基于GIS的恩施市龍鳳鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

李澤威, 楊登銀, 王明華, 岳永強, 郝心宇

(湖北省地質(zhì)局 第二地質(zhì)大隊,湖北 恩施 445000)

地質(zhì)災(zāi)害是指由自然因素或者社會因素引起的危害人民生命、財產(chǎn)安全的各種災(zāi)害的總和,包括滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫、地面塌陷、地面沉降等,而地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是以地質(zhì)災(zāi)害體和承災(zāi)體為研究對象,對風(fēng)險區(qū)遭受地質(zhì)災(zāi)害的可能性和后果進行定量分析與評價的理論和方法[1-2]。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的內(nèi)容主要包括危險性評價和易損性評價,其中“危險性”的核心要素是地質(zhì)災(zāi)害的活動程度,“易損性”是承受特定災(zāi)害時候的綜合能力的量度[3-4]。本文利用GIS軟件的投影變換和空間屬性分析功能,按照評價需要生成各種圖件,完成研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價工作。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理環(huán)境

龍鳳鎮(zhèn)位于恩施市北郊,該鎮(zhèn)地理坐標極值為東經(jīng)109°19′～109°36′、北緯30°20′～30°32′,國土面積277.17 km2。該區(qū)處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),氣候濕潤,降雨充沛,年降雨量1 102.3～1 913.9 mm,平均年降雨量1 532.5 mm,雨季集中在5-8月,尤以6-7月雨量最多,大、暴雨頻發(fā)是導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的主要動力[5]。該區(qū)地處鄂西南褶皺山地,中心集鎮(zhèn)部分坐落在恩施紅色斷陷盆地中,山脈走向、地形地貌特征受區(qū)域構(gòu)造線控制。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要由一系列北東—北北東向褶皺帶和斷裂組成,地層從古生界寒武系—新生界第四系均有分布(圖1),巖性主要以碎屑巖和碳酸鹽巖為主。區(qū)內(nèi)土壤類型以黃棕壤為主,黃紅壤次之,土體松散,為地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6]。

1.2 社會經(jīng)濟狀況

龍鳳鎮(zhèn)屬于恩施貧困鎮(zhèn),屬恩施州精準扶貧重點鄉(xiāng)鎮(zhèn),2015年8月底統(tǒng)計,龍鳳鎮(zhèn)總?cè)丝诩s61 444人,人口密度約222人/km,全年實現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟總產(chǎn)值約45 110萬元,區(qū)內(nèi)主要分布18個行政村,各村人均收入約2 800～6 200元不等(見表1)。龍鳳鎮(zhèn)主要工程活動以房屋建筑、道路建設(shè)、采礦為主。不合理的削坡筑房、道路建設(shè)和礦山開采這些人為工程活動在很大程度上改變了當?shù)貛r土體的穩(wěn)定性,增加了地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生率。

1.3 地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育情況

地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生是現(xiàn)代地貌發(fā)展過程中的一種表現(xiàn)形式,在挽近期,研究區(qū)內(nèi)地殼一直處在間歇性上升之中,地殼上升過程中,風(fēng)力作用、降雨淋濾、溫度變化、植物根劈等一系列的物理作用使巖石遭受風(fēng)化,加上地表水、地下水的強烈侵蝕作用,使巖體結(jié)構(gòu)破壞。不同類型的地質(zhì)災(zāi)害具有不同的地形地貌條件,相對高差、地形坡度的差異導(dǎo)致不同規(guī)模類型地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。研究內(nèi)的地質(zhì)災(zāi)害以滑坡及不穩(wěn)定斜坡為主,其次為崩塌、地面塌陷。區(qū)內(nèi)調(diào)查共發(fā)現(xiàn)地質(zhì)災(zāi)害點60處,地質(zhì)災(zāi)害點多分布在白堊系(K)、志留系(S)地層中,白堊系地層主要發(fā)育不穩(wěn)定斜坡,有少量滑坡、崩塌災(zāi)害,且地質(zhì)災(zāi)害規(guī)模相對較小,而特大型、大型和大部分中型地質(zhì)災(zāi)害點多分布于龍鳳鎮(zhèn)中部志留系地層,災(zāi)害類型以滑坡為主(表2)。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)圖Fig.1 Geologic map of the research area1.全新世沖積物;2.跑馬崗組下段;3.巴東組三段;4.巴東組二段;5.巴東組一段;6.嘉陵江組上段;7.嘉陵江組中段;8.嘉陵江組下段;9.大冶組;10.龍?zhí)督M、下窯組、大隆組并層;11.茅口組、孤峰組并層;12.梁山組、棲霞組并層;13.金陵組、高驪山組、大埔組、黃龍組并層;14.云臺觀組、黃家蹬組、寫經(jīng)寺組并層;15.紗帽組;16.羅惹坪組上段;17.羅惹坪組下段;18.龍馬溪組;19.寶塔組;20.南津關(guān)組、紅花園線、大灣組、牯牛潭組并層;21.婁山關(guān)組上段;22.婁山關(guān)組下段;23.斷層;24.復(fù)合斷層;25.地層界線;26.產(chǎn)狀(°);27.工區(qū)范圍。

表1 研究區(qū)社會經(jīng)濟狀況Table 1 Socioeconomic status of the research area

村名面積/km2人口密度/(人·km-2)人均收入/元農(nóng)村經(jīng)濟總產(chǎn)值/(萬元·km-2)西流水林場2．1889．00273624．35青堡村35．2188．53454540．24碾盤村38．595．79470045．02貓子山村12．08161．26273644．12店子槽村19．74125．48455957．21二坡村14．75211．66273657．91佐家壩村17．89158．13381960．39古場壩村14．77227．83418595．35吉心村12．43209．17451495．74龍馬村14．29213．304986106．35柑子坪村8．42211．285454115．23大轉(zhuǎn)拐村9．63240．294859116．76杉木壩村13．32229．136685153．18龍?zhí)洞?3．68301．324790144．33向家村13．36389．154800186．79三河村10．93412．534790197．60雙堰塘村6．87450．074514203．16龍鳳村8．16623．654185261．00三龍壩村10．96538．326116329．24

表2 研究區(qū)地災(zāi)點分布情況Table 2 Distribution of the geologic hazard points in the research area

2 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價模型建立

2.1 評價模型

地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是對風(fēng)險區(qū)發(fā)生不同強度的地質(zhì)災(zāi)害活動的可能性及其可能造成的損失進行定量化分析與評價。地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價是在地質(zhì)災(zāi)害危險性評價的基礎(chǔ)上進行的,在危險性基礎(chǔ)上考慮社會經(jīng)濟的易損性,即可按照相應(yīng)的數(shù)學(xué)方法計算地質(zhì)災(zāi)害潛在的風(fēng)險,目前通行的公式為:風(fēng)險度=危險度×易損度[7]。

2.2 評價單元

本文利用GIS、Section、GeoTools等軟件將研究區(qū)按土地利用類型分割共劃分為17 155個小圖斑,每個圖斑面積<500 m×500 m,對每個圖斑添加屬性數(shù)據(jù),通過對每個圖斑的屬性進行編輯來實現(xiàn)對研究區(qū)全區(qū)所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析[8]。

3 地質(zhì)災(zāi)害危險性評價

3.1 評價步驟

①確定評價單元;②確定評價因素,即評價指標,以及各評價因素的評價因素值U;③根據(jù)各評價因素的地位和重要程度確定其權(quán)重值W;④計算各單元的綜合評價值H,并確定各分區(qū)等級的綜合評價值取值范圍;⑤根據(jù)工作區(qū)各單元綜合評價值進行危險性等級圖劃分。

3.2 評價指標及權(quán)重

根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示,影響地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育的因素主要包括:地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)狀、人類工程活動、氣候條件、地震災(zāi)害等,由于氣候條件和地震災(zāi)害對于工作區(qū)的影響一致,在此不作考慮。最終選擇:A地質(zhì)構(gòu)造、B坡度、C坡面與層面的關(guān)系、D工程地質(zhì)巖組、E人類工程活動強度、F已有災(zāi)害點規(guī)模、G已有災(zāi)害點穩(wěn)定性等7種因素作為地質(zhì)災(zāi)害危險性分區(qū)的評價指標。針對各因素的差異情況,劃分為高、中、低三個等級,各等級的評價因素值Uij(i=A、B、C、D、E、F、G;j=g、z、d)設(shè)為:3

表3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性評價分級標準Table 3 Hazards code of geologic hazard in the research area

3.3 危險度計算方法

危險度(H)計算公式為:

H=∑Uij·Wii=A、B、C、D、E、F、G

j=g、z、d

3.4 評價成果

利用GIS軟件計算危險度綜合評分H,以H值的累計頻率0.2、0.4、0.6、0.8所對應(yīng)的值作為閾值[8-9],分為5等級,將研究區(qū)劃分為低危險區(qū)(1.22≤H≤2.80)、較低危險區(qū)(2.803.85),評價成果如圖2及表4所示,實際調(diào)查地災(zāi)分布情況與評價分區(qū)成果基本相符。

4 地質(zhì)災(zāi)害易損性評價

地質(zhì)災(zāi)害的易損性是指通過對風(fēng)險區(qū)內(nèi)各類受災(zāi)體的數(shù)量、價值和不同種類、不同強度地質(zhì)災(zāi)害的抗災(zāi)能力進行分析,確定承災(zāi)區(qū)可能遭受地質(zhì)災(zāi)害危害的人口、工程、財產(chǎn)等的損失。

4.1 評價因子、權(quán)重選取

根據(jù)資料搜集和野外調(diào)查,本文選擇了3種評價因子進行易損性評價:X人口密度、Y農(nóng)村經(jīng)濟總產(chǎn)值、Z土地利用強度[3,9]。針對各因素的差異情況,劃分為高、中、低三個等級,各等級的評價因素值Mij(i=X、Y、Z;j=g、z、d)均設(shè)為:Mig=3,Miz=2,Mid=1(Mig:各因素的高等級評價因素值;Miz:各因素的中等級評價因素值;Mid:各因素的低等級評價因素值)。同時根據(jù)專家打分法確定各因素權(quán)值Ni為:NX=0.40,NY=0.40,NZ=0.20(表5)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性等級區(qū)劃圖Fig.2 Zoning map of the hazard level of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.小路;3.地災(zāi)點;4.水系;5.工作區(qū)。

4.2 易損度計算方法

易損度(V)計算公式為[3,10]:

V=∑Mij·Nii=X、Y、Z

j=g、z、d

4.3 評價成果

根據(jù)易損度值(V)將研究區(qū)劃分為三個等級區(qū),分別為高易損區(qū)(2

5 地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價

表4 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害危險性等級劃分表Table 4 Grade classification of the hazard level of geological hazard in the research area

表5 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性評價分級標準Table 5 Classification criteria for vulnerability of geologic hazard in the research area

5.1 風(fēng)險度計算方法

風(fēng)險度(R)計算公式為:R=H×V,其中H為危險度,V為易損度。

5.2 評價成果

以風(fēng)險度指數(shù)(R)的累計頻率0.2、0.4、0.6、0.8所對應(yīng)的值作為閾值,分為5等級,將研究區(qū)劃分為:低風(fēng)險區(qū)(1.90≤R≤4.99)、較低風(fēng)險區(qū)(4.999.19)(圖4)。

見表7及圖4所示,地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險區(qū)和較高風(fēng)險區(qū)占研究區(qū)總面積約10.91%,面積約20.24 km2。該區(qū)域主要分布于龍?zhí)洞濉堷P村、雙堰塘村、三龍壩村、三河村、向家村以及龍馬村、柑子坪村。區(qū)域內(nèi)斷層發(fā)育,地層主要為志留系、白堊系及第四系地層,工程地質(zhì)條件差,巖體多為軟弱巖體或者第四系松散堆積體,地質(zhì)災(zāi)害點分布密度遠高于其他地區(qū)。這類地區(qū)往往分布于集鎮(zhèn)、社區(qū)和公路工程等周邊,人口密度大,經(jīng)濟發(fā)展繁榮,工程建設(shè)活動強度大。在以上多個綜合條件下,可以預(yù)測該類地區(qū)發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的可能性大,災(zāi)害發(fā)生造成的損失也要遠遠高于其他區(qū)域。

表6 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性等級區(qū)劃表Table 6 Vulnerability classification of geological hazard in the research area

圖3 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害易損性等級區(qū)劃圖Fig.3 Zoning map of vulnerability classification of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.小路;3.水系;4.工作區(qū)。

5.3 典型重大危險性滑坡核查

見圖4、圖5所示,中型土質(zhì)滑坡——竹園坡滑坡(DH12)位于龍鳳鎮(zhèn)三龍壩村東北端,基巖巖性顯示為三疊系下統(tǒng)大冶組(T1d)薄—中厚層泥灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀90°～96°∠12°～15°,上覆松散堆積含粘土碎塊石,物質(zhì)結(jié)構(gòu)松散,處于欠穩(wěn)定狀態(tài)?；聟^(qū)總體地形為下緩上陡的凹形坡,整體坡度20°～25°,分析危險度綜合系數(shù)為4.05,屬高危險區(qū);滑坡對附近32戶130人生命財產(chǎn)以及周圍的國道、鐵路、工廠造成威脅,預(yù)計潛在經(jīng)濟損失超1 000萬元,確定易損度綜合系數(shù)為2.80,屬高易損區(qū)。按風(fēng)險評價原理,該滑坡風(fēng)險系數(shù)綜合評分11.34,應(yīng)位于地質(zhì)災(zāi)害高風(fēng)險等級評價區(qū),與圖4中評價成果是相符的。

表7 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級劃分表Table 7 Zoning map of the risk level of geological hazard in the research area

6 結(jié)語

(1) 根據(jù)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價的目的和要求,以地質(zhì)災(zāi)害危險性評價和易損性評價作為風(fēng)險評價的兩大工作結(jié)構(gòu),以恩施市龍鳳鎮(zhèn)為研究區(qū),對區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害危險性和易損性作出評價,進而根據(jù)二者耦合關(guān)系作出了恩施市龍鳳鎮(zhèn)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價。

(2) 評價成果是在對研究區(qū)的實地調(diào)查和資料搜集的基礎(chǔ)上借助GIS數(shù)據(jù)處理平臺而獲取的,經(jīng)過實地調(diào)查驗證,評價結(jié)果基本符合當?shù)氐膶嶋H情況,能夠作為地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險預(yù)測和防災(zāi)減災(zāi)管理工作的參考依據(jù)。

圖5 研究區(qū)典型滑坡(DH12)剖面圖Fig.5 Profile map of the typical landslide in the research area

1.全新統(tǒng)殘坡積層;2.全新統(tǒng)崩坡積層;3.三疊系下統(tǒng)大冶組;4.粘土夾碎石;5.崩坡積塊石及碎石土;6.泥灰?guī)r;7.巖層產(chǎn)狀;8.滑帶及主滑方向;9.裂縫。

圖4 研究區(qū)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃圖Fig.4 Zoning map of the risk level of geological hazard in the research area1.村名及村界;2.地層界線、地層代號;3.地層產(chǎn)狀;4.斷層;5.工作區(qū);6.典型滑坡點。

(3) 將GIS技術(shù)和數(shù)學(xué)方法結(jié)合應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評價課題的研究方法是有效的,得到的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險等級區(qū)劃圖相比于傳統(tǒng)方法處理得到的結(jié)果,評價成果準確且更精細。

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