彭 珂，彭紅霞，2，梁 峰，黃長生，丘卓明

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)公共管理學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)國土資源部法律評價工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;3.吉首大學(xué)師范學(xué)院，湖南 吉首 416000;4.中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢430205;5.江西省核工業(yè)地質(zhì)局二五六大隊，江西 贛州 335001)

隨著研究方法和信息技術(shù)的進(jìn)步，國內(nèi)外對地質(zhì)災(zāi)害的研究由概念、種類等定性研究轉(zhuǎn)向風(fēng)險性評價、易發(fā)性區(qū)劃、經(jīng)濟(jì)損失評估等定量研究，主要研究方法包括數(shù)理統(tǒng)計模型、力學(xué)模型、3S技術(shù)等。針對我國地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁、分布廣泛的特點(diǎn)，在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)水平不足的情況下，通過易發(fā)性區(qū)劃來圈定地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度高的危險區(qū)域，以有計劃地展開地質(zhì)災(zāi)害防治工作，可為減災(zāi)防災(zāi)提供依據(jù)[1-3]。在國外，許多學(xué)者多利用推理模型、統(tǒng)計模型和確定性模型等方法對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評價[4-11]，如Anbalagan等[4]利用GIS技術(shù)和空間分析模型對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評估與區(qū)劃。在國內(nèi)，也有學(xué)者利用GIS軟件對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行了評價，為小流域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價提供了研究經(jīng)驗(yàn)[12-18]；同時，回歸模型[19]、綜合指數(shù)法[20]、襲擾法等方法在滑坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價與區(qū)劃研究中也得到了廣泛應(yīng)用；此外，如羅真富等[21]、高克昌等[22]、范林峰等[23]利用信息量模型對地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了易發(fā)性評價與區(qū)劃，確定了評價指標(biāo)及其權(quán)重，并劃分了地質(zhì)災(zāi)害的危險性等級。

本文在對贛州市地質(zhì)災(zāi)害情況進(jìn)行資料收集和野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用信息量模型對該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因子進(jìn)行了量化計算，并利用ArcGIS軟件對影響因子圖層進(jìn)行了疊加分析，最終得到贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖，同時結(jié)合實(shí)際情況對其進(jìn)行修正，以為該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治提供理論支持。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

贛州市位于武夷山脈、南嶺山脈和羅霞山脈的交匯地帶，群山環(huán)繞，斷陷盆地貫穿其中，形成了以山地、丘陵為主的地形。研究區(qū)為典型的亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，雨量充沛，有明顯的季節(jié)差異。區(qū)內(nèi)主要分布震旦系、寒武系、泥盆系等地層，巖性主要為巖漿巖、變質(zhì)巖、碎屑巖、碳酸鹽和第四紀(jì)松散堆積物。該地區(qū)位于南嶺復(fù)雜構(gòu)造帶，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造和斷裂構(gòu)造發(fā)育，見圖1。多個因素相疊加是贛州市滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的重要原因。

圖1 贛州市區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Geographic location of Ganzhou city

2 研究方法

2. 1 信息量模型

信息量模型是進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測的一種有效方法，它適用于中小比例尺區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的危險性預(yù)測。利用信息量模型預(yù)測研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的準(zhǔn)確與否取決于地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測過程中所獲取信息的數(shù)量和質(zhì)量，可用信息量表示。信息量值越大，表明地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度越高[24-28]。信息量模型可表示如下：

(1)

式中：I(Y,x1,x2,…,xn)為因素組合x1,x2,…,xn對地質(zhì)災(zāi)害所提供的信息量；P(Y,x1,x2,…,xn)為在因素組合x1,x2,…,xn條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率；P(Y)為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生概率。

根據(jù)條件概率運(yùn)算，可進(jìn)一步寫成：

I(Y,x1,x2,…,xn)=I(Y,x1)+Ix1(Y,x2)+…+Ix1,x2,…xn-1(Y,xn)

(2)

式中：Ix1(Y,x2)為在因素x1存在時，因素x2對滑坡和崩塌等地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量。

實(shí)際計算時往往采用樣本統(tǒng)計結(jié)果計算其信息量，先計算單個因素對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供的信息量，再對它們求和，得到總的信息量作為評價地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的綜合指標(biāo)，具體計算公式如下：

(3)

式中:I為評價單元總的信息量值；Ii為因素xi對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供的信息量值；Ni為評價單元內(nèi)因素xi發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害單元數(shù)；N為研究區(qū)域內(nèi)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害的單元總數(shù)；Si為研究區(qū)域內(nèi)含有評價因素xi的單元數(shù)；S為研究區(qū)域內(nèi)評價單元總數(shù)。

通常該模型得到的總信息量值I是連續(xù)分布的絕對數(shù)值，需要對其進(jìn)行級別劃分。本文根據(jù)指標(biāo)的信息量值大小來判斷研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性程度，信息量越大，說明研究區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度越高。

2. 2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價指標(biāo)的選取

贛州市地質(zhì)災(zāi)害的表現(xiàn)形式為滑坡、崩塌、不穩(wěn)定斜坡、泥石流和地面塌陷等災(zāi)害類型，且以滑坡和崩塌為主。本次在地質(zhì)災(zāi)害評價指標(biāo)的統(tǒng)計過程中，將滑坡和不穩(wěn)定斜坡統(tǒng)歸為滑坡，將崩塌和危巖體統(tǒng)歸為崩塌，滑坡和崩塌是斜坡失穩(wěn)的兩種形式。對滑坡起控制作用的因素同樣制約著崩塌的產(chǎn)生，但各影響因素對滑坡和崩塌所起的作用或?qū)烧叩呢暙I(xiàn)略有差異，因此本文在對贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行區(qū)劃時，將滑坡和崩塌兩種災(zāi)害類型合并統(tǒng)計。

據(jù)研究區(qū)統(tǒng)計資料及典型災(zāi)害點(diǎn)的勘察研究，初步確定贛州市地質(zhì)災(zāi)害的影響因素有工程地質(zhì)巖組、斜坡結(jié)構(gòu)類型、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文地質(zhì)條件等靜態(tài)因素，以及降雨、人類工程活動等動態(tài)因素。結(jié)合贛州市自然地理特征和前期研究，在充分考慮資料的可獲得性、研究區(qū)的尺度、研究區(qū)范圍和研究精度要求等基礎(chǔ)上，最終選取6類影響因素作為研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的評價指標(biāo)，即斜坡幾何形態(tài)、斜坡結(jié)構(gòu)類型、工程地質(zhì)巖組、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件和人類工程活動，具體的評價因子和狀態(tài)指標(biāo)見表1。

贛州市地質(zhì)災(zāi)害與斜坡幾何形態(tài)及結(jié)構(gòu)類型關(guān)系密切，因此對這兩個評價因子的提取十分必要。斜坡幾何形態(tài)主要包括坡高和坡度，本次將坡高和坡度要素分別劃分為4級；將斜坡結(jié)構(gòu)類型劃分為4級，在斜坡結(jié)構(gòu)類型中如順向坡和逆向坡，由于巖層結(jié)構(gòu)、重力、降水以及植被覆蓋等因素的影響，這兩類坡向上的巖土體容易發(fā)生滑動，產(chǎn)生規(guī)模不等的地質(zhì)災(zāi)害。贛州市有5類巖土體分布較為廣泛，故將工程地質(zhì)巖組歸并為5類巖組，其中分布在河流、水域附近的松散巖土類以及分布在西部和東南部的巖漿巖類發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的密度最大，見圖2。地質(zhì)構(gòu)造形成了一定的地貌和地層，也影響巖土體分布及其結(jié)構(gòu)特征，是地質(zhì)災(zāi)害的誘因之一。水文地質(zhì)條件中的強(qiáng)降雨和地表水的沖蝕作用對滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生有著重要影響。人類工程活動如人工開挖筑路在不同程度上影響了斜坡的穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)為改變斜坡地形和斜坡水分分布狀況、降低巖土體強(qiáng)度、改變斜坡物質(zhì)組成以及增加斜坡負(fù)荷等方面，對山地地質(zhì)災(zāi)害的形成起到推波助瀾的作用。

表1 贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價因子和狀態(tài)指標(biāo)

圖2 贛州市地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)密度圖Fig.2 Density of geo-hazards in Ganzhou City

3 基于信息量模型的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃與防治措施

3. 1 信息量計算結(jié)果與分析

本次贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)且結(jié)合地形地貌等因素，選取網(wǎng)格單元尺寸為250 m×250 m獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)，并利用ArcGIS軟件，從研究區(qū)地形圖、居民交通圖、工程地質(zhì)圖中提取因子圖層，將之轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，并進(jìn)行空間疊加分析。

根據(jù)已有的指標(biāo)數(shù)據(jù)，確定各指標(biāo)因子的具體狀態(tài)，并利用公式(3)計算各指標(biāo)因子的信息量值，其計算結(jié)果見表2。

由表2可見，6類影響因素共分為25個評價因子，由各評價因子的信息量值大小可知，人類工程活動(城鎮(zhèn)、村莊周圍5 km范圍，x25)、工程地質(zhì)巖組(松散巖土類，x13)、斜坡幾何形態(tài)(地形坡高≥800 m，x4；地形坡度在30°～35°之間,x7)、工程地質(zhì)巖組(巖漿巖類,x15)、斜坡幾何形態(tài)(地形坡高在500～800 m之間，x3；地形坡度≥35°，x8)、地質(zhì)構(gòu)造(斜坡在斷裂帶影響范圍以內(nèi)即<1 km,x18)，這些評價因子對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的形成發(fā)育貢獻(xiàn)較大。

表2 贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)各評價因子信息量值

根據(jù)表2的計算結(jié)果，利用ArgGIS軟件對各評價因子的信息量值進(jìn)行疊加分析，可得到評價單元總信息量最高值為1.728 75，最低值為-3.263 57，其數(shù)值越大，反映各因素對地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育的貢獻(xiàn)越大，發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性也就越大。本文利用統(tǒng)計學(xué)中常用的自然斷點(diǎn)法對所有評價單元進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級劃分，將贛州市全區(qū)按地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)等級劃分為三級：高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)，并將分區(qū)統(tǒng)計結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際分布情況進(jìn)行了對比分析，詳見表3。

由表3可知，在高易發(fā)區(qū)和中易發(fā)區(qū)面積大致相同的前提下，由信息量模型計算得到的研究區(qū)各易發(fā)性分區(qū)等級下的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)絕對數(shù)量隨易發(fā)程度的降低而減少，同時地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際發(fā)生比率(b/a，即易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)比率與易發(fā)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害面積比率的比值)也隨之減少，說明這種劃分方法得出的研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)等級與實(shí)際的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生情況基本吻合，證明了分區(qū)結(jié)果的合理性。

表3 贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)等級與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際分布對比表

注：柵格尺寸大小為250 m×250 m；a為該易發(fā)性分區(qū)等級的面積占贛州市總面積的百分比；b為落在該易發(fā)性分區(qū)等級內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量占贛州市總地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量的百分比;c為落在該易發(fā)性分區(qū)等級內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量(柵格數(shù))。

3. 2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)

本文在利用信息量模型對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響因子進(jìn)行定量計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮地質(zhì)災(zāi)害形成發(fā)育的現(xiàn)狀，最終將贛州市按地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性程度劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)3個等級，共11個亞區(qū)，并提出了相應(yīng)的防治措施，詳見表4和圖3。

表4 贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)及防治措施

圖3 贛州市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖Fig.3 Map of geo-hazard susceptibility zonation of Ganzhou City

3.2.1 地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)

贛州市地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)(A)總面積為23 358.22 km2，占全市總面積的59.27%，主要分布在贛州的東北雩山山區(qū)、東側(cè)武夷山山區(qū)以及西北諸廣山山區(qū)。這些山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，人類工程活動強(qiáng)烈，加上降雨等誘發(fā)因素，易形成地質(zhì)災(zāi)害。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型以滑坡、崩塌、地面塌陷為主，不穩(wěn)定斜坡次之，泥石流、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害零星發(fā)育，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)模以中小型為主，穩(wěn)定性較差。

贛州市地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)主要包括4個亞區(qū)：在區(qū)域上呈不規(guī)則的喇叭狀分布的南康—章貢—贛縣—興國—寧都一帶滑坡、崩塌高易發(fā)亞區(qū)(A1);沿贛西邊界呈塊狀分布的大余—崇義—上猶—南康—贛縣—興國一帶滑坡、崩塌、泥石流高易發(fā)亞區(qū)(A2);呈不規(guī)則的條帶狀分布的石城—寧都—瑞金—會昌—安遠(yuǎn)一帶滑坡、崩塌、塌陷高易發(fā)亞區(qū)(A3);在平面上沿贛州邊界呈帶狀分布的瑞金—會昌—尋烏一帶滑坡、崩塌高易發(fā)亞區(qū)(A4)。

3.2.2 地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)

贛州市地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)(B)總面積為11 195.77 km2，占全市總面積的28.41%，主要分布在贛州的西南部、南部及西北部分地區(qū)。區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，人類工程活動比較強(qiáng)烈，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)模以中小型滑坡、崩塌為主，穩(wěn)定性較差。

贛州市地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)主要包括3個亞區(qū)：贛州西南呈塊狀分布的石城縣東南部一帶滑坡、崩塌中易發(fā)區(qū)(B1);贛州西南呈塊狀分布的于都—贛縣—信豐—安遠(yuǎn)—尋烏一帶滑坡、崩塌中易發(fā)亞區(qū)(B2);在平面上呈條帶狀分布的尋烏縣中部羅壙圩—留車一帶滑坡、崩塌中易發(fā)亞區(qū)(B3)。

3.2.3 地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)

贛州市地質(zhì)災(zāi)害低發(fā)區(qū)(C)總面積為4 853.25 km2，占全市總面積的12.32%，主要分布在贛州北部寧都盆地、西北部興國盆地、西部南康盆地、贛州盆地、西南部信封盆地以及東部會昌盆地等盆地及河流階地區(qū)。區(qū)內(nèi)人類工程活動頻繁，但地質(zhì)環(huán)境條件相對簡單，地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)模以小型為主，穩(wěn)定性較差。

地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)主要包括4個亞區(qū)：寧都縣中部、南部—于都北部一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C1);沿河流或盆地呈條帶狀分布的興國盆地—南康盆地一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C2);區(qū)北段主要是沿瑞金盆地及綿水沿線分布，南段主要沿會昌盆地及以南部分地區(qū)分布，在平面上呈條帶狀分布的瑞金中部—會昌盆地一帶滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C3);沿信豐盆地呈塊狀分布的信豐盆地滑坡、崩塌低易發(fā)亞區(qū)(C4)。

3. 3 地質(zhì)災(zāi)害的防治措施

在充分考慮贛州市地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育規(guī)律的基礎(chǔ)上，參照地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)災(zāi)害防治的實(shí)際情況，對贛州市各地區(qū)提出了不同的防災(zāi)減災(zāi)策略(見表4)，如在A1亞區(qū)，即寧都縣東北部和北部及中部地區(qū)以及贛縣東南部、東部及中部地區(qū)，這些地區(qū)受地質(zhì)災(zāi)害威脅嚴(yán)重，治理難度大，故對生產(chǎn)、生活條件基本喪失的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)(隱患點(diǎn))應(yīng)采取搬遷避讓措施;在C2亞區(qū)，對嚴(yán)重威脅居民聚居區(qū)、交通干線、重大工程設(shè)施安全的地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)有計劃地實(shí)施工程治理措施，如興國盆地—南康盆地一帶地區(qū)，分布有眾多聚居人口，且有重要的交通干線如京九鐵路干線等，應(yīng)在考慮社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的穩(wěn)定性、資源可持續(xù)利用等因素的前提下，對該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)進(jìn)行工程治理。

4 結(jié) 論

本文以贛州市為研究區(qū)，選取斜坡幾何形態(tài)、斜坡結(jié)構(gòu)類型、工程地質(zhì)巖組等6類影響因素構(gòu)成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價指標(biāo)體系，并利用ArcGIS軟件和信息量模型，結(jié)合實(shí)際情況對其進(jìn)行修正，最終將贛州市按地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度劃分為3個區(qū)(高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)和低易發(fā)區(qū))及11個亞區(qū)，該分區(qū)結(jié)果與地質(zhì)災(zāi)害實(shí)際調(diào)查結(jié)果基本相符，表明利用信息量模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)具有可行性和有效性。在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的基礎(chǔ)上，對贛州市各區(qū)提出了不同的防災(zāi)減災(zāi)策略，其研究結(jié)果對該地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價及防治具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。