GIS空間分析法在國外某水電站工程地質災害調查中的應用

彭森良

（中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司地質分院，昆明 650011）

1 前言

隨著國內(nèi)水電市場的逐步萎縮，越來越多的水電工程勘測設計單位投入到國際水電工程規(guī)劃設計工作中。國外水電工程區(qū)普遍存在地質資料匱乏、現(xiàn)場政治、氣候、交通、衛(wèi)生等條件差等現(xiàn)象，不利于野外大范圍工程地質調查工作的開展，甚至有部分區(qū)域人力難以企及。

某水電站位于東南亞，裝機300 MW，混凝土重力壩高約70 m，庫容約1×108m3，庫長約15 k m。庫區(qū)屬典型熱帶雨林氣候，除近壩庫段1.5 k m范圍，人跡罕至，交通及衛(wèi)生條件極差，現(xiàn)場地質調查工作難以開展。因此，需要探索創(chuàng)新工作模式，力求在有限的野外工作條件下，合理投入資源開展現(xiàn)場地質調查工作，而后通過室內(nèi)計算機技術半定量分析完善工作成果。

該工作模式的總體思路是盡可能多的考慮影響地質災害發(fā)育的各種因素，通過野外收集的地質災害體樣本，借助SPSS軟件強大的樣本分析功能，分析各影響因素的敏感性，建立地質災害危險性預測公式，最終結合專家判譯，利用GIS空間分析法完成研究區(qū)地質災害調查工作，以滿足設計要求。

2 野外地質災害調查

2.1 便攜式GPS導航技術應用

為保證野外地質調查的精度，摒棄了紙質地質圖現(xiàn)場定點的傳統(tǒng)方法，采用Andriod操作系統(tǒng)下的GPS導航軟件開展野外地質調查工作。

該方法所用設備為普通移動手機，方便攜帶且具備以下優(yōu)點：

（1）水平向精度一般可控制在3 m以內(nèi)。

（2）可記錄航跡，包括調查線路，地質災害體周界、高程等信息。

（3）可現(xiàn)場實測地質災害體地形橫、縱剖面。

（4）可記錄地質點文本、照片、音頻及視頻等信息。

（5）中文操作界面，簡單實用，便于推廣。

（6）可下載在線衛(wèi)星影像地圖，亦可將離線區(qū)域地質圖、實測地形圖等配準后在現(xiàn)場作為導航基準地圖。

該軟件的操作界面如圖1所示。

圖1 野外GPS導航軟件

2.2 野外地質災害調查

野外地質災害調查主要工作內(nèi)容如下：

（1）收集區(qū)域地質背景信息，主要包括地形地貌、地層巖性、區(qū)域地質構造、水文地質條件、植被覆蓋情況及人類工程活動等信息。

（2）有條件的情況下，需利用GPS導航軟件開展實地幾何要素的測量，包括其周界、分布高程，縱橫剖面等信息。

（3）利用GPS導航軟件對典型地質點記錄其地形概況、巖性、構造、水文地質特征及植被覆蓋等情況，記錄方式可以選擇文本、照片、音頻及視頻等方式。

（4）對每個地質災害點盡可能多的記錄影響其發(fā)育的通用指標體系內(nèi)的各種影響因素等。

（5）調查結束后，按照規(guī)定格式編制各地質災害點的信息表格，以便下一階段的錄入工作。

3 樣本分析

3.1 庫區(qū)地質災害影響評價指標體系

地質災害危險性的判定，主要依據(jù)潛在不穩(wěn)定地質體在受多種因素影響下發(fā)生地質災害的危險程度。通常情況下對地質災害體穩(wěn)定性的影響因素包括地質背景條件、地形地貌特征、各種動力作用（包括降雨、地震等）以及人類工程活動等因素。研究這些因素在地質災害體穩(wěn)定性中所起的作用，分析其與地質體失穩(wěn)之間關系，進而建立穩(wěn)定性指標體系，最后采用合適的評價模型進行地質災害體穩(wěn)定性空間預測。

通常的地質災害主要影響因素共分為2類，一類是考慮基礎地質地理背景影響因素，另外一類是考慮災害發(fā)生的誘發(fā)因素。為進一步對研究區(qū)地質災害危害性進行預測，圖2中同時列出了危害評價所需受災體指標，主要包括居民點和耕地。

圖2 地質災害影響評價指標體系

庫區(qū)匯水面積不大，氣候條件、人類活動跡象及地震活動程度等情況較為一致，因此，將已查明各堆積體坡度（a）、高差（b）、巖性（c）、斜坡結構（d）、構造（e）、巖體完整性（f）、卸荷（g）、巖體滲透性（h）、及植被覆蓋率（i）等9個一級影響因子作為SPSS樣本分析工具的數(shù)據(jù)庫，輸入后選用Logistic回歸分析法開展樣本分析工作，得出各一級影響因子的敏感性。其計算公式如式1所示：

其中，V為某一單元的地質災害危險性預測值；A～I為對應一級影響因子下的敏感性系數(shù)，A＋B＋C＋D＋E＋F＋G＋H＋I＝1。

各一級影響因子下含二級影響因子，對應公式如式2所示：

式中A1～A6為對應二級因子下的敏感性系數(shù)，其中，A1＋A2＋A3＋A4＋A5＋A6＝1。

（1）坡度：包括平坦（0～10°）、緩坡（10°～15°）、斜坡（15°～20°）、陡坡（20°～30°）、急坡（30°～45°）及急陡坡（45°～90°）等6個二級因子（a1～a6）。

（2）高差：分為0～20 m、20 m～40 m、40 m～60 m、60 m～80 m、80 m～100 m及大于100 m等6個二級因子（b1～b6）。

（3）巖性：包括千枚巖、粉砂巖、玄武巖、流紋巖、坡崩積層、殘積層及沖積層共7類二級因子（c1～c7）。

（4）斜坡結構：分為順向坡、橫向坡及斜向破共3類二級因子（d1～d6）。

（5）構造發(fā)育情況：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5級結構面及無構造發(fā)育等6個二級因子（e1～e6）。

（6）巖體完整性：包括完整、較完整、完整性差、破碎及較破碎等5個二級因子（f1～f5）。

（7）巖體卸荷發(fā)育情況：包括強卸荷、弱卸荷及深卸荷等3個二級因子（g1～g3）。

（8）巖體滲透性：包括極強透水、強透水、中等透水、弱透水、微透水及極微透水等6個二級因子（h1～h6）。

（9）植被覆蓋率：分為20%、20%～40%、40%～60%、60%～80%及80%～100%等5個二級因子（i1～i5）。

3.2 樣本分析應用軟件

SPSS軟件統(tǒng)計分析過程包括描述性統(tǒng)計、均值比較、一般線性模型、相關分析、回歸分析、對數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡化、生存分析、時間序列分析、多重響應等幾大類，每類中又分好幾個統(tǒng)計過程，比如回歸分析中又分線性回歸分析、曲線估計、Logistic回歸、Pr obit回歸、加權估計、兩階段最小二乘法、非線性回歸等多個統(tǒng)計過程，而且每個過程中又允許用戶選擇不同的方法及參數(shù)。該軟件分析結果清晰、直觀、易學易用，而且可以直接讀取Excel及dbf數(shù)據(jù)文件，現(xiàn)已推廣到多種各種操作系統(tǒng)的計算機上，在國際學術交流中，凡是用SPSS軟件完成的計算和統(tǒng)計分析，可以不必說明算法。最新的21.0版采用DAA（Distributed Analysis Architect ure，分布式分析系統(tǒng)），全面適應互聯(lián)網(wǎng)，支持動態(tài)收集、分析數(shù)據(jù)和HT ML格式報告。

3.3 樣本分析

現(xiàn)場共收集到地質災害點6個數(shù)據(jù)，均為復合堆積體。各堆積體主要參數(shù)如表1所示。

圖3 SPSS樣本分析軟件操作界面

表1 現(xiàn)場收集地質災害點特征表

本工程因樣本數(shù)量偏少，部分二級影響因子敏感性系數(shù)需利用專家判譯結合經(jīng)驗給定。此外，因樣本成分復雜，經(jīng)初次樣本分析，相關性難以達到要求，后將樣本分為土質邊坡和巖質邊坡兩類分別展開分析，得到地質災害危險性預測公式如下所示：

（1）對于土質邊坡，坡度、成因、構造、透水性具有較強的敏感性，其預測公式見式（3）：

（2）對于巖質邊坡，坡度、巖性、斜坡結構、構造、巖體完整性、卸荷及巖體透水性有較強的敏感性，其預測公式見式（4）：

4 地質災害危險性預測

利用Arc GIS空間分析模塊，分別按照式（3）及式（4）進行疊加分析，從而得到研究區(qū)地質災害危險性預測等值線圖。

在此基礎上，利用Skyline軟件操作平臺，與地質專家共享數(shù)據(jù)信息，通過專家判譯復核修正工作成果，從而對庫區(qū)地質災害危險性進行最終預測，并將成果建立數(shù)據(jù)庫，見圖4。該成果作為本階段地質調查成果的同時，可為下階段地質調查工作起指導作用。

5 結論及展望

目前，利用野外GPS導航技術＋室內(nèi)GIS空間分析法完成乏信息、乏工作條件區(qū)域的地質調查工作的模式已應用到若干東南亞水電站工程大范圍地質災害調查工作中，相對于傳統(tǒng)工作模式，其提高了工作精度和效率的同時，一定程度上避免了各種不利因素的干擾，節(jié)約了工作成本，可避免傳統(tǒng)調查方法的重復和遺漏等，工作成果數(shù)據(jù)庫展示內(nèi)容直觀、全面、系統(tǒng)性強，值得進一步探索和實踐。

工程實踐過程中，該模式最終效果受樣本的數(shù)量及可靠性的影響較大，專家判譯過程中需充分結合已有樣本做出進一步分析。因此，為了充分發(fā)揮本工作模式的優(yōu)勢，在工程實踐中應結合地質工作經(jīng)驗對樣本分析理論充分理解，并把握好分析樣本的遴選過程。

圖4 地質災害危險部位預測圖

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