何寶夫，張加桂

（1.中國地質(zhì)科學(xué)院 地 質(zhì)力學(xué)研究所，北京 1 00081；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 1 00055）

0 引言

金沙江流域地處青藏高原東南緣，流經(jīng)中國大陸第一個地形急變帶。該區(qū)地質(zhì)環(huán)境脆弱，地形地貌多變，在新構(gòu)造運動時期，兩大板塊碰撞引起青藏高原隆升，河流強烈下蝕，形成了獨特的高山峽谷環(huán)境。流域內(nèi)立體氣候明顯，區(qū)域上氣候差異較大，素有“一山有四季，十里不同天”之說。同時，金沙江干流蜿蜒曲折，支系發(fā)育，水速、水量、水位等多變，沿江沿河地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)［1-3］，這些都給后期水電運營帶來了很大的困難。無論是從保護流域地質(zhì)環(huán)境，還是從金沙江流域大型水電建設(shè)及其后期運營方面，流域區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害研究都具有重要的意義。針對流域區(qū)狹?。ㄏ鄬εc面域）線性的特點，選取一種合適的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法無疑是至關(guān)重要的，本文結(jié)合金沙江高山峽谷區(qū)的河流特征，充分考慮河流對地質(zhì)災(zāi)害的作用。在方法手段的選取上，本文充分利用Logistic回歸模型輸出結(jié)果客觀、穩(wěn)定性高、計算速度快等特點，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合ArcGIS強大的空間分析功能，以野外調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點為樣本，選取對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生起關(guān)鍵性作用的致災(zāi)因子，進而評價典型庫區(qū)段地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性。

1 魯?shù)乩娬編靺^(qū)地質(zhì)環(huán)境概況

研究區(qū)地處滇西北，屬于中國西部兩大地貌單元的地形急變區(qū)，該區(qū)活動構(gòu)造發(fā)育，淺表層地質(zhì)作用強烈，地形地貌極為復(fù)雜。伴隨著青藏高原的快速隆升，滇西北淮平原從新近紀(jì)上新世晚期［4］（3.6Ma以來）開始抬升；到中更新世末，隨著青藏高原的再次強烈隆升，最終奠定了現(xiàn)今西南三江地區(qū)獨特的高山峽谷地貌和地形急變區(qū)帶。據(jù)研究［5］：金沙江石鼓—宜賓河段，近百萬年來的平均深切速率大約為25～30cm/ka，近十多萬年以來平均深切速率達99～77cm/ka，說明近十多萬年來，區(qū)域隆升速率明顯加快。研究區(qū)河谷深切且比降較大，水力沖刷作用劇烈，河流的快速下切伴隨邊坡應(yīng)力的強烈釋放，邊坡經(jīng)歷了強烈的卸荷過程，谷坡動力作用強烈，致使地質(zhì)災(zāi)害頻繁發(fā)生。

庫區(qū)位于金沙江麗江干流段，金沙江在庫區(qū)段內(nèi)呈“L”字型展布，總體地勢西高東低。西北部海拔在2000～3000m，東南部海拔在1100～2000m，最低處為魯?shù)乩瓑沃废掠谓鹕辰庸?，海拔僅1130m左右，這種強烈的地形起伏給地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育提供了很好的地形地貌條件。

魯?shù)乩娬編焓讌^(qū)地處紅色碎屑巖區(qū)，極易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。2008年魯?shù)乩瓑沃穮^(qū)施工現(xiàn)場發(fā)生泥石流，就造成了9人死亡的嚴(yán)重事故。高山峽谷區(qū)強烈發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害已經(jīng)嚴(yán)重制約水電建設(shè)，同時也會對后期庫區(qū)運營留下不小隱患。

2 魯?shù)乩娬編靺^(qū)地質(zhì)災(zāi)害概況

經(jīng)野外初步調(diào)查表明，區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)災(zāi)害類型包括滑坡、崩塌（塌岸）和泥石流［6］（圖 1）。在庫長為100km的河段，發(fā)育著81處地質(zhì)災(zāi)害點，總平均線密度D為0.81個/km。其中，滑坡體個數(shù)為59個，占總災(zāi)害點的72.8％，平均線密度為0.59個/km；崩塌體個數(shù)為9個，占總災(zāi)害點的11.1％，其平均線密度為0.09個/km；泥石流發(fā)育有13條，占總災(zāi)害的16.1％，其平均線密度為0.13條/km（表1）。

表1 魯?shù)乩娬編靺^(qū)地質(zhì)災(zāi)害分類型統(tǒng)計表Table 1 Distribution of types of geo-hazards in reservoir area

滑坡是研究區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害，分布廣泛，而且種類多樣，具有群發(fā)性和集中誘發(fā)的特點?；轮饕l(fā)育在金沙江深切峽谷，這與研究區(qū)特殊的地形地貌是密不可分的。同時，滑坡的巖性“選擇”也較為明顯，在庫區(qū)中生界“紅層”內(nèi)較為發(fā)育，即滑坡發(fā)育在以層狀結(jié)構(gòu)為主的碎屑巖巖組內(nèi)。

崩塌（塌岸）災(zāi)害是研究區(qū)另一種災(zāi)害類型，主要發(fā)生在坡體較陡的硬質(zhì)巖區(qū)（如灰?guī)r、巖漿巖）。在深切峽谷段，由于巖體強烈卸荷，節(jié)理裂隙發(fā)育，崩塌往往比較頻發(fā)。研究區(qū)劈理化帶發(fā)育，也是造成崩塌災(zāi)害的一個重要原因［7］。經(jīng)野外調(diào)查，金沙江金江橋段。庫區(qū)塌岸主要發(fā)生在金江橋以西的金沙江河谷堆積階地段，由于過去的采金活動，岸坡遭受破壞，使得局部地段的岸坡穩(wěn)定性下降，造成塌岸。

泥石流是研究區(qū)另一類地質(zhì)災(zāi)害。在研究區(qū)比較發(fā)育，按泥石流流域形態(tài)特征可劃分為溝谷型泥石流和坡面型泥石流，溝谷型泥石流在金沙江河谷及支流兩側(cè)都較為發(fā)育，而坡面型泥石流則與滑坡有很好的鏈生性，當(dāng)滑坡體含水量增加使得巖土體達到流塑狀態(tài)后發(fā)生長距離流動時，產(chǎn)生坡面型泥石流。

3 魯?shù)乩娬編靺^(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性研究

3.1 Logistic回歸模型簡述

目前應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的方法很多，如概率統(tǒng)計模型，數(shù)學(xué)模型，確定性模型和經(jīng)驗方法模型［8-9］。其中基于概率統(tǒng)計模型的方法，由于對致災(zāi)變量的要求低，對各類災(zāi)害的適應(yīng)性較強，在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價研究中得到了較為廣泛的應(yīng)用［10-11］。Logistic回歸模型，雖然其原理與判別分析和多元回歸分析核心預(yù)測理論一致，但因其最優(yōu)輸出結(jié)果客觀穩(wěn)定，計算速度快等特點，被許多學(xué)者所采用，并在進行地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測中取得了較理想的效果［8-9，12-13］。

Logistic回歸是指因變量為二項分類的回歸分析，它繼承了多元線性回歸思路，因變量是二值（0或1），自變量X1，X2，X3，…，Xn也許是類別變量或連續(xù)變量或是兩種類型的混合。在地質(zhì)災(zāi)害分析中，將災(zāi)害的發(fā)生與否作為因變量（1代表災(zāi)害發(fā)生，0代表災(zāi)害不發(fā)生），將各致災(zāi)因子作為自變量（X1，X2，X3，…，Xn）。給定一個數(shù)據(jù)點x，它屬于C1類的概率是：

屬于兩分類的概率和為1，對于另一類的概率只要做減法即可得到：

式中：

p——災(zāi)害發(fā)生的概率，取值范圍為［0，1］；

Z——獨立致災(zāi)因子x的線性組合；

Bi（i=0，1，…，n）——樣本數(shù)據(jù)估計得到的邏輯回歸系數(shù)；

n——獨立致災(zāi)因子的數(shù)量；

Xi（i=1，2，…，n）——獨立致災(zāi)因子。

3.2 地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)致災(zāi)因子選取

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查，以及對該流域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及發(fā)育規(guī)律的分析［6］，在區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害成因分析的基礎(chǔ)上。選取岸坡對應(yīng)的工程地質(zhì)巖組（圖1）、河谷形態(tài)、斷裂活動強度、地表沖蝕強度、原始坡度、原始坡向和地形起伏度等7個變量作為魯?shù)乩瓗靺^(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的致災(zāi)因子（表2）。

圖1 魯?shù)乩瓗靺^(qū)地質(zhì)災(zāi)害與工程地質(zhì)巖組分布圖（注：背景為ASTER真彩色影像）Fig.1 The distribution map of geologic hazard and engineering geology fabric in Ludila Reservoir

表2 致災(zāi)因子分級Table 2 Classification of disaster factor

野外調(diào)查顯示，該區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度與地層巖性有很大的關(guān)系，庫首段主要巖性為紅色碎屑巖，巖性軟弱，變形強烈，風(fēng)化嚴(yán)重；由于該流域位于高原區(qū)，受高原氣候影響較為明顯，造成不同坡向的風(fēng)化速率不同，不同高程風(fēng)化速率也不一樣；不同的河谷形態(tài)，代表了河流演化的不同階段，其兩側(cè)的邊坡變形也不盡相同，高山峽谷區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度和規(guī)模強烈；活動斷裂對地質(zhì)災(zāi)害的控制作用在很多文獻中已經(jīng)述及［14-17］；地形起伏度與區(qū)域的滑坡有一定的相關(guān)性［18-19］；地表徑流沖蝕強度在一定程度上與地質(zhì)災(zāi)害有較強的關(guān)聯(lián)性。

3.3 致災(zāi)因子數(shù)值化、柵格化及樣本點的選取

由于在計算過程中，Logistic回歸模型要求每個數(shù)據(jù)作為一個實數(shù)向量，因此，需要對致災(zāi)因子各個子集進行數(shù)值化，本文采用n個數(shù)值代表一個擁有n個子集的致災(zāi)因子，其中只用一個數(shù)值是1，其余的數(shù)值是0，例如對于擁有3個子集的致災(zāi)因子：地表徑流沖蝕強度可以轉(zhuǎn)換為（0，0，1）、（0，1，0）和（1，0，0）。本文7個致災(zāi)因子一共可以轉(zhuǎn)換為擁有29個“0”、“1”形式的數(shù)值向量。值得注意的是，大部分的致災(zāi)因子按等間距分級，而對于斷裂活動強度來說，其各級活動強度影響范圍是不一樣的；在坡向分級過程中，根據(jù)野外調(diào)查分析，對各坡向進行了一定的歸并。致災(zāi)因子的空間賦值如圖2所示。

圖2 致災(zāi)因子數(shù)值分布（數(shù)值越大與災(zāi)害的相關(guān)性越大）Fig.2 Numerical distribution of disaster factor

在GIS中進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性、危險性分析，一般都要將圖層進行柵格化，把圖形數(shù)據(jù)劃分為事先定義尺寸的規(guī)則正方形。對每個致災(zāi)因子都進行單元格劃分，每個單元格都賦予一個值。根據(jù)現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)從ASTER原數(shù)據(jù)提取，其分辨率為15m。考慮到其實際的分辨率，并且兼顧柵格數(shù)量對計算速度的影響，采用20m×20m的柵格單元，據(jù)此將整個研究區(qū)9.3km2范圍共劃分為557971個20m×20m柵格。

本文使用Logistic回歸模型進行地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測，這類模型需要兩類基本信息：（1）野外調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點和對應(yīng)的致災(zāi)因子；（2）研究區(qū)的致災(zāi)因子。由于兩類樣本模型同時需要正類樣本（已經(jīng)發(fā)生災(zāi)害的地點）和負類樣本（不發(fā)生災(zāi)害的地點），本文在地質(zhì)災(zāi)害分布區(qū)域內(nèi)（滑坡、崩塌面域內(nèi)）隨機選取柵格點作為正類樣本；在非地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域內(nèi)隨機選取等量的柵格點作為負類樣本，且正負樣本的間距均大于20m。

3.4 致災(zāi)因子的評定

本文上述選取的7個致災(zāi)因子僅是根據(jù)經(jīng)驗和野外調(diào)查的結(jié)果，對于各因子致災(zāi)程度的強弱不是很清楚，因此必須通過一定的篩選，去除相關(guān)程度較弱的致災(zāi)因子，從而突出與災(zāi)害發(fā)生密切相關(guān)的致災(zāi)因子。首先將樣本點的7個致災(zāi)因子逐次添加到計算模型中驗證各致災(zāi)因子對岸坡穩(wěn)定性的貢獻，根據(jù)各種判別標(biāo)準(zhǔn)來確定因子的取舍，最終遴選出相關(guān)最密切的因子參與模型最后的計算。本文通過Logistic回歸模型的前向迭代算法，計算出每個致災(zāi)因子各自的貢獻率，在向前迭代5步計算后，取得了最優(yōu)的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)預(yù)測模型，其中地表徑流沖蝕強度、工程地質(zhì)巖組、河谷形態(tài)、坡度、坡向被用于參與計算。而斷裂活動強度和地形起伏度被舍棄。由于研究區(qū)的河流與斷裂呈大角度相交，斷裂對河谷段的影響范圍較小，對地質(zhì)災(zāi)害的控制作用不是很明顯，因此在本次易發(fā)性分析中被舍棄。另外一個被舍棄的因素是地形起伏度，研究區(qū)滑坡規(guī)模大，多有較大的滑坡平臺，地形起伏就沒有太大的區(qū)分度，另外，寬谷區(qū)也有一定數(shù)量的地質(zhì)災(zāi)害點的存在，在一定程度上，影響了地形起伏度的區(qū)分度，因此地形起伏度在計算過程中也被模型舍棄。

3.5 模型預(yù)測的精度驗證

由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生物理過程的復(fù)雜性、各種巖性的物理力學(xué)參數(shù)的不一致性、空間環(huán)境的變異性、評價因子選取過程對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的依賴性和評價過程中對數(shù)據(jù)取舍造成的信息損失等因素的存在，造成了災(zāi)害空間預(yù)測的不確定性。因此有必要運用適當(dāng)?shù)臋z驗手段對預(yù)測結(jié)果進行可靠性分析。本文采用匹配度與預(yù)測能力兩個指標(biāo)作為檢驗標(biāo)準(zhǔn)。匹配度是將訓(xùn)練樣本作為輸入值輸入模型，進而對災(zāi)害進行預(yù)測得到的正確率，它反映了模型的自擬合程度。匹配值在75％～90％的范圍較適合，低于75％說明模型預(yù)測能力存在問題，高于90％說明模型訓(xùn)練過于匹配，泛化能力不足［11］。而預(yù)測能力則反映了對未來發(fā)生災(zāi)害體的預(yù)測正確率，是對模型的最直接檢驗。本文將樣本的70％作為訓(xùn)練樣本參與模型訓(xùn)練及匹配度評價；將樣本的30％作為檢驗樣本用于檢驗預(yù)測能力。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性最優(yōu)的訓(xùn)練模型（Step5）的地質(zhì)災(zāi)害樣本匹配度為76.3％，檢驗正確率為78.4％。由此可見訓(xùn)練得到的結(jié)果是比較理想的（表3）。

表3 基于Logistic模型的易發(fā)性匹配度與檢驗正確率Table 3 Susceptibility fitness and prediction accuracies of logistic model

3.6 魯?shù)乩瓗靺^(qū)段地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價

分別采用地質(zhì)災(zāi)害的 Logistic回歸系數(shù)，在ArcGIS平臺上按Logistic回歸公式（公式1、2、3）來計算地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性。根據(jù)自然斷點法得到地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖（圖3），本文將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性劃為4級：高易發(fā)性、較高易發(fā)性、中等易發(fā)性、較低易發(fā)性。經(jīng)統(tǒng)計各級別所占的比重分別為：41％、24％、14％、21％。由圖3可見：

（1）研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度很高，高易發(fā)區(qū)占41％；

（2）高易發(fā)性區(qū)主要有兩段，一是庫首段，從壩址區(qū)到大路底附近；另外一段位于朵美附近；

（3）本區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度與工程地質(zhì)巖性、地表徑流沖蝕強度關(guān)系密切。

野外調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點基本上落在高易發(fā)區(qū)及較高易發(fā)區(qū)?，F(xiàn)場調(diào)查與預(yù)測的結(jié)果有較好的吻合度。總體上，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)主要位于層狀砂巖、泥巖、頁巖及松散堆積層中，那里也是地表徑流沖蝕強烈的地區(qū)；另外，地質(zhì)災(zāi)害對坡向有一定的敏感性，北岸和東岸的發(fā)育程度相對較高。需要說明的是，本文得到易發(fā)性評價是基于地質(zhì)災(zāi)害點，但就地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模而言峽谷區(qū)更大，發(fā)育強度也更為強烈，由于峽谷、寬谷的不成比例，寬谷區(qū)遠遠長于峽谷區(qū)，在地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量上，兩者沒有很大差別，因此，在模型中不能較好體現(xiàn)河谷形態(tài)對地質(zhì)災(zāi)害的影響。

圖3 魯?shù)乩瓗靺^(qū)段地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.3 Geo-hazard susceptibility zonation map of Ludila Reservoir

4 結(jié)論

本文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用Logistic回歸模型和GIS空間分析方法，對影響庫岸地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的7個致災(zāi)因子進行遴選，最終選取地表徑流沖蝕強度、工程地質(zhì)巖組、河谷形態(tài)、坡度、坡向5個與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性強的因子，得到了如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度高，高易發(fā)區(qū)占41％，較高易發(fā)區(qū)占24％、中等易發(fā)區(qū)占14％、較低易發(fā)區(qū)占21％。

（2）地質(zhì)災(zāi)害主要分布在壩址區(qū)到大路底段及朵美附近，本區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育程度與工程地質(zhì)巖組、地表徑流沖蝕強度關(guān)系密切。

（3）檢驗表明，預(yù)測結(jié)果與流域地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育現(xiàn)狀有很高的吻合度。

致謝：本文在撰寫過程中得到了本所姚鑫博士、王濤博士的技術(shù)指導(dǎo)，在此深表感謝。

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