GIS空間分析法在國(guó)外某水電站工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

彭森良

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司地質(zhì)分院,昆明 650011)

GIS空間分析法在國(guó)外某水電站工程地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查中的應(yīng)用

彭森良

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司地質(zhì)分院,昆明 650011)

使用便攜式GPS導(dǎo)航技術(shù)，建立樣本數(shù)據(jù)。通過(guò)分析空間數(shù)據(jù)樣本，獲得庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害各誘發(fā)因子的敏感性系數(shù)，并使用GIS空間分析法開(kāi)展庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。最后通過(guò)專家判譯法，完成該區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查。在地質(zhì)資料相對(duì)匱乏的工作區(qū)，該方法能提高工作效率，節(jié)約成本，避免重復(fù)和遺漏，使成果更全面、系統(tǒng)和合理。

地質(zhì)災(zāi)害；危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)； GPS導(dǎo)航；GIS空間分析；專家判譯

1 前言

隨著國(guó)內(nèi)水電市場(chǎng)的逐步萎縮，越來(lái)越多的水電工程勘測(cè)設(shè)計(jì)單位投入到國(guó)際水電工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中。國(guó)外水電工程區(qū)普遍存在地質(zhì)資料匱乏、現(xiàn)場(chǎng)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(zhì)調(diào)查工作的開(kāi)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(jī)300 MW，混凝土重力壩高約70 m，庫(kù)容約1×108m3，庫(kù)長(zhǎng)約15 km。庫(kù)區(qū)屬典型熱帶雨林氣候，除近壩庫(kù)段1.5 km范圍，人跡罕至，交通及衛(wèi)生條件極差，現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查工作難以開(kāi)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(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查工作，而后通過(guò)室內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)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(zhì)災(zāi)害發(fā)育的各種因素，通過(guò)野外收集的地質(zhì)災(zāi)害體樣本，借助SPSS軟件強(qiáng)大的樣本分析功能， 分析各影響因素的敏感性，建立地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)公式，最終結(jié)合專家判譯，利用GIS空間分析法完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作，以滿足設(shè)計(jì)要求。

2 野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

2.1 便攜式GPS導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用

為保證野外地質(zhì)調(diào)查的精度，摒棄了紙質(zhì)地質(zhì)圖現(xiàn)場(chǎng)定點(diǎn)的傳統(tǒng)方法，采用Andriod操作系統(tǒng)下的GPS導(dǎo)航軟件開(kāi)展野外地質(zhì)調(diào)查工作。

該方法所用設(shè)備為普通移動(dòng)手機(jī)，方便攜帶且具備以下優(yōu)點(diǎn)：

(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(diào)查線路，地質(zhì)災(zāi)害體周界、高程等信息。

(3) 可現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地質(zhì)災(zāi)害體地形橫、縱剖面。

(4) 可記錄地質(zhì)點(diǎn)文本、照片、音頻及視頻等信息。

(5) 中文操作界面，簡(jiǎn)單實(shí)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(zhì)圖、實(shí)測(cè)地形圖等配準(zhǔn)后在現(xiàn)場(chǎng)作為導(dǎo)航基準(zhǔn)地圖。

該軟件的操作界面如圖1所示。

2.2 野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查

野外地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查主要工作內(nèi)容如下：

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

(2) 有條件的情況下，需利用GPS導(dǎo)航軟件開(kāi)展實(shí)地幾何要素的測(cè)量，包括其周界、分布高程，縱橫剖面等信息。

(3) 利用GPS導(dǎo)航軟件對(duì)典型地質(zhì)點(diǎn)記錄其地形概況、巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)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(duì)每個(gè)地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)盡可能多的記錄影響其發(fā)育的通用指標(biāo)體系內(nèi)的各種影響因素等。

(5) 調(diào)查結(jié)束后，按照規(guī)定格式編制各地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)的信息表格，以便下一階段的錄入工作。

3 樣本分析

3.1 庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害影響評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性的判定，主要依據(jù)潛在不穩(wěn)定地質(zhì)體在受多種因素影響下發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的危險(xiǎn)程度。通常情況下對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性的影響因素包括地質(zhì)背景條件、地形地貌特征、各種動(dòng)力作用(包括降雨、地震等)以及人類工程活動(dòng)等因素。研究這些因素在地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性中所起的作用，分析其與地質(zhì)體失穩(wěn)之間關(guān)系，進(jìn)而建立穩(wěn)定性指標(biāo)體系，最后采用合適的評(píng)價(jià)模型進(jìn)行地質(zhì)災(zāi)害體穩(wěn)定性空間預(yù)測(cè)。

通常的地質(zhì)災(zāi)害主要影響因素共分為2類，一類是考慮基礎(chǔ)地質(zhì)地理背景影響因素，另外一類是考慮災(zāi)害發(fā)生的誘發(fā)因素。為進(jìn)一步對(duì)研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危害性進(jìn)行預(yù)測(cè)，圖2中同時(shí)列出了危害評(píng)價(jià)所需受災(zāi)體指標(biāo)，主要包括居民點(diǎn)和耕地。

庫(kù)區(qū)匯水面積不大，氣候條件、人類活動(dòng)跡象及地震活動(dòng)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(jié)構(gòu)(d)、構(gòu)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(gè)一級(jí)影響因子作為SPSS樣本分析工具的數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入后選用Logistic回歸分析法開(kāi)展樣本分析工作，得出各一級(jí)影響因子的敏感性。其計(jì)算公式如式1所示：

V=Aa+Bb+Cc+Dd+Ee+Ff+Gg+Hh+Ii

(1)

其中，V為某一單元的地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)值;A～I(xiàn)為對(duì)應(yīng)一級(jí)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(jí)影響因子下含二級(jí)影響因子，對(duì)應(yīng)公式如式2所示：

a=A1a1+A2a2+A3a3+A4a4+A5a5+A6a6

(2)

式中A1～A6為對(duì)應(yīng)二級(jí)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(gè)二級(jí)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(gè)二級(jí)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(jí)因子(c1～c7)。

(4) 斜坡結(jié)構(gòu)：分為順向坡、橫向坡及斜向破共3類二級(jí)因子(d1～d6)。

(5) 構(gòu)造發(fā)育情況：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ共5級(jí)結(jié)構(gòu)面及無(wú)構(gòu)造發(fā)育等6個(gè)二級(jí)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(gè)二級(jí)因子(f1～f5)。

(7) 巖體卸荷發(fā)育情況：包括強(qiáng)卸荷、弱卸荷及深卸荷等3個(gè)二級(jí)因子(g1～g3)。

(8) 巖體滲透性：包括極強(qiáng)透水、強(qiáng)透水、中等透水、弱透水、微透水及極微透水等6個(gè)二級(jí)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(gè)二級(jí)因子(i1～i5)。

3.2 樣本分析應(yīng)用軟件

SPSS軟件統(tǒng)計(jì)分析過(guò)程包括描述性統(tǒng)計(jì)、均值比較、一般線性模型、相關(guān)分析、回歸分析、對(duì)數(shù)線性模型、聚類分析、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化、生存分析、時(shí)間序列分析、多重響應(yīng)等幾大類，每類中又分好幾個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，比如回歸分析中又分線性回歸分析、曲線估計(jì)、Logistic回歸、Probit回歸、加權(quán)估計(jì)、兩階段最小二乘法、非線性回歸等多個(gè)統(tǒng)計(jì)過(guò)程，而且每個(gè)過(guò)程中又允許用戶選擇不同的方法及參數(shù)。該軟件分析結(jié)果清晰、直觀、易學(xué)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(jì)算機(jī)上，在國(guó)際學(xué)術(shù)交流中，凡是用SPSS軟件完成的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析，可以不必說(shuō)明算法。最新的21.0版采用DAA(Distributed Analysis Architecture，分布式分析系統(tǒng))，全面適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)，支持動(dòng)態(tài)收集、分析數(shù)據(jù)和HTML格式報(bào)告。

3.3 樣本分析

現(xiàn)場(chǎng)共收集到地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)6個(gè)數(shù)據(jù)，均為復(fù)合堆積體。各堆積體主要參數(shù)如表1所示。

本工程因樣本數(shù)量偏少，部分二級(jí)影響因子敏感性系數(shù)需利用專家判譯結(jié)合經(jīng)驗(yàn)給定。此外，因樣本成分復(fù)雜，經(jīng)初次樣本分析，相關(guān)性難以達(dá)到要求，后將樣本分為土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡兩類分別展開(kāi)分析，得到地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)公式如下所示：

(1) 對(duì)于土質(zhì)邊坡，坡度、成因、構(gòu)造、透水性具有較強(qiáng)的敏感性，其預(yù)測(cè)公式見(jiàn)式(3)：

V= 0.20a+0.02b+0.23c+0.01d+0.25e+0f+0g+0.23h+0.06i

(3)

(2) 對(duì)于巖質(zhì)邊坡，坡度、巖性、斜坡結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、巖體完整性、卸荷及巖體透水性有較強(qiáng)的敏感性，其預(yù)測(cè)公式見(jiàn)式(4)：

V= 0.08a+0.01b+0.26c+0.25d+0.05e+0.13f+0.14g+0.05h+0.03i

(4)

4 地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

利用ArcGIS空間分析模塊，分別按照式(3)及式(4)進(jìn)行疊加分析，從而得到研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)等值線圖。

在此基礎(chǔ)上，利用Skyline軟件操作平臺(tái)，與地質(zhì)專家共享數(shù)據(jù)信息，通過(guò)專家判譯復(fù)核修正工作成果，從而對(duì)庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)性進(jìn)行最終預(yù)測(cè)，并將成果建立數(shù)據(jù)庫(kù)，見(jiàn)圖4。該成果作為本階段地質(zhì)調(diào)查成果的同時(shí)，可為下階段地質(zhì)調(diào)查工作起指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論及展望

目前，利用野外GPS導(dǎo)航技術(shù)+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(zhì)調(diào)查工作的模式已應(yīng)用到若干東南亞水電站工程大范圍地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查工作中，相對(duì)于傳統(tǒng)工作模式，其提高了工作精度和效率的同時(shí)，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(diào)查方法的重復(fù)和遺漏等，工作成果數(shù)據(jù)庫(kù)展示內(nèi)容直觀、全面、系統(tǒng)性強(qiáng)，值得進(jìn)一步探索和實(shí)踐。

工程實(shí)踐過(guò)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(guò)程中需充分結(jié)合已有樣本做出進(jìn)一步分析。因此，為了充分發(fā)揮本工作模式的優(yōu)勢(shì)，在工程實(shí)踐中應(yīng)結(jié)合地質(zhì)工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)樣本分析理論充分理解，并把握好分析樣本的遴選過(guò)程。

[1] 彭森良，李忠，等.3S集成技術(shù)在庫(kù)岸穩(wěn)定條件分段中的應(yīng)用探索.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)青年技術(shù)論壇論文集，2011.12.

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APPLYING GIS SPATIAL ANALYSIS IN INVESTIGATING GEO-HAZARDS AT A HYDROPOWER STATION OVERSEAS

PENG Seng-liang

(Geo-branch of Powerchina’ Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650011,China)

The sample data are obtained with the portable GPS navigation technology. And Sensitivity coefficients for the inducing factors at the reservoir are obtained by analyzing the data. GIS Spatial Analysis is used to predict risks of the geo-hazards at the reservoir. And the investigation is completed by Expert method finally. These methods are suitable for work areas lacking geo-data, raising work efficiency, reducing costs and avoiding duplication and omission, with more comprehensive, systematic and rational results.

geo-hazard; risk prediction; GPS navigation; GIS Spatial Analysis; Expert Method

1006-4362(2015)02-0100-05

2014-11-12改回日期：2015-02-17

P642;TP79

A

彭森良(1984- )，男，內(nèi)蒙古敖漢旗人，碩士，主要研究方向：水電水利工程地質(zhì)勘察及3S集成技術(shù)應(yīng)用。