基于綜合指標(biāo)法的蘆山地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)快速劃分

庾 露 單新建 陳曉利

1)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2)中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，活動(dòng)構(gòu)造與火山實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

對(duì)于滑坡穩(wěn)定性影響因子的研究，根據(jù)研究范圍可分為單體滑坡影響因子和區(qū)域滑坡影響因子兩個(gè)方面。在單體滑坡的穩(wěn)定性影響因子分析中，需要考慮的因素主要集中在具體的滑坡體結(jié)構(gòu)上，如:巖層傾角、地層巖性及組合特征、結(jié)構(gòu)面以及水的作用等(白云峰，2005)，因此，往往需要收集滑坡體較為細(xì)致的參數(shù)，采用數(shù)值模擬方法，建立相應(yīng)的地質(zhì)力學(xué)模型，通過(guò)計(jì)算來(lái)探討上述因素對(duì)某個(gè)滑坡穩(wěn)定性的影響。而對(duì)于區(qū)域滑坡影響因子的研究，則主要通過(guò)分析各因子對(duì)滑坡穩(wěn)定性的影響程度，確定對(duì)滑坡發(fā)生具有顯著影響的因子，在了解區(qū)域滑坡的空間發(fā)育發(fā)生規(guī)律基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)較大區(qū)域的滑坡穩(wěn)定性評(píng)判。

地震滑坡具有規(guī)模大、分布面廣、分布區(qū)域不確定等特點(diǎn)。如果采用單體滑坡數(shù)值模擬方法來(lái)研究區(qū)域滑坡，則會(huì)受到研究區(qū)地質(zhì)、環(huán)境資料難以全面收集，力學(xué)模型過(guò)于復(fù)雜等不利因素的制約，難以運(yùn)用到大范圍的滑坡預(yù)測(cè)中。為了能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的地震滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)，快速劃分出地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)，為地震應(yīng)急救援提供一定的支持，需要采用簡(jiǎn)單、高效的滑坡預(yù)測(cè)統(tǒng)計(jì)模型。目前主要是采用基于實(shí)例統(tǒng)計(jì)的方法，通過(guò)分析各種影響因素，找尋與滑坡內(nèi)在的聯(lián)系，來(lái)估計(jì)地震滑坡的分布規(guī)律和在不同區(qū)域的發(fā)生概率。例如，喬建平等(2009)分析了滑坡分布與震區(qū)地質(zhì)地貌條件和宏觀烈度的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，在確定宏觀震中位置的基礎(chǔ)上，采用最大地震滑坡震中距方法研究了不同規(guī)?；碌姆植继攸c(diǎn)，并得到了滑坡線性分布的規(guī)律;許沖等(2010)以2008年汶川地震為例，選取了地層、巖性、斷裂、地震烈度、水系、公路等共12個(gè)影響因子，采用確定性系數(shù)法，對(duì)這些影響因子進(jìn)行了地震滑坡的敏感性研究;Bai等(2012，2013，2014)在收集了舟曲地區(qū)的DEM(Digital Elevation Model數(shù)字高程模型)、土地利用圖、水文、巖性、斷層和2008汶川地震地表峰值加速度等資料后，利用邏輯回歸分析法，計(jì)算得到區(qū)域滑坡危險(xiǎn)等級(jí)分布，并與遙感影像解譯和歷史滑坡資料進(jìn)行了對(duì)比;陳曉利等(2010)則以汶川地震中滑坡影響嚴(yán)重的北川縣擂鼓鎮(zhèn)為研究區(qū)，選取了坡度、高程、坡向等影響因素進(jìn)行確定性及面積發(fā)育率分析，探討了它們與地震滑坡空間分布之間的關(guān)系。

上述研究成果對(duì)認(rèn)識(shí)地震滑坡的發(fā)生及其分布規(guī)律有積極作用。但影響地震滑坡發(fā)生的因素眾多，各影響因素之間還存在相互聯(lián)系，且具有很強(qiáng)的區(qū)域性特征，使得地震滑坡成為一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)(Mark et al.，1995;陳曉利等，2009)。因此針對(duì)某一區(qū)域，需要找出影響最顯著的幾類因素并分析其影響程度，才能構(gòu)建出適用于該區(qū)域的分析預(yù)測(cè)模型。本文結(jié)合已有研究成果，以快速獲取震后滑坡危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)為目的，擬選取受2013年4月20日蘆山地震誘發(fā)滑坡影響較為嚴(yán)重的蘆山縣、寶興縣部分區(qū)域作為研究區(qū)。在影響因子的選取上，主要從地震應(yīng)急角度考慮，以地層巖性、坡度、地震烈度、距斷層距離和距水系距離等5類影響因子為研究對(duì)象，利用層次分析法和綜合指標(biāo)法對(duì)該研究區(qū)地震滑坡中各影響因素的敏感性進(jìn)行研究，將預(yù)測(cè)結(jié)果劃分為高度危險(xiǎn)、較高危險(xiǎn)、中度危險(xiǎn)和低度危險(xiǎn)等4個(gè)等級(jí)，用以表征地震滑坡發(fā)生的可能性。本文的研究成果可為該區(qū)域及相鄰周邊地區(qū)的滑坡危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、地震滑坡災(zāi)害預(yù)防等工作提供依據(jù)。

1 蘆山地震滑坡影響因子選取

2013年4月20日，在四川省雅安市蘆山縣(30.3°N，103.0°E)發(fā)生了7.0級(jí)地震，震源深度約13km。震后發(fā)生了包括滑坡、崩塌在內(nèi)的一系列的次生地質(zhì)災(zāi)害。此次地震中，位于山區(qū)的道路交通設(shè)施受損嚴(yán)重，蘆山縣至寶盛鄉(xiāng)、寶興縣公路被滑坡崩塌物阻隔，導(dǎo)致救災(zāi)物資和救援力量無(wú)法進(jìn)入，直至震后第3日才搶修貫通，但道路網(wǎng)仍很脆弱。此外，地震滑坡對(duì)災(zāi)區(qū)的一些建筑設(shè)施也造成一定的損失，威脅當(dāng)?shù)鼐用竦纳蜕鐣?huì)財(cái)產(chǎn)安全。

本文所選取的研究區(qū)范圍為:30.1°～30.4°N，102.7°～103.1°E，面積1 285.6km2，覆蓋了受地震滑坡影響較嚴(yán)重的蘆山縣南部和寶興縣東南部地區(qū)，以及雅安市西北部，天全縣東北部等地區(qū)。為方便疊加分析，將預(yù)先對(duì)影響因子所覆蓋的范圍進(jìn)行柵格化處理，采用30m×30m的格網(wǎng)尺寸將研究區(qū)劃分為1 152行×1 240列共1 428 480個(gè)單元。

地震誘發(fā)的滑坡的分布，在一定空間尺度上與多種影響因子密切關(guān)聯(lián)，是這些影響因子共同作用的結(jié)果，但是各影響因子在整個(gè)滑坡發(fā)生過(guò)程中，所起的作用是不同的。根據(jù)已有對(duì)地震滑坡的影響因素、孕育特征和分布規(guī)律等研究成果(Keeper et al.，1984;孫崇紹等，1997)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)得出，研究區(qū)內(nèi)地震滑坡主要影響因素有以下幾種:1)地質(zhì)因素;2)地形因素;3)構(gòu)造因素;4)外動(dòng)力因素;5)水文因素。分別對(duì)應(yīng)地層巖性(v1)、坡度(v2)、地震烈度(v3)、距斷層距離(v4)和距水系距離(v5)等5類影響因子，并根據(jù)每個(gè)影響因子與滑坡的關(guān)系劃分出4個(gè)等級(jí)(表1)，等級(jí)從小到大表示發(fā)生滑坡的危險(xiǎn)性由低到高。表2所示為本文所使用數(shù)據(jù)的來(lái)源和比例尺。上述5類影響因子的選取，相較于許沖等(2010)選取的地層、巖性、斷裂、地震烈度、水系、公路等共12個(gè)影響因子，數(shù)量較少。這主要基于以下考慮:1)在資料獲取上更為便捷，可以在震后快速進(jìn)行計(jì)算分析得到結(jié)果;2)選取較少的影響因子，模型的復(fù)雜程度會(huì)有所降低，約束條件也更少，適用范圍更廣。如果選擇較少的影響因子，而得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)結(jié)果，則說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可能更具有實(shí)用性。

表1 地震滑坡影響因子危險(xiǎn)等級(jí)劃分Table 1 Classifications for hazard levels of earthquake-induced landslide impact factors

表2 所使用數(shù)據(jù)的來(lái)源和比例尺Table 2 Sources and scales of datum used in this paper

1.1 地層巖性影響

現(xiàn)有的研究成果表明，地震區(qū)滑坡的區(qū)域分布具有顯著的集中性，而這種分布的集中性往往又與巖性密切相關(guān)(辛鴻博等，1999)。巖土體性質(zhì)及其結(jié)構(gòu)特征對(duì)于滑坡變形和失穩(wěn)有顯著影響，它們不僅決定斜坡巖土體強(qiáng)度、應(yīng)力分布、變形破壞特征，也在很大程度上制約滑坡的活動(dòng)方式及規(guī)模，同時(shí)也是滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的物質(zhì)基礎(chǔ)(陳曉利等，2009)。研究區(qū)的地層巖性分布和影響等級(jí)如圖1，反映了研究區(qū)地層巖性分級(jí)和分布情況。

1.2 地形坡度影響

地震滑坡的形成關(guān)鍵在于斜坡體是否具有效臨空面，斜坡的坡度從幾何特征上決定了地震滑坡體的空間分布。隨著地形坡度的增大，滑坡體的穩(wěn)定性也會(huì)降低，對(duì)區(qū)域危險(xiǎn)性的影響也隨之升高。圖2反映了研究區(qū)坡度分級(jí)和分布情況。

1.3 地震烈度影響

圖1 地層巖性分級(jí)圖Fig.1 Classification for lithology.

圖2 地形坡度分級(jí)圖Fig.2 Classification for slopes.

地震烈度表示地震對(duì)地表及工程建筑物影響的強(qiáng)弱程度，是在沒(méi)有儀器記錄的情況下，憑借地震來(lái)臨時(shí)人們的感覺(jué)或地震發(fā)生后器物反應(yīng)的程度、工程建筑物的損壞或破壞程度、地表的變化狀況而定的一種宏觀尺度。地震作為地震滑坡的觸發(fā)因素，對(duì)滑坡的發(fā)生與否起到重要的作用。地震烈度與地震滑坡之間存在正相關(guān)，即隨著烈度的增高，滑坡崩塌出現(xiàn)的數(shù)量也在增加。圖3為蘆山地震地震烈度分布等級(jí)劃分。

1.4 距斷層距離影響

地震的發(fā)生往往是斷層活動(dòng)所致，在已有的大斷裂帶上巖體往往結(jié)構(gòu)破碎，穩(wěn)定性差。一方面，如果邊坡與震源處于斷裂帶的同一側(cè)，特別是位于斷裂帶上，其失穩(wěn)可能性會(huì)大大提高，因此區(qū)域性大斷裂往往控制滑坡密集發(fā)育，使滑坡呈帶狀分布。另一方面，如果邊坡與震源分居斷裂帶兩側(cè)，則所受地震作用將降低，這是因?yàn)閿嗔褞?duì)地震波動(dòng)能量的屏蔽作用所致(祁生文等，2004)。歷史活斷層資料顯示，本研究區(qū)內(nèi)斷層主要呈NE走向，主要由一條主斷裂雙石－大川斷裂和其他交錯(cuò)的網(wǎng)狀斷裂組成。此次地震沒(méi)有形成明顯的地表破裂，但是滑坡的NE－SW向空間延展分布仍顯示出構(gòu)造控制的影響。根據(jù)距斷層的距離，對(duì)研究區(qū)做＜5km，5～10km，10～20km，＞20km共4級(jí)緩沖區(qū)，危險(xiǎn)等級(jí)隨距離遞增而遞減。圖4所示為距斷層距離分級(jí)和分布情況，由于所選研究區(qū)內(nèi)斷層分布較為密集，因此對(duì)其進(jìn)行緩沖區(qū)分級(jí)后，第1和第2級(jí)已經(jīng)超出了研究區(qū)范圍。

圖3 蘆山地震地震烈度等級(jí)劃分圖Fig.3 Classification for intensities.

1.5 距水系距離影響

水系和滑坡在空間分布上的關(guān)系極為密切。大量研究表明，無(wú)論是歷史滑坡還是現(xiàn)代滑坡，離水系越近，滑坡分布密度越大，在遠(yuǎn)離水系的區(qū)域，滑坡則較少發(fā)生(單新建，1999;陳曉清等，2008;王世新等，2008)。本研究區(qū)的主要水系由NE走向的玉溪河及NW走向的青衣江組成，2條河在蘆山縣正南偏西約5km處交會(huì)。對(duì)研究區(qū)內(nèi)的水系分別做＜100m，100～500m，500～1 000m，＞1 000m共4級(jí)緩沖區(qū)，危險(xiǎn)等級(jí)隨距離遞增而遞減。得到如圖5所示距水系距離分級(jí)和分布情況。

圖4 斷層緩沖區(qū)分級(jí)圖Fig.4 Classification for buffers of faults.

圖5 水系緩沖區(qū)分級(jí)圖Fig.5 Classification for buffers of drainages.

2 綜合指標(biāo)法

綜合指標(biāo)法是根據(jù)研究區(qū)特點(diǎn)，就上述每種影響因子對(duì)滑坡產(chǎn)生的貢獻(xiàn)，采用層次分析法進(jìn)行評(píng)定，劃分出影響等級(jí)，再將每個(gè)影響因子的空間分布影響等級(jí)進(jìn)行加權(quán);最后疊加得到該區(qū)域地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)綜合等級(jí)分布上。本文所使用的模型如下:

式(1)中:H是地震滑坡危險(xiǎn)等級(jí)，n是影響因子個(gè)數(shù)，xi為第i個(gè)影響因子等級(jí)，ki為第i個(gè)影響因子的權(quán)重。H的大小反映的是該地區(qū)發(fā)生地震滑坡的可能性大小。

由于各類影響因子對(duì)地震滑坡的影響貢獻(xiàn)不同，因此，需要添加權(quán)重k i進(jìn)行約束，本文將采用層次分析法(The Analytic Hierarchy Process，AHP)(Ayalew et al.，2005)計(jì)算出k i權(quán)重值。該方法是對(duì)定性問(wèn)題進(jìn)行定量分析的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法(Bai et al.，2009;Yalcin et al.，2008)。其思路是:1)首先將一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題分解成多個(gè)層次，每個(gè)層次包含多個(gè)影響因素，對(duì)同一層次中各影響因素之間進(jìn)行重要程度的兩兩對(duì)比，形成對(duì)比矩陣;2)再通過(guò)計(jì)算該矩陣的最大特征值的方法來(lái)衡量矩陣的一致性，相關(guān)的指標(biāo)有一致性指標(biāo)CI，隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，一致性比率CR=CI/RI。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，則可認(rèn)為該對(duì)比矩陣的一致性是可以被接受的;3)最后根據(jù)矩陣的最大特征值進(jìn)一步計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的特征向量，并通過(guò)對(duì)特征向量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化將其轉(zhuǎn)化為權(quán)向量，向量中各要素對(duì)應(yīng)上層要素的影響權(quán)重(陳曉利等，2010)。

綜上所述，并經(jīng)過(guò)一定的合理性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用如下對(duì)比矩陣:

式(2)中aij=vi/vj，即第i個(gè)影響因子重要程度和第j個(gè)影響因子重要程度的比值。對(duì)于選中的巖性(v1)、坡度(v2)、地震烈度(v3)、距斷層距離(v4)和距水系距離(v5)等5個(gè)因素，根據(jù)目前對(duì)地震滑坡影響因素的認(rèn)識(shí)，計(jì)算得到各影響因子的權(quán)向量K={0.168 8，0.269 7，0.425 2，0.068 2，0.068 2}。

3 結(jié)果與驗(yàn)證

此次地震發(fā)生后，四川省測(cè)繪局重點(diǎn)圍繞蘆山縣、寶興縣等地進(jìn)行了次生地質(zhì)災(zāi)害的勘察，下面將勘察結(jié)果中實(shí)際發(fā)生滑坡的地點(diǎn)與綜合指標(biāo)法分析的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證本文所采用的分析方法、影響因子選取和權(quán)重確定的合理性。

危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)分布與實(shí)際滑坡點(diǎn)疊加結(jié)果如圖6，7所示。

(1)危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)分布圖顯示，整個(gè)研究區(qū)(圖6a)受地震影響呈現(xiàn)與烈度分布圖顯著相近的圈狀形態(tài)，地震烈度危險(xiǎn)分級(jí)≥3級(jí)、距斷層距離≤5km的范圍占據(jù)研究區(qū)的大部分，因此地震動(dòng)力的高強(qiáng)度和斷層在該區(qū)域的密集分布對(duì)于該區(qū)域整體危險(xiǎn)等級(jí)的貢獻(xiàn)作用極大。通過(guò)將實(shí)際滑坡點(diǎn)和本文劃分的危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行疊加表明:1)在統(tǒng)計(jì)上，落在較高和最高危險(xiǎn)區(qū)的實(shí)際滑坡點(diǎn)占總數(shù)的比例分別約為54%和23%(圖6b);2)在空間分布上，實(shí)際滑坡點(diǎn)主要集中在中東部和西部，中東部區(qū)域主要呈現(xiàn)較集中分片分布，而西部區(qū)域則呈現(xiàn)近NS向帶狀分布。

(2)在中東部危險(xiǎn)等級(jí)最高的橢圓形區(qū)域(圖7a)，不但位置緊鄰震中地震烈度最高，巖性屬于軟巖類型，并有河流流經(jīng)該區(qū)域，多個(gè)影響因子在該區(qū)域都處于高危險(xiǎn)等級(jí)。因此，疊加分析后該區(qū)域極易發(fā)生地震滑坡。這一預(yù)測(cè)結(jié)果在實(shí)際滑坡點(diǎn)的分布上得到了很好的印證。

(3)在西部近NS向帶狀區(qū)域(圖7b)，其危險(xiǎn)等級(jí)在中級(jí)到較高級(jí)(1.8～3.3)范圍內(nèi)，與河流的影響關(guān)系密切。其中多數(shù)落在2～3級(jí)危險(xiǎn)區(qū)的滑坡點(diǎn)(圖7b中綠色、黃色的點(diǎn))多發(fā)生在河流500m緩沖區(qū)范圍內(nèi)，此處受河流自身和河流流域深切峽谷陡坡的共同影響，其預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況較為吻合。而少量處在1級(jí)危險(xiǎn)區(qū)的滑坡點(diǎn)(圖7b中藍(lán)色的點(diǎn))，卻落在緊鄰河流(100m內(nèi))的區(qū)域，這主要是受河流河漫灘平緩的坡度干擾，造成該片區(qū)危險(xiǎn)等級(jí)較低的不真實(shí)判斷。綜上所述，該區(qū)域滑坡發(fā)生呈現(xiàn)帶狀分布現(xiàn)象的最主要原因是受水系分布和地形坡度的影響，同時(shí)地震仍是作為誘發(fā)滑坡的重要外動(dòng)力因素(圖3)，而巖性在該區(qū)域的影響相對(duì)較小(圖1)。通過(guò)與實(shí)際滑坡發(fā)生位置的對(duì)比，本文所做的蘆山地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)等級(jí)劃分較好地反映了實(shí)際滑坡的發(fā)生情況。大部分實(shí)際滑坡與預(yù)測(cè)滑坡高度危險(xiǎn)區(qū)吻合較好，約77%的滑坡點(diǎn)落在較高和最高危險(xiǎn)區(qū)。

圖6 研究區(qū)地震滑坡危險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃與實(shí)際滑坡點(diǎn)疊加Fig.6 The overlay between earthquake-induced landslide hazard zones and landslide sites in study area.

圖7 研究區(qū)局部放大圖Fig.7 The partial enlarged map.

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

(1)選取了5類地震誘發(fā)滑坡的影響因子:地層巖性、坡度、地震烈度、距斷層距離和距水系距離，采用層次分析法確定了每個(gè)影響因子的貢獻(xiàn)權(quán)重，采用了綜合指標(biāo)法進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析，并劃分出4個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際滑坡點(diǎn)的勘察資料有較高吻合度，約77%的滑坡點(diǎn)落在較高和最高危險(xiǎn)區(qū)，表明各影響因子的權(quán)重確定較為合理。這說(shuō)明在區(qū)域背景資料較少的情況下，綜合指標(biāo)法能夠進(jìn)行較大范圍和較高準(zhǔn)確度的地震滑坡危險(xiǎn)性劃分，具有較強(qiáng)的可操作性。

(2)給出的危險(xiǎn)區(qū)劃分等級(jí)與實(shí)際勘察的滑坡點(diǎn)有一定出入，表現(xiàn)為在一些低危險(xiǎn)度的地區(qū)發(fā)生了滑坡，而在一些高危險(xiǎn)度的地區(qū)并未發(fā)生滑坡的現(xiàn)象。分析原因，一方面，與驗(yàn)證手段較為單一有關(guān)。四川省測(cè)繪局對(duì)該地區(qū)震后次生地質(zhì)災(zāi)害的勘察，主要覆蓋公路沿線和城鎮(zhèn)周邊，對(duì)于沒(méi)有覆蓋的區(qū)域，由于缺乏勘察資料而難以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性;另一方面也說(shuō)明，在影響因子的選取上仍有改進(jìn)的空間。在今后的研究中，可考慮加入更多的影響因素如:坡向、坡面粗糙度、土地利用等。此外，也可考慮將研究區(qū)細(xì)分成多個(gè)子區(qū)，根據(jù)子區(qū)的特征給影響因子合理分配權(quán)重。

(3)如何選取地震滑坡的影響因子以及如何確定各因子的權(quán)重，仍需要進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)也需要更進(jìn)一步豐富和細(xì)化區(qū)域背景資料，才能使地震滑坡危險(xiǎn)區(qū)劃分結(jié)果更為合理并更具應(yīng)用價(jià)值。