基于GIS的四川廣安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

王 磊，王運(yùn)生，陳 云，蔣發(fā)森

(成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610059)

0 概述

地質(zhì)災(zāi)害是指由于自然或人為作用，多數(shù)情況下是二者協(xié)同引起的，在地球表層比較強(qiáng)烈地破壞人類生命財(cái)產(chǎn)和生存環(huán)境的巖土體位移事件［1］。崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生受地質(zhì)環(huán)境的控制，這些地質(zhì)環(huán)境因素主要包括地形地貌、地層巖性、氣象水文、人文活動(dòng)等。地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)就是在考慮各種誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的可能性及危險(xiǎn)性。而地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)就是對(duì)某個(gè)地區(qū)或某個(gè)隱患點(diǎn)的歷史災(zāi)害活動(dòng)狀況、自然條件、地質(zhì)環(huán)境條件、人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)狀況等進(jìn)行綜合分析，從而確定其發(fā)生危及人類生命財(cái)產(chǎn)安全的災(zāi)害事件的概率大?。?］。

國(guó)內(nèi)外利用GIS技術(shù)對(duì)區(qū)域地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)已做了大量研究和應(yīng)用。GIS以其強(qiáng)大的圖像處理、數(shù)據(jù)管理和空間分析功能為地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)、分析提供了方便。GIS技術(shù)可以方便的管理多元數(shù)據(jù)，生成任意大小圖元，解決了傳統(tǒng)評(píng)價(jià)方法中研究區(qū)內(nèi)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境的差異性和復(fù)雜性的難題，使地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)更精確［3］。黃潤(rùn)秋等運(yùn)用GIS技術(shù)與多種數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域評(píng)價(jià)與危險(xiǎn)性區(qū)劃，詳細(xì)介紹了評(píng)價(jià)指標(biāo)和數(shù)學(xué)模型選取方法，并在長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)新灘—巴東段和金沙江溪落渡水電站近壩庫(kù)區(qū)得到了運(yùn)用［3］;薛東劍等結(jié)合遙感數(shù)據(jù)解譯和地面調(diào)查，綜合運(yùn)用GIS技術(shù)、信息量模型和Logistic模型完成了對(duì)青川、平武縣的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)［4］;姚玉增等采用信息量法、統(tǒng)計(jì)量法和層次分析法分別確定指標(biāo)權(quán)重對(duì)遼寧凌源地區(qū)進(jìn)行了地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，表明層次分析法效果最好［5］。本文在對(duì)廣安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上，運(yùn)用GIS技術(shù)和層次分析法確定地質(zhì)災(zāi)害各影響因素權(quán)重，對(duì)廣安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

廣安區(qū)位于四川省東部，跨四川盆地紅層丘陵區(qū)與華鎣山低山地區(qū)兩個(gè)不同的自然地理區(qū)域［6］，106°30'～ 107°05'E，30°20' ～ 30°55'N?？?面 積1533.65km2，下轄43個(gè)鄉(xiāng)(鎮(zhèn))和6個(gè)街道辦事處。廣安區(qū)交通便利，國(guó)家4A級(jí)景區(qū)鄧小平故里為著名的紅色旅游景點(diǎn)。

區(qū)內(nèi)地形地貌復(fù)雜，山地、丘陵、平壩交錯(cuò)，以丘陵地貌為主，總體地貌走勢(shì)為西高東低(圖1)。渠江干流從東北向西南貫穿全境將廣安區(qū)分為東西兩部分，區(qū)內(nèi)其他河流均為渠江水系支流。廣安區(qū)年平均降雨量1082.2mm，降雨主要集中5～10月份，近年廣安區(qū)洪水災(zāi)害頻發(fā)誘發(fā)大量地質(zhì)災(zāi)害。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution region of the geologic hazards of study area

2011年8月，進(jìn)行廣安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，共調(diào)查地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)367處(圖1)。崩塌94處，主要分布在觀塘、護(hù)安、方坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，崩塌規(guī)模上小型崩塌88處，占崩塌總量的93.62%?；?6處，主要分布在觀塘、護(hù)安、方坪等鄉(xiāng)鎮(zhèn)，類型以淺層土質(zhì)滑坡為主，殘坡積土與基巖面和軟、硬巖層面是形成滑坡的主要滑動(dòng)面，人為削坡和汛期強(qiáng)降雨是引發(fā)滑坡的主要因素。塌陷是廣安區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的主要災(zāi)種共208處，主要分布在桂興及小井兩個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，這些塌陷隱患點(diǎn)主要由于地下煤礦開采，采空后形成，其次為地下巖溶發(fā)育形成空洞，其后頂板破裂形成。不穩(wěn)定斜坡分布較少共9處，規(guī)模上以小型為主。

2 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子的選取

影響和誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的地質(zhì)因素很多，根據(jù)本區(qū)實(shí)際調(diào)查情況，本文主要選擇坡度、坡向、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、水系和降雨6個(gè)因素作為地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)因子。

2.1 坡度

研究表明，重力是造成地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的根本原因，在陡峭的斜坡上，下滑力增加，易產(chǎn)生滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害［4］。首先利用ArcGIS基于等高線得到研究區(qū)DEM數(shù)字高程模型，然后運(yùn)用ArcGIS空間分析功能對(duì)DEM進(jìn)行坡度計(jì)算得到研究區(qū)坡度分級(jí)圖(圖2)。廣安區(qū)區(qū)的坡度分布在0°～45°，運(yùn)用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法將坡度分為4個(gè)級(jí)別，分別是:0°～5°、5°～10°、10°～20°、20°～45°。

圖2 研究區(qū)坡度圖Fig.2 Zoning of slope in the study area

2.2 坡向

不同斜坡坡向的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等條件不同，影響了水蒸發(fā)量、植被覆蓋、坡面侵蝕等諸多因素 ，從而影響了斜坡地下水孔隙壓力的分布及巖土體物理力學(xué)特征，因而影響了斜坡穩(wěn)定性［7］。運(yùn)用ArcGIS空間分析功能對(duì)DEM進(jìn)行坡向計(jì)算，將廣安區(qū)的坡向劃分為8個(gè)級(jí)別(圖3)，對(duì)野外調(diào)查所得367處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與坡向進(jìn)行了疊加分析(表1)。

表1 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與坡向關(guān)系Table 1 Relation of geologic hazards and aspect

從表中可以看出坡向270°～360°地災(zāi)點(diǎn)分布較多，坡向 90°～135°、180°～225°次之，坡向 225°～270°、0°～45°分布較少，坡向 135°～180°、45°～90°最少。

圖3 研究區(qū)坡向圖Fig.3 Zoning of exposure in the study area

2.3 地層巖性

地層巖性及其結(jié)構(gòu)特征是影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育和分布的重要內(nèi)在因素之一。巖層的工程地質(zhì)性能取決于原巖的巖性，又取決于后期遭受褶皺、斷裂破碎的程度和風(fēng)化情況［8］。研究區(qū)區(qū)內(nèi)地層出露主要為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組、侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組、上沙溪廟組、三疊系上統(tǒng)須家河組、三疊系中統(tǒng)雷口坡組、三疊系下統(tǒng)嘉陵江組和飛仙關(guān)組(圖4)。對(duì)野外調(diào)查所得367處地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)所處地層巖性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析(表2)，從表中可以看到嘉陵江組和飛仙關(guān)組地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)較密，雷口坡組和須家河組次之，下沙溪廟組和上沙溪廟組分布較少，蓬萊鎮(zhèn)組分布最少。

圖4 研究區(qū)巖性分布圖Fig.4 Zoning of lithology in the study area

表2 地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)與地層巖性關(guān)系Table 2 Relation of geologic hazards and lithology

2.4 地質(zhì)構(gòu)造

廣安區(qū)在大地構(gòu)造上屬揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)川中臺(tái)拗，在區(qū)域構(gòu)造上屬新華夏系四川盆地沉降帶川中坳陷構(gòu)造區(qū)。區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造主要受華鎣山大斷裂的影響，主要構(gòu)造有華鎣山大斷裂、廣安背斜、大石橋背斜、鮮渡河背斜、斗灣寨向斜、月山向斜、王家坪向斜、龍女寺向斜、大有背斜。在ArcGIS軟件中對(duì)研究區(qū)內(nèi)構(gòu)造進(jìn)行緩沖區(qū)分析，按照距構(gòu)造距離d≤300m，300m＜d≤600m，600m＜d≤900m和d＞900m 將廣安區(qū)分為4個(gè)級(jí)別(圖5)。

圖5 研究區(qū)構(gòu)造及緩沖區(qū)Fig.5 Faults and buffer of study area

2.5 水系

渠江干流從東北向西南流經(jīng)廣安區(qū)全境，長(zhǎng)113km，河面寬100～500m，境段內(nèi)多年平均流量657m3/s，年均徑流量207×108m3，其它河流均屬渠江水系支流。在ArcGIS軟件中對(duì)研究區(qū)內(nèi)水系進(jìn)行緩沖區(qū)分析，按照距水系距離d≤200m，200m＜d≤400m，400m＜d≤600m和d＞600m將廣安區(qū)分為4個(gè)級(jí)別(圖6)。

2.6 降雨

降雨尤其是強(qiáng)降雨是誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的最重要因素之一。據(jù)突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害的分類統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)持續(xù)降雨誘發(fā)者占其總發(fā)生量的65%。其中，局地暴雨誘發(fā)約占總發(fā)生量的43%，占持續(xù)降雨誘發(fā)總量的66%［9］。廣安區(qū)年平均降雨量1082.2mm，降雨主要集中5～10月份，占全年降雨的70%，月降雨平均最多的7月188.07mm，近年廣安區(qū)洪水災(zāi)害頻發(fā)誘發(fā)大量地質(zhì)災(zāi)害。在ArcGIS軟件中對(duì)廣安區(qū)年平均降雨量進(jìn)行分級(jí)，按照降雨量≤1000mm，1000m＜降雨量≤1100m，1100m＜降雨量≤1200m和降雨量 ＞1200m將廣安區(qū)分為4個(gè)級(jí)別(圖7)。

圖6 研究區(qū)水系及緩沖區(qū)圖Fig.6 Water system and buffer of study area

為了便于在ArcGIS中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間疊加分析，需對(duì)各評(píng)價(jià)因子進(jìn)行分級(jí)并賦值，結(jié)合野外實(shí)際情況，對(duì)各因素進(jìn)行分級(jí)和賦值如表3所示。

表3 評(píng)價(jià)因子分級(jí)及賦值Table 3 Grade and evaluation of assessment factors

3 各影響因子權(quán)重的確定

層次分析法是由美國(guó)的運(yùn)籌學(xué)家T.L.Satty等人在20世紀(jì)70年代提出的，是多目標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定的主要方法之一［10］。通過(guò)專家打分構(gòu)建的坡度、坡向、地層巖性、構(gòu)造、水系和降雨6因素的判斷矩陣A。在Matlab軟件中求得該判斷矩陣的最大特征值 λmax=6.1582，λmax對(duì)應(yīng)特征向量為(-0.5678，-0.1166，-0.2691，-0.2293，-0.1519，-0.7183)。

查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.24一致性比例

判斷矩陣有很好的一致性，判斷合理。

在Matlab中對(duì)λmax對(duì)應(yīng)特征向量進(jìn)行歸一化處理得各因子權(quán)重(0.2766，0.0568，0.1311，0.1117，0.0739，0.3499)。

4 危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

在ArcGIS中對(duì)廣安區(qū)各評(píng)價(jià)因子圖層進(jìn)行柵格化處理，單元網(wǎng)格大小100m×100m，共剖分網(wǎng)格個(gè)數(shù)153956個(gè)。對(duì)廣安區(qū)6個(gè)影響因子圖層進(jìn)行柵格疊加，疊加公式為:

式中:

Wi——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的權(quán)重;

Xi——第i個(gè)評(píng)價(jià)因子分級(jí)所賦值(表3)。

圖8 研究區(qū)危險(xiǎn)性分區(qū)圖Fig.8 The hazard assessment of study area

各評(píng)價(jià)因子的柵格數(shù)據(jù)疊加后得到危險(xiǎn)性指數(shù)的范圍在1.13～3.66之間。結(jié)合上面所做出的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布情況將危險(xiǎn)性指數(shù)分為高易發(fā)區(qū)(2.64～3.66)、中易發(fā)區(qū)(2.10～2.64)、低易發(fā)區(qū)(1.60～2.10)、極低易發(fā)區(qū)(1.13～1.60)(圖8)。

5 結(jié)論

本次以評(píng)價(jià)100m×100m大小單元網(wǎng)格分割研究區(qū)，共剖分網(wǎng)格153956個(gè)。評(píng)價(jià)結(jié)果顯示高危險(xiǎn)區(qū)149.49km2，占到評(píng)價(jià)區(qū)的9.71%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)182個(gè)，平均1.22個(gè)/km2，主要集中于廣安區(qū)西部，區(qū)內(nèi)危害對(duì)象主要為分散的農(nóng)戶，防治措施主要為搬遷避讓，工程治理為主，群測(cè)群防為輔。中危險(xiǎn)區(qū)320.19km2，占到評(píng)價(jià)區(qū)的20.80%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)103個(gè)，平均0.32個(gè)/km2，主要分布于構(gòu)造線兩側(cè)，區(qū)內(nèi)包括廣安城區(qū)，人口密度較大，經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁，防治措施以工程治理為主，專人監(jiān)測(cè)為輔，另外應(yīng)加強(qiáng)人類工程活動(dòng)管理，減少削坡挖方。低危險(xiǎn)區(qū)798.64km2，占到評(píng)價(jià)區(qū)的51.87%，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)78個(gè)，平均0.10個(gè)/km2，分布于構(gòu)造線和水系兩側(cè)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布較少，防治措施以搬遷避讓，群測(cè)群防為主，工程治理為輔。極低危險(xiǎn)區(qū)271.24km2，占到評(píng)價(jià)區(qū)的17.62﹪，地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)個(gè)數(shù)6個(gè)，平均0.02個(gè)/km2，主要分布在廣安區(qū)地勢(shì)較平坦地區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)分布極少，以搬遷避讓，群測(cè)群防為主。

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