丁軍,朱靜,王磊,王玉夜

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059）

汶川5?12大地震給整個(gè)災(zāi)區(qū)帶來巨大損失,除了地震震動直接造成大量房屋倒塌和人員傷亡外,地震過程中大量的滑坡崩塌發(fā)生也擴(kuò)大了災(zāi)難的程度。同時(shí),地震活動還使區(qū)域斜坡穩(wěn)定性減弱,形成眾多的威脅性次生山地災(zāi)害,給災(zāi)區(qū)的災(zāi)后重建和生產(chǎn)生活帶來了巨大的困難。震后地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)是全面宏觀地反映災(zāi)情,確定減災(zāi)目標(biāo),優(yōu)化防治措施,提高減災(zāi)效益,進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)決策的重要依據(jù)[1]。本文以汶川地震重災(zāi)區(qū)茂縣為例探討地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的方法和實(shí)施步驟。根據(jù)基礎(chǔ)地理和地質(zhì)資料,并運(yùn)用相應(yīng)數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行計(jì)算確定相應(yīng)危險(xiǎn)級別。由于評價(jià)涉及的數(shù)據(jù)量較大以及需要進(jìn)行空間運(yùn)算和分析,為了提高評價(jià)的速度和精度,運(yùn)用GIS對研究區(qū)進(jìn)行柵格化處理,通過空間分析和圖層運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的評價(jià)。該方法可以實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性評價(jià)從定性到定量,再由定量到定性的研究,對于探討地震災(zāi)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的新模式提供參考。

1 研究區(qū)概況

茂縣地處青藏高原向川西平原過渡地帶,行政區(qū)劃屬于四川省阿壩藏族羌族自治州,處于岷江上游中段,地理坐標(biāo)東經(jīng) 102°56′26″-104°10′32″,北緯 31°25′06″-32°15′43″,東與北川、安縣 、綿竹相連,南與汶川、什邡、彭縣接壤,西與理縣、黑水交界,北與松潘相鄰。茂縣幅員面積4 064.4 km2,全縣總?cè)丝?0.2萬人。區(qū)內(nèi)大部分屬邛崍山系岷山山脈,東南邊境屬龍門山系尾段,縣境山峰多在海拔4 000 m左右,相對高度在1 500～2 500 m,地勢上西北高、東南低,地形以高山峽谷地帶為主。該區(qū)氣候具有干燥多風(fēng),冬冷夏涼、晝夜溫差大、地區(qū)差異大的特點(diǎn),多年平均降水量490.7 mm,降雨多集中在5-10月,占全年降水量的80%以上,最大日降水量75.2 mm,瞬時(shí)雨強(qiáng)較大,容易誘發(fā)山體滑坡和泥石流等地質(zhì)災(zāi)害;岷江為茂縣境內(nèi)的主要河流,自北向南縱貫全境,該河流平均年徑流量已由20世紀(jì)50年代的148億m3,下降至90年代的91億m3,縣境內(nèi)水土流失面積達(dá)占533 km2。

茂縣境內(nèi)地層主要為馬爾康分區(qū)地層和龍門山分區(qū)地層。馬爾康分區(qū)地層分布在縣境內(nèi)的絕大部分地區(qū),占全縣面積的90%以上。主要有千枚巖、砂巖、板巖、白云巖、碳酸鹽巖、泥頁巖分布;研究區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動比較強(qiáng)烈,其主要特征是:挽近時(shí)期以來,區(qū)內(nèi)地表大面積抬升,高山林立,河流深切。通過區(qū)內(nèi)的茂汶斷裂、龍門山斷裂,近代仍在活動,而且活動也較頻繁,斷裂活動導(dǎo)致歷史上和現(xiàn)代地震的多次發(fā)生。由于茂縣多高山峽谷,新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,滑坡、崩塌和泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象較普遍。

2 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)評價(jià)方法

近幾十年,隨著地質(zhì)災(zāi)害造成的損失日益嚴(yán)重和國內(nèi)外相關(guān)學(xué)術(shù)的迅速發(fā)展,特別是地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)與遙感(RS)技術(shù)的引入,使地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)迅速興起并得到飛速發(fā)展。國內(nèi)外的學(xué)者對地質(zhì)災(zāi)害評價(jià)已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。例如美國聯(lián)邦地質(zhì)調(diào)查局Keefer教授通過對40次大地震滑坡與地震參數(shù)定量關(guān)系統(tǒng)計(jì),開展地震滑坡分類和區(qū)域規(guī)律的研究[2];ITC成員Derya OZISIK2004年研究地震發(fā)生后利用衛(wèi)星和航空遙感影像圖獲取資料,能夠在第一時(shí)間完成對地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害造成損失的評估;E.C.Evik、T.Topal利用敏感性因子作為定量化指標(biāo)對天然氣管道兩側(cè)的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行危險(xiǎn)性研究區(qū)劃[3];國內(nèi)研究較早的是1979年中國科學(xué)院成都山地所李天池探討了地震與滑坡關(guān)系及地震滑坡預(yù)測,將地震滑坡劃分為同發(fā)型和后發(fā)型兩大類,并分析了其形成機(jī)制,建立了地震誘發(fā)滑坡的區(qū)域范圍的統(tǒng)計(jì)關(guān)系[4];唐川、朱靜等學(xué)者2001年GIS支持下的地震誘發(fā)滑坡危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測研究[5-6],探討運(yùn)用GIS識別和定量計(jì)算不同地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)的技術(shù)方法,完成云南省地震誘發(fā)滑坡危險(xiǎn)區(qū)預(yù)測圖,推動國內(nèi)地震誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的研究。GIS主要用于數(shù)據(jù)處理,空間分析和圖像處理。利用GIS進(jìn)行空間檢索與分析、屬性數(shù)據(jù)的調(diào)用、圖表計(jì)算、數(shù)學(xué)模擬,及對多個(gè)圖層的復(fù)合、分解、疊加等運(yùn)算,同時(shí)結(jié)合評價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)對地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的目的[7]。

本文借助遙感(RS)和地理信息系統(tǒng)(GIS)強(qiáng)大的技術(shù)支持,再結(jié)合比較前人研究成果,通過對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的類型及威脅特性分析,利用模糊綜合評價(jià)模型,實(shí)現(xiàn)評價(jià)結(jié)果。具體的評價(jià)步驟如下:

(1)數(shù)據(jù)收集。數(shù)據(jù)收集包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)(地形圖、水系),地質(zhì)圖,斷裂分布,災(zāi)害點(diǎn)分布;(2)評價(jià)因子的選取。根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和野外調(diào)查結(jié)果,分析地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的基本因素和誘發(fā)因素,選取評價(jià)因子。(3)危險(xiǎn)性評價(jià)。利用GIS技術(shù),對各個(gè)評價(jià)因子建立評價(jià)因子圖層,進(jìn)行柵格圖層運(yùn)算,最后結(jié)合相關(guān)模型,完成對研究區(qū)的危險(xiǎn)性評價(jià)分區(qū)圖。

圖1 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)技術(shù)路線圖

3 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)

3.1 地質(zhì)災(zāi)害分布現(xiàn)狀

茂縣地處青藏高原向川西平原過渡地帶,山高谷深,新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈,不良地質(zhì)現(xiàn)象較普遍。根據(jù)國土資源系統(tǒng)在震前的調(diào)查,地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)有115處;5?12汶川大地震中又誘發(fā)新增了大量的地質(zhì)災(zāi)害,給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?cái)產(chǎn)安全帶來了極大的威脅,根據(jù)國土資源系統(tǒng)開展的震后地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查結(jié)果,地震新增災(zāi)害點(diǎn)287處,包括崩塌、滑坡、泥石流和不穩(wěn)定斜坡等災(zāi)害類型。茂縣地質(zhì)災(zāi)害分布及類型見表1、附圖3A。由附圖3A可以看出地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)大多呈現(xiàn)出沿河流和斷裂帶分布的規(guī)律。

表1 災(zāi)害點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

3.2 評價(jià)數(shù)據(jù)及預(yù)處理

(1)數(shù)據(jù)收集?；A(chǔ)地理資料來源于國家測繪局1∶5萬、1∶25萬電子地圖;0.5 m分辨率的航空影像圖由國土資源部門提供;地層巖性源于四川省1∶20萬地質(zhì)圖;地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)資料來源于國土資源系統(tǒng)的震前災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)和震后地質(zhì)災(zāi)害野外排查資料以及成都理工大學(xué)利用遙感解譯所得到的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)的匯總。斷裂分布圖來源于四川省地震局。

(2)數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于原始數(shù)據(jù)的載體、儲存方式、格式可能不統(tǒng)一,為滿足后期的研究需要,要對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化、規(guī)范化的預(yù)處理,首先將掃描的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行幾何矯正,提高數(shù)據(jù)配準(zhǔn)精度,以提高柵格疊加的精度,投影變換,保證坐標(biāo)的統(tǒng)一,利用GIS的矢量化功能,將柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成矢量數(shù)據(jù)。

3.3 評價(jià)指標(biāo)體系的建立

評價(jià)指標(biāo)體系是由若干單項(xiàng)因子構(gòu)成,它既要達(dá)到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)的目標(biāo)與要求,又要全面、合理、客觀、科學(xué)。本著以上原則,危險(xiǎn)性評價(jià)因子,可分為兩類:一類是基礎(chǔ)因素;另一類是誘發(fā)因素?；A(chǔ)性因素包括地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、災(zāi)害點(diǎn)分布;誘發(fā)因素包括降雨、地震、風(fēng)化剝蝕、開挖與堆填等。從影響和控制地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的地形和地質(zhì)因子入手,最終確定本研究區(qū)危險(xiǎn)性評價(jià)的評價(jià)因子有:坡度因子、海拔高程因子、河流因子(距河流距離)、地層巖性因子、斷裂構(gòu)造因子這5個(gè)評價(jià)因子,將災(zāi)害點(diǎn)在每個(gè)評價(jià)因子的分布頻率作為分級指標(biāo),每個(gè)評價(jià)因子分成4個(gè)等級,借鑒前人對于指標(biāo)分級的研究[8],將5個(gè)評價(jià)因子指標(biāo)進(jìn)行分級,結(jié)果如表2。

表2 危險(xiǎn)性因子分級標(biāo)準(zhǔn)表

根據(jù)以上分類標(biāo)準(zhǔn),利用GIS的3D Analyst模塊,分別得到地形坡度因子分級圖(附圖3B)、海拔高程因子分級圖(附圖3C)、巖石類型因子分級圖(附圖3D)、河流緩沖區(qū)分級圖(附圖3E)和斷裂緩沖區(qū)分級圖(附圖3F)。

3.4 模糊評價(jià)模型

評價(jià)模型的構(gòu)建是危險(xiǎn)性評價(jià)中很重要的一個(gè)部分,會對評價(jià)結(jié)果有重大影響,本文在前人研究模型的基礎(chǔ)上,通過對比其他模型發(fā)現(xiàn)模糊綜合評判模型更精準(zhǔn)地反映災(zāi)害的信息累計(jì)過程,本文對評價(jià)因子的構(gòu)建進(jìn)行了一定的優(yōu)化,提出災(zāi)害頻率量化模型,建立一種災(zāi)害點(diǎn)頻率法指標(biāo)量化模型,該模型能根據(jù)災(zāi)害點(diǎn)分布規(guī)律準(zhǔn)確反映災(zāi)害危險(xiǎn)程度的梯度關(guān)系;運(yùn)用黃金分割定權(quán)方法是根據(jù)現(xiàn)有研究成果作為基礎(chǔ),對評價(jià)因子進(jìn)行先后排序,再通過模型定量。

(1)頻率模型簡述。該模型通過對研究區(qū)進(jìn)行柵格分區(qū),根據(jù)已知的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)出每個(gè)柵格面積內(nèi)的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量,進(jìn)一步計(jì)算每個(gè)柵格區(qū)域的災(zāi)害點(diǎn)頻率,該頻率值稱制之為危險(xiǎn)度,它反映區(qū)域內(nèi)以

式中:GS——適合劃分柵格面積;S——原始地形圖比例尺的倒數(shù)。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)公式,得到研究區(qū)柵格大小劃分為40 m×40 m。

(2)歸一化處理。上述危險(xiǎn)度用災(zāi)害點(diǎn)在單位面積內(nèi)的頻率大小來表示,為了滿足模糊綜合評判構(gòu)建判別矩陣的要求,需要對危險(xiǎn)度做歸一化處理,歸一化處理數(shù)據(jù)的模型有很多,結(jié)合數(shù)據(jù)本身的特點(diǎn),通往發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性的大小,與地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性有密切的關(guān)系。該模型表述為

式中:Ik——危險(xiǎn)度;k——評價(jià)因子(坡度因子、海拔高程因子、河流緩沖區(qū)因子、巖石類型因子、斷裂緩沖區(qū)因子);Nij——該柵格內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù);Hij——特定柵格面積;N——研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)總數(shù);H——研究區(qū)的總面積。

研究區(qū)評價(jià)單元柵格大小劃分根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[7]得到過對比研究,利用以下模型進(jìn)行

式中:yk——?dú)w一化后的評價(jià)因子危險(xiǎn)度。

(3)模糊綜合評價(jià)模型。模糊綜合評價(jià)模型[9]如下

假設(shè)評價(jià)因子集合,共有n個(gè)評價(jià)因子

評價(jià)集合,每個(gè)評價(jià)因子都有m個(gè)可取評價(jià);

設(shè)評判對象按因素集合U中第i個(gè)因子ui進(jìn)行評價(jià)時(shí),對評價(jià)集合V中的第j個(gè)元素vj的隸屬程度為rij,Ri稱為單因子評價(jià)集,可用矩陣表示

得到矩陣(b1,b2,…,bn),稱為評價(jià)指標(biāo),取此結(jié)果的平均值作為判別結(jié)果,決定歸屬情況,即

式中:v——該區(qū)的危險(xiǎn)性評價(jià)指標(biāo)的最終值,它表示指定區(qū)域內(nèi)的危險(xiǎn)程度。

(4)危險(xiǎn)性評價(jià)因子權(quán)重確定。因子權(quán)重即貢獻(xiàn)率,是指評價(jià)因子在地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)中所起的作用大小。貢獻(xiàn)率越大,該因子所占的權(quán)重就越大。根據(jù)其他專家學(xué)者對權(quán)重取值的研究成果,得到地形因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響最大,其次是地層巖性,地質(zhì)構(gòu)造、河流緩沖區(qū)、海拔高程等。按照此順序,5個(gè)因子順序?yàn)榈匦纹露纫蜃樱镜貙訋r性因子＞斷裂構(gòu)造因子和河流緩沖因子＞海拔高程。過去將定性判斷轉(zhuǎn)化為定量判斷大多用專家打分法,這種方法是根據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)來定權(quán)的大小,存在主觀隨意性,該模型利用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)中的黃金分割定理[10-11],表示為

式中:Wi——權(quán)重;假定地形坡度的權(quán)重為 1,地層巖性、斷裂構(gòu)造和河流因子、海拔高程因子的權(quán)重依次為0.618,0.382,0.382,0.236。

表3 危險(xiǎn)性因子分析和權(quán)重分級簡表

通過對坡度、巖性、距河流距離、距斷裂距離、海拔高程5個(gè)評價(jià)因子危險(xiǎn)度的分別統(tǒng)計(jì),再利用黃金分割法確定每個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重,并將危險(xiǎn)性評價(jià)因子及權(quán)重均歸一化處理,得到各危險(xiǎn)度因子分級、權(quán)重?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表,詳見表3。

(5)基于GIS空間分析功能實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)性綜合評價(jià)。利用GIS的3D Analyst功能,結(jié)合模糊綜合評價(jià)的數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出每個(gè)因子的危險(xiǎn)度疊加綜合值,危險(xiǎn)度綜合取值按照0-0.4-0.7-1的界定值分級,將研究區(qū)分為低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū)。利用不同灰度代表不同的危險(xiǎn)度值進(jìn)行分區(qū),得到危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果圖如圖2。危險(xiǎn)性分區(qū)面積統(tǒng)計(jì)見表4。

圖2 茂縣危險(xiǎn)性分區(qū)圖

表4 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

利用基于GIS與模糊綜合評判相結(jié)合的方法,把研究區(qū)域分成低危險(xiǎn)區(qū)、中危險(xiǎn)區(qū)和高危險(xiǎn)區(qū),通過統(tǒng)計(jì)分析災(zāi)害點(diǎn)分布與危險(xiǎn)分區(qū)的關(guān)系,得到以下結(jié)論:

(1)采用模糊綜合評判和黃金分割定權(quán)的方法,基于GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了5?12汶川大地震后重災(zāi)區(qū)茂縣的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià),模型能充分反映各個(gè)評價(jià)因子的貢獻(xiàn)率,準(zhǔn)確體現(xiàn)危險(xiǎn)程度的差異,將研究區(qū)分成低危險(xiǎn)區(qū)1 614 km2;占研究區(qū)面積的41.9%,該區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占總體災(zāi)害點(diǎn)的 14.9%;中危險(xiǎn)區(qū)1 273 km2,占研究區(qū)面積的33.1%,該區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占總體災(zāi)害點(diǎn)的24.4%;高危險(xiǎn)區(qū)962 km2,該區(qū)內(nèi)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)占總體災(zāi)害點(diǎn)的25.0%,占總體災(zāi)害點(diǎn)的60.7%。

(2)全縣范圍內(nèi)的危險(xiǎn)分區(qū)由南往北呈減弱趨勢,北部高山地區(qū)主要是低危險(xiǎn)度區(qū),南部在茂汶斷裂附近,主要是中危險(xiǎn)度區(qū)和高危險(xiǎn)度區(qū)。這一特性與茂縣境內(nèi)的地質(zhì)巖性、斷裂分布、海拔高程與危險(xiǎn)性區(qū)域分布相吻合。但是由于本次調(diào)查的災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)主要是以影響人類生命財(cái)產(chǎn)的區(qū)域?yàn)橹?北部山區(qū)調(diào)查的數(shù)據(jù)量較少,也會對評價(jià)結(jié)果造成一定影響。

(3)利用模糊綜合評判對茂縣的危險(xiǎn)性綜合評價(jià)分區(qū),高危險(xiǎn)度區(qū)域?yàn)?zāi)害點(diǎn)比較發(fā)育,低危險(xiǎn)區(qū)則災(zāi)害點(diǎn)分布較少,能夠綜合反映研究區(qū)的區(qū)域危險(xiǎn)性,能為汶川地震災(zāi)區(qū)災(zāi)后重建居民點(diǎn)的選取提供依據(jù),為防災(zāi)減災(zāi)提供依據(jù),具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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