以意大利Vulcano火山灾害实例分析火山灾害风险评价方法

1、以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法【摘 要】火山能产生多种灾害。火山喷发能够产生破坏性的岩浆流火山碎屑和气体的高速崩塌流；大量的火山灰云可漂浮至几百千米远，严重影响喷气式飞机的飞行，危害人体健康并造成财产损失。即使火山不喷发， 在火山区也可能产生巨大的、毁灭性的火山泥流、危害性气体及酸雨。火山灾害风险评价是火山减灾的重要研究内容之一。本文以意大利Vulcano火山灾害为例，围绕火山灾害危险性、致灾因子危险性、社会经济易损性，介绍了基于GIS和RS的火山灾害风险评价方法。【关键词】火山灾害；风险评价；方法1 引言火山喷发是地球内部物质和能量强烈释放的一种突发性自然现象，

2、是地球内部物质运动的结果与表现。火山喷发产生多种灾害，甚至对全球气候产生影响。当代火山灾害及其灾变现象研究，已经从局部或区域性静态研究，转向全球变化的动态研究，并已侧重于火山活动性监测与灾害防御对策研究。遥感(Remote Sensing，RS) 作为自然灾害源数据的获取手段，地理信息系统(Geographic Information System，GIS)作为空间数据管理与分析的手段已经广泛应用于自然灾害风险评价，并取得了一系列的成果。但GIS应用于火山灾害风险评价方面的工作依然较少。近几年来，法、意、日等发达国家，还有亚美尼亚纷纷应用GIS进行火山熔岩流灾害、火山碎屑流灾害等单因子火山灾害

3、评价，部分学者在社会经济易损性评价、火山灾害危险性评价方面也做了一些尝试。但是，有效融合多因子进行综合风险评价的研究尚不多见。目前RS技术主要用于获取源数据，进行火山灾害监测，如用航空影像的立体像对、热红外遥感、TM影像、SPOTP 影像和ERS1雷达影像等监测火山区大地形变、火山区地热场地热异常、熔岩流温度、熔岩结构、火山总体变化以及火山变化历史等。火山灾害风险评价尚缺乏基于GIS、RS的系统应用研究。本文试图将GIS与RS相结合，利用栅格地理信息系统强大的地图代数功能，进行火山灾害综合风险评价。2 火山灾害与Vulcano火山灾害2.1 火山灾害2.1.1 喷发柱和云火山爆炸式的喷发能抛出

4、能量巨大的固体、熔融的岩石碎片和火山气体。最大的岩石碎片通常回落到喷发口附近3 km以内， 小的碎片小于0. 3cm，由火山玻璃、矿物和岩石(火山灰)组成抛入空中， 形成巨流般的喷发柱。喷发柱能很快地增长，在30 min内可以达到20 km的高度，形成喷发云。在云中的火山灰对飞行可产生严重的影响。在过去的15年中，大约有80架商用喷气飞机在无意中闯入灰云而被损坏，有几架由于发动机损坏，几乎坠毁。大的喷发云可以顺风扩散到几百千米外，产生大范围的火山灰降落，风携带更小的灰尘可漂浮到更远处。沉重的尘降能压垮建筑物，轻的尘降能损坏农作物、电力设备和机械。2.1.2 火山气体在火山喷发期间，能喷射出气体

5、。即使火山不喷发，地中的裂缝使气体上升， 通过地表的开口(出气口)到达地面。90%的气体是水蒸气，大部分是加热地表水(雨水和小溪流)的结果。其他一般的火山气体是二氧化碳( CO2 ) 、二氧化硫( SO2) 、硫化气( H2S) 、氢气( H2) 和氟( F2) 。二氧化硫能与水作用生成酸雨，它产生腐蚀并危害蔬菜等农作物。二氧化碳比空气重， 能被关闭在较低的地区，浓度可达令人和动物窒息的程度。氟在达到较高浓度时成为有毒气体，它能被吸附到火山灰颗粒中，然后降落到地面。颗粒中的氟能毒化牲畜饲草并污染当地地下水源。2.1.3 岩浆流和穹隆熔融的岩浆在地表形成岩浆流。硅质(二氧化硅SiO2 )含量越高

6、，越不容易流动。例如低硅质的玄武岩岩浆能形成流动较快的溪流，流速可达1615km/ h，形成几千米宽的薄层。与此相反，高硅质的安山岩和石英安山岩岩浆，倾向形成较厚的、流速慢的、流动距离短的岩浆流。这种岩浆常附着在火山口附近，形成不规则的小山，叫作岩浆穹隆。2.1.4 热火山灰流在火山喷发期间，热火山灰、岩石碎片和气体快速崩塌流动到火山脚下，也可能在不断增长的岩浆穹隆的陡边崩塌和裂开时，运动到火山脚下。这些炽热流温度可达710 ，并以160240 km/ h的速度运动。这种热流倾向流向山谷和河谷地区， 其热能足以毁坏甚至燃烧它通过地区的任何物品。较低密度的热火山灰流叫热涌流( pyroclast

7、ic surge)，它很容易地扫过几百米高的山脊。2.1.5 火山滑坡或岩屑崩落火山滑坡或岩屑崩落( landslide or debris avalanche)是火山附近的泥、石、雪和冰快速向山下流动。小规模的是火山表面松软的火山碎屑的小规模运动；大规模的是全部火山顶或火山边坡的巨大物质崩塌。陡的火山是滑坡的敏感地区，因为它们一部分是由松软的火山碎屑构造的。由于热的、酸性地下循环水的作用，某些火山岩石也会变成软的、滑动的粘土矿物。火山喷发、大雨或大地震都有可能触发火山斜坡上的滑坡， 使这些物质破裂并流动到火山脚下。2.1.6 火山泥石流火山侧翼大部分由火山物质组成，由这些物质形成的泥流或火山

8、碎屑称作火山泥石流。这些由泥、岩石和水组成的流动体能以6090km/ h 的高速冲向山谷和河流，流距可达80 km。某些火山泥流包含大量的岩石碎屑(按重量达60%90%)，看起来就像快速移动的混凝土河流。靠近它的源处，这些混凝土流强大到足以撕裂并带走树木、房屋和巨大的孤石。在较远的下游，它们可将流过道路上的一切东西全部埋葬。历史上，火山泥流是最致命的火山灾害之一。它既能在火山喷发期间产生，也能在火山平静时期产生。产生火山泥流的水来自融化的冰、雪(特别来自被热火山灰或涌流融化的冰河中的水)、大雨或山顶火山口湖的崩塌。大的火山泥流对下游居民是一个很大的潜在灾害。2.2 Vulcano火山灾害图2

9、Vulcano喷发图1 Vulcano全貌Volcano火山岛位于第勒尼安(Tyrrhenian)海，属意大利南部西西里北部，在西西里岛以北25千米，是Aeolian群岛离西西里大陆最近的一个岛，面积21平方公里，海拔500米。群岛最有名的是Stromboli岛，是一个真正的活火山，长年可见岩浆。Volcano火山岛的火山是处于休眠期的活火山，没有岩浆，但常年冒蒸汽，整个山头弥漫着浓烈的硫磺味，处于下风口的话，有时候呼吸困难。最近一次严重喷发是在18881890年，现仍有火山活动，多硫质喷气孔。 图4 火山口图3 Vulcano火山Volcano火山喷发时火山熔岩粘度大，呈熔浆状，喷发较为猛烈

10、。不喷发时在火山口上形成较厚的固结外壳，气体在固结的外壳下聚集，使熔岩柱的上部气体趋于饱和。当压力增大时，发生猛烈的爆炸，有时足以摧毁一部分火山锥，使阻塞物被炸开，一些碎片和熔岩组成的“面包皮状火山弹”和火山渣被一起喷出，同时伴随着含相当数量火山灰的“菜花状”喷发云。当火山口的“阻塞物”都被喷出后，就有熔岩流从火山口或火山锥侧缘的裂隙中涌出。3 评价指标体系及评价模型3.1 评价指标体系借用Kaplan和Garrick的风险定义，火山灾害风险可以用不同强度火山喷发的概率及其造成的火山灾害损失分布来表示，其评价包括危险性评价、致灾因子评价、社会经济易损性评价三个方面。危险性评价是研究地区遭受火山

11、喷发影响的强度和频度。目前国内外临近期喷发预测技术尚不成熟，难以用具体的火山灾害喷发强度来标定火山危险性；火山灾害喷发虽然具有周期性，但喷发旋回以地质历史计，用火山灾害的重现期表示火山灾害的频度也不现实。板块构造学说的出现，为研究地质构造和火山喷发之间的关系提供了动力学依据。经过专家征询，选取地形条件、火山口、大地断裂带、火山岩4个指标描述火山灾害危险性。(1) 一般认为，地形对火山灾害的影响主要表现在地形高程及地形变化程度两个方面。高程越低，变化越小，火山危险性越小；相反，高程越高，变化越大，火山危险性越大。(2) 大地断裂带是地壳运动活跃的部位，控制着研究区内的火山作用，是用来标定火山灾害

12、孕灾环境稳定性的重要指标之一。(3) 火山灾害研究多用历史反演的方法，火山口是历史上火山活动的中心，其数目、集聚分布状况直接反映火山灾害的危险程度。(4) 一般认为，火山喷发期次距今越近，火山危险性越高，可选用火山岩指标分析历史上火山活动的期次和周期。参照国际上火山灾害致灾因子评价研究，结合历史上Vulcano火山灾害的实际情况，选取火山熔岩、火山喷发碎屑堆积物作为评价指标。由于火山喷发碎屑堆积物无论在数量上，还是其所造成的危害都比熔岩大得多，因此，在研究中将其分为空中降落堆积物、火山碎屑流状堆积物、火山泥流堆积物三种，分别进行评价。已有的灾害风险易损性评价多基于灾害损失率的分析，但该种方法存

13、在以下困难：(1) 建立详细各类建筑结构和设施的分类系统、分布以及估算其价值的工作极其困难且耗资巨大；(2) 由于历史上遗存的资料极其缺乏，在研究区内收集大量的火山破坏资料难度相当大；(3) 难以定量分析社会的承受能力。火山喷发导致的经济损失与当地的经济条件直接相关，后者可以通过对系列宏观经济指标作适当处理后建立的社会财富指标概略描述，本文采用18个宏观经济指标(GDP、总人口、固定资产投资、农业总产值、农业人口、非农业人口、利税总额、利润总额、零售总额、资金利税率、总资产贡献率、成本费用利润率、产品销售率、化肥使用量、农作物播种面积、耕地面积、农林牧渔总产值、农业机械总动力)进行标定。3.2

14、 评价模型仿照复杂系统离散模型的做法，将地球表面沿经纬线方向分成许多栅格单元，即元胞(cell)。空间评价单元以元胞表示，各种统计运算以元胞为单位进行，分析结果通过元胞显示出来，就可以建立面源模型。显然，鉴于研究的目的及其特点，各元胞拥有较为复杂的空间数据结构，是自然属性数据和社会经济属性数据的综合集成，体现了不同属性数据在同一空间单元上的有效融合。显然，在面源模型中，每个元胞的空间尺度必须足够小，以保证元胞内各项指标均匀性和结果具有较高的空间分辨率；另一方面，元胞又必须具有一定的尺度，以保证每个元胞中具有较多的评价因子，本文采用1km1km大小的元胞。根据国内外自然灾害风险评价、火山灾害系统

15、构成及其风险评价的特点，采用如下的火山灾害风险评价模型：(1)式中， P为火山灾害风险指数，W为区域易损性标度值，为易损性的权重值；i为火山灾害风险评价的m个方面中第i 个方面的权重，V ij为火山灾害风险评价中第i个方面第j个指标的权重值，Fij为火山灾害风险评价第i个方面第j个指标的标度值；m为火山灾害风险评价的方面个数；n为火山灾害各个评价方面的评价指标个数。其中，V ij利用层次分析法(Analytical Hierarchy Process，AHP)确定(表1)；W，Fij，P通过统计分析方法、GIS方法确定。在此基础上，火山灾害风险评价就表现多维矩阵的地图代数运算。表1 火山灾害风

16、险评估权重表Vulcano火山区火山灾害风险评价数据库评价流程如图5。图5 Vulcano火山区火山灾害风险评价流程图4 研究地区与数据获取4.1 研究地区参照历史上Vulcano火山喷发的集中区域，利用TM遥感图像解译，可以得到火山口分布的大致范围，结合大地构造图，选择地壳运动比较剧烈的地区，根据历史资料和前人研究火山岩覆盖范围、火山喷发波及区域，从而可以确定Vulcano火山区的范围。4.2 数据获取与处理(1) 地形特征数据，包括地形高程和地形坡度。前者可用DEM来表达，在ARC/INFO中的ARC子模块中生成。因地形变化较大，按高程递增200m赋值。由于后者仅考虑了相邻栅格的高程变化程

17、度，而影响火山危险程度大小的是一定范围内的地形变化，故采用计算栅格周围55邻域内25 个栅格(包括自身)高程的标准差来表征地形变化程度，以弥补传统的用坡度表示地形变化的不足。研究中将高程标准差分成四级。绝对高程越高，相对高程标准差越大，火山灾害危险程度越高，二者之间的关系如表2 所示。在ARC/INFO中的GRID子模块中利用COMBINE( )函数，将获得的地形高程栅格图层与地形标准差栅格图层进行属性项合并，得到地形综合特征对火山危险性的影响。表2 地形综合因子对火山危险性的影响(2) 火山断裂带数据利用经过校正及去噪声处理的冬季TM遥感影像进行解译获取。根据断裂带的影像纹理特征，可知区内存

18、在的线性断裂及放射状、环状断裂。(3) 火山口根据火山口色调、几何形态、纹理等遥感影像特征，结合其空间位置，借助研究区地形图和地质图，采取人机对话的方式对冬季TM 影像解译。可以明显看出区内火山口分布形态。(4) 将研究区的火山岩分布图数字化输入计算机，经过TM遥感图像与区域地质图对比修正，确定喷发期次，并在ARC/ INFO平台下建立正确的拓扑关系，获取火山岩分布数据。(5) 熔岩流数据通过解译冬季TM 遥感影像的岩石特征，参照野外采样、地球化学方法分析结果及地形图获取。(6) 根据历史火山碎屑流分布范围，并参照地形图绘制火山碎屑流灾害分带图，将受灾地区分为火山碎屑流严重影响地区和可能影响地

19、区并确定火山碎屑流的影响权重为。(7) 根据火山泥流特点、河流密集程度、原生火山碎屑分布，将火山泥流灾害分为重灾带、中灾带、轻灾带和少灾带，并分别赋以各带的权重。(8) 参考历史火山爆发空落火山碎屑的分布、厚度资料，并着重考虑高空风带的影响，绘制长白山火山空落堆积物灾害图。(9) 充分利用统计年鉴和现有的各类统计报表等，获取能够反映区域社会经济发展的18 个指标进行因子分析(FA) 确定社会经济财富，用以表征区域经济易损性，并利用GIS将区域经济易损性数值进行信息空间化，得到连续空间的面状数据。以上数据均被统一到统一坐标系和统一投影下，投影采用高斯克吕格投影。为便于利用GIS 的地图代数运算，

20、所有矢量数据均被重采样为1km1km栅格大小的网格单元。5 火山灾害风险评估首先，在ARC/ INFO的GRID环境下，利用栅格代数计算功能将统一为1:20 万比例尺、高斯坐标系下的综合地形、火山口、断裂带、火山岩栅格图层进行叠加，可以得到火山灾害危险性图；其次，考虑各种火山碎屑堆积物、熔岩堆积物，获得致灾因子的危害性图；再次，通过因子分析方法获取社会经济易损性栅格图；最后，利用公式(1)获取火山灾害风险评估图，即对火山灾害危险性、致灾因子危险性、社会经济易损性的栅格数据进行地图代数运算，属性项合并。6 结论(1) 本文在充分汲取国内外灾害专家成功经验的基础上，围绕火山灾害危险性、致灾因子危害

21、性和社会经济易损性，将研究区沿经纬线方向分成1km1km大小的元胞，区域运算和信息提取均以元胞为最小单元进行，建立了基于面源模型的火山灾害风险评估模型，并ARC/ INFO GRID子模块中获得实现，可以取得较为满意的火山灾害风险评估结果。虽然该方法在许多方面还有待于进一步改进，但是作为一种方法，仍有一定的意义，可以推广到其它相似地区的研究过程中。(2) 基于面源模型的火山灾害风险评估模型所使用的孕灾环境及致灾因子的数据通过RS 获得，并利用GIS矢量数据结构可以进行高效、复杂的图形运算的优势，对火山口、断裂带、河流等进行了不同缓冲距离的缓冲区分析。此外，社会经济数据资料易于搜集整理，避免了使用传统方法搜集易损性材料的困难；同时可以利用财政部门定期发布的宏观经济数据，及时更新灾害风险评估结果，从而为不同区域的火山灾害风险对比提供有效的灾害管理信息，为政府部门进行减灾规划提供有益的科学依据。(3) 由于同一地区发生火山喷发的时间间隔以地质历史计，采用喷发频率标定火山危险性的难度较大。板块构造学说的出现，为研究地质构造和火山喷