泥石流灾害时空过程模拟与可视化分析

第1章　绪论 1.1　研究背景与意义 泥石流是一种在山区频发的典型地质灾害，往往由暴雨、洪水、滑坡等自然灾害引发，具有级配宽、浓度高、速度快、持续时间短、冲击力大、破坏性强等特点（Iverson，1997；Zhuang et al.，2010；乔成等，2016）。例如，2008年“5 12”汶川地震及其余震导致受灾区域众多山体发生崩塌和滑坡并产生大量松散的崩塌体，这些崩塌体在持续强降水的条件下极易滑动，在重力作用驱动下也极易沿陡峭的沟道快速汇聚、运移，*终形成具有强大破坏能力的泥石流灾害（崔鹏等，2013；张永双等，2013）。又如，2010年8月7日甘肃舟曲、8月12日四川安县、8月13日四川绵竹，2013年7月11日四川汶川，2016年5月8日福建泰宁、9月18日云南元谋，2017年8月8日四川凉山，以及2019年8月20日四川汶川水磨镇等地也都发生了特大泥石流灾害。这些泥石流灾害的发生与发展导致受灾区域房屋被摧毁、交通被中断、出现大量人员伤亡，给生态环境造成毁灭性破坏，影响着社会的稳定，制约着经济的可持续发展（Blahut et al.，2010）。因此，迫切需要开展泥石流灾害时空过程模拟与可视化分析研究。确切掌握发生泥石流灾害的可能性，准确得到泥石流灾害的风险程度、受灾范围以及生命财产损失情况等灾情信息，为应急救援演练和科学处置决策提供灾情信息分析服务，对泥石流防灾减灾具有十分重要的意义（He et al.，2003；Hürlimann et al.，2006；Cui et al.，2011，2013；Zou et al.，2016）。 泥石流灾害风险评估在风险范围预测、风险等级预判、灾情损失预估等方面发挥着积极作用（胡凯衡等，2003；Fuchs et al.，2007；Liu et al.，2009），现有的大多数针对泥石流灾害风险评估的研究仅集中在对泥石流灾害历史资料进行统计分析以及基于专家经验的危险因子选取与权重赋值层面，或者仅基于泥石流灾害模拟计算方法进行风险评估。基于经验知识的泥石流灾害风险评估方法虽然能够快速地对泥石流灾害进行风险评估，但是风险评估因子的选取与权重赋值、评估结果的准确性都依赖于专家的经验，并且只能简单地量化整条泥石流沟的风险程度，同一条沟在不同时期爆发的泥石流甚至可能会得到相同的风险评估结果（胡凯衡等，2003；Wei et al.，2008）。而基于泥石流灾害模拟计算方法虽然可以定量地分析多种情形下泥石流灾害的发生过程及受灾程度，但由于数值模拟计算与风险评估是分离的，需要将模拟结果导入专业的软件进行空间分析，因此，这类方法通常需要较长时间才能获得泥石流灾害风险评估结果，难以满足应急状态下泥石流灾害快速风险评估需求（Gentile et al.，2008；Calvo and Savi，2009；Liu et al.，2009；Cui et al.，2013；Zou et al.，2016）。此外，泥石流灾害风险评估中还存在许多关键问题亟待解决，如评估流程不明确、精细化程度不高和评估效率低等，难以满足复杂情形下泥石流灾害应急风险评估要求的精度和深度。因此，采用精细化的空间格网作为基本评估单元，将泥石流灾害定性风险评估方法与定量风险评估方法进行结合，高效地集成现有的分散的人员、空间数据、模型等资源，能够快速准确地评估泥石流灾害在发生和发展过程中可能带来的生命财产和社会经济损失。 在泥石流灾害数值模拟方面，许多研究学者主要采用GIS（geographic information system，地理信息系统）支持的数值方程来构建一维或二维模型，对泥石流灾害演进过程进行模拟与空间分析（Ouyang et al.，2015）。然而，大多数GIS软件主要采用CPU（central processing unit，中央处理器）串行方式进行数值计算，导致模型运算时间过长，尤其在使用高分辨率DEM（digital elevation model，数字高程模型）数据进行精细化数值模拟时，模型计算效率偏低（D’Ambrosio et al.，2006；Lacasta et al.，2015）。因此，有必要将并行计算模式引入泥石流灾害数值模拟中，以突破计算能力的限制（Sanders and Kandrot，2010）。目前已有一些基于并行计算的泥石流灾害数值模拟研究，主要包括基于Socket分布式并行计算（Ferrari et al.，2009；杨升和管群，2011）、基于CUDA（compute unified device architecture，计算统一设备体系结构）平台并行计算（杨夫坤等，2010）、基于OpenMP多核并行计算（Huang et al.，2008；Oliverio et al.，2011）。基于OpenMP多核并行计算由于具有简单易行、移植性好、灵活的跨平台能力等优点而得到广泛应用（邹贤才等，2010；Amritkar et al.，2012），但在现有的研究中，为了保证泥石流灾害模拟计算的准确性，仅使用单一、高分辨率的格网尺度数据进行并行模拟计算，而针对不同格网尺度下泥石流灾害数值模型计算的效率与准确性缺乏系统的研究，难以为应急情景下泥石流灾害快速准确模拟提供*佳的格网尺度参数。因此，本书选择不同尺度的格网数据，基于OpenMP并行计算开展泥石流灾害演进过程模拟，在准确性和效率之间进行均衡，选择适宜格网尺度范围，以便快速准确地获取泥石流灾害模拟计算过程中泥深、流速、淤埋范围等灾情信息。 在泥石流灾害场景建模与可视化方面，虚拟地理环境（virtual geographic environment，VGE）作为新一代地理学语言，已成为科学实验分析依据和新工具，其注重多源数据整合、集成和共享，借助地理分析模型和多维感知表达技术，能够实现更高层次的地理问题分析、地理现象模拟以及地理环境变化预测等（林珲和朱庆，2005；Lü，2011；朱庆，2014；林珲等，2018）。可见，虚拟地理环境能够为泥石流灾害应急决策提供一种新的方法，通过构建虚拟地理环境实现泥石流灾害知识的融合表达与共享，辅助进行泥石流灾害分析与应急决策是目前及未来的一个重要趋势（Lin et al.，2013；Denolle et al.，2014）。然而，泥石流灾害场景对象众多，现有的虚拟地理场景建模方法聚焦于场景建模过程及渲染优化技术本身，场景对象之间关系定义不清晰，场景表达方面注重可视化效果，忽视了场景对象语义以及对象之间关联语义的表达，导致灾情信息可读性差，用户难以理解（Hagemeier-Klose and Wagner，2009；Dransch et al.，2010）。 针对现有泥石流灾害研究中存在的模拟计算效率低、风险评估能力弱、建模效率低、可视化效果差以及灾害知识难以共享等问题，本书面向泥石流防灾减灾等需求，在虚拟地理环境框架理论与技术支撑下，开展泥石流灾害时空过程模拟与可视化分析研究，主要包括基于精细化格网的泥石流灾害快速风险评估、基于多格网尺度的泥石流灾害模拟并行优化、泥石流灾害虚拟地理场景建模、泥石流灾害过程可视化与增强表达和泥石流灾害演进模拟与可视化分析服务等关键技术与方法。 本书面向我国对泥石流灾害模拟和灾情可视化的重大需求，从测绘地理信息视角入手，对泥石流灾害数值模拟与可视化的技术与方法进行研究，同时兼顾泥石流模拟的数学特性、可视化效果和灾害语义信息表达，是地质学科与地理信息科学的新结合，拓宽了虚拟地理环境的应用边界，丰富了地质灾害模拟方法，同时有望推进自然灾害风险评估科学的发展。 1.2　国内外研究现状 1.2.1　泥石流灾害风险评估 风险是一个通俗的日常用语，也是一个古老的科学论题，其在经济学、自然科学、技术科学和日常生活中已有很长的使用和研究历史。按权威的韦伯字典的说法，风险是“面临伤害或损失的可能性”（张迎春，2007），美国哈佛大学的Wilson和Crouch（1987）发表在Science上的介绍风险评价的文章将风险的本质描述为不确定性，定义为期望值，或者说含有概率的预测值。通常认为，有风险意味着面临选择。因此，风险评价的主要功能之一就是进行风险性大小的比较，即风险性排序，为决策者提供理性而不仅仅是感性的依据（刘希林，2001）。 自然灾害风险的定义多种多样，Maskrey（1989）的定义为“风险是某一自然灾害发生后所造成的损失”，这一定义将风险等同于灾害造成的损失，将风险评价等同于灾后的灾情评价，似乎并不恰当，它不符合风险的本质特征。Smith（1996）的定义为“风险是某一灾害发生的概率”，这一定义仅从灾害的发生概率来考虑，没有考虑灾害发生的后果。Tobin和Montz（1997）将风险定义为“某一灾害发生概率和期望损失的乘积”。Deyle等（1998）的定义为“风险是对某一灾害发生的概率或频率与灾害结果的描述”。Hurst（1998）的定义为“风险是对某一灾害发生概率与灾害结果的描述”。国际地质科学联合会滑坡工作组的定义为“风险是针对滑坡灾害对人类健康、财产和环境造成负效应的严重性和滑坡灾害发生概率的度量”（IGUS，1997）。以上关于风险的定义反映了专家学者对风险的理解的发展过程，具有一定的代表性。联合国人道主义事务协调厅于1991年和1992年两次正式公布了自然灾害风险的定义：“风险是在一定区域和给定时间内，由某一自然灾害引起的人民生命财产和经济活动的期望损失值”（United Nations，1991），这一定义已逐步得到了国内外专家学者的认同（Alexander，1993；Liam，1993；刘希林，2000）。 风险的表达是基于对风险定义的理解而来的。如上所述，由于对自然灾害风险有不同的定义，因而自然灾害风险的数学表达式也不同。Maskrey（1989）提出的风险表达式为“风险性=危险性 + 易损性”，此表达式的*大贡献是首次将风险性表达为危险性与易损性的函数，即风险不仅与致灾体的自然属性有关，也与承灾体的社会经济属性有关。Smith（1996）提出将风险表示为“风险性=概率×损失”，Deyle等（1998）与Hurst（1998）提出的风险表达式为“风险性=概率×结果”，上述两种表达式将灾害发生的概率与灾害所造成的损失有机地联系起来，试图表达风险的不确定性本质和损失期望值，为进一步研究风险性、危险性与易损性的定量表达提供了新的思路。Nath等（1996）提出的风险表达式为“风险性=概率×潜在损失”，Fell和Hartford（1997）以及Tobin和Montz（1997）提出的风险表达式为“风险性=概率×易损性”，以上两种表达式的意义是相同的，将损失改为潜在损失（或期望损失）是一个较大的进步，表达式更为准确和科学。联合国人道主义事务协调厅于1991年提出了自然灾害风险的表达式，即“风险性=危险性×易损性”（United Nations，1991），这一表达式较为全面地反映了风险的本质特征，危险性是灾害规模与发生概率的函数，反映了灾害的自然属性；易损性反映了承灾体的社会经济属性及自身抵御灾害的能力；而风险性则是灾害自然属性与承灾体自身、社会经济属性的结合，表达为危险性与易损性的乘积。这一评价模式已逐步得到了国内外研究学者的认同，如图1-1所示。在此基础上，相关学者针对泥石流风险评估，从野外调查分析、理论研究、室内模拟实验到泥石流防灾减灾工程都开展了大量的研究（刘希林和唐川，1995；刘希林等，2006；丁继新等，2006），本书也继续沿用这一评价模式，接下来将从危险性和易损性两方面进行阐述。 1.泥石流灾害危险性评估 泥石流灾害危险性评估是指综合分析研究区域内可能引起泥石流灾害的影响因素，定量评估泥石流灾害的活跃水平和危害大小，从而推算出泥石流爆发的概率以及覆盖范围和规模。 泥石流灾害危险性评估是对泥石