基于斜坡單元劃分法的汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃

宋高舉，黃繼超，吳東民

（河南省地礦局第二地質(zhì)環(huán)境調(diào)查院，鄭州 450053）

1 引言

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。區(qū)劃的原理是工程地質(zhì)類比法，即類似的靜態(tài)與動態(tài)環(huán)境條件，產(chǎn)生類似的地質(zhì)災(zāi)害，過去地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，也是以后地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃側(cè)重的是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的數(shù)量多少及其活躍程度。從工程地質(zhì)的角度，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃的步驟為：分析地質(zhì)災(zāi)害在某一區(qū)域的活動頻率、強(qiáng)度、規(guī)模以及發(fā)育條件、發(fā)展規(guī)律，確定評價指標(biāo)體系；綜合分析控制或影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的各類因素對系統(tǒng)穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)，將其按照一定的數(shù)學(xué)方法組合、疊加；判斷地質(zhì)體易發(fā)性等級，實現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生均與地質(zhì)環(huán)境相關(guān)，而構(gòu)成地質(zhì)環(huán)境的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形地貌、氣象水文條件、人類工程活動等是控制地質(zhì)災(zāi)害時空分布和強(qiáng)度的基本因素。這些基本因素都能統(tǒng)一在同一地理坐標(biāo)之下，這正是GIS用于地質(zhì)災(zāi)害研究的基礎(chǔ)，借助GIS建立專業(yè)分析功能，可分析管理貫穿災(zāi)害起源、發(fā)展和影響范圍等地質(zhì)災(zāi)害全過程的大量數(shù)據(jù)。而完成采集、存儲和組織這些不同類型的數(shù)據(jù)這項復(fù)雜的任務(wù)也正是 GIS的優(yōu)勢所在［1－2]。

斜坡單元是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本單元，并且在各類控制或影響因素中。河流和溝谷的發(fā)育階段對滑坡、崩塌的形成具有明顯的控制作用，因此采用基于幼年期溝谷劃分的斜坡單元作為評價單元，可以與地質(zhì)環(huán)境條件緊密聯(lián)系，綜合體現(xiàn)各類控制或影響因素的作用，使評價結(jié)果更貼近于實際。因此，在滿足DEM精度要求的前提下.斜坡單元劃分較適用于地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃。

本研究采用幼年期溝谷劃分的斜坡單元作為評價單元，與地質(zhì)環(huán)境條件緊密聯(lián)系，建立地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價模型，綜合考慮斜坡的坡度、坡高、坡形、巖土體、災(zāi)害點密度、降雨、人類工程活動等各類控制或影響因素的作用［3]，采用加權(quán)疊加分析的方法，對汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性進(jìn)行區(qū)劃。

2 項目區(qū)概況和野外調(diào)查

汝陽縣位于河南省西部，屬洛陽市，因縣城居汝河之北而得名。工作區(qū)范圍為汝陽縣轄區(qū)，屬洛陽市管轄，地理坐標(biāo)為：東經(jīng)112°08′～112°38′，北緯33°49′～34°14′?？h域東接汝州市，西鄰嵩縣，南與魯山縣毗鄰，北和伊川縣接壤。汝陽縣總面積為1 325 k m2。河南省2010年下達(dá)了1∶5萬汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項目，本次詳查工作共完成在全部地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查點266處，其中滑坡156處，占地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)的58.87%；崩塌58處，占21.51%；泥石流（隱患）10處，占3.77%；不穩(wěn)定斜坡39處，占14.72%；地面塌陷3處，占1.13%。

經(jīng)野外調(diào)查，汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害在空間上主要分布在溝谷及重要交通干線兩側(cè)，特別是滑坡、崩塌及不穩(wěn)定斜坡更具有線性分布特點，主要集中在修建公路切坡形成的高陡邊坡處和人工削坡建房而成的陡崖。

3 評價單元劃分

3.1 斜坡單元剖分基本理論

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃中常用的單元類型有網(wǎng)格單元、地域單元、均一條件單元、子流域單元、斜坡單元等。斜坡單元是滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的基本單元，并且在各類控制或影響因素中，河流和溝谷的發(fā)育階段對滑坡、崩塌的形成具有明顯的控制作用，因此采用基于幼年期溝谷劃分的斜坡單元作為評價單元，可以與地質(zhì)環(huán)境條件緊密聯(lián)系，綜合體現(xiàn)各類控制或影響因素的作用，使評價結(jié)果更貼近于實際。

斜坡單元劃分的實質(zhì)是基于DEM的地表水文分析，包括正反地形無洼地DEM的生成、水流方向的提取、匯流累積量的計算、河網(wǎng)的生成、集水流域的生成等關(guān)鍵步驟，其基本原理是利用正反地形分別提取山谷線和山脊線（分別對應(yīng)于匯水線和分水線）［4]，把生成的集水流域與反向集水流域融合，再經(jīng)后期處理人工修改不合理的單元，最終得到的由匯水線與分水線所組成的區(qū)域即為斜坡單元。斜坡單元劃分流程見圖1。

圖1 通過DEM求斜坡單元的流程圖

在水文分析當(dāng)中，首先進(jìn)行DEM數(shù)據(jù)的洼地填充，然后，根據(jù)填充后的DEM求取全區(qū)的流向圖，基于流向即可獲得各單元的累積流量［5]。通過設(shè)定流經(jīng)某柵格單元的最小匯水單元格數(shù)，即可得到全區(qū)的集水區(qū)。顯然，隨著設(shè)定最小匯水單元數(shù)的增大，就可得到更大面積的匯水區(qū)，同時，也可通過設(shè)定不同的最小匯水單元數(shù)，來對研究區(qū)進(jìn)行不同精度水平的研究。從地形學(xué)角度出發(fā)，匯水區(qū)邊界即為分水線。為確定河谷線，采用反向DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行上述水文匯水盆地分析，即將原始DEM沿某一水平線反轉(zhuǎn)，原來DEM高點變?yōu)榈忘c，求取的新的匯水邊界就變成了河谷線。使用原始DEM數(shù)據(jù)獲得1號匯水區(qū)（山谷線），根據(jù)反向DEM可獲取2號匯水區(qū)（山脊線），將1號匯水區(qū)和2號匯水區(qū)合并得到3號匯水區(qū)。1號匯水區(qū)被分為左右兩個部分，即為所求斜坡單元。

3.2 評價單元劃分結(jié)果

采用汝陽縣1∶5萬地形圖，1∶5萬遙感圖，利用斜坡單元劃分原理，對汝陽縣進(jìn)行評價單元的劃分，并經(jīng)過后期的手工刪除不合理單元，合并處理，汝陽縣共劃分出4 556單元，詳見圖2。

圖2 汝陽縣評價單元劃分結(jié)果圖

4 易發(fā)性區(qū)劃及效果評述

4.1 評價體系及評價模型

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)是指容易產(chǎn)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域。區(qū)劃的原理是工程地質(zhì)類比法，即類似的靜態(tài)與動態(tài)環(huán)境條件，產(chǎn)生類似的地質(zhì)災(zāi)害，過去地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)，也是以后地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的地區(qū)［6]。地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃側(cè)重的是滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害和自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育的數(shù)量多少及其活躍程度，評價指標(biāo)包括已有地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀統(tǒng)計、地質(zhì)災(zāi)害形成的地質(zhì)環(huán)境條件及地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素 （圖3）。

圖3 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價指標(biāo)體系

已有地質(zhì)災(zāi)害群體統(tǒng)評價指標(biāo)主要包括地質(zhì)災(zāi)害的數(shù)量和規(guī)模，在進(jìn)行此次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃時，采用本次實地調(diào)查的災(zāi)點資料作為樣本來計算單元內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害的點密度。

地質(zhì)災(zāi)害形成條件諸多，包括地形地貌、溝谷切割情況、溝谷密度和發(fā)育時期、坡向、坡度、坡高、坡體物質(zhì)組成及物理力學(xué)性質(zhì)、水文地質(zhì)條件等。地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素主要包括降水和人類工程活動。

結(jié)合前述分析，本次地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價選取災(zāi)點密度、坡度、坡高、坡型、巖土結(jié)構(gòu)、植被指數(shù)、降雨指標(biāo)和人類工程活動等8項主要因素作為評價易發(fā)性指標(biāo)。在地質(zhì)災(zāi)害形成條件分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他項目研究成果，評價指標(biāo)的權(quán)重通過層次分析法確定，分析確定了調(diào)查區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃中各個指標(biāo)的權(quán)重（表1）。

表1 地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)劃評價指標(biāo)權(quán)重分配表

式中，B為崩塌、滑坡、泥石流發(fā)育程度指數(shù)；bi為第i個評價指標(biāo)；ri為第i個評價指標(biāo)的權(quán)重；n為評價指標(biāo)的總數(shù)。

4.2 評價指標(biāo)量化

對于定量指標(biāo).如斜坡的坡度、坡高等，取其原始觀測值.再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)值變換。對于定性指標(biāo)，如巖土體類型、坡形等，依據(jù)評價指標(biāo)的分級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，再根據(jù)對應(yīng)不同級別的相對貢獻(xiàn)來取值。

（1）災(zāi)點密度

根據(jù)野外調(diào)查資料，將所得的地質(zhì)災(zāi)害情況利用GIS進(jìn)行錄入。按一定規(guī)格的網(wǎng)格進(jìn)行評價時，密度就是單位網(wǎng)格內(nèi)的災(zāi)害點數(shù)量，即單位面積內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害點的分布數(shù)量，然后按照不同密度區(qū)地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生的概率，進(jìn)行0～1之間的線性歸一化。

（2）坡度指標(biāo)

利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)和汝陽縣城的坡度信息，然后進(jìn)行歸一化。由于45°以上斜坡發(fā)生崩塌的頻率很高，本區(qū)劃將45°以上斜

本文采用綜合評價模型，數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理后將各種災(zāi)害數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化，依據(jù)評價指標(biāo)的權(quán)重，將各因素按照權(quán)重進(jìn)行圖形疊加，最終形成評價成果圖。計算模型計算公式為：坡的易發(fā)程度定義為1，而10°以下斜坡發(fā)生崩塌的頻率則很低，其易發(fā)程度定義為0，將10°～45°之間的斜坡的易發(fā)程度，按照不同坡度區(qū)間滑坡和崩塌自然地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的概率，進(jìn)行0～1之間的線性歸一化。

（3）坡高指標(biāo)

本次研究中，利用GIS從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的坡高信息，根據(jù)汝陽縣實際高程值進(jìn)行歸一化。汝陽縣最大高程為1 602.4 m，最小高程為220 m，將DEM數(shù)據(jù)和最小高程值的差值除以最大、最小高程值的差值，將得到的商進(jìn)行0～1之間的線性歸一化。

（4）坡形指標(biāo)

坡型可以利用地表的曲率進(jìn)行描述和量化，直線形和凸型斜坡在曲率上的體現(xiàn)是曲率≥0，凹型坡和階梯型坡的曲率＜0，因此，可利用Arc GIS平臺從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的地表曲率信息，然后進(jìn)行斜坡坡型的歸一化。由于滑坡和崩塌主要發(fā)育在直線形斜坡和凸型斜坡上，因此，當(dāng)曲率＜0時，坡面為凹型或階梯型，易發(fā)程度最低；當(dāng)曲率＞0時，坡面為直線形和凸型，易發(fā)程度較高，按照曲率的大小進(jìn)行0～1之間的線性歸一化。

（5）巖土體類型

按照成巖作用程度和巖、土顆粒間有無牢固連接，區(qū)內(nèi)巖土介質(zhì)可劃分為巖體和土體兩大類。按照建造類型、結(jié)構(gòu)類型并結(jié)合強(qiáng)度，巖體又進(jìn)一步劃分堅硬塊狀混合巖巖組、堅硬厚層狀石英砂巖、砂礫巖巖組、堅硬厚層狀中等巖溶化石灰?guī)r巖組、較堅硬薄層狀砂巖、頁巖夾薄層灰?guī)r巖組、軟弱中厚層狀泥（灰）巖、砂（礫）巖、頁巖巖組、堅硬塊狀侵入巖巖組6個工程地質(zhì)巖組；土體又進(jìn)一步劃分為一般粉質(zhì)黏土、弱濕陷－中等濕陷性黃土和層狀結(jié)構(gòu)粉土。本次按照調(diào)查區(qū)，將巖土體結(jié)構(gòu)對滑坡、崩塌易發(fā)程度的影響進(jìn)行0～1之間歸一化處理得到巖土體結(jié)構(gòu)指標(biāo)歸一化結(jié)果。

（6）植被指數(shù)指標(biāo)

采用調(diào)查區(qū)的可利用Arc GIS平臺從DEM數(shù)據(jù)中分別提取調(diào)查區(qū)的地表曲率信息，然后進(jìn)行斜坡坡型的歸一化。MODIS遙感數(shù)據(jù)計算植被指數(shù)。在統(tǒng)計分析前將該數(shù)據(jù)重新采樣成25 m×25 m的柵格單元。

（7）降雨指標(biāo)

根據(jù)調(diào)查區(qū)的降雨特性，選用降雨不均勻系數(shù)來量化降雨因素，將全區(qū)降雨不均勻系數(shù)進(jìn)行0～1之間歸一化差值處理。所謂降雨不均勻系數(shù)是指多年的汛期（7～9月）平均降雨量與多年的年平均降雨量之比。降雨不均勻系數(shù)可以客觀的反映出某一地區(qū)降雨的不均勻性，即降雨的集中程度，也就是相對的降雨強(qiáng)度。降雨不均勻系數(shù)越大，說明降雨比較集中，相對的降雨強(qiáng)度越大

（8）人類工程活動指標(biāo)

人類工程活動對滑坡、崩塌的形成發(fā)育的影響是極為復(fù)雜的，如何定量化反映是個難題?？紤]到公路等交通建設(shè)是區(qū)內(nèi)最具代表性的人類工程活動，對災(zāi)害影響最明顯，且具有貫穿或覆蓋全區(qū)的特點，本次人類工程活動的量化是以公路為基準(zhǔn)線，做緩沖區(qū)分析，間隔500 m，分別向兩邊做三個緩沖區(qū)，再經(jīng)柵格化和歸一化處理，參與評價。由于公路是沿著河流修建，而人類工程活動主要集中在河流以及溝谷的兩側(cè)，因此這一量化方式有著實際的物理意義。

4.3 效果評述

根據(jù)各評價指標(biāo)，提取每個評價單元的各項指標(biāo)值，再利用空間疊加功能，將研究區(qū)各評價單元依據(jù)指標(biāo)值及其權(quán)重，利用公式（1）進(jìn)行疊加計算，獲取各評價單元的易發(fā)程度指標(biāo)，找出突變點作為分界點，將汝陽縣劃分為高易發(fā)區(qū)、中易發(fā)區(qū)、低易發(fā)區(qū)、非易發(fā)區(qū)（圖4）。

圖4 汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性評價區(qū)劃圖

地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)主要分布在柏樹鄉(xiāng)－靳村鄉(xiāng)一帶。涉及到的鄉(xiāng)鎮(zhèn)有柏樹鄉(xiāng)、城關(guān)鎮(zhèn)西部、十八盤鄉(xiāng)、付店鎮(zhèn)西部、上店鎮(zhèn)西部?？偯娣e約431.49 k m2，占全區(qū)面積的32.57%。地貌上為中低山－丘陵區(qū)，海拔高程400～1430 m，地表出露巖性為中元古界熊耳群英安巖、安山巖，燕山期侵入花崗巖，靳村河兩岸多見Q4粉土，調(diào)查區(qū)內(nèi)沿坡遍布Q2棕紅色黏土坡積物。該區(qū)人類工程活動強(qiáng)烈，主要有切坡行為為主的建房、“村村通”工程、該區(qū)公路沿線邊坡開挖量大。該區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點160處，其中滑坡100處，崩塌32處，泥石流5處，不穩(wěn)定斜坡23處。

地質(zhì)災(zāi)害中易發(fā)區(qū)主要分布在東南部的中低山區(qū)。該區(qū)涉及到了付店、王坪、十八盤、三屯、劉店5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總面積約436.92 k m2，占全區(qū)面積的32.98%。地貌上為中山區(qū)，海拔高程800～1 365 m，地表出露巖性以中元古界安山巖、英安巖及燕山期侵入花崗巖為主，付店鎮(zhèn)中部及王坪鄉(xiāng)南部部分地區(qū)出露有王屋期侵入閃長巖，沿坡還分散堆積大量的棕紅色Q2殘坡積黏土層。該區(qū)人類工程活動較強(qiáng)烈，主要有切坡行為為主的建房、“村村通”工程、伊魯路和臨木路的改造，以金堆城鉬業(yè)公司為主的鉬礦、鉛鋅礦開采等。該區(qū)發(fā)育有各類地質(zhì)災(zāi)害點79處，其中滑坡44處，崩塌15處，泥石流5處，不穩(wěn)定斜坡13處，地面塌陷2處。

地質(zhì)災(zāi)害低易發(fā)區(qū)分布在汝河及其支流馬蘭河兩岸、小店鎮(zhèn)和三屯鄉(xiāng)北部、城關(guān)鎮(zhèn)西北部及陶營、蔡店兩鄉(xiāng)南部，面積276.56 k m2，占全區(qū)面積的20.88%。地貌上為丘陵－低山地貌，海拔高程400～753 m，巖性主要為中元古界汝陽群砂巖、熊耳群英安巖及安山巖，第四系中更新統(tǒng)黃土狀粉土、全新統(tǒng)河流沖積粉土等。在本次調(diào)查過程中，較少發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)現(xiàn)象。人類工程活動主要為建筑房屋以及人類耕植等，其他人類工程活動較微弱。該低易發(fā)區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)24處，其中滑坡11處，崩塌9處，不穩(wěn)定斜坡3處，地面塌陷1處。

主要指縣域北部的大安工業(yè)區(qū)、內(nèi)埠2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和蔡店及陶營中北部地區(qū)，面積179.93 k m2，地貌類型主要為低丘、崗地和傾斜平原，海拔高程300 m左右，地質(zhì)災(zāi)害類型以小型滑坡為主，因地形差別不大，其成災(zāi)范圍及威脅程度均相對較小。該區(qū)發(fā)育地質(zhì)災(zāi)害點總數(shù)3處，其中滑坡1處，崩塌2處。

上述分區(qū)結(jié)果與野外實地調(diào)查結(jié)果較為一致，說明評價單元的劃分是較合理的，評價指標(biāo)的選取也是較全面的，易發(fā)性分區(qū)較為準(zhǔn)確，符合實際。

5 結(jié)論

綜上所述，基于斜坡單元采用水文解析方法對評價單元進(jìn)行劃分，通過建立評價指標(biāo)體系對汝陽縣地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行易發(fā)性分區(qū)，綜合得出：

（1）采用水文解析的方法，對評價區(qū)域進(jìn)行劃分，比較符合實際地形、地貌、地質(zhì)環(huán)境條件，比傳統(tǒng)的網(wǎng)格剖分更接近天然地質(zhì)條件，單元格數(shù)據(jù)，處理精度高、速度快。

（2）本文建立評價指標(biāo)體系，考慮多種地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素，基于地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素的歸一化值，賦予權(quán)重，加權(quán)后得到一個量化處理結(jié)果，較以前的傳統(tǒng)方法精確，且能夠賦予不同的權(quán)重值得到不同的處理結(jié)果。

（3）采用斜坡單元剖分的方法，利用Arc GIS平臺進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性區(qū)評價，能夠廣泛的應(yīng)用于不同比例尺下的地質(zhì)災(zāi)害區(qū)劃，易發(fā)性分區(qū)、危險性分區(qū)，區(qū)域主要地質(zhì)災(zāi)害誘發(fā)因素的篩選等多個方面，能夠準(zhǔn)確的、定量的進(jìn)行分區(qū)和評價，實用性很強(qiáng)，便于指導(dǎo)防災(zāi)減災(zāi)工作。

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