意大利火山

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，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(RemoteSensing，RS)作为自然灾害源数据的获取手段，地理信息系统(Geographic

InformationSystem，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、SPOT

—P影像和ERS—1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

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-2-

2.1.1喷发柱和云

火山爆炸式的喷发能抛出能量巨大的固体、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3km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30min内可以达到

20km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。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(CO

2

)、二氧化硫(SO

2

)、硫化气(H

2

S)、氢气(H

2

)和氟

(F

2

)。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SiO

2

)含量越高，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16～15km/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

160～240km/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(pyroclasticsurge)，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(landslideordebrisavalanche)是火山附近的泥、石、雪和冰快速向山

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-3-

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60～90km/h的高速冲向山谷和河流，流距可达80km。

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。

2.2Vulcano火山灾害

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1888—1890年，现仍有火山活动，多硫质喷

气孔。

图1Vulcano全貌

图2Vulcano喷发

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-4-

Volcano火山喷发时火山熔岩粘度大，呈熔浆状，喷发较为猛烈。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

图3Vulcano火山图4火山口

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-5-

灾害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1km×1km大小的元胞。根据国内外自然灾害风险评价、火

山灾害系统构成及其风险评价的特点，采评价模型：

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-6-

















n

1j

m

1i

VijFijβiαWP

式中，P为火山灾害风险指数，W为区域易损性标度值，α为易损性的权重值；β

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，F

ij

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α，β，V

ij

利用层次分析法

(AnalyticalHierarchyProcess，AHP)确定(表1)；W，F

ij

，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火山灾害风险评估权重表

(1)

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-7-

评价流程如图5。

图5Vulcano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5×5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

Vulcano火山区火山灾害风险评价数据库

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-8-

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，所有矢量数据均被重采样为1km×1km栅格大小的网格单元。

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-9-

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

子危害性和社会经济易损性，将研究区沿经纬线方向分成1km×1km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/

INFOGRID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发之间的关系提供了动力学

依据。通过遥感技术解译地形、火山口、断裂带等数据，变革了传统野外调查的古老办法，

避免了因缺乏详细历史损失数据而不能进行危险性评估的困难。由于大尺度航空影像的缺乏，

人工判读误差大以及精度验证的选择实验区有限，可能影响评估效果精度，但是作为一种方

法，无疑是可行的。

(4)致灾因子同样由于火山喷发频率低的原因，只能采用多数学者的常用指标，并以历

史火山大喷发为依据进行界定。采用过去某一次火山喷发的状况来界定未来的情形，不确定

性显然要大得多。要进一步增强准确性，尚有赖于详细历史资料的大量收集。

以意大利Vulcano火山灾害实例，分析火山灾害风险评价方法

-10-

(5)用社会财富替代社会经济易损性进行风险评估，虽然比使用某单一因子如GDP要合理

得多，但与易损性清单方法相比要粗略。缺乏区域经济财富与火山灾害损失率的经验关系，

得到的结果自然偏高，而该关系的建立有待于更多的火山灾害损失资料的积累，和详细的火

山灾害喷发强度关系的研究。此外，由于几乎不可能得到各元胞的实际社会经济数据，利用

县域行政单位获取基础数据，并假设其在各地域范围内均一，这显然与事实不符。如何对区

域经济财富在较小的地域范围内进行有效的分配，尚待于进一步研究。

参考文献

[1]龚文婷.基于历史上最大规模喷发的长白山火山灾害风险评价与应急管理对策[D].东北师

范大学，2009.

[2]张学霞,薄立群,张树文.基于RS和GIS的长白山火山灾害风险评估研究[J].自然灾害学

报,2003,12(1).

[3]魏海泉.火山灾害的类型、预测与防治[J].地质灾害与防治,1991,2(2).

[4]陈培善,白彤霞.火山灾害及减灾措施[J].1998.

[5]洪汉净,郑秀珍,于泳,刘培洵,陶玮.全球主要火山灾害及其分布特征[J].第四纪研

究,2003,23(6).