毛啟曦， 胡元平， 劉萬亮， 翁茂芝， 段先鋒

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034； 2.資源與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034)

根據(jù)湖北省地質(zhì)災(zāi)害綜合防治體系建設(shè)要求,需要著重對線性工程區(qū)域內(nèi)的滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害(隱患點)給出防控措施和建議。線性廊道區(qū)具有路線長、地質(zhì)條件多樣和自然環(huán)境復(fù)雜等特點,地質(zhì)災(zāi)害是其主要危險源。開展線性廊道區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價是該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害綜合防治的重要前提之一。

從20世紀80年代開始隨著數(shù)理統(tǒng)計、概率論等方法和理論不斷被引入地質(zhì)災(zāi)害研究領(lǐng)域,地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評價逐漸由定性向定量發(fā)展,使人們對地質(zhì)災(zāi)害的認識更客觀、科學[1]。常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法主要有層次分析法、頻率比法、證據(jù)加權(quán)分析法、邏輯回歸模型、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、模糊綜合評判模型和信息量模型等[2-8]。信息量模型(IM)是通過選取地質(zhì)災(zāi)害的影響因子，分析各因子空間分布特征，計算不同區(qū)間各因子的信息量，借助疊加分析方法獲得地質(zhì)災(zāi)害綜合信息量，從而建立預(yù)測模型的一種地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價方法。本文借助GIS技術(shù)、遙感技術(shù)，采用信息量模型進行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價,具體步驟如下：①調(diào)查研究區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害,收集整理基礎(chǔ)數(shù)據(jù),分析影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要因素,并結(jié)合前人研究資料,選取合適的評價因子,完成數(shù)據(jù)矢量化；②對各評價因子進行分級,完成單因子圖件,根據(jù)野外調(diào)查情況,矢量化地質(zhì)災(zāi)害點范圍；③采用GIS空間分析技術(shù),提取模型中的數(shù)據(jù),按照一定的分辨率完成柵格化處理,并進行信息量計算；④對各個單因子按信息量計算結(jié)果進行權(quán)重賦值并進行空間分析,完成地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)[10]。

1 研究區(qū)概況

湖北省利川市謀道—建南線性廊道區(qū)位于鄂西南邊陲,北接重慶市萬縣、云陽縣,東接利川市柏楊壩鎮(zhèn),南鄰利川市汪營鎮(zhèn)(圖1)。區(qū)內(nèi)主要線性工程有宜萬鐵路、G5012高速、G318國道、S466省道和天然氣輸氣管線。研究區(qū)地處鄂西南近東西向展布的褶皺山區(qū),多屬構(gòu)造溶蝕侵蝕中低山區(qū)地貌,山高坡陡,峽谷深切,降雨量充沛且集中。復(fù)雜的地質(zhì)條件、自然地理環(huán)境和氣候條件為地質(zhì)災(zāi)害的形成創(chuàng)造了有利條件。

圖1 利川市謀道—建南線性廊道區(qū)交通位置圖Fig.1 Traffic location map of Moudao-Jiannan linear corridor area in Lichuan City

2 信息量模型

信息量模型是源于信息理論中量化描述信息的一種統(tǒng)計學評價方法，被許多學者廣泛應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價中。信息量模型的理論認為，地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生與預(yù)測過程中所獲取信息的數(shù)量和質(zhì)量有關(guān)；在不同的地質(zhì)環(huán)境中,各種影響因素對地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生作用有所差異,信息量越大,表明產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大。

信息量通過事件概率來計算,計算公式如下：

(1)

式中:I(E,x1x2…xn)為因素x1x2…xn組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的信息量;p(E|x1x2…xn)為x1x2…xn組合條件下地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率;p(E)為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的概率。兩者可用統(tǒng)計概率來表示,各種因素組合對預(yù)測地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量值可正可負,當p(E|x1x2…xn)>p(E)時,I(E,x1x2…xn)>0；反之I(E,x1x2…xn)<0。式(1)亦可寫成：

I(E,x1x2…xn)=I(E,x1)+Ix1(E,x2)+…+Ix1x2…xn(E,xn)

(2)

式中:Ix1(E,x2)為因素x1存在條件下,因素x2提供的信息量。

區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害空間預(yù)測是在對研究區(qū)域網(wǎng)格單元劃分的基礎(chǔ)上進行的。假定某區(qū)域內(nèi)共劃分成N個單元,已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元為N0個；具相同因素x1x2…xn組合的單元共M個,而在這些單元中有滑坡地質(zhì)災(zāi)害的單元數(shù)為M0個。按照統(tǒng)計概率代表先驗概率的原理,根據(jù)式(1),因素xi在該地區(qū)內(nèi)對地質(zhì)災(zāi)害提供的信息量為：

(3)

如果采用面積比來計算信息量值,則式(3)可表示為：

(4)

式中:A為研究區(qū)內(nèi)單元總面積；A0為已經(jīng)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的單元面積之和；S為研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點的總數(shù)；S0為分布在評價因素xi的地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)。Ii值的大小直接說明該單元產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性,是地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的重要性指標。I為柵格單元的信息量預(yù)測值,當I值>0時表示多因素的組合有利于柵格單元發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害,反之則表示不利于地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。信息量值越大表示越易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。

3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價過程

本文研究數(shù)據(jù)源自“利川謀道—建南沿線地質(zhì)災(zāi)害詳細調(diào)查”項目中130個實測地質(zhì)災(zāi)害點,隨機選擇其中100個地質(zhì)災(zāi)害點,提取其地質(zhì)災(zāi)害空間分布信息，分析其地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性的主要影響因素，分別為地形地貌、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)構(gòu)造、工程地質(zhì)巖組等。根據(jù)前人研究[11-13]和研究區(qū)自然地理特征,最終選取高程、坡度、坡型(剖面曲率)、構(gòu)造緩沖距離、工程地質(zhì)巖組、地表水緩沖距離、地形濕度、線性工程緩沖距離8個影響因素作為評價因子。

利用工作區(qū)10 m間距等高線地形圖,采用ArcGIS生成DEM數(shù)據(jù),運用表面分析工具和地圖代數(shù)工具提取出地表高程、地形坡度等要素。地質(zhì)構(gòu)造、地表水和線性工程緩沖距離對地質(zhì)災(zāi)害的影響可用距軸線不同距離的地質(zhì)災(zāi)害分布來表示。利用ArcGIS對軸線生成緩沖區(qū),再統(tǒng)計斜坡地質(zhì)災(zāi)害分布與緩沖距離的相關(guān)性，巖土體工程地質(zhì)條件源自實測工程地質(zhì)圖。利用ASTER DEM刻畫地形的變化及其對土壤徑流的影響,計算出地形濕度指數(shù)。

3.1 因子分析

(1) 高程。研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害大多分布在河流、溝谷兩岸斜坡地段,結(jié)合地形地貌特征,本次易發(fā)性分區(qū)研究將高程劃分為4級,分別為550～800 m(低山溝谷)、800～1 000 m(低山斜坡)、1 000～1 500 m(中山斜坡)以及>1 500 m(中山臺地)。通過ArcGIS的DEM數(shù)據(jù)生成地形高程圖,得到工作區(qū)的高程分布信息，如圖2-a所示。統(tǒng)計各高程區(qū)間的區(qū)域面積、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-a所示。

(2) 坡度。通過ArcGIS中的DEM數(shù)據(jù)生成地形坡度圖,將坡度結(jié)果進行相關(guān)性統(tǒng)計,根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,地形坡度可劃分為4級,分別為0°～8°(平臺)、8°～25°(緩坡)、25°～60°(陡坡)和60°～90°(陡崖)。其中地形坡度在8°～25°(緩坡)易于發(fā)生滑坡,在60°～90°(陡崖)容易形成崩塌或危巖體。得到工作區(qū)的地形坡度分布信息如圖2-b所示。統(tǒng)計各坡度區(qū)間的區(qū)域面積、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-b所示。

(3) 坡型(剖面曲率)。利用DEM數(shù)據(jù)提取出剖面曲率，定義剖面曲率>0.5代表凹型坡,剖面曲率<-0.5代表凸型坡,剖面曲率介于-0.5～0.5代表直線型、階梯狀斜坡,得到工作區(qū)剖面曲率分級圖(圖2-c)。統(tǒng)計各剖面曲率區(qū)間的區(qū)域面積、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-c所示。

(4) 構(gòu)造緩沖距離。斷裂對其附近一定范圍內(nèi)巖土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,褶皺引起大范圍的巖層產(chǎn)狀變化。考慮其影響程度隨其延伸性、規(guī)模和地質(zhì)特征變化,地質(zhì)構(gòu)造對地質(zhì)災(zāi)害的影響可用距構(gòu)造軸線不同距離的地質(zhì)災(zāi)害分布來表示。據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,研究區(qū)內(nèi)大型構(gòu)造有建南背斜、箭竹溪向斜和齊岳山斷裂。利用ArcGIS對構(gòu)造軸線生成緩沖區(qū),按自然斷點法劃分為四個區(qū)間,分別為0～200 m、200～400 m、400～800 m以及>800 m,再統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害分布與構(gòu)造緩沖距離的相關(guān)性,得到構(gòu)造分布信息如圖2-d所示。以構(gòu)造緩沖區(qū)圖進行區(qū)間劃分,統(tǒng)計各構(gòu)造緩沖距離區(qū)間的區(qū)域面積、滑坡災(zāi)害數(shù)量百分比如圖3-d所示。

(5) 工程地質(zhì)巖組。地層巖性、巖土體工程地質(zhì)條件是影響地質(zhì)災(zāi)害形成、發(fā)育和穩(wěn)定性的重要內(nèi)因。巖性不同,其地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度及類型不同,強度參數(shù)較低的地層易形成滑坡,并且對滑坡的規(guī)模及類型在很大程度上起著控制作用。研究區(qū)內(nèi)工程地質(zhì)巖組可劃分為軟硬相間碎屑巖地層、碎屑巖夾碳酸鹽巖地層、碳酸鹽巖地層三類。在ArcGIS中將地層數(shù)據(jù)生成地層巖性分布圖,得到研究區(qū)的地層分布信息如圖2-e所示。以巖性類別對地層進行區(qū)間劃分,統(tǒng)計各工程地質(zhì)巖組的區(qū)域面積、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-e所示。

(6) 地表水緩沖距離。地表水的沖蝕在地質(zhì)災(zāi)害的形成演化過程中有不可或缺的作用,可以通過對地表徑流的表面距離分析來實現(xiàn)。研究區(qū)各流域地質(zhì)災(zāi)害多沿水系呈帶狀分布,且具有以水系為中心線向兩側(cè)呈現(xiàn)由密集向分散過渡的特點。研究區(qū)內(nèi)的水系主要有三條,即龍駒河、石龍河、建江河?；诘刭|(zhì)災(zāi)害與水系、溝谷表面距離的相關(guān)性統(tǒng)計分析表明,地質(zhì)災(zāi)害多分布在距水系500 m范圍內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,按自然斷點法將水系的距離劃分為4級,區(qū)間分別為0～100 m、100～300 m、300～500 m和>500 m。分別對三條主要水系以及主要支流進行緩沖分析(圖2-f),并統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害分布在不同水系緩沖區(qū)影響范圍。對水系緩沖區(qū)圖進行區(qū)間劃分,統(tǒng)計各地表水緩沖距離區(qū)間的區(qū)域面積、地質(zhì)災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-f所示。

(7) 地形濕度。土壤濕度代表土壤中的含水量,土壤濕度越大,對巖土體強度參數(shù)的弱化作用越明顯,發(fā)生滑坡、崩塌及不穩(wěn)定斜坡等地質(zhì)災(zāi)害的可能性越大?；贏rcGIS軟件,利用ASTER DEM數(shù)據(jù)計算出地形濕度指數(shù),其能夠準確刻畫地形的變化及其對土壤徑流的影響?；碌刭|(zhì)災(zāi)害大多分布于濕度指數(shù)較大的地區(qū)。再采用自然斷點法將地形濕度分成四個區(qū)段,得到研究區(qū)地形濕度分級圖(圖2-g),并統(tǒng)計不同濕度影響滑坡頻率,統(tǒng)計各地形濕度區(qū)間的區(qū)域面積、滑坡災(zāi)害數(shù)量百分比,結(jié)果如圖3-g所示。

(8) 線性工程緩沖距離。研究區(qū)主要線性工程有國道、省道、高速、鐵路和輸氣管線,其建設(shè)均涉及挖填斜坡,引起斜坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)改變,易形成地質(zhì)災(zāi)害。對于線性廊道區(qū)評估范圍,以擬建工程走徑兩側(cè)擴展500～1 000 m為界[14]。利用ArcGIS對線性工程軸線生成緩沖區(qū),按照自然斷點法劃分區(qū)間為0～100 m、100～300 m、300～500 m以及>500 m。再統(tǒng)計地質(zhì)災(zāi)害分布與構(gòu)造緩沖距離的相關(guān)性,得到研究區(qū)的構(gòu)造分布信息如圖2-h所示。以構(gòu)造緩沖區(qū)圖進行區(qū)間劃分,統(tǒng)計各線性工程緩沖距離區(qū)間的區(qū)域面積、滑坡災(zāi)害數(shù)量百分比(圖3-h)。

圖2 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價因子分級圖Fig.2 Graded diagram of evaluation factors of geological disaster susceptibility

圖3 各評價因子對地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育貢獻統(tǒng)計Fig.3 Statistics on the contribution of evaluation factors to the development of geological disasters

3.2 信息量計算

采用信息量模型,對上述指標體系中各指標等級的信息量值進行計算,地質(zhì)災(zāi)害相應(yīng)指標的信息量值如表1所示。最終應(yīng)用ArcGIS柵格計算器,將上述地質(zhì)災(zāi)害各評價指標對應(yīng)的信息量值相加,獲得研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的柵格總信息量分布圖。將地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果按自然斷點法劃分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)四個等級(圖4)。

表1 評價因子信息量Table 1 Information quantity of evaluation factors

4 評價結(jié)果

通過疊加以上8個評價因子,對地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性結(jié)果進行區(qū)域統(tǒng)計分析,得到各地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)的評價因子組合形式(圖4),分析如下。

圖4 利川謀道—建南線性廊道區(qū)易發(fā)性分區(qū)圖Fig.4 Division map of susceptibility of linear corridor area along Moudao-Jiannan in Lichuan City

(1) 極高易發(fā)區(qū)。面積為39.84 km2,占研究區(qū)總面積的11.92%；區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點有77處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的77%。區(qū)內(nèi)多出露侏羅系沙溪廟組二段(J2s2)地層,主要為厚—巨厚層狀細砂巖、薄—中層狀泥質(zhì)粉砂巖等,巖體軟硬相間,差異風化,坡面呈多級臺坎狀；河谷岸坡總體呈對稱“V”字形。工程建設(shè)中對斜坡坡腳和坡體開挖,形成臨空面,使得上部巖土體失去支撐,導(dǎo)致斜坡變形,易形成滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害。

(2) 高易發(fā)區(qū)。面積為105.49 km2,占研究區(qū)總面積的31.56%；區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點有16處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的16%。該區(qū)人類居住分散,多沿斜坡地帶居住,人類工程活動較弱,主要為切坡修建公路、房屋、在斜坡平緩處開墾農(nóng)田等。切坡對坡體擾動大,加劇了區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的形成、發(fā)展。在斜坡平緩處切坡修建房屋、開墾農(nóng)田等,造成植被破壞,加速水土流失,易形成滑坡、崩塌地質(zhì)災(zāi)害。

(3) 中易發(fā)區(qū)。面積為110.43 km2,占研究區(qū)總面積的33.04%；區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點有6處,占研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的6%。該區(qū)人類居住相對集中,多沿斜坡地帶居住,主要為切坡修建鄉(xiāng)村公路、房屋、開墾農(nóng)田等。區(qū)內(nèi)斜坡坡度較緩,穩(wěn)定性總體較好。

(4) 低易發(fā)區(qū)。面積為78.50 km2,占研究區(qū)總面積的23.48%,區(qū)內(nèi)僅有1處小型滑坡地質(zhì)災(zāi)害點。該區(qū)人類工程活動強烈,主要為切坡修建鄉(xiāng)村公路、房屋、開墾農(nóng)田等,但該區(qū)內(nèi)的切坡和邊坡多半已進行人工治理,斜坡穩(wěn)定性總體較好。

表2 各易發(fā)性分區(qū)地質(zhì)災(zāi)害特征統(tǒng)計表Table 2 Statistical table of geological disasters characteristics in each susceptibility division

通過統(tǒng)計各易發(fā)性分區(qū)的面積、地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)量,可計算出不同易發(fā)等級的地質(zhì)災(zāi)害點密度。計算結(jié)果表明,隨著易發(fā)性等級的提高,地質(zhì)災(zāi)害點密度由低易發(fā)區(qū)的0.01處/km2增加到極高易發(fā)區(qū)的1.93處/km2。

5 結(jié)論

(1) 基于信息量模型,選取高程、坡度、坡型(剖面曲率)、構(gòu)造緩沖距離、工程地質(zhì)巖組、地表水緩沖距離、地形濕度、線性工程緩沖距離8個評價因子,借助GIS技術(shù)對利川市謀道—建南線性廊道區(qū)斜坡地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進行評價。通過計算不同因子對地質(zhì)災(zāi)害的信息量,疊加分析獲得該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分布圖,將該區(qū)分為低易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、高易發(fā)區(qū)和極高易發(fā)區(qū)4類。

(2) 高程在1 000～1 500 m,坡度>60°,剖面曲率>0.5的凹型坡,構(gòu)造緩沖距離在400～800 m,工程地質(zhì)巖組為軟硬相間碎屑巖類,河流附近100 m以內(nèi),地形濕度等級在4級,距線性工程緩沖距離100 m以內(nèi)是研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害集中發(fā)生的區(qū)域。

(3) 研究區(qū)內(nèi)線性工程緩沖距離100 m以內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害信息量最高,究其原因,可能是線性工程修建時切坡、棄渣場地堆積、回填等引起斜坡地質(zhì)環(huán)境改變,誘使地質(zhì)災(zāi)害風險提升。

(4) 隨著地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級的提高,地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的比例快速上升,地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性等級與實際發(fā)生數(shù)量相符。極高易發(fā)區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害點數(shù)占總數(shù)的77%,地質(zhì)災(zāi)害點密度為1.93處/km2,表明評價結(jié)果可靠,可為該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害防治和經(jīng)濟建設(shè)提供科學依據(jù)。