基于ArcGIS的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)——以旬陽縣為例

楊德宏，范 文

(長安大學(xué)地質(zhì)工程系，陜西西安 710054)

0 前言

旬陽縣位于陜西省安康市東北部，秦巴山區(qū)的大巴山北麓;漢江河谷自西向東橫貫縣境中部，將縣境分割為南北兩大自然區(qū)。區(qū)內(nèi)以中山為主，地形地貌復(fù)雜;斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜;雨量充沛，地表水系發(fā)育，導(dǎo)致縣境內(nèi)滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)且分布廣，使旬陽縣成為陜西省乃至全國地質(zhì)災(zāi)害重災(zāi)區(qū)［1］，因此，對旬陽縣進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)刻不容緩。

地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是一個(gè)復(fù)雜的漸變過程，由于自然和人為因素的影響，地質(zhì)體原有平衡條件被破壞，產(chǎn)生力的不平衡，導(dǎo)致地質(zhì)體的整體或局部失穩(wěn)。因此，評價(jià)地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性時(shí)，應(yīng)綜合考慮各種因素的影響，以便準(zhǔn)確合理的劃分出地質(zhì)災(zāi)害高、中、低和非易發(fā)區(qū)［2］，為制定旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害防治措施和選擇移民搬遷場地提供參考依據(jù)。

1 評價(jià)方法

目前常用的地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)方法主要包括模糊聚類分析法、模糊綜合評判法、層次分析法、綜合危險(xiǎn)性指數(shù)法［3-4］等。為了體現(xiàn)各種因素對地質(zhì)災(zāi)害的影響，提高地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)的精度和準(zhǔn)確性，使評價(jià)工作具有可操作性，根據(jù)旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特征及地質(zhì)環(huán)境條件等，本文采用綜合危險(xiǎn)性指數(shù)法。

具體方法:首先，量化影響因子并進(jìn)行歸一化處理，并利用層次分析法確定各因子權(quán)重系數(shù)［5］;其次，構(gòu)建影響因子?xùn)鸥駡D層，利用ArcGIS空間分析中的柵格工具對各統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行影響因子加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性柵格圖;最后，綜合考慮各種影響因素，概化出旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)圖。

此方法能充分利用野外詳細(xì)調(diào)查采集的地質(zhì)災(zāi)害數(shù)據(jù)，綜合考慮到與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)的影響因子，具有精度高、使用方便的特點(diǎn)。

2 評價(jià)因子體系的建立

2.1 評價(jià)因子的選取原則

評價(jià)因子體系是若干單項(xiàng)評價(jià)因子的有機(jī)整體，因此單項(xiàng)評價(jià)因子的選取遵循3個(gè)原則:(1)評價(jià)因子要系統(tǒng)、普遍的反應(yīng)地質(zhì)環(huán)境背景和地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)條件;(2)選取評價(jià)因子時(shí)，要考慮各參評因子易于定量化;(3)評價(jià)因子的來源要真實(shí)、可靠。

2.2 評價(jià)因子體系的建立

本次研究依托陜西省旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查項(xiàng)目，以野外詳細(xì)調(diào)查期間獲得的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)災(zāi)害數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，以旬陽縣1∶50000地形底圖數(shù)字化信息為基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)［1］。

經(jīng)調(diào)查，在縣境內(nèi)共查明地質(zhì)災(zāi)害608處(截止2013年9月)，滑坡556處、崩塌33處、泥石流16處、地面塌陷3處［1］。其中，滑坡和崩塌占災(zāi)害點(diǎn)總數(shù)的比例達(dá)96.9%，且泥石流均為已穩(wěn)定的歷史災(zāi)害，地面塌陷零星出現(xiàn)在縣境的無人區(qū)內(nèi)［1］，因此本文將基于滑坡和崩塌進(jìn)行評價(jià)因子的選取。

滑坡和崩塌的影響因素主要包括地質(zhì)環(huán)境條件、人類工程活動和降水［6-8］，因此本文利用目標(biāo)分析法建立旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的多因子綜合評價(jià)體系，共選擇10個(gè)影響因子，分別為坡高、坡度、坡形、地層巖性、區(qū)域構(gòu)造、河流分布、降雨量、人類工程活動、坡表應(yīng)力應(yīng)變和歷史災(zāi)害點(diǎn)。

3 評價(jià)因子量化及歸一化

利用ArcGIS軟件，在旬陽縣1∶50000的地形地圖數(shù)據(jù)中提取評價(jià)因子，將原始DEM數(shù)據(jù)分為特定大小的規(guī)則格網(wǎng)，每種評價(jià)因子都在同一格網(wǎng)內(nèi)取值，最終實(shí)現(xiàn)同格網(wǎng)疊加［9］。本文將旬陽縣全區(qū)離散為50 m×50 m的單元格，提取地質(zhì)災(zāi)害定量評價(jià)因子。根據(jù)旬陽縣地形圖生成旬陽縣全區(qū)原始DEM圖(圖1)。

圖1 旬陽縣全區(qū)原始DEM圖Fig．1 Xunyang region’s original DEM

評價(jià)因子包括定量因子和定性因子，各種因子數(shù)值間的單位不統(tǒng)一，無法綜合評價(jià)同一目標(biāo)。因此，對定量因子，先將各因子進(jìn)行定量化表達(dá)，并將因子值轉(zhuǎn)化為無量綱的相對數(shù)，再通過直線型闕值法(式(1))將數(shù)值進(jìn)行歸一化處理，將其規(guī)范在0和1之間;對定性因子，直接根據(jù)其與地質(zhì)災(zāi)害的關(guān)系歸一化賦值［10］(表1)。

本文以坡度、地層巖性、區(qū)域構(gòu)造和歷史災(zāi)害點(diǎn)密度為例，分別說明單因子圖層的評價(jià)。

3.1 坡度因子歸一化

坡度對斜坡的穩(wěn)定性有影響，坡度的增加，斜坡的穩(wěn)定性降低。在曲面計(jì)算中，當(dāng)?shù)匦吻鍴=f(x，y)為已知時(shí)，定點(diǎn)的坡度公式(2)為:

其中，fx——東西方向高程變化率，

fy——南北方向高程變化率。本文基于DEM格網(wǎng)，利用公式(2)求解研究區(qū)每個(gè)單元格斜坡坡度。

在研究區(qū)內(nèi)，已有災(zāi)害的原始坡度分布如圖2所示。由圖2可知，在研究區(qū)內(nèi)，坡度在20°～40°時(shí)最易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，向兩側(cè)逐漸遞減趨勢。因此，本文對坡度因子歸一化時(shí)，當(dāng)坡度為0°和90°時(shí)，歸一化值取為0;坡度分布圖的對稱線為最易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的坡度，即取坡度β=30°時(shí)，取歸一化值為1;其余斜坡坡度歸一化值采用插值法求得。

表1 評價(jià)因子量化方法及歸一化方法表Table 1 Quantitative methods of evaluation factors and normalization method table

圖2 旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害原始坡度分布圖Fig．2 Original gradient distribution of geological disaster in Xunyang

3.2 地層巖性因子歸一化

地層巖性決定巖土體類型，巖土體是地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的物質(zhì)基礎(chǔ);巖土體越軟弱，越容易形成風(fēng)化堆積層。所以，當(dāng)巖土體下覆基巖較軟時(shí)，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，反之亦然。

按巖性軟弱程度將研究區(qū)巖土體分為3個(gè)類并對進(jìn)行歸一化賦值:(1)堅(jiān)硬厚層狀碳酸鹽巖組，分布于大羊山、南羊山及周邊地區(qū)，巖石堅(jiān)硬，飽和抗壓強(qiáng)度大于120MPa，軟化系數(shù)大于0.8，由該類巖體構(gòu)成的山峰陡峭，易發(fā)生巖體崩塌等不良地質(zhì)現(xiàn)象，影響系數(shù)取為0.2;(2)軟硬相間互層狀灰?guī)r、千枚巖、片巖組，主要分布在研究區(qū)北部、中西部及漢江南岸，神河鎮(zhèn)、赤巖鎮(zhèn)一帶，巖石軟硬不均，軟化系數(shù)0.6～0.8，沿軟弱夾層易形成滑坡、崩塌，影響系數(shù)取為0.5;(3)軟弱薄層狀淺變質(zhì)片巖、千枚巖巖組，在漢江以南及蜀河鎮(zhèn)、仙河鎮(zhèn)均有分布，巖質(zhì)軟弱，易形成風(fēng)化厚層，遇暴雨或連陰雨，易誘發(fā)滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害，影響系數(shù)取為0.9。

3.3 區(qū)域構(gòu)造因子歸一化

旬陽縣位于秦嶺南部與巴山北部的交界處，地質(zhì)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，受秦嶺緯向構(gòu)造帶南秦嶺-印支褶皺帶東端影響，研究區(qū)內(nèi)主要構(gòu)造線均呈NW向，主要構(gòu)造包括:旬陽-冷水河復(fù)向斜、麻坪-呂河口復(fù)向斜、安康-神河鎮(zhèn)復(fù)背斜、公館-白河大斷裂、月河大斷裂。

為體現(xiàn)活動構(gòu)造對研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)的影響，本文以研究區(qū)內(nèi)的構(gòu)造為基礎(chǔ)，設(shè)置緩沖區(qū)。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2010版)》4.1.7中最小避讓距離，旬陽縣屬地震烈度6度區(qū)，可忽略發(fā)震斷裂對地表的影響，但通過野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造帶附近巖土體變形破碎，因此本文設(shè)置緩沖區(qū)范圍以構(gòu)造帶為中心向兩側(cè)各延伸200 m。在緩沖區(qū)范圍內(nèi)，離構(gòu)造活動越近歸一化賦值趨于1，離構(gòu)造活動越遠(yuǎn)歸一化賦值趨于0，緩沖區(qū)范圍外歸一化賦值全部取為0。

3.4 歷史災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化

災(zāi)害點(diǎn)密度代表地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)育程度，它是地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的正向指標(biāo)。本文利用研究區(qū)已查明地質(zhì)災(zāi)害繪制地質(zhì)災(zāi)害的災(zāi)點(diǎn)分布圖(圖3)，利用(1)式對災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化賦值，形成旬陽縣災(zāi)害點(diǎn)密度歸一化圖層，再將此圖層與其余9個(gè)評價(jià)因子的歸一化圖層疊加，對各種因子圖層進(jìn)行二次校正，提高量化的精度與準(zhǔn)確性。

圖3 旬陽縣災(zāi)害點(diǎn)分布圖Fig．3 Distribution map of disasters in Xunyang

4 評價(jià)因子權(quán)重系數(shù)確定

各評價(jià)因子對地質(zhì)災(zāi)害的影響不同，因此確定各因子的權(quán)重系數(shù)是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。層次分析法是一種多因子分析評價(jià)方法，具有精度高，使用方便的特點(diǎn)，它通過估計(jì)兩兩影響因子之間的關(guān)系構(gòu)造矩陣，因而，這種方法帶有一定的主觀性。不過構(gòu)成關(guān)系矩陣是通過所有影響因子兩兩比較來確定，所有關(guān)系的兩兩比較綜合決定了各個(gè)影響因子的權(quán)重系數(shù)，避免了個(gè)別結(jié)果因不合理而造成的偏差過大;評價(jià)因子比較的結(jié)果也可以用一致性比率(CR)來衡量，它代表矩陣一致性指標(biāo)與隨機(jī)性指標(biāo)，范圍是0～1。因此，該方法在地質(zhì)災(zāi)害的易發(fā)性評價(jià)中受到廣泛應(yīng)用。因子矩陣及權(quán)重見表2。

用MATLAB求得該因子矩陣的最大特征根λmax為11.0258，則一致性指標(biāo)CI=(λ-n)/(n-1)，解得CI為 0.114，RI查表［11］為 1.49，則CR=CI/RI=0.076＜0.1，表明矩陣中因子的不一致程度在允許范圍之內(nèi)。通過式(3)計(jì)算得各評價(jià)因子的權(quán)重系數(shù)表(表3)。

表2 因子權(quán)重的配對比較矩陣表Table 2 Weights paired comparison matrix

表3 各因子的權(quán)重系數(shù)表Table 3 Each factor weight coefficient table

5 易發(fā)性分區(qū)

在ArcGIS軟件平臺下，根據(jù)10個(gè)地質(zhì)災(zāi)害控制參數(shù)，構(gòu)建影響因子?xùn)鸥駡D層，利用空間分析模塊中的柵格計(jì)算工具對各統(tǒng)計(jì)單元進(jìn)行影響因子加權(quán)疊加，構(gòu)建研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性柵格圖。

地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性指數(shù)按照公式(4)計(jì)算:

得出旬陽縣綜合因子評價(jià)計(jì)算結(jié)果，針對旬陽縣野外調(diào)查情況，將綜合危險(xiǎn)性指標(biāo)分為4個(gè)等級，指數(shù)在 0～1為非易發(fā)區(qū)［2］，1～2.4為低易發(fā)區(qū)，2.4～3.1為中易發(fā)區(qū)，大于3.1的為高易發(fā)區(qū)。由圖4可知，研究區(qū)無非易發(fā)區(qū)，有較明顯的中易發(fā)區(qū)和高易發(fā)區(qū)。

在定量計(jì)算分級分區(qū)的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種因素的影響，概化出旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)圖(圖4)。

圖4 旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度分區(qū)圖Fig．4 The partitions with susceptible degree of the geological hazard in Xunyang

高易發(fā)區(qū):受眾多因素的綜合影響，在地質(zhì)構(gòu)造活躍、人類工程活動及河流沖刷侵蝕作用強(qiáng)烈、地形地貌特征不利的呂河鎮(zhèn)-神河鎮(zhèn)-石門鎮(zhèn)-金寨鎮(zhèn)-赤巖鎮(zhèn)-銅錢關(guān)鎮(zhèn)一帶，以及漢江、旬河、壩河、呂河、蜀河等主要河流的沿線;總面積1650.944 km2，占全縣面積的46.59%;地質(zhì)災(zāi)害密度為0.26處/km2。

中易發(fā)區(qū):在高易發(fā)區(qū)的周緣，地質(zhì)構(gòu)造活動、人類工程活動、河流沖刷侵蝕等的程度略低，但影響同樣強(qiáng)烈，加之不利的地形地貌特征、降雨等其他因素作用下，同樣容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害;總面積1740.519 km2，占全縣面積的49.12%;地質(zhì)災(zāi)害密度為0.09處/km2。

低易發(fā)區(qū):在旬陽縣北側(cè)的高山區(qū)，主要位于小河鎮(zhèn)-趙灣鎮(zhèn)-白柳鎮(zhèn)一帶、雙河鎮(zhèn)-構(gòu)元鎮(zhèn)-關(guān)口鎮(zhèn)-城關(guān)鎮(zhèn)-白柳鎮(zhèn)一帶，由于植被茂密，人類工程活動較弱，地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性較低;總面積151.826 km2，占全縣面積的4.28%;地質(zhì)災(zāi)害密度為0.005處/km2。

6 結(jié)論

(1)旬陽縣的地質(zhì)災(zāi)害影響因子主要包括坡高、坡度、坡形、地層巖性、區(qū)域構(gòu)造、河流分布、降雨量、人類工程活動、坡表應(yīng)力應(yīng)變等，將其作為地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)性分區(qū)評價(jià)的因子是合理的。

(2)在地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用綜合危險(xiǎn)性指數(shù)法劃分出的高、中、低易發(fā)區(qū)與旬陽縣歷史災(zāi)害點(diǎn)的分布特征一致。

(3)建議旬陽縣在地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)內(nèi)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須對工作場地進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)，對地質(zhì)災(zāi)害中、高易發(fā)區(qū)，采用移民搬遷或工程治理的措施，避免人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失。

［1］范文，曹琰波，石耀武，等.陜西省旬陽縣地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查報(bào)告［R］.西安長安大學(xué)工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，2013.FAN Wen，CAO Yanbo，SHI Yaowu，et al.Xunyang county of Shaanxi province geological disasters detailed investigation report［R］.Xi’an，Chang’an University Engineering Design and Research Institute co.，LTD.，2013.

［2］陜西省地質(zhì)調(diào)查院.陜西省地質(zhì)災(zāi)害詳細(xì)調(diào)查技術(shù)要求［R］.西安:陜西省質(zhì)調(diào)查院，2012.Shaanxi Provincial Geological Survey Institute.Detailed investigation geologic hazard in shaanxi technicalrequirements［R］. Xi’an:Shaanxi Qualitative Survey Institute，2012.

［3］馬楊敏，高宗軍，李巖銘，等.基于GIS空間分析的山東青島嶗山區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)程度區(qū)劃［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2013，24(1):93-97.MA Yangmin，GAO Zongjun，LI Yanming，et al.Zoning of probable occurrence level of geological disaaters in Laoshan district based on GIS spatial analysis［J］.Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(1):93-97.

［4］朱曉曦，王一鳴，龔新法.浙江省文城縣滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性評價(jià)［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2013，24(3):13-19.ZHU Xiaoxi， WANG Yiming， GONG Xinfa.Assessment of the landslide hazards in Wencheng county of Zhejiang province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2013，24(3):13-19.

［5］唐亞明，程秀娟，薛強(qiáng)，等.基于層次分析法的黃土滑塌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2012，23(4):40-46.TANG Yaming，CHENG Xiujuan，XUE Qiang，et al.Weights analysis of loess collapse risk assessing factors based on analytical hierarchy process［J］.Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2012，23(4):40-46.

［6］劉傳正.論地質(zhì)災(zāi)害防治的科學(xué)理念［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2013，40(6):1-6.LIU Chuanzheng.Consultation for the scientific spirit in geological hazard and control［J］.Hydrogeology and Engineering Geology，2013，40(6):1-6.

［7］劉傳正.論滑坡穩(wěn)定性評價(jià)的幾個(gè)關(guān)鍵問題［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1996，7(3):55-59.LIU Chuanzheng.On some problems in evaluation of slope stability［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，1996，7(3):55-59.

［8］張桂榮，殷坤龍，劉傳正，等.基于GIS的陜西省旬陽地區(qū)滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性區(qū)劃［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，2003，14(4):39-43.ZHANG Guirong，YIN Kunlong，LIU Chuanzheng，et al.The hazard zoning of landslide supported by GIS in Xunyang region of Shannxi province［J］.The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2003，14(4):39-43.

［9］李媛媛，李晉，劉新華，等.基于3S技術(shù)地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測信息系統(tǒng)構(gòu)建［J］.災(zāi)害學(xué)，2006，21(4):28-30.LI Yuanyuan，LI Jin，LIU Xinhua，et al.Based on 3S technology to build geologicaldisaster monitoring information system ［J］.Disaster Science，2006，21(4):28-30.

［10］中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院.1:50000地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查信息化成果技術(shù)要求［R］.北京:中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，2010.China Institute for Geo-Environmental Monitoring.The 1:50000 technicalrequire ofthe resultofthe informatization［R］. Beijing:China Geological Environmental Monitoring Institute，2000.

［11］霍海峰，溫鮮.層次分析法在教學(xué)評價(jià)中的應(yīng)用［J］.科技視界，2012，34(28):48-49.HUO Haifeng，WEN Xian.Analytic hierarchy process(ahp)application in the teaching evaluation ［J］.Journal of Horizon of Science and Technology，2012，34(28):48-49.