基于随机森林模型的泥石流易发性评价——以汶川地震重灾区为例

在区域泥石流易发性研究中,科学确定泥石流易发性主控因子及其贡献率既是关键科学问题,也是区域泥石流预警预报和风险管理的重要基础。本研究选取汶川地震重灾区,引入随机森林算法,以小流域为评价单元,集合多元因子指标体系,建立泥石流易发性评价模型,定量分析了汶川地震重灾区内泥石流关键影响因子及贡献率,并探讨了研究区泥石流易发性的空间分布特征。本文初选了63项评价指标,以模型AUC值变化为基础,筛选出35项指标构成易发性评价指标体系,并用于区域内泥石流易发性主控因子的识别,结果表明:流域高差、流域平均坡度、流域内滑坡面积、平均降雨天数是区域内泥石流易发性主控因子,另外,沟长比降、大于10°积温、年均温、人口密度、村落个数、低覆盖度土地利用方式等在泥石流易发性评价中也发挥着重要作用;易发性评价结果显示,极高易发区占比达到了22.94%,主要分布于研究区西部,泥石流易发性较高的小流域主要分布在青藏高原向四川盆地过渡的地形急变带,同时也与地震带、断裂带、干旱河谷区域密切相关。模型验证结果表明,平均AUC值达0.84,模型具有很高的稳定性和准确性,说明随机森林算法非常适用于区域泥石流易发性评价研究,机器学习算法结合小流域为单元的方法对区域泥石流易发性评价有效果良好,可为区域尺度灾害易发性及风险评估提供更为有效的方法参考。     

基于地貌单元的小区域地质灾害易发性分区方法研究

以汶川县城周边区域为研究区,分别以栅格单元与地貌单元作为单位评价单元,以信息量法与逻辑回归法两种评价模型对研究区进行地质灾害易发性评价分区。根据对评价结果的比较分析,在小区域范围内,基于地貌单元的区域易发性分区不仅仅能够更好地体现出区域内局部综合特性,而且评价分区结果与地质灾害实际分布情况更加吻合,分级层次更加明显,数学模型的适用效率很好。由此可见,在小范围区域内,基于地貌单元的地质灾害易发性评价分区具有良好的适用性与可塑性,在大比例尺地质灾害易发性和危险性制图中是一个有益的尝试与启发。     

证据权模型在泥石流灾害易发性评价中的应用

利用空间统计方法进行泥石流易发性定量评价的本质是度量影响因子（地形、地貌、岩性等）和响应因子（泥石流）之间的空间关系,最后给出所有影响因子综合作用结果,得到泥石流易发性评价结果。选取高程、坡度、坡向、地形起伏度、岩性、降雨量与水系距离7个因素作为泥石流影响因子,采用证据权模型,对研究区内泥石流进行灾害易发性评价,使用自然间断法将研究区内泥石流易发程度分级,得到研究区泥石流易发后概率图,获得了较高的置信度,方法简单易行,可以在其它灾害易发性评价中推广。     

金沙江干热河谷区泥石流易发性评价模型及应用

金沙江上游奔子栏-昌波河段属典型的干热河谷区,气候干热少雨,但泥石流灾害发生频繁。采用指标熵模型对干热河谷区泥石流的影响因子进行敏感性分析,最后筛选出流域地貌熵值、岩土类型、坡向、坡度、植被归一化指数、月均降雨量等6个因子作为泥石流的易发性评价因子。将研究区划分为217个小流域,以流域单元为评价单元,采用权重系数法建立了泥石流的易发性评价模型,并利用该模型制作易发性分区图。分区结果表明:研究区泥石流极高易发区和高易发区主要分布在北部的昌波-贡波段、中东部的徐龙-曲雅贡段和南部的金沙江沿岸。极高易发区和高易发区面积占研究区总面积的36.4%,两区内的泥石流流域面积占泥石流总流域面积的58%。经检验泥石流的预测成功率为69.6%。     

基于流域单元的泥石流区域危险性评价

进行泥石流区域危险性评价时,首先要选取合适的单元作为评价单元。在前人的研究成果中已有多种评价单元,如栅格单元、斜坡单元、单一条件单元等。作者认为国内评价工作中常采用的栅格单元、行政区划单元都没有体现泥石流发生特定的地貌条件,故提出以流域为评价单元的思路。根据水文学D8方法,介绍了在计算机协助下基于DEM数据自动完成流域单元划分的方法,并以辽宁省鞍山市岫岩满族自治县作为实例,将全区划分为1024个流域单元。将流域划分结果与历史灾害点位置相对比,每个流域内基本上只包含一个灾害点,该情况说明流域划分精度满足研究工作需要。在此基础上利用人工神经网络进行泥石流区域危险性评价。结果显示,以流域作为评价单元能充分体现泥石流发生的地貌特征和物理机制,利于评价指标取值,而且危险性结果与实际情况吻合较好,可为政府部门制定减灾防灾决策提供参考。     

鄂西南山区小区域大比例尺滑坡灾害易发性及其精度评价

小范围大比例尺地质灾害易发性评价面临时空数据精度或质量不满足理论要求的现状。如何利用有限的数据实现相对可靠的评价结果,是论文研究的主要目的。论文选取湖北省五峰县渔洋关镇为研究区域,考虑水文、地形、岩性分布、历史灾害规模等因素讨论了斜坡单元的划分方法;将证据权模型分析所得滑坡易发性值转换至各斜坡单元,绘制基于斜坡单元的研究区易发性评价分级图;分别采用ROC曲线和野外核查手段,评价了易发性结论的成功率和预测率。研究表明,斜坡单元的划分一方面要符合实际地形,另一方面更应体现单元的地质差异性;栅格计算结论转化为斜坡单元的表达成果、精度分析的注重和野外核查工作的开展是保证分析结果可靠性的有效途径;湖北省五峰县渔洋关镇易发性评价成功率和预测率分别为84%和74%,野外验核与理论分析结果的一致性较高。     

区域泥石流孕灾环境危险性评价——以北京军都山区为例

以北京军都山区实测泥石流沟谷数为基准,基于因子叠加、信息量模型和FCM-粗糙集三种方法,分别获得了泥石流灾害发生的危险性等级分布,结果表明:①各分区单位面积内泥石流沟谷数都随着危险性评价等级的提高而增多;②因子叠加法和信息量模型法可得出五级泥石流灾害危险性分级,而粗糙集法只得出三级分级;③以实际泥石流沟谷落在评价区数目为标准,信息量模型法有90%以上的泥石流沟谷在危险性高和极高区域;粗糙集法得到危险区域覆盖了63.72%的泥石流沟谷分布;④从单位面积泥石流沟谷数与泥石流沟谷分布比率可得,信息量模型法评价精度较高,因子叠加法没有形成良好的梯度,而粗糙集法计算等级结果与其他方法存在差异,故须在其他区域进行进一步研究。     

三峡库区塌岸灾害易发性评价方法——以奉节—云阳段为例

塌岸灾害广泛分布于中国三峡库区。塌岸易发性评价对库区灾害防治具有重要意义。当前塌岸易发性评价的研究程度低,评价模型的适用性差,评价指标的选取依据不充分,并没有考虑波浪对库岸稳定性的影响。本研究以塌岸灾害广泛发育的三峡库区奉节段至云阳段为研究对象,考虑波浪和库岸形态对研究区塌岸发育的影响,提出江岸宽度、库岸形态、风速这三个指标,并基于研究区塌岸灾害发育和分布特征共选取8个影响因子,构建三峡库区塌岸灾害易发性评价指标体系;采用三种机器学习模型,实现三峡库区塌岸灾害易发性分区及检验、模型精度预测、评价结果的分区和实地验证。结果表明：(1)江岸宽度、岸坡形态和风速等影响因子权重靠前,对奉节段塌岸发育的贡献较大;(2)ANN模型、RF模型与SVM模型的较高-高易发区灾害点数量分别占总灾害点的53.1%、48.9%和39.3%。ANN模型与RF模型塌岸强度从低至高依次增大,分区结果较为合理,而SVM模型分区结果不太理想。(3)ANN模型、RF模型和SVM模型的AUC值分别为0.798、0.793、0.766,三种机器学习模型的预测精度较为可靠;(4)RF模型高易发性区域最符合实际地质条件,其易发性...     

基于SWAT模型的森林分布不连续流域水源涵养量多时间尺度分析

为解决森林分布不连续流域森林水源涵养功能及其多时间尺度特征的定量评价问题,根据分布式水文模型（SWAT）的特点,提出了反映森林斑块空间分布的水文响应单元划分方法,以及基于水量平衡法的森林不连续分布流域森林水源涵养量计算公式。以东南沿海的晋江流域为例,构建了2006年土地利用条件下的日时间步长SWAT模型,统计分析了2002—2010年降水条件下森林水源涵养量的时空变化规律。结果表明：① 构建的晋江流域SWAT模型精度较高,面积阈值为零生成的水文响应单元比较准确地反映流域森林斑块分布,提出的森林水源涵养量计算公式适用于森林空间分布不连续流域森林水源涵养量的多时间尺度分析,为流域森林水源涵养功能评价提供了一个新的方法。② 晋江流域森林水源年涵养量271.41~565.25 mm;月涵养量-29.15~154.59 mm;日尺度的极端降水期皆为正值,极端枯水期都为负值。表明年际之间不存在森林水源涵养的蓄丰补枯调节作用,但在年内的部分月份得到体现,而日尺度的森林蓄丰补枯功能充分发挥。从而揭示了不同时间尺度森林水源涵养量及其蓄丰补枯功能的差异。     

泥石流流域集水区面积限值与一级水系数目关系

文章利用ArcInfo的水文分析功能,从不同区域的三条典型泥石流沟的数字高程模型中提取出不同限值下的水系,然后研究了不同集水区面积下限导致的流域水系细节层次的变化,发现一级水系的数目和集水区面积下限成近似于反比的关系,而反比关系的比例系数只与流域面积有关。这种关系反映了泥石流流域的水系在空间尺度变换下的某种自相似性,也说明了泥石流流域在相当宽的空间尺度范围内一级子流域的物质活动能力是一定的。     

延河流域景观格局与生态水文过程分析

延河流域作为典型的黄土高原丘陵沟壑区,水土流失是最主要的生态环境问题,其生态环境治理能为整个黄土高原生态恢复重建提供典型范例,因此评价延河流域景观格局变化对水文过程的影响,对流域景观格局与水文过程的研究具有重要的科学价值和现实意义。本文通过利用SWAT模型模拟的延河流域的41个子流域的水文响应单元,建立延河流域的“源—汇”水文响应单元景观格局指数,通过计算不同地形条件下水文响应单元随着坡度变化的面积累积百分比,构建了新的“地形—水文响应单元 (Slope-HRU) 综合景观指数”。并与SWAT水文模型所模拟获得的子流域径流量、产沙量进行相关性分析,评价“地形—水文响应单元 (Slope-HRU) 景观指数”对水文过程的表征能力和适用性。结果表明：在子流域尺度上Slope-HRU景观指数和产沙状况存在明显的区域分异规律,而且R值空间变异情况基本上与产沙量的空间变化规律相反,即R值呈现由南向北,由东向西递增,而产沙量由南向北,由东向西递减。R值与年产沙量在数值上呈显著相关关系,相关系数为-0.60;再将Slope-HRU景观指数与所选取的7个常用景观格局指数相结合,构成新的综合景观指数,发现它们与子流域的产沙量耦合关系明确,均显著负相关,相关系数绝对值范围为0.43~0.63。     

基于PSR模型的白龙江流域景观生态安全时空变化

以地貌灾害频发的甘肃白龙江流域为研究区,基于"压力-状态-响应"框架模型构建流域景观生态安全评价指标体系,探讨其时空变化过程及其特征。结果表明:1990~2010年间白龙江流域景观生态安全综合指数逐渐上升,中高安全等级以上的面积约占研究区总面积的52%。流域内低生态安全区域主要集中在舟曲-武都段白龙江两岸区域、宕昌县西北区域和迭部县北部山区,高安全区域主要集中在自然保护区、林业发展区等植被覆盖较好的区域,其分布格局与滑坡、泥石流和水土流失等地貌灾害的风险分布格局相反。     

密云水库周边山区滑坡泥石流易发区预估

滑坡、泥石流等地质灾害的易发度主要是地质灾害自然属性特征的体现,它与孕灾环境的各项因子密切相关。这些因子包括地形地貌、流域水文、构造等内部条件因子以及地震、降雨等外部触发因子。为突出反映滑坡及泥石流主导因子的作用,本文参考了许多研究所采用的评价方法和因子选择,重点选取对该地区滑坡及泥石流发生区域分析评价起一定主导作用的、便于研究区域数据资料与空间资料匹配、关系密切的几个指标,包括地形地貌要素(坡度、坡向、坡形、相对高差、地貌类型)、环境要素(植被指数、河网密度、洪水淹没范围)、构造要素(距断层的距离、断层密度、地质岩性),通过对这些因子的敏感性进行分析,采用专家打分方法确定每种要素及因子的权重,借助因子加权叠加办法得出研究区地质灾害易发程度空间分布,用于表示其可能发生的统计意义上的可能性(概率),该研究对于区域地质灾害预防具有一定的适用价值。     

工程弃渣泥石流易发性评估方法

为了对工程弃渣转化成泥石流的可能性进行评估,针对工程弃渣特点,在考虑自然沟道泥石流活动情况的基础上,叠加弃渣场局部环境特征、弃渣体堆积特征及物料特征等三方面共计12个评价指标,运用层次分析法确立指标的权重,利用黄金分割法为各指标定量赋值,通过计算弃渣泥石流易发性指数RQ来评估工程弃渣泥石流的易发性,将评价结果分成4级:高度易发、中度易发、低度易发和不易发,并通过对长江三峡巴东县黄家大沟工程弃渣泥石流与重庆奉节李家大沟弃渣泥石流易发性进行评价,结果显示黄家大沟弃渣泥石流易发性指数为0.602(偏保守估算),属于中度易发,与实际发生泥石流较符合;李家大沟弃渣泥石流易发性指数为0.707,属于中度易发,与弃渣稳定性理论计算评价结果一致,验证了该方法的准确性和可行性。     

流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨

随着全球变化研究的深入,土地利用/覆被变化(LUCC)的水文效应研究日益成为热点问题。综合国内外研究进展,论文就流域土地利用/覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了总结和探讨：子流域和水文响应单元是分布式水文模型对流域基本空间单元的理想划分;对国内外现有的土地利用分类系统进行了适当的调整和归并,建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统,将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个II级类;土地利用/覆被变化情景分析的常用方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法、土地利用空间配置法等。     

“4·20”芦山地震灾区次生山地灾害易发性评价

选择"4·20"芦山地震灾区为研究区,在野外实地考察的基础上,结合高精度遥感影像解译分析,针对地震灾区滑坡、崩塌和泥石流等次生山地灾害的形成条件展开系统分析;在ArcGIS 9.3软件支持下,采用信息量模型,选择坡向、坡度、地层岩性、断裂带、河流冲刷作用、地震烈度和降水量7个影响因子作为芦山地震灾区次生山地灾害易发性评价的指标参数,将其划分为高易发区、中易发区和低易发区,该评价结果与实地考察结果基本吻合。基于GIS的信息量模型能够很好地为芦山地震灾区次生山地灾害易发性区划研究提供指导,其结果可以用来解决次生山地灾害易发性评价中效率低、精度差、费时费力等问题,从而实现次生山地灾害易发性评价的信息化和科学化。     

中国山地灾害研究进展与未来应关注的科学问题

本文首先简要回顾了山地灾害研究与防治方面的新进展：认识了山地灾害的空间分布规律,建立了山洪、泥石流、滑坡危险性评价方法;发展了滑坡稳定性分析的原理和计算方法,建立了泥石流流体应力本构关系、泥石流流速流量和冲击力计算公式、粘性泥石流起动模型,提出了山洪和泥石流规模放大效应;基于降雨和地面成灾环境要素耦合分析,发展了山地灾害气象预报方法;基于对灾害物理特性的认识,研发了一系列灾害监测预警仪器、数字流域平台与智能手机网络相结合的山洪预警系统;发展了灾害治理工程技术,形成了适合欠发达地区特点的灾害治理技术体系。在此基础上,分析了在灾害形成、运动、预测预报、防治技术和风险管理等方面还需要进一步深化研究的问题,提出山地灾害学科今后面临的任务。最后,针对国家减灾需求和学科发展目标,提出灾害对生态的响应机制、气候变化对山地灾害的影响与巨灾预测、水—土耦合的细观结构力学、灾害风险的理论与方法、基于灾害形成理论的机理预报模式、灾害防治技术规程的健全等未来应该关注的科学技术问题。     

长江流域侵蚀产沙尺度效应的区域分异

以长江流域水文站点的观测数据为依据,基于一定的分区原则,将整个长江流域分成了8个区域,对所有分区产沙模数的尺度效应进行了深入分析.研究表明,所有分区产沙模数的尺度效应可以概括为三类:产沙模数随流域面积的增大而减小,或先减小后基本保持不变的,主要包括长江中下游干流沿岸区域,岷江主体区域,洞庭湖流域和鄱阳湖流域;产沙模数随流域面积的增大基本保持不变的,包括嘉陵江主体区域和汉江流域;产沙模数随流域面积增大而增大,或先增大后基本保持不变的,包括长江上游干流沿岸的非泥石流区域和乌江流域.不同流域尺度效应的差异主要与流域土地利用方式有关.基于各分区校正方程,将所有站点进行了标准面积为100 km2,1 000 km2,10 000 km2的尺度校正,结果表明,当校正面积为100 km2,侵蚀最强烈的区域主要是岷江流域,其次是鄱阳湖和洞庭湖流域,校正面积为1 000 km2和10 000 km2,产沙模数图变化不显著,但明显区别于校正面积为100km2下的产沙模数图.侵蚀最强烈的区域主要是嘉陵江流域,其次是长江上游干流沿岸的部分区域和汉江流域的部分区域.不同校正面积下产沙模数图的变化,显示了不同流域侵蚀来源的差异.     

GIS支持下三峡库区秭归县滑坡灾害空间预测

基于GIS空间分析和统计模型相结合进行区域评价与空间预测是滑坡灾害研究的重要方向之一。以三峡库区秭归县为研究区,选择坡度、坡向、边坡结构、工程岩组、排水系统、土地利用和公路开挖作为评价因子。为提高模型的预测精度、可信度和推广能力,利用窗口采样规则降低训练样本之间的空间相关性。建立Logistic回归模型,对滑坡灾害与评价因子进行定量相关性分析。计算研究区滑坡灾害易发性指数,对其进行聚类分析,绘制滑坡易发性分区图,其中高、中易发区占整个研究区面积的38.9%,主要分布在人类工程活动频繁和靠近排水系统的区域。经过验证,该模型的预测精度达到77.57%。     

基于AHP与GIS耦合的安宁区地质灾害易发区划分

本文以安宁区作为研究对象,采用基于层次分析法(AHP)和GIS空间分析统计方法相结合的工作方法对区内地质灾害易发性进行评价和区划,对研究区的地质灾害易发性进行分析评价。安宁区境内地质灾害类型主要有滑坡、崩塌、泥石流、不稳定斜坡四种类型。易发性分区评价结果表明:安宁区城区不存在地质灾害高易发区;中易发区面积27.59km~2,占评价区面积的35.3%,低易发区面积14.75km~2,占评价区面积的18.9%,不易发区面积35.76km~2,占评价区面积的45.9%。评价结果为安宁区地质灾害防灾减灾体系和社会发展、经济发展提供了参考依据。