王 萌，喬建平

（1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都 610041；

2.中國(guó)科學(xué)院研究生院，北京 100049；3.中國(guó)科學(xué)院山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610041）

0 前言

區(qū)域滑坡危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)是研究不同地層單元組合、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單元特征、地形地貌條件下區(qū)域滑坡發(fā)生分布規(guī)律，定量或半定量地對(duì)滑坡危險(xiǎn)程度做出等級(jí)劃分。

近年來(lái)，由于GIS技術(shù)的空間分析、制圖功能和可視化的特點(diǎn)，GIS技術(shù)在滑坡危險(xiǎn)性區(qū)劃研究方面得到快速發(fā)展，以GIS軟件為技術(shù)平臺(tái)的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)系統(tǒng)研究成為本領(lǐng)域研究的發(fā)展方向。利用GIS技術(shù)不僅可以對(duì)各種滑坡災(zāi)害及其相關(guān)信息進(jìn)行管理，而且可以從不同空間和時(shí)間的尺度上分析滑坡災(zāi)害的發(fā)生與環(huán)境因素之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，評(píng)價(jià)各種滑坡災(zāi)害的危險(xiǎn)性和可能的災(zāi)害范圍［1-7］。

本文基于GIS技術(shù)，采用貢獻(xiàn)權(quán)重模型對(duì)攀枝花市米易縣滑坡危險(xiǎn)度等級(jí)進(jìn)行劃分。該模型針對(duì)研究區(qū)內(nèi)對(duì)滑坡發(fā)育、發(fā)生起到作用的各種本底因素，即地質(zhì)環(huán)境內(nèi)部條件，定量分析它們對(duì)滑坡發(fā)育發(fā)生貢獻(xiàn)作用的大小，確定其貢獻(xiàn)率，得到各個(gè)因子的不同權(quán)重值，經(jīng)過(guò)疊加分析從而確定區(qū)域內(nèi)部滑坡災(zāi)害的不同危險(xiǎn)程度［8］。

1 貢獻(xiàn)權(quán)重模型

貢獻(xiàn)率權(quán)重模型由中科院成都山地所喬建平研究員于2004年提出，后來(lái)經(jīng)過(guò)發(fā)展與改進(jìn)，在多個(gè)研究區(qū)均取得較好的效果，具體可參照參考文獻(xiàn)［9-12］。

1.1 貢獻(xiàn)率

設(shè)采樣本底指標(biāo)因子為一個(gè)數(shù)集：

式中：Ui——因子數(shù)集；

f——關(guān)系式；

Un——本底因子（U1——地層，U2——高差…Un）。

在危險(xiǎn)度評(píng)估中，每一個(gè)本底因子又可以細(xì)化為k種子類，它們分別都對(duì)滑坡發(fā)育做出不同程度的貢獻(xiàn)，檢驗(yàn)貢獻(xiàn)程度的大小需要建立基本量化標(biāo)準(zhǔn)。貢獻(xiàn)率是評(píng)價(jià)作用程度的一種指標(biāo)，環(huán)境本底因子子類對(duì)滑坡的作用大小可以采取貢獻(xiàn)率進(jìn)行評(píng)價(jià)，取值范圍在［0，1］之間。在可靠的滑坡數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，一般選用量密度、面密度、體密度三項(xiàng)量化檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)本底因子子類進(jìn)行貢獻(xiàn)程度評(píng)價(jià)。即：

式中：U′oi——因子子類貢獻(xiàn)率，i代表因子子類；Yj——檢驗(yàn)指標(biāo)，j代表三種不同的密度，其中，量密度：Y1=q ∑q（q—— 單項(xiàng)因子中滑坡數(shù)量、∑q—— 評(píng)估區(qū)滑坡總數(shù)），面密度：Y2=s ∑s（s——單項(xiàng)因子中滑坡面積、∑s—— 評(píng)估區(qū)滑坡總面積），體密度：Y3=v ∑v（v——單項(xiàng)因子中滑坡體積、∑——評(píng)估區(qū)滑坡總體積）。

1.2 自權(quán)重計(jì)算

自權(quán)重的獲取是采用等距法將本底因子子類的貢獻(xiàn)率劃分為高、中、低三級(jí)貢獻(xiàn)程度后計(jì)算各等級(jí)區(qū)間因子的權(quán)值。如在地層巖性單項(xiàng)因子中，不同時(shí)代地層巖性對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)作用是不同，因此分配的權(quán)值也不相同。

貢獻(xiàn)率等級(jí)區(qū)間范圍為：

式中：a1=U0imax；a2=U0imax-d；a3=U0imin+d；a4=U0imin；d=（Uoimax-Uoimin）/3。

根據(jù)式（3）分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)，將每一個(gè)本底因子圖層劃分出不同等級(jí)的貢獻(xiàn)率區(qū)，建立貢獻(xiàn)率分級(jí)數(shù)列式，即：

式中：U0if——貢獻(xiàn)率數(shù)列（f=h，m，l）；

U0ih——高貢獻(xiàn)率；

U0im——中貢獻(xiàn)率；

U0il——低貢獻(xiàn)率。

由于式（4）數(shù)列中的每一等級(jí)區(qū)間的貢獻(xiàn)率允許由多個(gè)因子數(shù)組成，需要對(duì)每個(gè)因子中每一等級(jí)的因子數(shù)逐一進(jìn)行均值化處理，即：

N——每級(jí)因子組中的個(gè)數(shù)。

再對(duì)式（5）進(jìn)行歸一化處理，并獲得分級(jí)貢獻(xiàn)自權(quán)重，即：

式中：wif——各等級(jí)本底因子自權(quán)重?cái)?shù)列（wif＜1）。

1.3 互權(quán)重計(jì)算

互權(quán)重指不同本底因子相互之間的權(quán)值，代表每種因子對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)程度差異。如地層巖性、坡度、高差等多項(xiàng)因子中，各項(xiàng)因子對(duì)滑坡發(fā)育的貢獻(xiàn)作用不同，相互之間的權(quán)重值也不同。

采用貢獻(xiàn)率計(jì)算互權(quán)重。首先對(duì)式（4）中不同等級(jí)貢獻(xiàn)率的行求和，即：

式中：Rif——第i個(gè)本底因子貢獻(xiàn)率分級(jí)求和數(shù)列。然后進(jìn)行同級(jí)別貢獻(xiàn)率歸一化處理，得到各因子在不同級(jí)別貢獻(xiàn)率中所占的比重：

式中：R′if——不同級(jí)別貢獻(xiàn)率歸一化數(shù)列。

再對(duì)式（8）中的每一項(xiàng)單因子R′if的行求和，即：

最后對(duì)式（9）進(jìn)行歸一化處理得到貢獻(xiàn)互權(quán)重，即：

式中：w′——貢獻(xiàn)互權(quán)重（w′i＜1）。

1.4 貢獻(xiàn)權(quán)重模型

貢獻(xiàn)權(quán)重模型即將滑坡環(huán)境本底因子的自權(quán)重和互權(quán)重與貢獻(xiàn)率相乘疊加：

式中：H——滑坡危險(xiǎn)度；

U′oi——評(píng)價(jià)樣本貢獻(xiàn)率；

wif——本底因子自權(quán)重；

w′i——本底因子互權(quán)重。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況

米易縣地處青藏高原東南緣，四川省西南角，攀枝花市東北部，安寧河與雅礱江交匯區(qū)（圖1）。位于北緯26°42′～27°10′，東經(jīng) 101°44′～102°15′。東連會(huì)理縣，南接鹽邊縣，西以雅礱江為界，北鄰德昌縣。全縣境內(nèi)東西最大橫跨52.5km，南北最大縱距73.2 km。全縣轄12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

研究區(qū)位于川西高原南段，屬高中山區(qū)?？傮w地勢(shì)中部和西部安寧河谷和雅礱江河谷地段相對(duì)較低，河谷之間及東部皆為中高山區(qū)。區(qū)內(nèi)主要地貌類型為侵蝕構(gòu)造地形和侵蝕堆積地形。區(qū)內(nèi)出露地層較齊全，從時(shí)代上看，從前震旦系至第四系僅缺失志留系、泥盆系和白堊系地層。從巖性上看，沉積巖、變質(zhì)巖和巖漿巖均有分布。地層巖性變化大，巖體物理力學(xué)性質(zhì)差異大，決定區(qū)內(nèi)巖土體工程地質(zhì)條件變化較為復(fù)雜，有利于滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和不良地質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)育。軟弱易滑地層分布廣泛。首先表現(xiàn)為安寧河谷地帶及雅礱江高階地上廣泛分布的第三系昔格達(dá)地層，由于其處半固結(jié)狀態(tài)，性質(zhì)軟弱，抗剪強(qiáng)度低，屬極易滑地層，是區(qū)內(nèi)滑坡和崩塌形成的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，北東部大部為花崗巖分布地區(qū)，其表層風(fēng)化作用強(qiáng)烈，風(fēng)化層厚度大，卸荷及構(gòu)造裂隙發(fā)育，且其風(fēng)化產(chǎn)物以砂性土為主，內(nèi)聚力小，在暴雨作用下易于發(fā)生崩滑。

圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area

2.2 滑坡本底因子

本文根據(jù)野外考察結(jié)果，總結(jié)研究區(qū)滑坡發(fā)育特征和環(huán)境條件，結(jié)合利用GIS技術(shù)獲取區(qū)域地表因子時(shí)功能約束條件，選取的研究區(qū)滑坡因子指標(biāo)如下：

①地層巖性（U1）：是滑坡賴以發(fā)生的基礎(chǔ)，可以控制滑坡的發(fā)育并為其提供物質(zhì)來(lái)源，不同巖性的地層由于其本身物理化學(xué)特性可以對(duì)滑坡發(fā)育做出不同的貢獻(xiàn)；本研究區(qū)共有40余種地層，經(jīng)歸納，將其按“系”和巖類劃分為8種類型：N（第三系），P（二迭系），Q（第四系），T（三迭系），Z（震旦系），γ（花崗巖及花崗斑巖），δ（閃長(zhǎng)巖及閃長(zhǎng)斑巖），ε（正長(zhǎng)巖及正長(zhǎng)斑巖）；

②坡度（U2）：發(fā)育滑坡的斜坡坡度大于或者接近滑坡面的傾角，較利于滑坡的發(fā)生。坡度因子通過(guò)研究區(qū)1：5萬(wàn)DEM在GIS軟件中直接提取，每10°一級(jí)，共6級(jí)；

③坡形（U3）：斜坡的形態(tài)可以從直觀上將它們劃分為：直線型坡、凹型坡、凸型坡、上凹下凸型坡和上凸下凹型坡。斜坡的坡形直接反映了在內(nèi)外營(yíng)力作用下坡體演變的歷史過(guò)程以及匯水條件的不同；坡形因子不能直接由DEM生成，而是基于DEM以及由GIS水文分析模塊中派生出的山脊圖層、河流圖層以及流向圖層，通過(guò)C語(yǔ)言編程所得；

④高差（U4）：指發(fā)育滑坡的山體斜坡從坡頂?shù)狡碌椎南鄬?duì)高差，它為滑坡的發(fā)生提供所必需的有效臨空面，并決定了坡體本身動(dòng)能，根據(jù)它可判斷坡體是否存在失穩(wěn)的可能性；高差因子獲取基于DEM、山脊圖層、河流圖層以及流向圖層，通過(guò)C語(yǔ)言編程得到，每100m一級(jí)，共7級(jí)；

⑤坡向（U5）：是指斜坡臨空面的朝向，可影響到斜坡的水流條件，使自然地理諸要素具有規(guī)律性分異，從而導(dǎo)致滑坡發(fā)育存在坡向性；坡向因子通過(guò)研究區(qū)1：5萬(wàn)DEM在GIS軟件中直接提取。分別以0°（或360°）、90°、180°、270°為 N、E、S、W 的中間位置，每隔45°分為一個(gè)區(qū)間，可得到8個(gè)方向區(qū)間N、NE、E、SE、S、SW、W、NW，共 8 個(gè)子類。

2.3 滑坡危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)

首先根據(jù)式（2）求本底因子子類的貢獻(xiàn)率，如圖2所示：

然后依據(jù)式（3）～（6）計(jì)算各本底因子的自權(quán)重，如表1所示；

再依據(jù)式（7）～（10）計(jì)算本底因子的互權(quán)重，如表2所示；

最后根據(jù)式（11）將各本底因子圖層進(jìn)行疊加分析，即將它們的貢獻(xiàn)率、自權(quán)重、互權(quán)重做相乘然后相加處理，最終得到米易縣連續(xù)空間的滑坡危險(xiǎn)度圖（圖3）。

圖2 本底因子貢獻(xiàn)率Fig.2 Contributing rates of the factors

表1 本底因子自權(quán)重Table 1 Self-weights of the factors

表2 本底因子互權(quán)重Table 2 Mutual－weights of the factors

未進(jìn)行等級(jí)劃分的區(qū)域滑坡危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)難以反映滑坡的危險(xiǎn)度等級(jí)，給使用者帶來(lái)不便，因此還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行分區(qū)處理，這里采用了自然斷點(diǎn)法。從上圖可以看出，滑坡危險(xiǎn)度的分布范圍是0.002～0.258，選取斷點(diǎn)將其分為三級(jí)，分別為：0.002～0.035；0.035～0.142；0.142～0.258，分別對(duì)應(yīng)著三個(gè)區(qū)：低危險(xiǎn)度區(qū)、中危險(xiǎn)度區(qū)和高危險(xiǎn)度區(qū)。最終得到的米易縣危險(xiǎn)度區(qū)劃圖（圖4）。

表3 危險(xiǎn)度級(jí)別空間分布范圍比例和檢驗(yàn)滑坡點(diǎn)在各級(jí)別中的分布比例Table 3 Relationship between distributing area and landslide’quantity at each risk level

2.4 結(jié)果檢驗(yàn)

利用野外調(diào)查及資料收集所掌握的170個(gè)滑坡點(diǎn)制作密度分布曲線，可以看出滑坡分布密度與危險(xiǎn)度級(jí)別有很強(qiáng)的關(guān)系（圖5）。高危險(xiǎn)度級(jí)別地區(qū)的滑坡分布密度大大高于其它兩個(gè)級(jí)別，分布密度隨危險(xiǎn)度級(jí)別的提高而增加，而且高危險(xiǎn)度級(jí)別的分布密度的增加幅度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中、低危險(xiǎn)度級(jí)別的增加幅度。中危險(xiǎn)度區(qū)和高危險(xiǎn)度區(qū)擁有滑坡的數(shù)量占到全部滑坡95.9％.

圖3 連續(xù)空間上的滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃Fig.3 Risk zoning of landslide in a consecutive domain

3 結(jié)論

本文以攀枝花市米易縣為研究區(qū)域，采用GIS技術(shù)，選取坡度、坡向、坡形、地層巖性和相對(duì)高差等5個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)因子，利用貢獻(xiàn)權(quán)重模型對(duì)研究區(qū)的滑坡地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。通過(guò)貢獻(xiàn)率分析，可以得出：米易縣滑坡災(zāi)害易發(fā)育坡體坡度在10°～20°，坡形為直線型，坡向?yàn)闁|、西南，高差在100m～300m，地層屬于三疊系的自然環(huán)境中。經(jīng)過(guò)權(quán)重計(jì)算，得出巖性對(duì)本區(qū)域內(nèi)滑坡的發(fā)育發(fā)生影響最大，此結(jié)論與野外調(diào)查結(jié)果吻合。區(qū)內(nèi)廣泛分布著第三系昔格達(dá)地層和花崗巖，這兩種都是易于產(chǎn)生滑坡和崩塌。評(píng)價(jià)結(jié)果經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)符合實(shí)際情況：高危險(xiǎn)度區(qū)占全區(qū)面積31.9％；中危險(xiǎn)度區(qū)占全區(qū)面積52.6％；低危險(xiǎn)度區(qū)占全區(qū)面積15.5％；高、中危險(xiǎn)度區(qū)所包含的滑坡個(gè)數(shù)占到全區(qū)滑坡總數(shù)的95.9％。

圖4 米易縣滑坡危險(xiǎn)度分區(qū)Fig.4 Landslide risk zoning in Miyi County

圖5 危險(xiǎn)度級(jí)別與樣本滑坡點(diǎn)分布密度Fig.5 Relationship between risk level and density of landslides

因此，該方法表明，對(duì)區(qū)域滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃中，不僅僅需要考慮多項(xiàng)因子相互之間權(quán)重對(duì)滑坡發(fā)育產(chǎn)生的貢獻(xiàn)作用，同時(shí)還考慮了單項(xiàng)因子內(nèi)部自身權(quán)重對(duì)滑坡發(fā)育產(chǎn)生的貢獻(xiàn)作用，將兩種權(quán)重值與滑坡本底因子貢獻(xiàn)值相乘疊加，充分反映了本底因子對(duì)滑坡發(fā)育綜合貢獻(xiàn)作用的結(jié)果，更有利于提高滑坡危險(xiǎn)度區(qū)劃的可靠性。

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