易靖松， 張群， 張勇， 程英建， 尹國(guó)龍

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)災(zāi)害防治技術(shù)中心， 成都 611734； 2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所， 成都 611734； 3. 四川省國(guó)土空間生態(tài)修復(fù)與地質(zhì)災(zāi)害防治研究院， 成都 610036)

對(duì)于山區(qū)城鎮(zhèn)尺度(1∶5 000～1∶10 000)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，諸多學(xué)者開展了大量的研究工作[1]，但由于大比例尺的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)需要高精度的調(diào)查數(shù)據(jù)及合適的評(píng)價(jià)方法做支撐，一直是地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)研究過程一個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)[2]。近年來，李冠宇等[3]基于聚類分析對(duì)陜西省韓城市進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確；張茂省等[4]在甘肅省白龍江流域開展了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；指出流域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)要充分考慮承災(zāi)體受威脅的程度；孟凡奇等[5]基于證據(jù)權(quán)法開展了泥石流的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)；羅路廣等[6]采用信息量模型對(duì)九寨溝景區(qū)地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；孟慶華[7]在秦嶺山區(qū)研究了區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法；王峰[8]在南江縣對(duì)比了邏輯回歸和模糊數(shù)學(xué)兩種模型在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)的適用性及準(zhǔn)確性，研究表明邏輯回歸更適合中小比例尺的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評(píng)價(jià)；劉力維等[9]基于地理信息平臺(tái)軟件(geographic information system， GIS)研究了泥石流的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；喬建平等[10]以耦合了地下水動(dòng)力學(xué)的無限斜坡穩(wěn)定性計(jì)算模型為基礎(chǔ)；王芳[11]在萬州地區(qū)進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究，詳細(xì)介紹了斜坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的數(shù)據(jù)處理過程以及參數(shù)選取方法。目前，多數(shù)學(xué)者基于統(tǒng)計(jì)模型類方法(信息量模型、邏輯回歸模型、證據(jù)權(quán)模型等)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)、危險(xiǎn)等評(píng)價(jià)開展了大量研究工作，選取的主要因素主要有：地形、巖組、坡體結(jié)構(gòu)等內(nèi)因和地震、降雨、人類活動(dòng)等外因。這類基于統(tǒng)計(jì)模型，利用已知災(zāi)害點(diǎn)為樣本的評(píng)價(jià)方法在小比例尺度的評(píng)價(jià)單元具有較好的評(píng)價(jià)效果，但對(duì)于中～大比例尺的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，受限于評(píng)價(jià)面積小，樣本數(shù)量少等不確定因素，評(píng)價(jià)效果往往欠佳。

關(guān)于斜坡單元的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，易靖松等[12]以江口鎮(zhèn)為典型案例進(jìn)行過探究，但評(píng)價(jià)過程中，對(duì)單個(gè)斜坡單元的風(fēng)險(xiǎn)高低主要采用打分表定性判定，缺少定量化的評(píng)價(jià)方法?，F(xiàn)基于地質(zhì)災(zāi)害大調(diào)查項(xiàng)目，在工作區(qū)選取典型山區(qū)城鎮(zhèn)云南省龍陵縣臘勐鎮(zhèn)作為研究區(qū)，以斜坡單元為研究評(píng)價(jià)尺度單元，利用無限斜坡模型，對(duì)研究區(qū)劃分的斜坡單元的危險(xiǎn)性開展逐坡定量評(píng)價(jià)，旨在為山區(qū)城鎮(zhèn)中～大比例尺的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供技術(shù)方法支撐和示范。

1 研究區(qū)概述

1.1 地質(zhì)環(huán)境條件

研究區(qū)(圖1)位于云南省保山市龍陵縣，總面積58.16 km2，屬高中山深切割峽谷地貌，地貌形態(tài)的展布受構(gòu)造線的控制，切割深度1 500～2 000 m。山體呈近南北向展布，山勢(shì)高峻，山頂呈魚脊?fàn)?，河谷深峽，谷坡陡峭，坡度多在35°以上。

研究區(qū)出露地層時(shí)代包括有侏羅系、奧陶系、寒武系及部分燕山期花崗巖地層；出露巖性較復(fù)雜，侏羅系地層以為紫紅色泥巖為主，夾多層細(xì)—粗砂巖，上部為灰白色白云質(zhì)灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r；奧陶系出露巖性為黃綠、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖、灰質(zhì)粉砂巖夾少量紫紅、暗紫色泥質(zhì)砂巖；寒武系出露巖性為黃綠、灰綠色頁巖夾灰厚層狀石英砂巖、粉砂巖和泥質(zhì)灰?guī)r。研究區(qū)構(gòu)造作用強(qiáng)烈，發(fā)育有怒江斷裂、龍陵-瑞麗斷裂和黃草壩斷裂等諸多大型壓扭性斷裂，斷裂帶在研究區(qū)內(nèi)近南北向平行展布，斷裂帶附近巖體受構(gòu)造擠壓作用強(qiáng)烈，巖體較破碎。區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害以滑坡災(zāi)害為主，共記錄8處滑坡災(zāi)害，并通過調(diào)查完成了研究區(qū)內(nèi)滑坡災(zāi)害的邊界勾繪。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件圖Fig.1 The geological environment conditions of study area

1.2 斜坡單元?jiǎng)澐?/h3>

利用arcgis水文分析工具結(jié)合人工修正，按照單個(gè)斜坡單元面積小于0.5 km2的原則，將研究區(qū)共劃分為232個(gè)斜坡單元作為本次評(píng)價(jià)的基本單元。通過本次詳細(xì)調(diào)查，獲取了研究區(qū)斜坡單元覆蓋層厚度、長(zhǎng)度、坡度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合取樣試驗(yàn)分析和工程地質(zhì)類比，獲取了各種地層巖性區(qū)域的物理力學(xué)等參數(shù)，如圖2所示。

2 模型簡(jiǎn)介及參數(shù)取值

2.1 無限斜坡模型簡(jiǎn)介

無限斜坡模型是基于極限平衡理論，通過抗剪力與剪應(yīng)力之間的比值來計(jì)算斜坡的穩(wěn)定性系數(shù)。剪應(yīng)力為每個(gè)斜坡塊體的下滑力，抗剪強(qiáng)度為每個(gè)斜坡塊體的抗剪強(qiáng)度，斜坡塊體的黏聚力和摩擦力組成[13]。其主要公式為

(1)

式(1)中：FS為斜坡穩(wěn)定性系數(shù)；C為有效黏聚力；φ為有效內(nèi)摩擦角；h為覆蓋層厚度；h′為不同降雨工況條件下的入滲深度；β為滑面傾角；r為滑體天然重度；r′為滑體浮重度。

2.2 計(jì)算工況

臘勐鎮(zhèn)地處滇西高原，降雨充沛，區(qū)內(nèi)降雨特征在一定程度上決定了地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的時(shí)間和規(guī)模。因此，本次評(píng)價(jià)擬采用10年一遇、20年一遇、50年一遇以及100年一遇工況分別開展地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

本次危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)不同降雨工況根據(jù)單日累計(jì)最大降雨量確定，常態(tài)工況24 h雨強(qiáng)主要依據(jù)收集到的汛期(5—10月)降雨數(shù)據(jù)，加權(quán)求和確定。由于工作組在研究區(qū)安裝了多臺(tái)雨量站，通過收集2021年5—10月降雨數(shù)據(jù)，得到研究區(qū)單日常態(tài)工況雨強(qiáng)平均值為18.7 mm；查詢《云南省中小流域暴雨洪水計(jì)算手冊(cè)》，其變異系數(shù)為0.51，根據(jù)變異系數(shù)，查皮爾遜Ⅲ型曲線得到不同降雨頻率下的模比系數(shù)，從而得到不同降雨頻率下的雨強(qiáng)，如表1所示。

表1 不同降雨工況比例系數(shù)統(tǒng)計(jì)表(24 h雨強(qiáng))Table 1 The statistical table of proportional coefficients under different rainfall conditions(24 h rain intensity)

圖2 研究區(qū)斜坡單元?jiǎng)澐謭DFig.2 The division of slope units in the study area

表2 各類覆蓋層物理力學(xué)參數(shù)取值表Table 2 The physical and mechanical parameter value table of various surface soil layer

2.3 參數(shù)取值

通過工作區(qū)精細(xì)化的地質(zhì)調(diào)查工作，區(qū)內(nèi)斜坡地質(zhì)災(zāi)害以淺層土質(zhì)滑坡為主，覆蓋層厚度為3～15 m，本次調(diào)查工作對(duì)劃分的斜坡單元開展了逐坡調(diào)查，獲取了各斜坡單元的覆蓋層厚度h，通過賦值得到覆蓋層h的計(jì)算圖層。其他參數(shù)主要通過收集工作區(qū)15處勘查設(shè)計(jì)資料獲得，通過收集整理，得到不同地層巖性的基本力學(xué)參數(shù)，具體情況如表2所示。

在參數(shù)取值過程中，比較難以確定的參數(shù)為不同降雨工況條件下的入滲深度(h′)，降雨入滲過程十分復(fù)雜，研究區(qū)覆蓋層屬于滇西地區(qū)紅土，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]，這里采用Green-Ampt模型中的非積水入滲部分公式來確定：

(2)

式(2)中：y為入滲深度；t為降雨時(shí)間；q為降雨強(qiáng)度；β為斜坡坡度；Qs為飽和含水率；Qi為初始含水率。

由式(2)可以看出，Qs-Qi是一個(gè)定值，通過對(duì)研究區(qū)取樣數(shù)據(jù)分析得到研究區(qū)各類覆蓋層土的值如表3所示。

依據(jù)不同降雨工況條件下的設(shè)計(jì)雨強(qiáng)(表1)，利用式(3)計(jì)算得到各斜坡單元不同降雨工況條件下的入滲深度(h′)。根據(jù)上述取值方法，將無限斜坡模型中的各參數(shù)賦值，得到各參數(shù)的賦值圖層(圖3)。

3 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

3.1 危險(xiǎn)性計(jì)算

利用arcgis柵格計(jì)算器功能，將賦值好的各參數(shù)圖層代入無限斜坡模型進(jìn)行計(jì)算，得到不同降雨工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算值(FS)。研究區(qū)穩(wěn)定性計(jì)算值在[0.417，2.651]，根據(jù)《地質(zhì)災(zāi)害技術(shù)規(guī)范》，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定性系數(shù)分級(jí)為不穩(wěn)定，基本穩(wěn)定，欠穩(wěn)定，穩(wěn)定4個(gè)區(qū)間，將計(jì)算值劃分為[0.417，0.8)、[0.8，1.0)、[1.0，1.2)、[1.2，2.651) 4個(gè)區(qū)間，依次對(duì)應(yīng)極高危險(xiǎn)、高危險(xiǎn)、中危險(xiǎn)和低危險(xiǎn)4個(gè)等級(jí)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果概化

基于ARCGIS平臺(tái)，將參數(shù)圖層代入無限斜坡模型計(jì)算，必須依靠地圖代數(shù)模塊中的柵格計(jì)算器，因此得到的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果也是柵格數(shù)據(jù)格式。一個(gè)斜坡單元內(nèi)就存在不同F(xiàn)S的多個(gè)柵格，而斜坡單元作為一個(gè)整體，每一個(gè)斜坡單元應(yīng)該對(duì)應(yīng)一個(gè)危險(xiǎn)性等級(jí)。這里采用arcgis分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能，統(tǒng)計(jì)每個(gè)斜坡單元的所包括不同危險(xiǎn)等級(jí)柵格單元的個(gè)數(shù)，并以柵格個(gè)數(shù)占比最大的危險(xiǎn)性等級(jí)作為該斜坡單元的危險(xiǎn)性等級(jí)。按照上述概化方法，得到斜坡單元尺度的臘勐鎮(zhèn)危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖(圖5)。

4 易損性評(píng)價(jià)

承災(zāi)體易損性是指承災(zāi)體受到一定強(qiáng)度的災(zāi)害作用時(shí)可能的損失程度。通常用 0～1 的數(shù)字來定量表達(dá)，0 表示無損失，1 表示完全損失，主要考慮承災(zāi)體的類型和承災(zāi)體受威脅的程度及可能遭受的損失。

本次易損性評(píng)價(jià)參照《地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)要求細(xì)則(1∶50 000)(試行)》M.2承災(zāi)體易損性賦值建議表(表4)，對(duì)研究區(qū)承災(zāi)體進(jìn)行賦值。

表3 各類覆蓋層含水率取值表Table 3 The moisture content values table of various surface soil layer

圖3 各參數(shù)賦值后的計(jì)算圖層Fig.3 The calculated layer of each parameter after assigned

在完成研究區(qū)人口、建筑和交通設(shè)施等主要承災(zāi)體賦值后，按照式(3)進(jìn)行計(jì)算，得到研究區(qū)綜合易損評(píng)價(jià)圖(圖6)。

綜合易損指數(shù)=人口密度指數(shù)+建筑結(jié)構(gòu)類型指數(shù)×0.3+交通設(shè)施指數(shù)

(3)

5 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

5.1 評(píng)價(jià)方法

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)目前常用的主要有定性和定量?jī)煞N方法。定量的方法是基于風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算公式，分別計(jì)算研究區(qū)的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)和人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)；定性的方法主要基于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析矩陣(圖7)，對(duì)研究區(qū)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判定。在地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查的角度，更傾向采用風(fēng)險(xiǎn)矩陣的評(píng)價(jià)方式，對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)按照斜坡單元的尺度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，這樣更有利用地方政府進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)管控。

5.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

按照地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)矩陣，將不同工況條件下的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果與分級(jí)后的易損性評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行疊加，得到研究區(qū)不同降雨工況條件下斜坡單元尺度的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖(圖8)。

圖4 不同降雨工況條件下的穩(wěn)定性系數(shù)FSFig.4 The stability coefficient(FS) under different rainfall conditions

圖5 不同降雨工況條件下的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖Fig.5 The geological hazards dangerousness assessmentFigure under different rainfall conditions

表4 承災(zāi)體類型易損性指標(biāo)分級(jí)賦值表Table 4 The vulnerability index classification assignment

圖6 研究區(qū)易損性評(píng)價(jià)圖Fig.6 The vulnerability assessment Figure of the study area

圖7 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)矩陣圖Fig.7 The risk assessment matrix

圖8 不同降雨工況條件下的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)圖Fig.8 The geological hazards risk assessmentFigure under different rainfall conditions

5.3 評(píng)價(jià)結(jié)果復(fù)核

通過不同工況條件下的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)圖(圖8)可以看出，極端降雨情況下，高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)主要集中臘勐鎮(zhèn)附近斜坡集中分布和竹子坡-舊寺頂斜坡-帶零星分布?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，臘勐鎮(zhèn)附近承災(zāi)體較集中，臘勐鎮(zhèn)地處怒江右岸橫斷山區(qū)，地形坡度多在30°～50°，覆蓋層厚度較厚，主要粉紅色粉質(zhì)砂土夾碎石，結(jié)構(gòu)較松散，在斜坡坡麓地帶或受人類工程改造強(qiáng)烈的區(qū)域，極易在臨空條件好的位置發(fā)生變形破壞，造成人員經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失；竹子坡-舊寺頂斜坡一帶主要為寒武系的頁巖夾厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r，加之受斷裂影響，巖體十分破碎，覆蓋層較厚，主要為紫紅色粉質(zhì)黏土夾少量碎石，黏性成分含量較高，屬于區(qū)內(nèi)的易滑地層，為區(qū)內(nèi)已知地質(zhì)災(zāi)害主要發(fā)育區(qū)域，危險(xiǎn)性等級(jí)較高，由于承災(zāi)體分布較分散，因此疊加之后的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)也較分散；同時(shí)在鎮(zhèn)安鎮(zhèn)附近區(qū)域，雖然承災(zāi)體集中，但多位于山間平原，危險(xiǎn)性極低，其風(fēng)險(xiǎn)總體較低。整體而言，評(píng)價(jià)結(jié)果與調(diào)查情況是十分吻合，且具有較高的評(píng)價(jià)精度。

6 結(jié)論

目前，大多數(shù)學(xué)者在開展大比例尺地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，多傾向于采用基于統(tǒng)計(jì)模型(信息量模型、邏輯回歸模型、證據(jù)權(quán)模型等)，利用已知災(zāi)害點(diǎn)去預(yù)測(cè)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)及危險(xiǎn)區(qū)。這類方法在評(píng)價(jià)過程中一方面始終擺脫不了模型對(duì)已知災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)的依賴，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果始終圍繞著已知點(diǎn)延伸；另一方面是評(píng)價(jià)精度跟樣本數(shù)據(jù)有很大的關(guān)聯(lián)，對(duì)于小面積大比例尺的重點(diǎn)城鎮(zhèn)調(diào)查區(qū)，災(zāi)害點(diǎn)數(shù)量相對(duì)較少，評(píng)價(jià)效果往往欠佳。

通過上文論述內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，基于無限斜坡模型，開展山區(qū)城鎮(zhèn)斜坡單元尺度的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是具備合理性和可操作性的，評(píng)價(jià)精度也較高。該套評(píng)價(jià)理論和方法擺脫了基于統(tǒng)計(jì)模型評(píng)價(jià)過程中的一些不足，但在推廣過程中仍存在以下幾個(gè)方面的問題。

(1)需要大量精細(xì)化的調(diào)查數(shù)據(jù)和勘查工作做支撐。在劃分完斜坡單元后，需要逐坡調(diào)查各個(gè)斜坡的覆蓋層厚度、力學(xué)參數(shù)(C、φ等)的類比取值及各類承災(zāi)體的調(diào)查數(shù)據(jù)。

(2)降雨入滲是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，不同研究區(qū)的土體結(jié)構(gòu)適用的入滲模型均不一樣，本文研究中采用Green-Ampt模型中的非積水入滲部分公式在其他工作區(qū)域不一定適用。

因此，本文模型及評(píng)價(jià)方法在考慮不同降雨工況條件下地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程中，對(duì)入滲模型及入滲公式的選取需適合研究區(qū)的覆蓋層特征，才能使評(píng)價(jià)結(jié)果更加合理。