基于因果解耦的暴雨-山洪-泥石流灾害链阈值识别方法

本技术涉及自然灾害管理，尤其涉及一种基于因果解耦的暴雨-山洪-泥石流灾害链阈值识别方法。

背景技术：

1、洪涝灾害是频繁发生且影响广泛的自然灾害之一。全球变化背景下，极端降水引发的山洪、流域性洪水频发、强发，还容易诱发泥石流、山体滑坡等衍生灾害，形成多灾种连锁触发的洪涝灾害链，成为洪涝灾害防控面临的新挑战。并且，极端降水容易导致洪涝灾害，在地形陡峭、土质疏松的受灾区域内还极易衍生出泥石流等地质灾害，形成暴雨-山洪-泥石流灾害链，触发“一地多灾”和滚雪球式的灾损累积放大现象。

2、当前，国内外对于两灾种洪涝灾害链“发生-演化”方面的研究虽然较多，但对于暴雨-山洪-泥石流三灾种灾害链的研究相对较少，在灾害链主要驱动因素及其多变量触发阈值的研究方面，现有技术仍存在以下不足：

3、（1）暴雨-山洪-泥石流灾害链具有极强的瞬时性和高破坏性，但其历史样本数据稀少、研究数据基础薄弱，导致识别出的主要驱动因素和多变量触发阈值的可靠性十分有限；（2）相关技术中通常采用因果贝叶斯网络等数理统计方法来识别灾害链的驱动因素和多变量触发阈值，但此类数理统计方法本质上是缺乏显式因果关系的黑箱模型，无法明确刻画降雨入渗、土壤湿度增加、孔隙水压力响应、边坡失稳等因素诱发衍生灾害的灾害链形成机制，难以准确识别灾害链的主要驱动因素；（3）相关数理统计方法往往忽略驱动因素间的交互作用，将多因素视为独立的输入特征，导致灾害链触发阈值分析与内在物理机制脱节，计算出来的阈值尚不准确。

4、因此，亟需一种暴雨-山洪-泥石流灾害链的多变量触发阈值识别方法，通过解耦各驱动因素的直接致灾效应与交互作用，识别主要驱动因素，计算暴雨-山洪-泥石流灾害链的多变量触发阈值，为洪涝链式灾害的预警和防范提供技术支撑。

技术实现思路

1、本技术实施例通过提供一种基于因果解耦的暴雨-山洪-泥石流灾害链阈值识别方法，解决了现有技术中难以准确识别灾害链的主要驱动因素且灾害链触发阈值计算不准确的问题，实现了灾害链主要驱动因素的精准识别，并提高暴雨-山洪-泥石流灾害链的多变量触发阈值确定的准确性。

2、为了实现上述目的，本技术实施例提供了一种基于因果解耦的暴雨-山洪-泥石流灾害链阈值识别方法，所述方法包括：

3、基于massflow物理机制模型对暴雨-山洪-泥石流灾害链的易发区域进行演化模拟，得到降雨-土壤含水率在多种情景下的灾害链样本数据库；

4、基于所述灾害链样本数据库，分别构建暴雨-山洪灾害链触发路径的第一结构方程，以及暴雨-山洪-泥石流灾害链级联路径的第二结构方程；

5、求解所述第一结构方程和所述第二结构方程，确定不同驱动因素的标准化路径系数；

6、根据所述标准化路径系数在暴雨-山洪-泥石流灾害链发生及演化过程中的直接效应值、交互效应值和总效应值，识别暴雨-山洪-泥石流灾害链的主要驱动因素；

7、将所述主要驱动因素输入广义可加性模型，得到所述主要驱动因素共同作用下的泥石流强度；并根据所述泥石流强度，建立暴雨-山洪-泥石流灾害链的三维致灾响应曲面；

8、基于所述三维致灾响应曲面，识别触发暴雨-山洪-泥石流灾害链的驱动因素临界空间，进而确定诱发暴雨-山洪-泥石流灾害链的临界阈值。

9、在一种可能的实施方式中，所述基于massflow物理机制模型对暴雨-山洪-泥石流灾害链的易发区域进行演化模拟，得到降雨-土壤含水率在多种情景下的灾害链样本数据库，包括：

10、确定目标区域在暴雨条件下的边坡稳定系数，基于所述边坡稳定系数识别所述易发区域；

11、基于所述易发区域内历史暴雨、洪涝、泥石流灾情信息、dem数据和土体物理力学参数，确定所述massflow物理机制模型的边界和动力学参数；

12、基于所述易发区域的历史灾情数据，确定所述massflow物理机制模型的摩擦系数、湍流系数和泥石流容重参数；

13、在不同重现期下设计降雨情景及土壤含水率情景，驱动所述massflow物理机制模型，模拟暴雨-山洪-泥石流灾害链的发生-演化过程，得到所述灾害链样本数据库。

14、在一种可能的实施方式中，所述基于所述灾害链样本数据库，分别构建暴雨-山洪灾害链触发路径的第一结构方程，以及暴雨-山洪-泥石流灾害链级联路径的第二结构方程，包括：

15、提取所述灾害链样本数据库中灾害在演进过程中的特征变量，并将所述特征变量划分为外生变量、中介变量及内生变量；

16、基于所述特征变量，分别构建所述第一结构方程和所述第二结构方程。

17、在一种可能的实施方式中，所述求解所述第一结构方程和所述第二结构方程，确定不同驱动因素的标准化路径系数，包括：

18、采用最大似然估计法对所述第一结构方程和所述第二结构方程迭代求解，确定所述标准化路径系数；其中，所述标准化路径系数为第一系数、第二系数及第三系数；求解目标为最小化样本协方差矩阵与模型隐含协方差矩阵之间的差异。

19、在一种可能的实施方式中，所述根据所述标准化路径系数在暴雨-山洪-泥石流灾害链发生及演化过程中的直接效应值、交互效应值和总效应值，识别暴雨-山洪-泥石流灾害链的主要驱动因素，包括：

20、将所述第二系数作为所述直接效应值；所述直接效应值用于反映所述外生变量或所述中介变量对内生变量的直接影响强度；

21、将所述第一系数和所述第三系数的乘积作为所述交互效应值；所述交互效应值用于反映所述外生变量通过多个所述中介变量对所述内生变量的交互作用；

22、将所述直接效应与所述交互效应的和值，作为所述总效应值；

23、将多个所述总效应值从高到低排列，并将前

n个总效应值作为所述主要驱动因素。

24、在一种可能的实施方式中，所述广义可加性模型基于暴雨-山洪-泥石流灾害链样本数据库中主要驱动因素的变化范围确定。

25、在一种可能的实施方式中，所述基于所述三维致灾响应曲面，识别触发暴雨-山洪-泥石流灾害链的驱动因素临界空间，进而确定诱发暴雨-山洪-泥石流灾害链的临界阈值，包括：

26、基于所述三维致灾响应曲面对所述主要驱动因素的二阶偏导数和的极值点，确定泥石流灾害的突变区域，作为所述驱动因素临界空间；

27、在所述驱动因素临界空间中，结合泥石流灾害等级划分标准，设定不同等级的泥石流体积临界值；

28、基于所述泥石流体积临界值，在所述三维致灾响应曲面上绘制等高线，投影至所述主要驱动因素的坐标系，获得不同等级泥石流灾害下的临界阈值。

29、本技术实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

30、（1）基于易发区域历史灾情数据确定massflow物理机制模型，模拟不同设计降雨-土壤含水率组合情景下的暴雨-山洪-泥石流灾害链的发生和演化过程，获得灾害链样本数据库，解决了研究数据稀少的问题；

31、（2）通过构建暴雨-山洪灾害链触发路径和暴雨-山洪-泥石流灾害链级联路径的结构方程，计算标准化路径系数，从而量化各驱动因素的直接效应、交互效应和总效应值，解耦驱动因素对灾害链的直接影响与交互作用，精准识别暴雨-山洪-泥石流灾害链的主要驱动因素；

32、（3）通过广义可加性模型和三维致灾响应曲面，确定出不同等级泥石流灾害下的多变量触发阈值，提高了阈值确定的准确性。