、人员数量等)。
公式(1)两个加总符号的意思是,对一定类型的灾害造成影响的所有承灾体的预期损失后果(VA)进行加总,然后再对所有类型的灾害造成的预期损失进行加总便可得到总风险。风险公式(1)表面看起来似乎很简单,但事实并非如此。不仅要考虑灾害事件本身发生的空间影响概率和时间概率,还要考虑灾害到达建筑物的条件概率以及建筑物本身受到破坏的条件概率。当考虑建筑物中人受到灾害的影响时,还必须考虑人当灾害发生时是否在建筑物中的条件概率以及建筑物中人伤亡的条件概率。当考虑区域风险评估与区划时问题变得更加复杂和不确定性,因为准确地确定承灾体与滑坡可能发生地之间的位置非常困难。在使用公式(1)时,需要分析区域中一组承灾体受到不同规模和类型的灾害撞击的空间概率和时间概率,在此基础上估计区域中所有承灾体的损失程度。
图5-1是C.J.van Westen;T.W.J.van Asch,R.Soeters给出的基于GIS的大、中比例尺(1∶10000~50000)区域滑坡风险评估流程图。流程图的顶部是需要输入的四个基础属性数据层:环境要素、触发因素、历史滑坡信息、承灾体。
在这些输入数据中,历史滑坡信息是最重要的信息,因为通过分析这些信息,可以确定滑坡发生的频率以及不同规模的滑坡与滑坡灾害影响结果之间的关系。滑坡的空间概率既可通过动态模拟获得,也可通过分析过去滑坡事件发生的位置与一套环境因素之间的关系,利用启发式或统计方法预测在相似条件下滑坡发生的空间概率。通过将滑坡发生位置的空间信息与环境因素(其中DEM是最关键的因素)的结合,确定滑坡发生地带,再与滑坡的时空概率和影响带结合在一起便形成了滑坡灾害图。
易损性分析是地质灾害风险评估的另一重要方面。这涉及人口、建筑物、岩土工程、经济活动、公共设施、基础设施等承灾体信息。根据从历史损害编录推导的易损性曲线获得,也可以经验推导出的关系确定承灾体的易损性。风险评估流程图最后一个环节是将危险性和易损性评估综合起来。首先是将某一特定类型滑坡的危险性和某一承灾体的易损性综合起来,然后将所有滑坡类型的危险性和所有承灾体的易损性综合起来最后得出总风险。
图5-1 滑坡空间风险评估框架图
I. 中国地质灾害风险评价方法有那些特点
①方法和成果符合国务院地质灾害防治条例相关要求。
②成果实用。
③方法具可操作性。