基于ArcGIS的廣元市利州區(qū)地質災害危險性評價

鄧 兵

(成都理工大學國土資源部地學空間信息技術重點實驗室，四川成都 610051)

四川省廣元市利州區(qū)地處前龍門山與四川盆地交匯過渡地帶，地形地貌復雜，河流切割強烈，地層巖性較差，年降雨量大，加之受汶川地震影響，地質災害發(fā)生頻繁，主要地質災害類型有崩塌、滑坡、地裂縫、地面塌陷等。同時，這些災害又可能衍生出其他災害類型，如崩塌、滑坡產(chǎn)生的巨量松散巖土可能導致泥石流，地裂縫可能發(fā)展成為崩塌、滑坡，崩滑體堵塞江河會形成堰塞湖，失穩(wěn)的破碎山體和崩滑堆積體存在再次崩滑的危險等［1］。地質災害威脅著當?shù)厝罕姷纳敭a(chǎn)安全，急需進行地質災害危險性評價和綜合防治。

地質災害危險性評價是通過對地質災害活動程度以及各活動條件的綜合分析，評價地質災害活動的危險程度，確定地質災害可能造成危害的區(qū)域［2］。本研究以利州區(qū)為例，利用ArcGIS的空間分析功能定量化地評價地質災害危險程度，以期為當?shù)氐牡刭|災害防治和經(jīng)濟社會發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

1.1 地理地質條件

利州區(qū)位于四川盆地北部邊緣、嘉陵江上游、川陜甘三省交接處，地勢東北、西北高，中部低，形成了北部中山區(qū)、中部河谷淺丘及平壩區(qū)、南部低山區(qū)的特殊地理環(huán)境。全區(qū)土地總面積1 538.52 km2，其中70%為山地，總人口約48萬人。境內山峰屬米倉山脈西、岷山脈東、龍門山脈東北三尾端的余脈，最高海拔1 917 m，最低海拔454 m。

區(qū)內出露地層可劃分為北西部龍門山地層分區(qū)和南東部四川盆地分區(qū)兩個大的地層單元。其中，龍門山地層分區(qū)主要分布于利州區(qū)北西部的金洞、三堆、白朝等3個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，四川盆地分區(qū)則廣泛分布于寶輪、工農、大石以南的各鄉(xiāng)鎮(zhèn);龍門山分區(qū)主要出露寒武系至石炭系地層，四川盆地分區(qū)主要是二迭系至侏羅系地層及分布于河谷平壩地區(qū)的第四系地層。

區(qū)內地質構造大致可分為西北部龍門山北東向構造帶與川北臺凹燕山褶皺區(qū)兩大體系。其中，西北部龍門山北東向構造帶位于寶輪、白朝、三堆等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，主要有天井山復背斜、仰天窩復向斜和大茅山復背斜;川北臺凹燕山褶皺區(qū)位于寶輪、工農、大石、柳橋一線以南的廣大鄉(xiāng)鎮(zhèn)，呈向東南緩傾斜的單斜構造，主要由白堊系和侏羅系地層構成，其內部有走馬嶺向斜、河灣場背斜、射箭河向斜、潼子觀背斜、新場向斜、梓潼廟向斜等，斷裂極少，褶皺輕緩寬展。另外，區(qū)內主要有林庵寺—茶壩大斷裂和馬角壩—羅家壩斷裂兩大斷裂帶，西北部龍門山構造帶斷裂構造最為發(fā)育，東北部大巴山過渡帶次之。

1.2 地質災害

本次地質災害危險性評價共選取了研究區(qū)內231個大中型地質災害點，其中塌陷17處，主要分布在斷層發(fā)育地區(qū);崩塌17處，主要分布在嘉陵江河流兩岸;危險性斜坡9處;滑坡188處。

2 地質災害危險性評價

2.1 技術路線

地質災害危險性評價步驟依次為資料收集—數(shù)據(jù)處理—建立評價指標體系—選取評價模型—得出評價結果。收集的資料主要包括研究區(qū)1∶20萬地形圖、1∶20萬地質圖、ETM+遙感影像以及年降雨量、地質災害點信息等。首先，對柵格格式的地形、地質圖進行矢量化處理，對災害點、降雨量信息等進行圖形化處理，并統(tǒng)一投影坐標系統(tǒng)，即采用6°帶高斯克呂格投影、北京54坐標系;其次，基于ArcGIS平臺，由災害點分布圖生成災害點分布密度圖，由年降雨量數(shù)據(jù)插值生成年降雨量等值線圖;再次，在ArcGIS中利用矢量化的地形圖生成DEM數(shù)據(jù)，提取高程、坡度信息，并根據(jù)地質圖中的斷層信息生成斷層密度圖;最后，應用ArcGIS的空間分析模塊對各個圖層進行疊加分析，根據(jù)選取的評價模型得到研究區(qū)地質災害危險性評價結果。

2.2 評價指標體系

研究區(qū)地質災害主要有崩塌、泥石流、滑坡、塌陷等。地質災害的致災因素有很多，地層巖性、地質構造、地形地貌、氣候、構造運動、水文特征、河流侵蝕、人類活動等都會影響地質災害分布，其中地質構造、地形地貌、地層巖性等是地質災害發(fā)生的基本因素，水文特征、氣候、河流侵蝕、人類工程活動等則是地質災害形成的誘發(fā)因素。不同類型地質災害的主導致災因素不同，如崩塌的主導致災因素是地層巖性及地層產(chǎn)狀，而強降雨則是引發(fā)泥石流的重要因素［3］。根據(jù)研究區(qū)地質災害發(fā)育特征和致災機理，建立兩級評價指標體系［4］，其中一級為分類指標，分別為地理環(huán)境、地質構造、外部條件;二級為評價因子，分別為海拔、坡度、河流水系、斷層密度、地層巖性、災害點密度、年降雨量。建立的地質災害危險性評價指標體系見圖1。

圖1 地質災害危險性評價指標體系

2.3 評價模型

(1)評價模型采用指數(shù)加權法。計算時，首先要確定各評價因子的單因素(屬性)指標值，然后通過計算各評價因子的權重系數(shù)求得各評價因子對評判目標的貢獻值，最后根據(jù)綜合指數(shù)F對研究區(qū)進行等級劃分［5］。指數(shù)加權法公式為

式中:F為綜合指數(shù)，即各評價因子對評判目標的總貢獻值;Qi為第i個評價因子的單因素指標值;Wi為第i個評價因子的權重;n為評價因子總數(shù)，n=7。

(2)通過計算各評價因子對災害點的敏感性，來確定各評價因子的單因素指標值。先建立各評價因子的矢量圖層，并劃分其屬性，再建立災害點的空間位置圖層，然后分別計算災害點和各評價因子屬性的相對組合頻率，也就是計算評價因子各屬性所對應區(qū)域內每100 km2災害點的數(shù)量［6］。其計算公式為

式中:Fmn為評價因子m的屬性n的災害點出現(xiàn)的相對頻率(因子敏感性)，個/100 km2;Nmn為評價因子m的屬性n所對應的災害點個數(shù);Smn為評價因子m的屬性n所對應的區(qū)域面積，km2。

由式(2)計算各評價因子各屬性的敏感性，得到各評價因子的單因子指標值。由于各評價因子量綱不同，在進行柵格疊加分析之前，需通過線性函數(shù)轉換法對各評價因子單因子指標值進行歸一化處理。

(3)采用層次分析法確定各評價因子權重。首先，分析各因子之間的關系，同一層各因子根據(jù)某一準則的重要性進行兩兩比較，比較哪個更重要，重要程度為多少，對重要性程度按1—9賦值，構建判斷矩陣;其次，由判斷矩陣計算各被比較因子對于該準則的權重，并進行判斷矩陣的一致性檢驗;再次，計算各層次對于總目標的總排序權重，并進行排序;最后，得到各因子對于總目標的權重。其中，一致性檢驗采用一致性比例C.R.(consistency ratio)并進行判斷，當C.R.＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的;當C.R.＞0.1時，認為判斷矩陣不符合一致性要求，需要對該判斷矩陣進行重新修正，直到C.R.＜0.1為止。計算得到各評價因子權重分別為海拔0.018 1、坡度0.204 9、斷層密度0.048 1、地層巖性0.181 9、年降雨量0.218 8、災害點密度 0.109 4、河流水系 0.218 8。

2.4 柵格疊加分析

利用 ArcGIS軟件 Spatial Analyst模塊的 Raster Calculator功能，基于單個柵格像元進行柵格疊加運算。疊加運算前需對各評價因子圖層柵格大小進行統(tǒng)一化處理，柵格大小選取的經(jīng)驗公式［7－8］為

式中:GS為適宜格網(wǎng)大小;S為原始地形圖比例尺的分母。

根據(jù)公式(3)，結合研究區(qū)資料，最后選定柵格大小為120 m×120 m。依據(jù)各評價因子的單因素指標值及權重，應用評價模型對各評價因子圖層進行疊加分析得到綜合指數(shù)，依據(jù)綜合指數(shù)將研究區(qū)劃分為不危險、低危險、中危險和高危險4個分區(qū)，得到利州區(qū)地質災害危險性評價結果(圖2)以及各分區(qū)面積統(tǒng)計結果(表1)。

圖2 利州區(qū)地質災害危險性區(qū)劃

表1 各分區(qū)面積統(tǒng)計

3 結果與討論

(1)根據(jù)地質災害危險性評價結果，利州區(qū)不危險區(qū)面積190.05 km2，占總面積的12.35%;低危險區(qū)750.18 km2，占 48.76%;中危險區(qū) 450.02 km2，占29.25%;高危險區(qū) 148.27 km2，占 9.64%。高、中危險區(qū)主要分布在地勢陡峭和常年侵蝕的河流兩岸、主要斷裂帶以及人類活動影響較大的區(qū)域，如東壩鄉(xiāng)、河西鄉(xiāng)和盤龍鎮(zhèn)人口數(shù)量較多，人類活動對當?shù)氐闹脖弧⒌貙蛹暗刭|結構的穩(wěn)定性影響較大，容易發(fā)生地質災害。

(2)根據(jù)利州區(qū)的地質特點、環(huán)境條件及地質災害點信息，建立了地質災害危險性評價指標體系，優(yōu)選出7個評價因子，但由于不同地質災害類型的主要致災因子不同，如何更科學、合理地選取評價因子，還有待進一步研究。

(3)采用層次分析法確定各評價因子權重。層次分析法在確定因子權重時能體現(xiàn)出各因子的差異，并且能在一定程度上反映出各評價因子的具體貢獻率。

(4)本研究得到的利州區(qū)地質災害危險性評價結果是基于地質資料得出的地質災害發(fā)生的概率，其準確性與基本資料密切相關。評價結果中，危險性低的地方地質災害發(fā)生概率較小，并不是說地質災害就不會發(fā)生，因此在地質災害低危險區(qū)也要合理開發(fā)利用資源，保護生態(tài)環(huán)境，防止人類活動引發(fā)系列地質災害，甚至發(fā)展成為地質災害高危險區(qū)。

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